Природный газ vs. дизтопливо: что выберут операторы ЦОД?

Многие владельцы ЦОД сегодня публично демонстрируют приверженность сведению «углеродного следа» подконтрольных объектов до 0 уже к 2030 или 2035 году. Задача, прямо скажем, непростая и требующая комплексного подхода.

Одним из способов достижения амбициозной цели является переосмысление подхода к организации резервного электропитания с сохранением оптимального баланса между надежностью и устойчивостью.

Активно применяемые сегодня резервные дизельные электрогенераторы повышают «углеродный след» ЦОД, выделяя значительное количество парниковых газов в атмосферу при эксплуатации. Кроме того, подобные устройства являются крайне шумными.

Требуются альтернативы. Например, газовые генераторы, работающие на более экологически чистом относительно дизтоплива природном газе и использующие ресурсы газораспределительной сети.

Преимущества газовых генераторов для ЦОД

• Парниковые газы: Одно из основных преимуществ сжигания газа перед сжиганием дизельного топлива — более низкие выбросы. Благодаря специфике химической структуры энергоносителя достигается существенное уменьшение объема попадающих в атмосферу оксидов азота (NOx) и двуокиси углерода (CO2). В зависимости от типа используемой системы зажигания газовые генераторы в более высоком диапазоне номинальных мощностей обычно работают на обедненной смеси (соотношение воздух-топливо выше, чем стехиометрическое соотношение воздух-топливо (16:1)), что приводит к более низкой температуре сгорания, сводя к минимуму выбросы NOx.
• Газораспределительная сеть: ЦОД с газовыми генераторами можно подключать к сети газораспределения, представляющей собой систему наружных газопроводов, идущих от источника до конечных потребителей. Подобная инфраструктура повышает безопасность транспортировки энергоносителя, удешевляет процесс и делает его более эффективным. Возможность подключения генератора к газораспределительной сети позволяет избежать необходимости размещения топливного бака рядом с ЦОД и, следовательно, минимизировать проблемы с дозаправкой во время длительных перебоев в работе центральной электросети.
• Отсутствие проблемы замерзания: Самая холодная зима не повлияет на инфраструктуру распределения природного газа. Даже если потребляющая его серверная ферма располагается в Антарктиде. С другой стороны, температура замерзания дизтоплива составляет -32 °C. Замерзая, дизельное топливо достигает состояния льда подобно воде, что существенно повышает риск выхода из строя топливораспределительной системы. Причем последующее потепление, например, до -10 °C, проблему не решает, поскольку дизтопливо оттаивает при плюсовой температуре.
• Тишина: Газовые генераторы тише ДГУ. Минимизация шумового загрязнения достигается с помощью специальных «глушителей». Вендоры предлагают как решения на основе обычных отражающих материалов, которые уменьшают звук в низком и среднем диапазоне частот, так и «глушители» на основе абсорбции, которые превосходно снижают уровень звука средних и высоких частот. Данное обстоятельство позволяет сократить растущее беспокойство общественности по поводу роста концентрации дата-центров в определенных областях, включая жилые районы, и, соответственно, риска повышения шумового загрязнения.
• Балансировка нагрузки в электросети: Газовые генераторы, в отличие от ДГУ, можно использовать для предоставления прибыльных услуг по балансировке нагрузки в центральной электросети, помогая энергетическим компаниям српавляться с возрастающим спросом в часы пик. Данная технология дополнительно упрощает внедрение возобновляемых источников энергии, характеризующихся прерывистостью с точки зрения выработки электричества (солнце светит только днем, а ветер дует не всегда).
• Доочистка выхлопных газов вместе с шумоподавлением: Природный газ состоит не только из чистого метана, но и из других соединений. Следовательно, при сжигании, помимо стандартного монооксида углерода, также генерируются оксиды азота (NOx), диоксид углерода (CO2), закись азота (N2O), формальдегид (HCHO), летучие органические соединения (ЛОС), следовые количества диоксида серы (SO2) и твердые частицы. Вредные вещества попадают в атмосферу в меньших количествах, чем в случае дизельного топлива, но все же газовые генераторы загрязняют атмосферу. Благо, ряд компаний предлагает системы доочистки выхлопных газов за вменяемые деньги. Причем оборудование используется одновременно для снижения выбросов и шумоподавления, охватывая всю систему выпуска отработавших газов, размещенную в цепи компонентов сразу после двигателя. Справедливости ради отметим, что данная технология применима и к ДГУ, но в случае дизель-генераторов, работающих лишь в периоды отключения подачи электричества из центральной сети, ее применение экономически малоцелесообразно. Напротив, газовые генераторы, используемые для балансировки нагрузки в центральной сети (см. пункт выше) и генерирующие дополнительный доход владельцу ЦОД, превосходно подходят для эксплуатации в тандеме с подобными дорогостоящими решениями.
• Рекуперация тепла: В тандеме с газовыми генераторами можно использовать теплообменник для более эффективной эксплуатации последних путем производства горячей воды (причем, независимо от типа топлива, образующего выхлопной газ, включая водород, природный газ, биогаз, канализационный / аэрационный газ и специальные газы). Ключевым условием выступает достаточно длительная эксплуатация газового генератора (см. пункты выше).

