Использование ЦОД при балансировке нагрузки в электросети: теория, кейсы, перспективы

По оценкам МЭА, процессы производства, распределения и потребления энергии всех видов генерируют 75% общего объема антропогенных выбросов парниковых газов. Это делает их основным драйвером изменения климата. По мере ухудшения климатической ситуации растут и риски, связанные с глобальной энергетической безопасностью. Это обусловлено удорожанием ископаемых углеводородов и исчерпанием их запасов, а также недостаточно быстрым развертыванием генерирующих мощностей на фоне растущего спроса на электричество.

Дата-центры потребляют значительное количество электроэнергии, генерируемой по всему миру. С ростом числа энергоемких задач, включая обучение искусственного интеллекта (ИИ), этот показатель, вероятно, увеличится. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), ЦОД потребляют около 1% всей электроэнергии в глобальном масштабе. Годовое потребление дата-центров эквивалентно почти половине объема электроэнергии, потребляемой бытовыми IT-устройствами, включая компьютеры, телефоны и смарт-телевизоры.

Некоторые владельцы ЦОД переходят на электроснабжение с использованием более устойчивых энергоносителей, включая природный газ и водород, и возобновляемые источники энергии, чтобы снизить «углеродный след». Еще один способ – использование ресурсов ЦОД для балансировки центральной электросети (Grid Balancing). Этот подход, сводящийся к уравновешиванию спроса и предложения, снижает совокупную нагрузку, которую дата-центры оказывают на электрические сети и, соответственно, помогает справиться с энергетическим кризисом.

Что такое балансировка сети?

Балансировка энергосистемы — это процесс приведения в соответствие спроса на электроэнергию и ее предложения в рамках центральной электрической сети. Задача непростая, поскольку электричество трудно хранить.

Как отмечают эксперты консалтинговой компании Energy Strategy Reviews, электроэнергия – «скоропортящийся товар». Из-за ограниченных возможностей в части хранения ее необходимо потреблять в момент производства. При этом электрическая сеть должна поддерживать стабильную частоту. Если частота становится слишком высокой или слишком низкой, это может обернуться:

• коротким замыканием;
• отключением электроэнергии;
• повреждением электрических компонентов.

Балансировка осложняется тем, что разные генерирующие мощности, выступающие источниками электроэнергии для центральной сети, имеют уникальные ограничения. Например, ветряные турбины зависят от силы ветра и не могут резко увеличить количество генерируемой электроэнергии. Даже традиционные источники энергии, включая угольные электростанции, требуют времени на увеличение выработки. Еще один фактор, усложняющий балансировку, — непредсказуемый спрос на электричество. Потребители могут внезапно увеличить или уменьшить спрос без предупреждения.

Почему балансировка важна?

Если энергосистема не сбалансирована, возможны:

• Длительные просадки напряжения (Brownouts). Снижению напряжения в сети, из-за чего, например, осветительные приборы начинают мерцать. Просадки могут длиться от нескольких минут до нескольких часов. Иногда операторы центральной электросети намеренно снижают напряжение, чтобы уменьшить нагрузку на собственную инфраструктуру.
• Отключения электроэнергии (Blackouts). Перебои в электроснабжении из-за отказа оборудования. Обычно происходят неожиданно, длятся неопределенное время и затрагивают большие территории.
• Кратковременные провалы и скачки напряжения. Непродолжительным колебаниям напряжения в сети. Провал напряжения (Voltage sag) может произойти при резком росте потребления, а скачок (Voltage surge) — при внезапном снижении спроса. Эти явления обычно кратковременны.
• Сбои инерции сети (Grid inertia failure). Ситуациям, когда из-за отказа оборудования или резких изменений нагрузки нарушается стабильность частоты сети, что может привести к отключению электроэнергии. Электросети используют генераторы и моторы, которые работают на определенной частоте, помогая сглаживать колебания потребления. Если частота тока резко меняется из-за перегрузки или выхода из строя генераторов, это может привести к серьезным сбоям и массовым отключениям электроэнергии.

Подобные события могут вызвать серьезные повреждения силового оборудования и подключенной нагрузки. Например, провалы напряжения могут привести к сбоям или перезапуску серверов в дата-центрах, а скачки – вывести из строя чувствительные компоненты.

Для дата-центров, которые должны работать круглосуточно, такие сбои могут быть катастрофическими. Отключение электропитания и повреждение оборудования приводят к простоям, потере данных и другим критическим последствиям. Именно поэтому важно заранее разрабатывать планы аварийного восстановления и резервного электроснабжения, чтобы минимизировать влияние проблем с энергосистемой.

Как дата-центры могут поддерживать энергосистему?

