Генераторы на природном газе (NG) иногда рассматриваются как альтернатива дизель-генераторам в качестве резервных источников питания ЦОД. Но газовый генератор может быть не только резервным, но и основным источником питания. Например, если поставить ЦОД прямо у нефтяной скважины, где попутный газ обычно просто сжигают в факеле. Кажется фантастикой, но примеры уже есть.

Это может быть актуально для РФ и других стран, богатых углеводородами. Природный газ в любом случае дешевле, чем дизельное топливо и другие продукты нефтепереработки. А если он бесплатный — вообще приятно.

Природный газ (NG) — смесь углеводородов, преимущественно метана, с небольшими примесями других газов.

Метан дешевле бензина по определению

Golf Variant 1,5 TGI на природном газе с тремя скрытыми баллонами. Расход топлива от 3 до 4,7 кг на 100 км, источник

Владельцы автомобилей на природном газе отлично знают, что такой двигатель гораздо экономичнее обычного ДВС. Расходы на топливо снижаются примерно вдвое-втрое, как и вредные выбросы. Кто любит много ездить, разницу почувствует быстро.

На интуитивном уровне понятно, почему природный газ дешевле бензина — он ведь поступает из скважин практически в готовом виде. В каком-то смысле, это «побочный продукт» нефтедобычи. И не нуждается в сложнейшей и дорогой переработке, как разделение нефти на фракции. Если рассуждать логически, стоимость тепловой единицы NG должна быть ниже, чем у бензина.

Так оно и есть. Хотя энергетическая плотность природного газа ниже, но в расчёте на тепловую единицу BTU энергия из газа получается примерно в 2–2,5 раза дешевле бензина, в зависимости от региона (в разных странах и областях цены отличаются).

Теплотворность некоторых видов топлива
Другими словами, за одни деньги получаем вдвое больше энергии. Грубо говоря, автомобиль на газе за 100 рублей проедет в два раза больше метров, чем на бензине.

То же самое с электричеством: один киловатт из природного газа заметно дешевле, чем от дизельного топлива. Некоторые специалисты вообще считают, что природный газ с водородом — топливо будущего (именно смесь этих газов). По крайней мере, это хорошее дополнение для возобновляемых источников энергии и зелёной энергетики.

Впрочем, использование природного газа в качестве энергоносителя сдерживает более сложная инфраструктура: газопроводы, особенности хранения и другое.

Газовые генераторы в дата-центрах

Современные ЦОД обязаны соответствовать требованиям надёжности, в том числе по системе аварийного электроснабжения (EPSS) в течение 120 минут и больше. Обычно такая система предусматривает локальное топливное хранилище. Это привело к повсеместному использованию дизель-генераторов как самого распространённого варианта резервного источника энергии для критически важных систем.

Дизель-генераторы эффективнее газовых аналогов по разным показателям. Например, они быстрее заводятся при резком проседании нагрузки. Хотя новое поколение газовых генераторов с динамическим откликом (на диаграмме показаны оранжевым цветом) почти сравнялось с дизельными (серый), сильно отличаясь от генераторов прежнего поколения (синий).


Реакция генераторов разного типа на проседание нагрузки, источник: Caterpillar

От современного генератора на природном газе можно ожидать примерно такую же реакцию в 10–15 секунд, как от дизель-генератора.

Пусковые кривые современного среднеоборотистого газового двигателя, здесь и далее источник: Schneider Electric

Топология крупного современного ЦОД сочетает несколько уровней резервирования ИБП с несколькими дизель-генераторами и запасом топлива от 12 до 72 часов или более. Но такие установки становятся всё накладнее из-за ужесточения норм по шуму, требований к качеству воздуха, налоговых изменений, требований получения разрешений, введения целевых показателей выбросов и т. д. Соответственно, увеличиваются издержки на поддержание их работы — и дизельные генераторы становятся менее выгодными.

По экологическим нормативам газовые генераторы выглядят приятнее. У них меньше уровень выбросов NO_x и CO₂.

Некоторые компании вроде Schneider Electric предлагают строить газовые электростанции для самых крупных дата-центров. Здесь собственная электростанция становится основным источником питания для ЦОД, заменяя и обычную электросеть, и резервные дизель-генераторы.


В свою очередь, обычная электросеть становится резервным источником питания и покупателем для излишков электричества с газовых генераторов.

Например, в случае ЦОД 70 МВт рядом с основным зданием строится полноценная электростанция с девятью газовыми генераторами по 10 МВт и полным дублированием всех систем, как это требуется по самым жёстким нормативам Tier.



Если газовая генерация дешевле электричества от сети, то такая станция окупается через шесть лет эксплуатации за счёт экономии на топливе.


Но это речь о дата-центрах гигантского масштаба, каких во всём мире лишь около 600.

Модульные дата-центры

Главное преимущество модульных дата-центров — портативность. Их можно поставить там, где это выгодно и удобно в данный момент. То есть они как бы адаптируются к условиям внешней среды.

