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數據中心的燃料電池的應用與發展

知識百科

在決定一個數據中心的建設位置時 ， 確保其與電網的可靠連接通常是企業必須考慮的頭等大事 。 但這也限制了再生能源豐富卻位置偏遠的數據中心的建設和運營 。
微軟公司希望另辟蹊徑 ， 多年來致力開發和研究更好的解決方式 。 在過去五年中 ， 微軟公司一直在研發不同的數據中心供電方法 ， 例如在機架層面使用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池 。 這將為數據中心建設與運營提供了位置、可靠性和能源效率方面的優勢 ， 但也帶來了全新的挑戰 。
去年 ， 在懷俄明州Dry Creek水回收設施和加州大學歐文分校的美國國家燃料電池研究中心進行了試驗后 ， 微軟公司在燃料電池商業化方面邁出了迄今為止的最大一步 。

數據中心的燃料電池的應用與發展

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微軟公司云基礎設施和運營總經理 Christian Belady（左）與微軟公司云計算基礎設施與運營高級研究項目經理 Sean James（右）在西雅圖的先進能源實驗室
2017年9月 ， 微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司合作推出了＂世界上第一個天然氣驅動的燃料電池供電數據中心＂的設計 。
＂我們在西雅圖的先進能源實驗室（The Advanced Energy Lab）中部署了 20 個機架 。 ＂微軟公司云計算基礎設施與運營高級研究項目經理 Sean James說 ， ＂這個項目如此具有顛覆性的原因是 ， 它如何從根本上簡化了服務器供電的過程 ， 以及使數據中心的能效幾乎翻了一番 ， 同時降低了成本 ， 并提高了可靠性 。 ＂
該項目設計稱之為＂Stark和簡單數據中心＂ ， 將燃料電池部署在服務器機架 。 燃料電池由陽極、陰極和它們之間的電解質層組成 。
在氫氣燃料的質子交換膜燃料電池（PEMFC）的情況下 ， 氫分子在陽極分解成質子和電子 ， 由催化劑激活 。 質子可直接穿過質子交換膜到達陰極 ， 而電子只能通過外電路才能到達陰極 。 當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電 。
不同的燃料電池使用不同的電解質和電荷轉移離子 ， 但最有希望用于數據中心的兩種燃料電池似乎是質子交換膜燃料電池 （PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC） ， 后者直接使用天然氣作為燃料 。
固體氧化物燃料電池具有更高的效率、更大的容量 ， 適合連續發電 ， 但運行在更高的溫度 ， 將產生二氧化碳 ， 并對負載變化不敏感 。
質子交換膜 （PEMFC）燃料電池仍然是當然最環保干凈的燃料電池系統 ， 只生產廢水 ， 但由于氫氣的產生和儲存比較困難 ， 很難廣泛應用 。 然而 ， 這種情況可能會在未來發生變化 。
固體氧化物燃料電池是替代電網的一種快速和可行的方案 ， 仍然可以提供一些環境優勢 。 微軟公司估計可減少49％的二氧化碳排放量 ， 減少91％的氮氧化物 ， 減少68％的一氧化碳 ， 減少93％的揮發性有機化合物 。
