Зачем вашему дата-центру генератор на топливных элементах?

Мы живем в мире энергоемких технологий, при этом индустрия ЦОД является одной из наиболее жадных до электроэнергии. К сожалению, мощные электростанции и дополнительные линии электропередачи строятся не столь интенсивно, как этого требует рост потребностей в электроэнергии. Несоответствие спроса и предложения оборачивается ростом цен на электричество. Это заставляет все большее число операторов центров обработки данных отдавать предпочтение концепции распределенной энергетики, которая среди прочего предполагает размещение в непосредственной близости от дата-центра собственных генерирующих мощностей. Источником электричества в данном случае могут служить топливные элементы, позволяющие обезопасить вычислительную инфраструктуру от перебоев в центральной электросети. В отличие от обычных дизельных электрогенераторов, генераторы на топливных элементах работают тихо и являются относительно экологически чистыми, потребляя при этом сравнительно недорогое топливо.

Широкую известность технология топливных элементов получила после Второй мировой войны в период развития аэрокосмической отрасли и начала освоения околоземного космического пространства. В то время инженерам был необходим эффективный, надежный и достаточно компактный источник энергии. В 60-х годах прошлого века специалисты НАСА стали использовать топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Джемини», «Аполлон», «Союз-Аполлон» и «Скайлаб». Подобные энергоблоки обеспечивали электропитание, а также воду и тепло для космических кораблей, используя при этом криогенный водород и кислород. Впоследствии подобные генерирующие мощности нашли применение в космических кораблях многоразового использования «Спейс Шаттл», а также применялись в рамках советской программы «Буран». Топливные элементы доказали свою работоспособность в космосе и вернулись обратно на землю, ставь весьма эффективным и экологичным источником энергии. При этом довольно высокая надежность делает их весьма привлекательными для операторов ЦОД.

Топливные элементы обеспечивают критически важную инфраструктуру электропитанием как гигантские химические аккумуляторные батареи: здесь также имеются два электрода (анод и катод) и электролит (зачастую полимерный). Но в отличие от батарей, которые перестают вырабатывать электроэнергию, когда внутри них прекращаются обратимые химические процессы, топливные элементы будут генерировать электропитание тех пор, пока к ним подается топливо. Водородное топливо, которое используется в подавляющим большинстве случаев, может быть получено из различных горючих веществ вроде природного газа, биогаза (побочный продукт переработки отходов), метана или даже метанола. Водород может подаваться из специальных резервуаров или вырабатываться непосредственно внутри топливного элемента из других видов топлива. До последних лет относительно высокая стоимость топливных элементов наряду с некоторыми техническими трудностями при их производстве и использовании мешала массовому внедрению подобных генерирующих мощностей в коммерческом секторе. Но совсем недавно благодаря технологическому прогрессу инженерам удалось значительно снизить стоимость топливных элементов, которые теперь используются в автомобилях, автобусах, больницах, гостиницах и да, в дата-центрах. Так что же изменилось, и каковы перспективы данной технологии?

Возможности топливных элементов

Есть много различных типов топливных элементов, но основные принципы их работы одинаковы. На аноде молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны, после чего катионы водорода (то есть протоны) проводятся через мембрану к катоду, тогда как электроны отдаются во внешнюю цепь. На катоде молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, образуя воду. Последняя зачастую выступает единственным побочным продуктом реакции и выделяется в виде пара и / или жидкости.

Ключом к эффективной работе подобных генерирующих мощностей является сложный электролит, который отделяет водород и кислород. При этом принадлежность топливного элемента к тому или иному виду определяется как раз таки тем, какой электролит в нем используется. До последнего времени большинство из них нуждались в драгоценных металлах вроде платины, выступающих катализаторами реакций, или использовали вызывающие коррозию материалы. Кроме того, топливные элементы вырабатывают много тепла, из-за чего их корпуса приходилось создавать из специальных термостойких материалов. Все это было причиной относительной высокой стоимости подобных генерирующих мощностей, но благодаря прогрессу на всех фронтах ситуация меняется к лучшему.