Например, можно вывезти такой контейнер в океан с бесплатным водяным охлаждением. Или привезти и подключить к линии электропередач, где ожидается отрицательная стоимость электроэнергии.

Модульный ЦОД, подключённый к электросети на подстанции, источник

Так вот, эта идея вполне применима для газовых электростанций. Их тоже можно выпускать в модульном формате и завозить в места, где природный газ очень дешёвый или вовсе бесплатный. Например, где его просто сжигают как побочный и ненужный продукт нефтедобычи. Так можно получить фактически бесплатное электричество.

В прошлом году разработку таких модульных дата-центров на природном газе начал американский стартап Crusoe Energy. Компания считает, что эти контейнеры, нашпигованные Nvidia GPU, найдут применение для майнинга, рендеринга и машинного обучения.

Crusoe Energy уже развернула 40 небольших дата-центров, которые устанавливает рядом с нефтяными скважинами. Электрогенерация предлагается в качестве альтернативы факельному сжиганию попутного нефтяного газа, которое обычно используется.

3D-экскурсия по дата-центру Crusoe Energy у нефтяной скважины с электрогенераторами на попутном нефтяном газе

Сейчас Crusoe Energy собирается делать портативные дата-центры в формате модульных контейнеров, готовых к быстрой транспортировке.

Бедная и богатая смеси

Газовые генераторы в диапазоне высоких мощностей могут работать на бедной (lean burn, LBG) или богатой топливной смеси (rich burn, RBG). У каждого типа генераторов есть свои преимущества и недостатки.

Двигатель Jenbacher J420 GS на бедном природном газе, мощность 1500 кВт, электрическая эффективность 42,3%

• Бедная смесь (lean burn). Высокое соотношение воздуха и топлива понижает температуру горения, что минимизирует выбросы NO_x. Также имеет более высокую эффективность.
  
• Богатая топливная смесь (rich burn). Такой двигатель будет дешевле, что является самым важным параметром для резервного генератора, который много времени проводит в режиме ожидания.

Но в любом случае, по сравнению с дизельными генераторами для дата-центров уровня Tier 2, любые типы газовых генераторов производят меньше NO_x и CO₂ на кВт электроэнергии при более высокой начальной стоимости и меньшей эффективности преобразования топлива в энергию.

Профили эмиссии NO_x для LBG и RBG, i₃ Solutions Group

Таким образом, газовый генератор изначально дороже и экологичнее, но менее эффективен и дешевле в эксплуатации. То есть ключевой вопрос — насколько дороже газовый генератор и в течение какого срока окупится разница в цене, по сравнению с дизельным? Насколько его плюсы перевешивают минусы?

Судя по всему, с ужесточением экологических требований, нормативов и штрафов, генераторы NG будут выглядеть всё более привлекательно.

Аргументы против газа

Против газа есть не только экономические, но и другие аргументы:

• Хранение топлива. Согласно стандарту Tier, ЦОД обязан хранить топливо минимум на 12 часов работы генератора.
  
• Трудное подключение к коммуникациям (газопровод).
  
• Более высокие первоначальные капитальные затраты. При этом обслуживание дешевле, как было сказано выше.
  
• Нестандартный проект. В большинстве проектов ЦОД дизель-генератор нельзя просто взять и заменить на газовый. Придётся вносить и другие коррективы.

Как видим, хватает аргументов и «за», и «против». Но тенденция такова, что экологические требования постоянно ужесточаются, поэтому интерес к газовым генераторам понемногу растёт.

На практике для каждого ЦОДа нужно отдельно просчитывать рентабельность с учётом всех факторов. Бывает, что установка метанового генератора в принципе невозможна, тут и просчитывать ничего не надо.

Природный газ и водород — топливо будущего?

Скорее всего, будущее энергетики — за возобновляемыми источниками энергии. Солнечная, ветровая, гидро, термоядерная. В этих областях наблюдается максимальный научно-технический прогресс в последние десятилетия. И баланс постепенно смещается с углеводородов на альтернативные виды топлива.

Но прогресс идёт одновременно по множеству путей. И вполне возможно, что метан тоже найдёт свою нишу как некий промежуточный вариант — как более дешёвое и экологичное топливо.

Некоторые эксперты видят хорошие перспективы у смеси природного газа и водорода. А в перспективе можно добывать водород с помощью пиролиза метана. Водород считается абсолютно чистым топливом, потому что единственный продукт его сгорания — вода.

Пиролиз метана на разных температурах

Таким образом, углеводороды могут дать толчок для перехода к чистой энергетике будущего, обеспечив сырьё для неё. Это стало бы идеальным выходом для стран с острой «нефтяной зависимостью», таких как Норвегия и ОАЭ.

Кроме того, на природном газе могут работать электростанции и дата-центры, которые можно строить непосредственно в местах добычи ресурсов.

У природного газа масса интересных применений, чтобы превратить «ресурсное проклятье» прошлого в стимул для развития инновационной экономики в стране. Рано или поздно это время наступит в любом случае.

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.