Как Microsoft и Daimler переводят дата-центр на топливные элементы

При выборе местонахождения нового центра обработки данных, принимая решение в пользу той или иной площадки, проектировщики ЦОД хотят получить гарантии надежного соединения с центральной электрической сетью. Обычно этот фактор рассматривается специалистами любой компании одним из первых.

Но в Microsoft думают иначе, предлагая другой подход к определению оптимального месторасположения ЦОД. В течение последних пяти лет компания экспериментировала с топливными элементами на базе водородного и метанового топлива, размещаемыми внутри ЦОД на уровне стойки. Их использование дает ощутимые преимущества с точки зрения местоположения, надежности и энергоэффективности, но приносит с собой целый ряд новых задач.

После испытаний гибрида дата-центра и станции очистки сточных вод Dry Creek Water Reclamation Facility в американском штате Вайоминг и Национальном исследовательском центре по топливным элементам в Калифорнийском университете Ирвина (США) в прошлом году инженеры Microsoft сделали очередной шаг к коммерциализации этой идеи.

В сентябре минувшего года софтверный гигант объединился с фирмами McKinstry и Cummins, чтобы запустить так называемый «первый в мире центр обработки данных на газовом топливе». Проект под кодовым именем The Stark and Simple Data Center, реализуемый в настоящее время совместно с концерном Daimler, — это 20-стойный дата-центр, расположенный в Сиэтле (США). Он находится неподалеку от головного офиса Microsoft.

Авторы проекта отмечают, что их концепция позволяет радикально упростить процесс электропитания серверов и даже удвоить энергоэффективность дата-центров. И все это при одновременном снижении затрат и повышении надежности.

Проект предполагает размещение топливных элементов в ЦОД на уровне серверной стойки. Каждый такой топливный элемент состоит из анода, катода и слоя электролита между ними. В ЦОД используются топливные элементы с протонно-обменными мембранами и водородным топливом (PEMFC). В них молекулы водорода расщепляются в аноде на протоны и электроны, активируемые катализатором. Протон может проходить через мембрану, в то время как электроны на это не способны, что заставляет их перемещаться по внешнему контуру, тем самым производя энергию.

Различные топливные элементы используют разные электролиты и передающие заряд ионы. Но двумя наиболее перспективными для дата-центров технологии являются упомянутая выше PEMFC и твердооксидные топливные элементы (SOFC), причем последние используют природный газ (метан) напрямую.

Системы SOFC имеют более высокую эффективность, большую емкость и пригодны для непрерывной выработки электроэнергии, но работают при более высокой температуре, производят углекислый газ в качестве побочного продукта. К тому же они характеризуются меньшей отзывчивостью при обслуживании переменной нагрузки.

Системы PEMFC, в свою очередь, остаются самым экологически чистым вариантом среди топливных элементов, производя в качестве побочного продукта только воду. Но при их эксплуатации возникают сложности, связанные с недостаточной развитостью и даже полным отсутствием инфраструктуры для распределения и хранения водорода. Однако все может измениться в будущем.

Инженеры Microsoft экспериментировали с обоими подходами, но в конечном итоге остановились на последнем. При этом они отмечают, что ключом к повышению эффективности ЦОД с использованием этой технологии является снижение потерь при передаче электричества от места, где оно генерируется, к месту непосредственного потребления. Энергия теряется по мере перемещения по проводам. При этом в стандартном центре обработки данных к этим потерям добавляются потери при трансформации тока из переменного в постоянный для передачи на сервер.

Когда топливные элементы распределяются по серверным стойкам, потери ограничены только КПД преобразования в самом топливном элементе. Инженеры Microsoft утверждают, что менее 35 процентов электроэнергии, поставляемой электростанцией в рамках стандартной схемы электропитания ЦОД, фактически доставляется в дата-центр из-за потерь при генерации, передаче и распределении. Когда учитывается потребление энергии, связанное с охлаждением, освещением и хранением электричества в ЦОД, оказывается, что только 17,5 процента электроэнергии, поставляемой электростанцией, достигает серверов.

В Microsoft установили, что при использовании топливных элементов на газе рядом с сервером последний получает 29,5 процента генерируемого электричества. Они также говорят о возможности дальнейшего повышения этого показателя, если удастся повторно использовать излишнее тепло от топливных элементов и серверов для охлаждения ЦОД.

Эффективность — это не единственное, что делает концепцию ЦОД на топливных элементах привлекательной. Надежность также может быть ключевой причиной массового внедрения этой технологии. Инфраструктура газовой сети обычно скрывается под землей, что защищает ее от суровой погоды. К тому же, внедрение топливных элементов позволяет операторам дата-центров рассмотреть возможность исключения дизель-генераторов и аккумуляторных батарей, используемых для резервного питания, а также избавления от системы распределения электроэнергии в дата-центре, на которую может приходиться более четверти капитальных затрат при строительстве ЦОД.