Впервые в мировой практике водородные топливные элементы в течение 48 часов подряд питали серверные стойки центра обработки данных Microsoft. Это может дать толчок развитию долгожданной экономики чистой энергии, построенной вокруг самого распространенного элемента во Вселенной.

Это достижение является одним из шагов в выполнении обязательств компании по снижению выбросов углекислого газа к 2030 году. Для осуществления этой цели и ускорения глобального отказа от ископаемого топлива Microsoft также стремится устранить зависимость от дизельного топлива к 2030 году.

На дизельное топливо приходится менее 1% общих выбросов компании Microsoft. Его использование в основном ограничивается центрами обработки данных Azure, где, как и в большинстве облачных провайдеров по всему миру, дизельные генераторы поддерживают непрерывную работу в случае перебоев в электроснабжении и других сбоев в обслуживании.
«Они дорогие. И более 99% своей жизни они «пылятся» и ничего не делают», – сказал Марк Монро, главный инженер по инфраструктуре в команде Microsoft, занимающейся передовыми разработками для ЦОД.

Лукас Хоппа, руководитель отдела по охране окружающей среды компании Microsoft, является представителем Microsoft в Водородном совете – глобальной инициативе ведущих энергетических, транспортных и промышленных компаний, направленной на стимулирование водородной экономики. Фото: Roderigo De Medeiros.

В последние годы стоимость водородных топливных элементов упала до такой степени, что они стали экономически выгодной альтернативой дизельным резервным генераторам.

«Идея использования их на экологически чистом водороде вписывается в наши общие углеродные обязательства», – сказал Монро.

«Кроме того, – добавил он, – дата-центр Azure, оснащенный топливными элементами, резервуаром для хранения водорода и электролизером, преобразующим молекулы воды в водород и кислород, может быть интегрирован с электроэнергетической системой для предоставления услуг по балансировке нагрузки».

Например, электролизер может быть включен в периоды избыточного производства энергии ветра или солнца для хранения возобновляемой энергии в виде водорода. Затем в периоды повышенного спроса Microsoft могла бы запускать водородные топливные элементы для выработки электроэнергии для сети. Водородные транспортные средства дальнего следования могли бы подтягиваться к центрам обработки данных для заправки своих резервуаров.

«Вся эта инфраструктура представляет для Microsoft возможность выполнить важную роль в том, что, несомненно, придаст динамического развития общей программе оптимизации энергопотребления, которую мир будет внедрять в ближайшие годы», – сказал Лукас Хоппа, руководитель отдела по охране окружающей среды компании Microsoft.

Для дальнейшего изучения того, как Microsoft может оптимизировать свои инвестиции в водородные топливные элементы и сопутствующую инфраструктуру, компания сегодня назначила Хоппа своим представителем в Водородном совете – глобальной инициативе ведущих энергетических, транспортных и промышленных компаний, направленной на стимулирование водородной экономики.

Ученые уже доказали, что для получения энергии, свободной от парниковых газов, могут использоваться топливные элементы из наиболее распространенного элемента во Вселенной – водорода.

«Мы знаем, как это сделать, – сказал он. – Но Совет существует потому, что мы еще не всегда точно знаем, как масштабировать производство водорода, его транспортировку и поставку, а затем потребление теми способами, которыми мы хотели бы. Есть еще тонны работы, которую необходимо проделать».

Марк Монро, главный инфраструктурный инженер в команде передовых разработок Microsoft для центров обработки данных, возглавляет проект по изучению потенциала водородных топливных элементов для питания резервных генераторов в центрах обработки данных. Фото: Марк Монро/ Microsoft.

Замена дизельного топлива

Компания Microsoft стремится обеспечить потребителей центра обработки данных Azure «пятью девятками» доступности услуг, это означает, что дата-центр работает в 99,999% случаев. Резервные генераторы запускаются во время перебоев в электросетях или других сбоев в обслуживании.

«Мы не очень часто используем дизельные генераторы, – сказал Монро. – Мы запускаем их раз в месяц, чтобы убедиться, что они работают. Раз в год мы проводим нагрузочное тестирование для проверки, что можем правильно передавать им нагрузку, но в среднем они покрывают перебои в электроснабжении менее одного раза в год».

Как считает Брайан Дженус, генеральный менеджер команды Microsoft по стратегии энергосбережения и устойчивого развития центров обработки данных, Microsoft исследует технологии замены дизельного топлива, которые бы поддерживали или улучшали доступность сервиса, и видит перспективы в водородных топливных элементах и батареях.

«Работа, которую сегодня выполняет команда, действительно направлена на то, чтобы попытаться оценить осуществимость различных решений», – говорит он.

Батареи уже подают кратковременное резервное питание, заполняя 30-секундный промежуток между отключением от сети и временем, необходимым для питания дизельных генераторов. Более современные батареи имеют более длительный срок службы.

«Если случится ситуация, когда требуемая продолжительность работы настолько велика, что батареи перестают быть эффективными, то тогда вы перейдете на что-то вроде топливных элементов», – сказал Дженус.