Автопроизводители активно продвигают топливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC), так как они идеально подходят для использования в автомобилях благодаря своей долговечности и высокой развитости технологии. Они оптимизированы для работы при низкой температуре, что необходимо для быстрого запуска автомобилей, но это вряд ли можно назвать плюсом в случае необходимости обеспечения непрерывной работоспособности мощных объектов вроде дата-центров. Тем не менее, компания APC (которая теперь является частью Schneider Electric) до недавнего времени продвигала монтируемые в монтажную стойку 10-киловаттные топливные элементы с ионообменными мембранами, подключаемые к резервуарам с водородным топливом, которые располагаются за пределами здания ЦОД. Три таких блока могут быть объединены для достижения генерирующей мощности в 30 кВт. Устройство позиционировалось в качестве резервного источника электропитания для небольших дата-центров, владельцы которых хотели бы избавить себя от шума и проблем, касающихся борьбы с загрязнением окружающей среды, которые характерны для дизель-генераторов. Это был действительно прогрессивный продукт, но он появился на свет раньше положенного, опередив свое время.

Первоначально для создания мощных генераторов, используемых для запитки вычислительных мощностей, применялись фосфорно-кислотные топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC). В их основе лежит проверенная временем конструкция первого поколения, в которой в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота. К слову, семь 200-киловаттных блоков PAFC в течение десяти лет активно используются в коммутационном центре телекоммуникационной компании Verizon в городе Гарден-Сити, штат Нью-Йорк (США).

Но наибольший интерес для операторов ЦОД представляют твердооксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) и топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (Molten-Carbonate fuel Cells; MCFC). Они также являются довольно мощными и обладают надежными конструкциями, что делает их идеальным вариантом для создания мощных стационарных механизмов выработки электроэнергии, которые требуются операторам ЦОД. Справедливости ради отмети, что более ранние проекты с использованием подобных энергоблоков отличались проблемами со стабильностью, но в последующем инженеры благополучно устранили все технологические недостатки. Так, специалистам из компании Bloom Energy удалось создать дешевые и стойкие к высоким температурам материалы, которые в полной мере сооотвествуют требованиям технологии SOFC, обеспечивая стабильность генерирующих мощностей на ее основе. Именно эта компания создала электростанцию из 24 топливных элементов на 4.8 МВт рядом с дата-центром Apple в штате Северная Каролина (США).

Топливные элементы не следует путать с системами ИБП

Крупным топливным элементам требуется относительно много времени, чтобы выйти на требуемую рабочую температуру и полную мощность, поэтому они лучше всего подходят для стабильных нагрузок, которые практически не изменяются 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Это делает применение топливных элементов в ЦОД вполне рациональным. До тех пор пока они снабжаются топливом, генераторы на топливных элементах будут непрерывно и надежно работать в течение, по крайней мере, 20 лет. Но не следует заменять системы бесперебойного питания (ИБП) топливными элементами: генераторы на топливных элементах должны занять место ДГУ или газовых генераторов. А так как наивысший КПД топливных элементов достигается, когда они постоянно работают, их следует сделать основным источником электроэнергии для ЦОД, тогда как центральную электрическую сеть нужно превратить в резервную альтернативу.

Поскольку топливные элементы крайне надежны, необходимость в ИБП с химическими аккумуляторными батареями отпадает, при этом наиболее рациональным становится использованием маховиковых ИБП, которые позволяют защитить инфраструктуру ЦОД от любых краткосрочных колебаний или аномалий в работе топливных элементов, которые могут возникнуть в случае ЧС. Несколько операторов ЦОД, которые уже перешли на топливные элементы, отметили, что возможность избавиться от химических аккумуляторных батарей, и сопутствующих им проблем с надежностью, а также затрат на замену расходных элементов, была одним из главных факторов при выборе топливных элементов.

Аргументы в пользу и против топливных элементов

Основными побочными продуктами топливных элементов являются вода и тепло. Такие генерирующие мощности характеризуются низким уровнем выделения CO2 и других парниковых газов (конкретные цифры зависят от типа топливного элемента). Именно поэтому данная технология считается относительно экологически чистой. Основным производителем мощных топливных элементов была компания United Technologies Corporation (UTC), приобретенная американской ClearEdge Power в 2012 году. Как сообщается, ее специалистам удалось установить около 300 мощных топливных элементов типа PAFC в дата-центрах, больницах и отелях по всему миру.

Основными препятствиями для более масштабного распространения это технологии по-прежнему остается стоимость и необходимость организации механизма эффективного использования тепла, выделяемого энергоблоками. Блоки PAFC вырабатывают тепло при температуре около 600 градусов по Цельсию (1100 градусов по Фаренгейту). Генераторы MCFC работают примерно при той же температуре. Самым рациональным видится использования тепла от этих блоков для выработки пара. Но расплавленные соли в блоках MCFC вызывают коррозию, и для их изоляции требуются специальные материалы для сдерживания. В блоках SOFC нет жидких компонентов. Это означает, что они могут быть установлены в любом положении. Тем не менее, такие топливные элементы работают при температурах от 800 до 1000 градусов по Цельсия (примерно от 1500 до 1800 градусов по Фаренгейту). Это слишком высокая температура для большинства элементов инфраструктуры ЦОД. Иными словами, пока не существует идеального решение проблемы излишнего тепловыделения. Тем не менее, технический прогресс идет вперед и конструкции топливных элементов непрерывно совершенствуются.

