Изучаем потенциал когенерации с использованием биомассы для запитки ЦОД

Инженер из компании Integrated Energy Solid Systems International Джон О’Ши решил поделиться опытом применения технологии когенерации (комбинированное производство тепловой и электрической энергии) с использованием биомассы для получения электрической энергии, которую можно использовать для запитки серверного, сетевого и вспомогательного оборудования центра обработки данных. В этой статье мы сконцентрируемся только на твердой биомассе: в качестве топлива эксперт Integrated Energy Solid Systems International предлагает использовать мискант (китайский тростник); компостированные отходы деревообрабатывающей промышленности; древесное энергетическое топливо, заготовленное в лесу (из отходов и др.); а также отходы химической переработки древесины.

По словам О’Ши, электростанции с комбинированным производством электроэнергии и тепла на биомассе мощностью более 50 МВт активно используются в целлюлозно-бумажной промышленности, а также применяются для целей централизованного отопления и энергоснабжения, выступая в качестве теплоцентралей. Но в течение последних десять лет все больше инженеров стали уделять внимание возможности применения когенерации с использованием биомассы для запитки малых и средних дата-центров. Рассматривались главным образом энергоблоки мощностью от 3 МВт до 20 МВт, сырьем для которых выступают отходы производства расположенных неподалеку лесопилок и заводов по гранулированию древесины.

Примером успешной реализации подобного проекта может служить 3-мегаваттный энергоблок на биомассе, введенный в эксплуатацию на территории Великого Герцогства Люксембург. Генерирующие мощности в данном случае работают в связке с заводом по гранулированию древесных отходов и небольшим дата-центром. В качестве топлива используется комбинация отходов химической переработки древесины и древесного энергетического топлива. Вырабатываемая с помощью биомассы электроэнергия поставляется в центральную электросеть в обмен на “зеленые” сертификаты. Затем электричество из центральной электросети подается в дата-центр, чтобы запитать IT- и вспомогательное оборудование общей мощностью около 5 МВт.

Древесина сжигается при использовании подвижной ступенчатой колосниковой решетке, которая выполнена из высококачественной хромированной стали. Температура горения на решетке поддерживается за счет горения при низкой подаче воздуха, подачи вторичного воздуха в топку и рециркуляции дымовых газов. Для выработки пара используется водотрубный (паровой) котел.

Пар вырабатывается при среднем давлении и температуре примерно в 400 градусов по шкале Цельсия, а затем подается в многоступенчатую паровую турбину для экстракции и конденсации. При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу с электрическим генератором, что позволяет вырабатывать электроэнергию. При этом часть отработанного пара из многоступенчатой турбины конденсируется и подается обратно в водотрубный (паровой) котел, а еще одна часть используется:

• При сушке древесины для последующего гранулирования;
• Для обеспечения работоспособности абсорбционных чиллеров, позволяющих получить охлажденную воду с температурой в 8 градусов по шкале Цельсия;

Охлажденная вода из чиллеров поступает в дата-центр, где с использованием системы кондиционирования и принудительной вентиляции она помогает организовать подачу охлаждающего воздуха в машзалы. Благодаря использованию абсорбционных чиллеров с нагревом паром люксембуржцы добились значительного сокращения энергетических затрат и минимизации выбросов излишнего тепла в атмосферу. К слову, за рациональное использование тепловой энергии операторам дата-центра из центрально-европейской страны также полагаются “зеленые” сертификаты.

Энергия

Общий КПД когенерационной электростанции составляет 85%. Электрический КПД варьируется в пределах от 20 до 25%. Для достижения подобной эффективности при выработке электричества пар необходимо извлекать при давлении в 1.5 бар (а) (абсолютное давление в барах), а также достигать вакуума в 0.07 бар (а). Чтобы достичь такого уровня вакуума, необходимо добиться минимизации температуры охлаждающей воды, которая проходит через конденсатор.

Водяное охлаждение

Если прямоточная система водяного охлаждения доступна постоянно, ее использование будет идеальным решением. Тем не менее, во многих случаях подобная система недоступна. В качестве альтернативы можно рассмотреть конфигурацию на базе испарительной градирни, где поддерживается температура не выше 18 градусов по шкале Цельсия, если измерять по “мокрому” термометру. Это позволят подавать воду при 22 градусах по шкале Цельсия в конденсатор, при этом обратно в градирню будет поступать вода с температурой в 28 градусов по шкале Цельсия.

