Как работает пневмоаккумулятор для ЦОД?

Мировое сообщество поставило перед собой амбициозную цель, заключающуюся в минимизации углеродного следа инфраструктуры, избегая попадания парниковых газов в атмосферу и замедляя глобальное потепление. Многие компании уже движутся в данном направлении, испытывая давление со стороны широкой общественности, экологов и регулирующих органов. Владельцы ЦОД – не исключение.

Проблема при переходе на возобновляемые источники энергии

Достижению поставленной цели, как ожидается, поспособствует отключение электростанций на ископаемом углеводородном топливе с заменой привычных генерирующих мощностей более прогрессивными аналогами на базе возобновляемых источников энергии, включая солнечный свет и ветер.

Но существует большая проблема, которую легко сформулировать, но крайне трудно решить. Возобновляемые источники энергии НЕ позволяют вырабатывать электричество постоянно, в отличие от ископаемых энергоносителей.

Электроэнергия вырабатывается солнечными и ветряными электростанциями лишь при подходящих условиях: когда светит солнце и дует ветер, соответственно. Но спрос на электроэнергию существует постоянно, меняясь в зависимости от времени суток и иных факторов. Чтобы избавиться от ископаемых энергоносителей, необходимы механизмы хранения излишков энергии, создаваемой с помощью возобновляемых источников.

Гидроаккумулятор можно развернуть не везде

В ряде стран задача решается с помощью гидроаккумуляторов, создаваемых на основе гидроэлектростанций рядом с большими горными озерами. Достаточно использовать лишнюю электроэнергию для перемещения воды в обратном направлении, закачивая жидкость в озеро, чтобы накопить энергию. Британская гидроэлектростанция Dynorwig в Уэльсе способна хранить до 9 ГВт*ч электроэнергии с помощью подобного механизма, обеспечивая интенсивность «разрядки» на уровне до 1,8 ГВт.

Но далеко не везде можно построить аналог Dynorwig. Поэтому инженерам приходится искать иные варианты: от новых продвинутых аккумуляторных технологий с использованием электролиза для создания экологичного водорода до применения кранов, поднимающих гигантские бетонные блоки в воздух для хранения потенциальной энергии.

Пневмоаккумулятор — перспективная альтернатива

Сжатый воздух также фигурирует в соответствующем списке. Надуйте воздушный шар, и сжимаете воздух внутри, накапливая потенциальную энергию. Позвольте шару расшириться, и энергия высвободится. Физики объясняют подобный процесс законом Бойля.

Эта идея использовалась при эксплуатации поездов в шахтах без риска взрыва, став основой для пневматической железной дороги, где подвижной состав приводится в движение энергией сжатого / разреженного воздуха.

Недавно данную концепцию начали брать на вооружения энергетические компании. Ярким примером является британская компания Storelectric, планирующая использовать концепцию пневмоаккумулятора для создания автономных хранилищ энергии, чтобы зарабатывать, покупая задешево излишки электроэнергии из центральной сети в часы минимальной нагрузки с целью последующей продажи обратно в сеть в часы пиковой нагрузки, когда цена электричества находится на максимальном уровне.

Идеальный вариант для ЦОД?

Эксперты заявляют, что данная концепция идеально подходит для владельцев даже небольших центров обработки данных, поскольку компания Storelectric способна самостоятельно профинансировать создание системы хранения энергии рядом с ЦОД, что минимизирует капитальные затраты.

Для дополнительной минимизации издержек владелец ЦОД может заключить соглашение о закупке электричества из возобновляемых источников энергии у стороннего поставщика, эксплуатируя чужую солнечную / ветряную ферму.

У компании Storelectric есть планы по строительству двух пневмоаккумуляторов, способных хранить 200 МВт и 2,5 ГВт электроэнергии в подземных соляных кавернах, соответственно. Уже ведутся переговоры с инженерной фирмой, готовой взять на себя строительство. Но подобные планы пока пришлось отложить, поскольку компания ищет необходимое финансирование.

Геополитический процесс под названием Brexit усложнил жизнь британцам из Storelectric, мешая осуществлять сбор денег и работать с партнерами / клиентами из континентальной части Европы. Но компания также собирается использовать возможности, открывающиеся на родине в связи с выходом Великобритании из Евросоюза.

Проверенные временем пневмоаккумуляторы

Пневмоаккумуляторы уже успели себя хорошо зарекомендовать. Например, в Хунторфе, Германия, с 1978 года используется установка мощностью 300 МВт, принадлежащая EN Kraftwerke. Между тем, Alabama Electric Corp с 1991 года управляет объектом в Макинтоше мощностью 110 МВт.

Следуя предлагаемой Storelectric концепции, подобные установки закачивают воздух в подземные соляные пещеры. Но обе установки используются в тандеме с газовыми турбинами для балансировки спроса, что не позволяет исключить использование ископаемого топлива. Кроме того, обе установки не особенно эффективны, работая с КПД на уровне 40-50%.