Топливные элементы, как правило, воспринимается как очень эффективные, но на самом деле их КПД не столь впечатляющий, как можно было бы ожидать. Генератор на топливных элементах обычно вырабатывает электричество с КПД от 40% до 60%, тогда как излишняя тепловая энергия тратится впустую. Это сопоставимо с 40-процентной эффективностью в случае дизель-генератора. Если операторы ЦОД научатся эффективно использовать излишнее тепло, то могут рассчитывать на довольно высокий КПД – на уровне 85%. Конструкция ЦОД позволяет использовать излишнее тепло от топливных элементов, чтобы согреть здание в зимнее время или же для организации горячего водоснабжения в любое время года. Но подобные подходы не позволяют задействовать абсолютно всю тепловую энергию без остатка. Если ваш ЦОД не расположен в регионе, для которого характерен холодный климат круглый год, то горячий воздух, скорее всего, пойдет насмарку.

Но есть и другие варианты. Одним из них является использование высокотемпературного теплообменника и абсорбционных чиллеров для охлаждения серверного оборудования, но даже высокотемпературные чиллеры не работают на температурах намного выше 140 градусов по Цельсию (285 градусов по Фаренгейту), поэтому при подобном подходе тепло все еще будет использоваться неэффективно. С другой стороны охлаждение с помощью излишней тепловой энергии позволит значительно сократить затраты электроэнергии на запитку системы охлаждения ЦОД. Чиллеры, как правило, являются самыми жадными до электричества элементами системы охлаждения серверного оборудования. Поэтому при внедрении абсорбционных чиллеров общую установленную мощность топливных элементов можно снизить. Но нельзя забывать и о том, что абсорбционные чиллеры требуют регулярного обслуживания. И если топливные элементы по какой-либо причине прекратят работать, то же самое случится и с чиллерами. Центральная электросеть быстро подхватит нагрузку, но как быстро вам удастся получить пар, необходимый чиллерам для поддержания эффективного охлаждения серверов?

Отметим, что отдельная топливная ячейка генерирует ток с напряжением всего около 0.7 вольт, поэтому, как и в случае химических аккумуляторных батарей, ячейки необходимо «группировать» для получения необходимого напряжения. Кроме того, как и аккумуляторные батареи топливные элементы вырабатывают постоянный ток, но для запитки большинства систем ЦОД необходим переменный ток, так что возникает еще одна потеря эффективности при преобразовании постоянного тока в переменный. Тем не менее, топливные элементы позволяют избежать потери мощности от 7% до 15%, которая обычно связана с передачей электричества по ЛЭП из удаленной электростанции в ЦОД, так что на самом деле перевод дата-центра на топливные элементы можно назвать скорее рациональным.

Одними из наиболее распространенных в настоящее время являются стационарные топливные элементы UTC, которые используются для организации электроснабжения многочисленных дата-центров, имеют мощность около 200 кВт и располагаются внутри небольших контейнеров длиной в 5.2 метра. Блоки Bloom Energy имеют длину от 4.5 до 8.5 метра – в зависимости от мощности. Для создания одной электростанции мощностью в 1 мегаватт потребуется пять 200-киловаттных блоков (или шесть и более для достижения нужного уровня избыточности). Также было бы разумно организовать два канала подачи топлива, хотя современные механизмы поставки природного газа являются в большинстве случае гораздо более надежными, чем большинство электротехнических служб.

Так почему же, несмотря на все эти очевидные сложности, дополнительные затраты и хлопоты, Fujitsu, Apple, Verizon, eBay и многие другие высокотехнологичные компании внедряют и используют топливные элементы? Частично это связано с необходимость улучшения имиджа бренда. Крупные потребители энергии в последнее время все чаще сталкиваются с давлением со стороны природоохранных общественных организаций, требующих отказа от «грязных» источников энергии. Устанавливая на своих объектах топливные элементы и другие более экзотические генерирующие мощности, эти компании демонстрируют свою прогрессивность и эко-сознательность. В то же время, вкладывая средства в подобные технологии, крупные компании прокладывают путь для их внедрения “простыми смертными”.