Минусы использования газовых генераторов в ЦОД

• Инфраструктура: Целесообразность перевода ЦОД с дизельных на газовые генераторы оказывается под сомнением при отсутствии развитой газораспределительной сети в соответствующем регионе. Проектировщикам приходится закладывать в бюджет развертывание хранилища топлива на месте – по аналогии с резервуарами для дизтоплива в случае ДГУ. Причем требуется хранение топлива на месте в большом количестве. Для того чтобы дата-центр прошел сертификацию Uptime Tier, требуется возможность обеспечить минимум 12 часов работы в автономном режиме. Даже если дата-центр не планируется сертифицировать на соответствие требованиям Tier, большинство операторов ЦОД не будут чувствовать себя комфортно из-за отсутствия местного хранилища топлива. Данное обстоятельство также препятствует использованию газовых генераторов в ходе аварийно-спасательных операций.
• Высокие начальные капвложения: Слабая распространенность газовых генераторов в сегменте ЦОД и относительная дороговизна подключения к инженерным сетям, требующего соединения с локальным распределительным газопроводом (при использовании ДГУ размер соответствующей статьи расходов сводится к минимуму – требуется лишь силовое соединение с нагрузкой), выливаются в более высокие начальные затраты. Ситуация усугубляется, если в непосредственной близости от ЦОД нет локального распределительного газопровода, и необходимо создавать местное газохранилище. Благо, высокие начальные капвложения зачастую являются оправданными с экономической точки зрения, поскольку в долгосрочной перспективе совокупная стоимость владения сокращается относительно ДГУ.
• Риски с точки зрения надежности: Выше приводился аргумент, что система распределения природного газа по своей природе надежна (главным образом потому, что она почти полностью находится под землей и имеет сетчатую архитектуру). Однако это не всегда так, о чем свидетельствует прекращение подачи природного газа во время массового отключения электричества в Техасе зимой 2021 года, о котором писали многие СМИ.

Другие альтернативы ДГУ: геотермальная энергия, гидроочищенное растительное масло, литий-ионные батареи и водородные топливные элементы

Газовыми генераторами и ДГУ выбор операторов и владельцев ЦОД не ограничивается. Многие компании-первопроходцы внедряют новые подходы к резервному электропитанию. Перечень подходов, применяемых для обеспечения отказоустойчивости электроснабжения ЦОД, включает альтернативные виды топлива, крупномасштабные массивы аккумуляторных батарей, топливные элементы и геотермальные источники энергии. Рассмотрим опыт Microsoft, Switch, Kao Data и Google.