Проверка концепции

Семена идеи использования водородных топливных элементов для резервного питания были посеяны еще весной 2018 года, когда исследователи Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии в Голдене (штат Колорадо) питали стойку компьютеров, используя водородный топливный элемент с протонообменной мембраной, или PEM. Монро и его коллеги присутствовали на демонстрации системы.


Power Innovations построила 250-киловаттную систему топливных элементов, чтобы помочь Microsoft исследовать потенциал использования водородных топливных элементов для резервного производства электроэнергии в центрах обработки данных. Для проверки концепции система питала ряд серверов центров обработки данных в течение 48 часов подряд. Фото: Power Innovations.

«Мы были заинтригованы, потому что знали, что они используют автомобильный топливный элемент, – сказал Монро. – У автомобильного топливного элемента время реакции, как у дизельного генератора. Он может быстро включиться. Он может быть готов к полной нагрузке в течение нескольких секунд. Ты можешь его накрыть, отпустить, дать ему простаивать».

В процессе соединения водорода и кислорода в топливных элементах PEM результатом становится производство водяного пара и электричества. Автомобильные компании разрабатывают технологии для питания автомобилей, грузовиков и других транспортных средств. После демонстрации Microsoft начала задумываться об использовании топливных элементов для резервного питания центров обработки данных.

Команда Monroe закупила 250-киловаттную систему топливных элементов, которой достаточно для питания полного ряда (порядка 10 стоек) серверов ЦОД. Испытания начались в компании Power Innovations, разработчике системы, за пределами Солт-Лейк-Сити в сентябре 2019 года. В декабре система прошла 24-часовой тест на прочность, а в июне – 48-часовой тест.

«Это самая большая компьютерная система резервного питания, которая, как мы знаем, работает на водороде, и она прошла самое длительное непрерывное испытание», – сказал Монро.

Следующим шагом для команды является приобретение и испытание 3-мегаваттной системы на топливных элементах, которая по своим размерам не уступает дизельным резервным генераторам в центрах обработки данных Azure.

Исследования топливных элементов

Еще до этой демонстрации 2018 года компания Microsoft искала способы использования топливных элементов. Компания начала изучать технологию топливных элементов в 2013 году с Национальным исследовательским центром топливных элементов при Калифорнийском университете в Ирвайне, где они протестировали идею питания стоек серверов твердооксидными топливными элементами или SOFC, которые работают на природном газе.

«У них есть возможность производить собственный водород из получаемого природного газа, – объяснил Монро. – Они берут природный газ, немного воды, нагревают его до 600 градусов С, что является температурой горячего угля».

Это достаточно высокая температура для процесса, называемого преобразованием парового метана, который генерирует поток атомов водорода для производства электроэнергии.
Компания Microsoft продолжает изучать потенциал технологии топливных элементов SOFC для обеспечения базовой нагрузки, которая может освободить центры обработки данных от электрической сети, делая их в 8-10 раз более энергоэффективными. Однако в настоящее время эта технология остается слишком дорогой для широкого внедрения.

«Процесс SOFC также производит углекислый газ, что является еще одной причиной, по которой Microsoft изучает топливные элементы PEM», – отметил Монро.

Кроме того, со времени демонстрации в Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии сметные расходы на системы топливных элементов PEM для резервного производства электроэнергии в центрах обработки данных упали более чем на 75%. Если тенденция сохранится, то через год-два капитальные затраты на генераторы топливных элементов могут оказаться конкурентоспособными по цене с дизельными генераторами.

Он добавил, что увеличение производства топливных элементов для удовлетворения спроса со стороны индустрии центров обработки данных потенциально может привести к дальнейшему снижению расходов.

«Мы видим себя катализатором всей этой водородной экономики», – сказал Монро.

Водородная экономика

С точки зрения Microsoft, другие части этой экономики включают в себя инфраструктуру для закупки, хранения и поддержания достаточного количества экологически безопасного водорода для питания резервных генераторов в течение 12-48 часов, что является стандартным в отрасли для обеспечения «пяти девяток» в показателе доступности услуг.

Например, для 48 часов резервного электроснабжения каждому центру обработки данных потребуется до 100 000 килограммов водорода для заправки резервных генераторов в случае длительного перебоя в электроснабжении, как пояснил Монро.

«Дальнейшие разговоры в компании о том, как обеспечить безопасность этой инфраструктуры, привели к обсуждению роли Microsoft в стимулировании водородной экономики», – отметил Дженус.

«Что если бы вы могли взять все эти активы, имеющиеся в центре обработки данных, и интегрировать их в сеть таким образом, чтобы еще больше ускорить декарбонизацию сети в более широком смысле, а не просто в качестве точечного решения для самого центра обработки данных, – сказал он. – Вот где, я думаю, кроются настоящие открытия».

Заглавное изображение: компания Microsoft использовала водород, хранящийся в резервуарах на прицепах, припаркованных возле лаборатории недалеко от Солт-Лейк-Сити (штат Юта), для заправки водородных топливных элементов, которые питают ряд серверов центра обработки данных в течение 48 часов подряд. Фото: Power Innovations.