Серверы в дата-центре Microsoft проработали двое суток на водороде

Microsoft объявила о первом в мире крупномасштабном эксперименте по использованию водородных топливных ячеек для энергопитания серверов в дата-центре.

Установку 250 кВт произвела компания Power Innovations. В будущем подобная 3-мегаваттная установка заменит традиционные дизель-генераторы, которые сейчас используются как резервный источник питания в ЦОД.

Водород рассматривается как экологически чистое топливо, потому что в результате его сгорания образуется только вода.

Microsoft поставила задачу полностью заменить все дизель-генераторы в своих дата-центрах к 2030 году.

Как и в других ЦОД, в дата-центры Azure дизель-генераторы используются в качестве резервных источников питания, когда пропадает электричество по основному каналу. Это оборудование простаивает 99% времени, но всё равно ЦОД поддерживает его в рабочем состоянии, чтобы оно бесперебойно работало в случае редких сбоев. На практике у той же Microsoft они проходят только ежемесячную проверку работоспособности и ежегодное нагрузочное тестирование, когда нагрузка с них реально поставляется на серверы. Сбои основного питания происходят не каждый год.

Однако специалисты Microsoft подсчитали, что последние модели топливных ячеек на водороде уже экономически выгоднее, чем дизель-генераторы.

Кроме того, сейчас для резервного питания (UPS) используются батареи, которые дают мощность в небольшой интервал (от 30 секунд до 10 минут) между отключением сети и поднятием дизель-генераторов. Последние способны работать непрерывно, пока не кончится бензин.

Топливная ячейка на водороде заменяет и UPS, и дизель-генератор. Она состоит из цистерн хранения водорода и установки электролиза, которая расщепляет молекулы воды на водород и кислород. Вот как выглядит в реальности модель Power Innovations на 250 кВт:



Установка просто подключается к существующей электрической сети — и не требует подвоза топлива извне, как дизель-генератор. Её можно интегрировать с солнечными панелями или ветряными станциями, что позволит сгенерировать достаточно водорода для наполнения цистерн. Таким образом, водород используется как химический аккумулятор электроэнергии для солнечных и ветровых станций.

В 2018 году исследователи из Национальной лаборатории по возобновляемой энергии в Колорадо (США) провели первый успешный эксперимент по запитыванию стойки серверов от топливных ячеек на PEM (proton exchange membrane), то есть на протонообменных мембранах.

PEM — это сравнительно новая технология получения водорода. Сейчас такие установки постепенно вытесняют традиционный щелочной электролиз. Сердцем системы является электролизная ячейка. В ней имеется два электрода, катод и анод. Между ними расположен твёрдый электролит, это и есть протонообменная мембрана из высокотехнологичного полимера.



Технологически протоны стабильно протекают внутри мембраны, тогда как электроны движутся по внешнему каналу. На анод поступает деионизированная вода, где расщепляется на протоны, электроны и газообразный кислород. Протоны проходят через мембрану, а как электроны движутся через внешнюю электрическую цепь. На катоде протоны и электроны воссоединяются, образуя газообразный водород (H₂).

Это исключительно высокопроизводительный, надёжный, экономически эффективный способ получения водорода непосредственно на месте его потребления. Затем при соединении водорода и кислорода образуются пары воды и генерируется электричество.

В сентябре 2019 года компания Power Innovations начала экспериментировать с 250-киловаттной топливной ячейкой, которая снабжает энергией 10 полных серверных стоек. В декабре система прошла 24-часовой тест надёжности, а в июне 2020 года — 48-часовой.

Во время последнего эксперимента в автоматическом режиме работали четыре таких топливных ячейки. Зафиксированные показатели рекорда:

• 48 часов непрерывной работы
  
• Сгенерировано 10 560 кВт·ч электричества
  
• Использовано 814 кг водорода
  
• Произведено 7000 л воды

Теперь компания планирует по той же технологии сконструировать топливную ячейку на 3 мегаватта. Вот уже она по мощности будет полностью соответствовать дизель-генераторам, установленным в дата-центрах Azure.

Продвижением водорода в качестве топлива занимается международная организация Hydrogen Council, которая объединяет производителей оборудования, транспортные компании и крупных клиентов — Microsoft уже назначила своего представителя в этом совете. В принципе, все технологии для производства водорода и выработки электроэнергии уже доступны. Задача организации — масштабировать их. Здесь ещё много работы.

Специалисты видят большое будущее за топливным ячейками типа PEM. За два последних года их стоимость снизилась примерно в четыре раза. Они отлично дополняют фотоэлектрические и ветряные станции, накапливая энергию в периоды максимальной генерации — и отдавая её в сеть в моменты пиковой нагрузки.

Опять же, их можно использовать для брокериджа на энергетической бирже, когда система закупает энергию в периоды минимальных или даже отрицательных цен — и отдаёт её в моменты максимальной стоимости. Такие брокерные системы могут работать автоматически, как торговые боты.

---

На правах рекламы

Резервные источники питания наших дата-центров работают хоть и не на водороде, но надёжность на высоте! Наши эпичные серверы — это мощные VDS в Москве, которые используют современные процессоры от AMD.
О том, как мы строили кластер для данной услуги в этой статье на Хабре.