【數據中心的燃料電池的應用與發展】微軟公司正在試驗在研究燃料電池供電的數據中心的方法：在機架設備的直流供電方面 ， 該公司解釋說 ， 它已經同時對Hydrogenics HyPM 10kW的質子交換膜燃料電池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2．5kW的固體氧化物燃料電池（SOFC）進行測試 。
Hydrogenics燃料電池系統在設計時考慮到了數據中心和電信設施的應用特點 ， 而目前固體氧化物燃料電池（SOFC）系統尚不存在類似的產品 ， 其主要針對住宅和商業建筑領域 ， 旨在用于熱電聯產 。
該文件指出：＂預計為數據中心的機架內發電而設計的固體氧化物燃料電池（SOFC）系統將產生更多的電力和更少的熱量 ， 而這些將被數據中心中現有的空氣和空氣通風系統冷卻 。 ＂
該方法提高能源效率的關鍵是減少輸電損耗 。 因為電能沿著導線傳輸時會損耗一部分 ， 而在這些損耗存在于標準數據中心、發電廠、變電站、變壓器和交直流變換中 。
隨著燃料電池部署在服務器機架 ， 一種稱為分布式燃料電池（DFC）的方法已經采用 ， 其電力損耗僅限于電池本身的電源變換 。
微軟公司稱 ， 由于在發電、輸電和配電過程的電力損耗 ， 發電廠提供的電能只有不到35％是數據中心消耗的 。 當考慮到數據中心的現場冷卻、照明和能源儲存相關的能源消耗時 ， 發電廠提供的電能只有17．5％用于服務器運行 。
在一篇名為＂數據中心的燃料電池：從服務器產生的電能＂的研究報告中 ， 微軟公司指出 ， 在使用天然氣燃料電池方法時 ， 假設服務器的冷卻負荷與傳統燃料電池和數據中心的的工作負荷成比例 ， 那么服務器消耗的電能高達29．5％．如果可以將燃料電池廢熱用于冷卻過程 ， 還可以獲得進一步的收益 。
能源效率并不是使用天然氣燃料電池供電的數據中心具有吸引力的唯一因素 。 可靠性也可能是一個主要的吸引力 ， 因為天然氣的電網基礎設施通常埋在地下 ， 并且不受惡劣天氣的影響 。 美國天然氣供電的電網可靠性超過99．999％ ， 而市電電網的可靠性僅為99．9％或更低 。
這意味著數據中心運營商可以不再采用作為備用電源的柴油發電機組和電池 ， 以及不再采用數據中心內的配電系統 ， 這些設備的成本占數據中心投資成本的四分之一以上 。
然而 ， 挑戰依然存在 ， 這種技術仍處于研究階段 。 當然 ， 雖然數據中心運營商不再需要擔心與電網的可靠連接 ， 但如果采用固體氧化物燃料電池（SOFC）方法 ， 則需要靠近天然氣供應地點來解除這些擔憂 。
但也許最大的問題是快速變化的負載 。 數據中心的服務器可能在一瞬間就能徹底改變他們的能源需求 ， 電網可以輕松應對 。
但是 ， 對于燃料電池來說 ， 如果有一段時間燃料電池輸送的電壓或容量不足 ， 將會導致服務器關閉或損壞 ， 這可能導致數據中心無法使用 。 微軟在研究報告中表示 ， 可以有效處理燃料電池供電數據中心的電源浪涌 。
處理這種容量不足的方法有兩種 。 一種是以容量上限供電 ， 但這會限制服務器的性能 ， 并導致燃料電池和數據中心的利用率不足 。 另一種方法是使用電池和超級電容器等儲能設備（ESD）來彌補負載浪涌時的不足 。
然而 ， 對于應對最壞情況的準備需要付出很高的經濟代價 。 為此 ， 微軟公司提供了SizeCap解決方案 ， 這個方案可以協調電池和超級電容器等儲能設備（ESD）的規模和功率上限 ， 可以實現經濟高效 ， 并解決數據中心的電力短缺問題 。 微軟公司希望在這兩種方法之間找到折衷的方案 。
對于SizeCap和燃料電池整體方案的進一步研究是必要的 ， 但電池的成本仍然非常高 。 然而 ， 微軟公司希望該方法很快會被廣泛采用 。 如果出現這種情況 ， 電網對數據中心的影響可能會成為過去 。
氫氣燃料電池時代的曙光
數據中心的燃料電池的應用與發展