Вот несколько стратегий, которые проектировщики, строители, владельцы и операторы дата-центров могут использовать для поддержания стабильности центральной электросети:

• Переход на возобновляемые источники энергии через партнеров, стимулирующий инвестиции в альтернативную энергетику. Когда сеть испытывает перегрузку, ее операторы и владельцы генерирующих мощностей могут быть вынуждены прибегнуть к ископаемым видам топлива для увеличения производства электроэнергии. Это негативно влияет на окружающую среду. Хотя возобновляемая энергетика пока не достигла уровня, позволяющего полностью заменить традиционные источники, процесс набирает обороты. Дата-центры могут переходить на «зеленую» электроэнергию, поставляемую компаниями-партнерами, тем самым стимулируя инвестиции в альтернативную энергетику.
• Создание собственных систем выработки и хранения электроэнергии. Дата-центры могут инвестировать в автономные системы генерации и хранения электричества, таким образом помогая балансировать сеть. Например, они могут использовать топливные элементы и газовые турбины как безопасные и стабильные источники энергии. В перспективе возможен переход на малые модульные ядерные реакторы (ММР), в которые прямо сейчас активно инвестируют многие интернет-корпорации, располагающие гипермасштабными ЦОД (Amazon, Meta, Microsoft). Согласно оценкам экспертов консалтинговой компании McKinsey & Company, ММР обеспечат дата-центрам достаточно электричества, помогая снизить зависимость от центральной электросети. Особенно ощутимое конкурентное преимущество за счет использования ядерной энергии могут получить владельцы гипермасштабных серверных ферм, способные профинансировать размещение генерирующих мощностей на собственных кампусах ЦОД. Другие варианты включают создание локальных микросетей, использование резервных источников энергии и аккумуляторных систем для снижения нагрузки на сеть.
• Разработка микросетей (Microgrids). Внедрение автономных локальных энергосистем, известных как микросети, помогает дата-центрам минимизировать зависимость от централизованной сети и повысить энергетическую устойчивость. Такие системы могут одновременно включать солнечные панели, ветрогенераторы, аккумуляторные батареи и газовые турбины, позволяя дата-центру самостоятельно обеспечивать себя электроэнергией в периоды пикового спроса или аварийных отключений центральной сети. Микросети также дают возможность продавать избыточную электроэнергию внешним потребителям, повышая общую стабильность региональной энергосистемы.
• Оптимизация энергосетевой архитектуры. Проектировщики дата-центров могут сотрудничать с энергетическими компаниями и операторами центральной электросети для более эффективной интеграции ЦОД в региональную энергосистему. Это позволит уменьшить общее энергопотребление и повысить устойчивость сети.
• Участие в программах управления спросом. Программы управления спросом (demand response) позволяют дата-центрам сокращать или изменять потребление электроэнергии в часы пик в обмен на финансовые стимулы. Они позволяют переносить вычислительные нагрузки на периоды с меньшей загруженностью сети или когда доступно больше энергии из возобновляемых источников (солнечные дни в случае гелиоэлектростанций, дождливые и ветряные периоды в случае ГЭС и ВЭС, соответственно), а также получать компенсацию за такие действия. Однако участие в этих программах сопряжено с рисками: операторы дата-центров должны быть уверены в наличии достаточных резервов энергии. Поэтому необходимо тщательно оценить возможные затраты и выгоды.
• Поддержка технологии «виртуальных электростанций» (VPP – Virtual Power Plants). «Виртуальные электростанции» представляют собой децентрализованные сети, объединяющие различные энергоемкие объекты, включая, например, дата-центры, промышленные предприятия и жилые здания, в единую интеллектуальную систему управления энергопотреблением. В рамках этой модели дата-центры могут гибко регулировать потребление электричества в зависимости от общей нагрузки, снижая пиковые значения и перераспределяя ресурсы более равномерно. Это помогает энергокомпаниям избежать перегрузок и снижает потребность в задействовании дополнительных генерирующих мощностей на «грязном» ископаемом топливе.
• Оптимизация алгоритмов энергопотребления с помощью ИИ. Внедрение искусственного интеллекта и машинного обучения в процессы управления энергопотреблением ЦОД позволяет динамически адаптировать работу дата-центров к изменяющимся условиям сети. Например, интеллектуальные системы могут прогнозировать пики нагрузки, заранее снижая энергопотребление и перераспределяя вычислительные задачи. Это помогает минимизировать потери, продлить срок службы оборудования и улучшить общую энергоэффективность ЦОД.
• Использование систем рекуперации тепла. Дата-центры выделяют огромное количество тепловой энергии, которая в большинстве случаев просто рассеивается в окружающую среду. Однако современные технологии позволяют повторно использовать это тепло для обогрева жилых и коммерческих зданий, промышленных объектов и теплиц. Например, в странах с холодным климатом серверные фермы можно интегрировать с городскими системами теплоснабжения, снижая потребность в традиционных источниках отопления. В некоторых случаях рекуперация тепла позволяет уменьшить нагрузку на центральные электросети, сокращая общее потребление энергии в регионе.
• Использование жидкостного охлаждения вместо воздушного. Традиционные системы охлаждения серверов, основанные на воздушном потоке, потребляют значительное количество электроэнергии. Жидкостное охлаждение, особенно иммерсионное (погружение серверов в диэлектрическую жидкость), позволяет значительно снизить энергопотребление за счет более эффективного удаления тепла. Кроме того, жидкостные системы могут быть интегрированы с механизмами рекуперации тепла, направляя избыточное тепло в отопительные сети или на другие нужды, что делает работу дата-центра еще более экологичной и энергоэффективной.
• Возврат избыточной электроэнергии в центральную сеть. Современные дата-центры оснащаются мощными системами бесперебойного питания (ИБП), которые могут не только защищать оборудование от сбоев, но и накапливать электроэнергию. ИБП можно использовать для передачи накопленного электричества обратно в центральную сеть, помогая компенсировать пиковый спрос. Такой подход, известный как Grid Interactive UPS, позволяет дата-центрам выступать в роли буферных хранилищ энергии, снижая нагрузку на электростанции и повышая устойчивость энергосистемы. Некоторые компании уже тестируют подобные решения в своих дата-центрах, интегрируя их с программами управления спросом (Demand Response) и виртуальными электростанциями (VPP).