Проблемы с КПД и низкая стоимость хранения

Создатели пневмоаккумуляторов следующего поколения работают над повышением КПД. И главная проблема заключается в следующем: сжатие воздуха делает более его горячим. Если подобное тепло теряется впустую, эффективность снижается.

Создатели механизмов аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха сегодня пытаются отделить воздух от тепловой энергии и хранить их отдельно, чтобы впоследствии снова объединить. По сути, когда газ сжимается, выделяет тепло. Когда газ расширяется, тепло потребляется. Если при сжатии газа тепло сохранили, его можно использовать в процессе расширения.

Пневмоаккумуляторы гораздо более масштабируемы, чем стандартные химические батареи, способные заряжаться и разряжаться дешево и обеспечивающие высокий КПД, но имеющие высокую стоимость из расчета на единицу хранимой энергии.

Если хотите хранить в два раза больше энергии, покупаете в два раза больше химических батарей. В случае сжатого воздуха, нагнетаемого в подземный объект, дополнительные затраты на очередной миллион литров сжатого воздуха очень малы.

Жидкий воздух

Компания Highview Power использует иной подход, сжимая воздух намного сильнее, пока тот не превратится в жидкость. Ее инженеры уже реализуют пилотные проекты в Великобритании и США, включая объект мощностью 50 МВт недалеко от Манчестера, использующий мелкомасштабное наземное оборудование, способное удовлетворить потребности центров обработки данных.

Системы с жидким воздухом не нуждаются в подземных резервуарах и способны хранить энергию в течение длительного времени. «Обратной стороной медали» является выделение гораздо большего количества тепла (при конденсации) и холода (при испарении).

Но, как отмечают представители Highview Power, данную особенность технологии можно нивелировать при эксплуатации систем хранения энергии в тандеме с ЦОД, генерирующими тепло и нуждающимися в холоде.

Партнеры дата-центров

Среди компаний, развивающих технологию пневмоаккумуляторов, наиболее громкие заявления о партнерстве с центрами обработки данных делает базирующаяся в США компания Energy Internet Corporation (EIC). Возможная причина кроется в том, что ее генеральный директор Шанкар Рамамурти ранее запустил стартап VPS, создававший стоечные силовые установки для ЦОД.

У EIC есть система, использующая так называемый «жидкостный поршень». Компания одновременно работает над большими подземными проектами и над небольшими системами хранения энергии над землей, в которых будет использоваться система жидкого воздуха, аналогичная решениям от Highview.

Компания обещает продукты мощностью от одного мегаватта в случае жидкого воздуха до гигаватта и более в случае сжатого воздуха. Команда EIC планирует продемонстрировать соответствующие продукты потенциальным клиентам уже в 2022 году.

Решение мощностью 1 МВт разрабатывается специально для обеспечения стабильных поставок экологически чистой электроэнергии в ЦОД. Отмечается, что проект осуществляется в сотрудничестве с «крупной компанией по производству микросхем». Поскольку EIC ранее объявляла об исследовательской работе с Intel, вполне вероятно, что последняя и является неназванным партнером.

Повторное использование старых нефтяных скважин

В более крупных инфраструктурных проектах EIC использует истощенные нефтяные и газовые скважины в качестве резервуаров для хранения сжатого воздуха. Руководство фирмы надеется заключить соглашение о партнерстве с нефтяной компанией, чтобы провести испытание системы мощностью 5 МВт.

Уже ведутся переговоры с одной из крупнейших нефтегазовых компаний Калифорнии, располагающей более чем 5 тыс. истощенных скважин и несколькими резервуарами в центральной Калифорнии.

Нефтяные компании могут воспользоваться шансом и повторно использовать старые скважины, получая дополнительную прибыль за счет имеющихся старых активов, вместо того чтобы тратить миллиарды $ на их вывод из эксплуатации в рамках установленных законом процедур.

Преимуществом данного варианта является наличие старых трубопроводов, а также результатов многолетнего анализа данных на детальном уровне, позволяющие точно понять, как конкретный резервуар будет себя вести.

Жидкостный поршень

В собственных системах EIC старается поддерживать максимально возможный КПД при адиабатическом расширении, обеспечивая минимальную теплопередачу в систему и из нее. Компания использует разбрызгиватели воды внутри блока цилиндров сжатия для поддержания постоянной температуры (изотермическое сжатие). Также используется каскад блоков цилиндров сжатия с нарастающим давлением, что обеспечивает несколько ступеней сжатия.

Термин «жидкостный поршень», который компания использует для описания своих систем, просто означает, что расширение происходит в вертикальном цилиндре, который толкает вниз водяной столб, а не гидравлически приводит в движение механический поршень.

Жидкостный поршень — один из элементов системы, позволяющей работать с действительно большими подземными резервуарами, помогая системе приблизиться в плане характеристик к гидроаккумулятору. Иными словами, возникает возможность извлекать выгоду из технологий, используемых на объектах вроде британской Dynorwig, без необходимости искать гору с озером на вершине .