Воздушное охлаждение

Воздушное охлаждение конденсатора также возможно, но при этом для достижения требуемого уровня вакуума придется использовать дополнительное энергозатратное оборудование, что оберется снижением общего уровня энергетической эффективности системы.

Преимущества для дата-центров

Так как на долю затрат на энергопотребление приходится не менее 50% от общей стоимости эксплуатации дата-центра, снижение этого показателя является ключевым условием уличения результативности эффективности бизнеса организации, которой он принадлежит. Кроме того, в последнее время стремительно возрастает важность снижения углеродного следа дата-центра, в обмен на которое операторы ЦОД могут рассчитывать на налоговые льготы и удешевление электричества, поступающего из центральной электросети.

Когенерация в целом является очень подходящей технологией для использования в связке с дата-центрами, так как позволяет получить дополнительную электрическую и тепловую энергию, источниками которой могут выступать:

• Паровые турбины;
• Газовые турбины;
• Газовые двигатели, работающие на бедных смесях;
• Топливные элементы;

Но в случае использования твердой биомассы, который рассматривается в нашей статье, единственными подходящими источниками энергии являются лишь паротурбинные генераторы. В настоящее время доступны как одноступенчатые, так и многоступенчатые (от семи до девяти ступеней) турбины, используемые в составе электростанций с комбинированным производством электроэнергии и тепла на биомассе общей мощностью от 1 тыс. кВт до 10 МВт, причем уже ведется изучение возможности использования в связке с ЦОД и более мощных энергоблоков.

Излишняя тепловая энергия, как уже отмечалось выше, может быть использована для обеспечения работоспособности абсорбционных чиллеров, позволяющих получить охлажденную воду. Последняя используется для охлаждения воздуха, поступающего в машзалы ЦОД.

При этом благодаря получению “зеленых” сертификатов, связанных с использованием твердой биомассы в качестве замены обычному углеводородному топливу, операторы ЦОД, построившие неподалеку от своего дата-центра когенерационную электростанцию, могут помимо прочего добиться снижения стоимости выработки электроэнергии на 20% и более.

Капитальные затраты

Капитальные затраты из расчета на 1 МВт генерирующей мощности (включая расходы на проектирование и развертывание системы охлаждения воды) будут составлять порядке 5 млн. долларов США (справедливо для Центральной и Западной Европы) / 1 МВт. При этом эксперты подчеркивают, что срок окупаемости подобных инвестиций составляет около трех лет.

Следует отметить, что уровень капитальных затрат может значительно различаться в зависимости от того, какие варианты топлива будут использоваться. Так, возможность выбирать между разнообразными видами сгораемого топлива дает различные преимущества финансового плана.

Разрешения

Для успешной реализации проекта по созданию подобной электростанции операторам ЦОД будет необходимо получить:

• Разрешение на застройку участка;
• Разрешение на выброс отходов (разрешение природоохранных органов);
• Разрешение на создание каналов водоснабжения и водоспуска;
• Разрешение на создании линии электропередачи;

В некоторых случаях может потребоваться заключение дополнительного контракта для организации финансового взаимодействия с местным поставщиком электроэнергии (если операторы ЦОД планируют направлять сгенерированное своими силами электричество не напрямую в дата-центр, а опосредованно: через центральную электросеть и с использованием “зеленых” сертификатов).

Заключение

Из приведенного выше материала, а также из накопленного за последние десять лет отраслевыми экспертами опыта, касающихся выработки энергии с использованием биомассы, можно сделать вывод о том, что использование генераторов на биомассе для запитки элементов инфраструктуры дата-центра целесообразно в следующем случае:

• Уровень IT-нагрузки в ЦОД превышает 5 МВт при аналогичной нагрузке на установки для охлаждения (около 5 МВт);
• Возможность использования массива абсорбционных чиллеров в качестве элемента системы охлаждения серверного оборудования в ЦОД;
• Возможность использования излишней тепловой нагрузки для нужд расположенных неподалеку промышленных объектов: сушка древесины, отопление оранжерей и теплиц для выращивания овощей или других растений и так далее;
• Развитый рынок “зеленых” сертификатов и налоговые льготы, выделяемые чиновниками предприятиям, стремящимся минимизировать углеродных след своей инфраструктуры.