Примеры из реальной практики

• Google использует программное обеспечение для предсказания нагрузки на электросети и перераспределения вычислительных задач между дата-центрами. Например, при прогнозируемом «тепловом ударе» (резкий рост температуры окружающей среды в летние периоды, когда существенно повышается нагрузка на системы охлаждения серверов) компания снижает нагрузку на локальные сети, перенося ресурсоемкие процессы в регионы с более низким спросом на электроэнергию. Инженеры Google активно изучают технологию Grid Interactive UPS, позволяющую возвращать избыточные ресурсы в центральную сеть.
• Microsoft тестирует водородные топливные элементы в качестве резервных источников электропитания для своих дата-центров. В 2023 году компания успешно запустила 3-мегаваттную систему на водороде, которая в перспективе может заменить дизельные генераторы, обеспечивая экологически чистое электричество для стабильной работы серверных мощностей.
• Колокейшн-провайдер Equinix внедряет технологии жидкостного охлаждения для повышения энергоэффективности своих ЦОД. Компания использует иммерсионные охлаждающие системы, которые снижают потребление электроэнергии на 20-40% по сравнению с традиционными воздушными системами. Это также уменьшает нагрузку на электросети и позволяет эффективно управлять тепловыми отходами.
• Facebook (Meta) применяет алгоритмы машинного обучения для оптимизации энергопотребления. Искусственный интеллект анализирует данные о нагрузке на сеть и автоматически регулирует работу серверов.
• Поставщик инфраструктурных решений для дата-центров Schneider Electric разрабатывает интеллектуальные системы управления энергопотреблением ЦОД. Решения компании позволяют операторам гибко интегрировать ЦОД в программы управления спросом (Demand Response), корректируя потребление электроэнергии в зависимости от доступности ресурсов.
• Switch Data Centers строит дата-центры, работающие исключительно на возобновляемых источниках энергии. В своих кампусах компания использует локальные микросети (Microgrids), объединяющие солнечные панели, ветрогенераторы и аккумуляторные батареи, что снижает зависимость от центральных энергосетей и повышает устойчивость инфраструктуры.
• Alibaba Cloud реализует стратегию «Net Zero Cloud», направленную на снижение выбросов углекислого газа и оптимизацию энергопотребления. Компания активно использует системы рекуперации тепла, передавая тепловую энергию на обогрев соседних зданий.
• IBM тестирует интеграцию дата-центров в виртуальные электростанции (VPP – Virtual Power Plants), объединяя их с другими энергоемкими объектами для балансировки нагрузки в региональных энергосистемах.
• Amazon инвестирует в сотни ветряных и солнечных ферм по всему миру, помогая расширять генерирующие мощности на базе возобновляемой энергетики. В США компания строит локальные микросети на базе солнечных электростанций, обеспечивая автономное энергоснабжение своих дата-центров.

Эти примеры показывают, как крупнейшие технологические компании адаптируют работу дата-центров для поддержки стабильности энергосистем и снижения «углеродного следа».

Заключение

Дата-центры играют все более значимую роль в энергетической экосистеме, оказывая заметную нагрузку на центральные сети. С увеличением потребления электроэнергии, вызванного ростом вычислительных мощностей, их интеграция в механизмы балансировки сети становится стратегически важной задачей. Компании активно внедряют решения и стратегии, снижающие «углеродный след» и повышающие устойчивость энергосистем: переход на возобновляемые источники, развитие микросетей, участие в программах управления спросом, внедрение алгоритмов ИИ и технологий рекуперации тепла. Реальные кейсы крупнейших технологических корпораций, включая Google, Microsoft, Amazon и Alibaba, демонстрируют эффективность этих подходов.

Использование виртуальных электростанций, гибкое управление рабочими нагрузками и развитие автономных систем хранения электроэнергии позволяют не только уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, но и повысить надежность всей инфраструктуры. В дальнейшем синергия между ЦОД и энергетическим сектором будет лишь усиливаться, что сделает их важными участниками глобального перехода к более устойчивым моделям потребления энергии.