Google планирует использовать аккумуляторы для замены дизельных генераторов в одном из своих дата-центров в Бельгии, описывая проект как первый шаг к использованию более экологически чистых технологий для обеспечения резервного электропитания миллионов серверов по всему миру. Пилотный проект в бельгийском дата-центре Google начнется этим летом и предполагает использование емких литий-ионных батарей. Цена на литий-ионные батареи упала примерно на 80 процентов за последние пять лет, что позволило интегрировать накопители в солнечные энергетические системы.

Microsoft и французская энергетическая компания Total заключили соглашение о партнерстве для оценки долгосрочных перспектив развертывания емких батарей в качестве резервного источника электропитания для критически важной инфраструктуры ЦОД.

Колокейшн-провайдер Switch объявил о планах использовать новую систему хранения электроэнергии Megapack от Tesla, чтобы увеличить долю солнечной энергии в энергетическом балансе своих огромных кампусов ЦОД в американских городах Лас-Вегас и Рино. Компания уже приступила к реализации энергетического проекта Gigawatt-1, предполагающего использование массивов солнечных панелей в трех местах общей мощностью 555 мегаватт (МВт).

Система Megapack упростит балансировку нагрузки, накапливая излишки электричества в солнечную погоду и передавая их подключенному потребительскому оборудованию в пасмурные периоды / ночью. Компания рассчитывает использовать Tesla Megapack для создания хранилища емкостью более 800 мегаватт*часов (МВт*ч).

Топливные элементы — еще один инструмент с большим потенциалом. Одно из самых многообещающих испытаний с участием соответствующего оборудования провела Microsoft, протестировав водородные топливные элементы. Инженеры Microsoft эксплуатировали ряд из 10 стоек облачных серверов Azure в течение 48 часов с использованием системы топливных элементов на водороде мощностью 250 киловатт. Тест проводился на объекте недалеко от Солт-Лейк-Сити, штат Юта (США). Поскольку большинство инцидентов с отключением подачи электроэнергии в ЦОД длятся менее 48 часов, этот тест убедительно показал, что топливные элементы можно использовать вместо дизельных генераторов.

Другой вариант — геотермальная энергия. Поисковый гигант Google скоро начнет использовать геотермальную энергию для запитки дата-центров в Неваде. Корпорация станет первым оператором гипермасштабного облачного ЦОД, использующим тепло Земли в качестве источника электропитания . Особенностью данного подхода является возможность обеспечивать подключенную нагрузку экологически чистой электроэнергией круглосуточно. Проект реализуется при участии энергетического стартапа Fervo Energy. Инженеры планируют использовать подземные оптоволоконные кабели в качестве датчиков для определения лучших мест забора геотермальной энергии.

Перевод ДГУ на менее углеродоемкие виды топлива является еще одним логическим шагом, поскольку позволяет «защитить» огромные инвестиции в дизельные генераторы, внесенные ранее владельцами дата-центров. Британский поставщик услуг ЦОД Kao Data перевел все резервные генераторы в своем кампусе в Харлоу, Англия, на инновационное топливо HVO (гидроочищенное растительное масло). Использование данного энергоносителя устранит до 90% выбросов CO2 при эксплуатации резервных генераторов, одновременно снижая выбросы оксида азота, оксида углерода и твердых частиц.

Вместо заключения

Повышение экологичности ЦОД будет скорее эволюцией, чем революцией — долгим путешествием с множеством остановок, а не пунктом назначения, достигнутым в кратчайшие сроки. Одной из остановок на этом пути станет постепенный отказ от дизельных резервных генераторов и их замена более экологически чистыми и менее углеродоемкими решениями.

Аккумуляторные технологии и топливные элементы пока не способны взять на себя эту роль. С другой стороны, генераторы на базе природного газа, закрепляющие за собой растущую долю рынка резервного электроснабжения дата-центров, способны стать доступной альтернативой ДГУ на дизельном топливе в относительно короткие сроки, обеспечивая повышение устойчивости и окупаемость в долгосрочной перспективе.