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雖然固體氧化物燃料電池（SOFCs）的支持者認為全球遍布的天然氣基礎設施的巨大網絡是其部署最大的優勢之一 ， 但是也有一些認為燃料電池的未來在于氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池（PEMFC） 。
美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）計算科學中心主任Steve Hammond博士表示 ， ＂我確實看到固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一個利基市場 ， 而且價格相當昂貴 。 它們最適合于基本負載功率和可變負載或負載 。 ＂
同時 ， 質子交換膜燃料電池（PEMFC）在汽車行業推動的效率和成本方面取得了重大進展 。 Hammond說 ， ＂我認為人們可以在數據中心領域充分考慮使用這一技術 。 ＂
雖然氫氣燃料電池和鋰離子電池驅動汽車之間的競爭激烈 ， 制造商已經在這項技術上投入了大量資金 ， 并促使燃料電池的價格大幅下降 。
汽車廠商正在采取措施將這項技術用于數據中心 。 戴姆勒公司去年年底透露 ， 它已與惠普企業（HPE）以及梅賽德斯奔馳、NREL合作開發持續電源解決方案的原型和依賴氫氣的固定式電源系統 。
＂汽車燃料電池系統的成熟度如今不容置疑 。 他們已經為日常使用做好了準備 ， 并為交通行業提供了一個可行的選擇 。 ＂戴姆勒公司燃料電池主管兼戴姆勒子公司NuCellSys首席執行官Christian Mohrdieck教授表示 ， ＂然而 ， 能源、工業和住宅部門以外的流動性部門的氫氣燃料電池的機會多種多樣 ， 需要制定新的戰略 。 而規模經濟和模塊化是其重要的挑戰 。 ＂
自2017年11月起 ， 美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）一直在測試戴姆勒公司的燃料系統 ， 并將其安裝在能源系統集成設施（ESIF）數據中心 。 據稱 ， 它是世界上效率最高的數據中心之一 ， 2016年的年平均能源使用效率（PUE）為1．04．
＂這個系統仍處于基礎研究階段 ， 我們研究的重點是能否安全地做到這一點？這是否有意義？是否有一條通往經濟可行性的道路 ， 以及需要進一步的研發是什么？＂ Hammond說 ， ＂我們有一個原型 ， 我相信戴姆勒公司可以為我們提供一個實際的生產版本 ， 我們將能夠在年中運行 。 ＂
＂這將代表一個早期的步驟 ， 該技術將會改變汽車技術 。 我們正在做的事情是對汽車燃料電池進行改造 ， 目前還沒有500－100kW的專用數據中心燃料電池 。 ＂Hammond說 。
他補充道 ， ＂我認為 ， 如果它會對云計算空間產生影響 ， 那么就需要在數據中心的行級機架上完成 。 我們曾與微軟公司合作 ， 并對一個50兆瓦數據中心在離網的情況進行了技術經濟分析 。 他們需要100個小時的備份時間 。 我們對其在美國的兩個不同數據中心進行了分析 ， 計算需要多少風力和太陽能來支持 ， 以及如何存儲5000兆瓦時當量的氫氣 。 微軟公司對此很感興趣 ， 他們正在致力于研究 ， 并且在某些時候這將具有經濟意義 ， 但其效益并不能直接體現 。 ＂
經濟意義并不是云計算提供商被氫燃料電池吸引的唯一原因 ， 也有可能是為了大幅減少碳排放 。 然而 ， 這些減少的程度取決于氫氣的生產方式 。
在依賴化石燃料的過程中 ， 氫氣的生產總是需要耗費更多的能量 ， 而這種能源可以從天然氣中回收 ， 大約95％的氫燃料是使用天然氣生成的 。 制備氫氣的方法主要是水蒸氣重整甲烷 ， 而甲烷重整過程中將排出二氧化碳和一氧化碳等副產物 。
要做到真正的綠色環保 ， 必須通過電解生產氫氣 ， 在電解中通過水分離氫氣和氧氣原子 ， 并且電力必須來自可再生能源 。
＂對于我們來說 ， 我們可以做到這一點 ， 我們在數據中心園里有太陽能發電系統 。 ＂Hammond說 。  ， ＂也可以通過購買電力協議 ， 為電解設備供電 ， 并且擁有儲氫基礎設施 。 所以我們想表明 ， 盡可能安全地采取適當的安全機制和失效機制來證明其有效性 ， 但我最擔心的是采用氫氣可肥讓人感到擔憂 。 ＂
1937年在興登堡的一場毀滅性的飛艇災難不僅標志著飛艇時代的結束 ， 也讓人們不再信任氫氣的應用 。
他說 ， ＂在美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）在氫氣傳感器和加氣站技術方面做了大量工作 。 我們一直安全地使用氫氣 。 但是 ， 對于數據中心技術人員來說 ， 需要做同樣的事情 ， 仍然需要從根本上重新思考數據中心設施 ， 以及如何生產和存儲電能的人員進行多年的研究 。 ＂
在過去的三年中 ， Hammond一直在研究這個概念 ， 但沒有獲得直接資助 。 ＂我認為這種技術在5到10年內將對數據中心市場產生影響 。 ＂他說 。