"Марсианская технология": почему дата-центры переходят на топливные ячейки

По прогнозам, к 2025 году индустрия связи (в том числе дата-центры) будет потреблять 20% всего электричества на планете. Чтобы сократить количество выбросов в атмосферу, компании все чаще обращаются к «зеленым» технологиям. Одной из них являются топливные ячейки — это решение стало наследником технологии НАСА, которую хотели использовать во время миссии на Марс. Рассказываем, как получилось, что эти системы запитали ЦОДы.

Топливные элементы — это устройства, которые превращают энергию химической реакции в электричество. Они работают на водороде, природном газе или биогазе. Согласно отчету министерства энергетики США, на 2016 год общая мощность всех изготовленных в мире топливных элементов составляла 500 мегаватт, и темпы производства продолжают расти.

Такие устройства выпускает несколько компаний, одна из них — Bloom Energy.

Топливную ячейку Bloom Energy разработал К. Р. Шридхар (K. R. Sridhar) в 1990-х. Тогда он работал в научной лаборатории, создававшей устройства для НАСА. И космическое агентство заказало прибор, который можно было бы использовать для поддержания жизни в колонии на Марсе.

Шридхар создал устройство, которое расщепляло воду на кислород для дыхания и водород для транспортного топлива. Питалось оно от солнечных батарей. Девайс должны были отправить на Марс в 2001 году, но миссию отменили из-за технических проблем с летательным аппаратом.

Шридхар подумал, что если «перевернуть» процессы, протекающие в устройстве, то получится установка, которая генерирует электричество из водорода и кислорода. Для производства таких устройств (топливных ячеек) он основал Bloom Energy.

Ячейки компании работают на природном газе (но могут использовать и чистый водород). При попадании в топливный элемент метан в составе природного газа превращается в водород за счет взаимодействия с водяным паром, который также подают в устройство. Затем водород окисляется на аноде, что генерирует ток.

Самая привлекательная черта в топливных элементах — экологичность. При работе ячейки на метане парниковые газы выделяются, но в гораздо меньшем объеме, чем на тепловых электростанциях. По данным Bloom Energy, их технология вырабатывает на 60% меньше углекислого газа, чем ТЭС с такой же мощностью. Если же элемент работает на водороде, он выделяет только воду и не вредит окружающей среде.

«Одним из главных достоинств топливных ячеек можно назвать их бесшумность. В них нет насосов, вентиляторов и каких-либо движущихся компонентов. — комментирует Сергей Белкин, начальник отдела развития 1cloud.ru. — Это особенно важно для дата-центров, где уровень шума колеблется от 70 до 80 дБ. Внедрение таких бесшумных источников питания помогает ЦОД предоставить сотрудникам более комфортные условия для работы».

Устройства Bloom Energy используют в ЦОД крупные компании. Они напоминают мини-холодильник, который ставят над серверными стойками. Сами топливные ячейки (находящиеся внутри) компактны и занимают мало места. Длина и ширина одной ячейки Bloom Energy — 10 см, а толщина — меньше сантиметра. Мощность такого устройства — 25 Ватт.

В 2017 году сделку с организацией заключил Equinix, провайдер услуг дата-центров. Bloom Energy обеспечит своими топливными элементами дюжину ЦОД Equinix. С Bloom Energy работают также Adobe, Walmart, Yahoo, Google, AT&T и другие компании.

Перспективы в топливных элементах видят и другие компании. В 2017 году Microsoft начала строить электростанцию на основе этой технологии. Мощность станции составит 10 мегаватт, а на её создание ИТ-гигант потратит 45 миллионов долларов. Топливные элементы позволят Microsoft сократить потери энергии, которые обычно возникают при её передаче до ЦОД.

По словам главы исследовательской программы Microsoft в области энергетики Шона Джеймса (Sean James), компания планирует увеличить мощность станции в будущем почти вдвое и видит в технологии большой потенциал. Также Джеймс сказал, что сначала Microsoft будет использовать в элементах природный газ, но затем перейдет на водородное топливо.

«Электростанции» из топливных элементов создает и Apple. Компания уже построила установку на 10 мегаватт в дата-центре в городе Мейден и станцию на 4 мегаватта в главном офисе в Купертино.

Некоторые организации разрабатывают собственные топливные элементы, например автомобилестроительная компания Daimler. В планах у руководства создать ЦОД, который будет полностью полагаться на «зеленое» электричество. Большую часть энергии в нем обеспечат ветрогенераторы и солнечные панели. Избыток электричества пойдет на производство и хранение водорода для топливных элементов, а сами ячейки будут использовать как вспомогательный источник питания для дата-центров.

В топливные элементы инвестируют и правительства отдельных стран. В Южной Корее уже работают шесть станций на основе топливных ячеек общей мощностью в 300 мегаватт.

Корея занимает первое место по потреблению электричества в Азии и входит в десятку мировых государств, которые больше других загрязняют атмосферу. Более того, в Корее 70% территории приходится на холмы и горы, поэтому места под ветряные и солнечные генераторы в стране не хватает. Потому к 2022 году правительство планирует расширить суммарную мощность станций на базе ячеек до 800 мегаватт.

Главное препятствие для компаний, которые хотят внедрить топливные элементы, — стоимость устройства. Один ватт мощности ячейки Bloom Energy обходится в 7–8 долларов. Для солнечной панели цена ватта составляет всего 3 доллара. Отчасти это связано с высокой стоимостью компонентов топливной ячейки, например, там используют платиновый катализатор.

Другой недостаток характерен только для систем, работающих на водороде. Для хранения топлива необходима технически сложная инфраструктура. Водород находится в ёмкости либо в жидком, либо в сжатом состоянии. В первом случае в хранилище приходится поддерживать температуру ниже -252,8 °C, точки кипения водорода. Во втором — требуется давление в 350–700 бар.

Обе эти проблемы исследователи компаний надеются решить в ближайшем будущем. Они намерены продолжать совершенствовать процессы производства, искать более доступные материалы и сокращать стоимость устройств. Будет развиваться и инфраструктура для топлива. Учёные создают новые химические способы хранения водорода в абсорбированном виде, для которых не потребуется высокое давление или низкая температура.

Из-за высокой стоимости топливных элементов маловероятно, что в ближайшее время они начнут массово использоваться в качестве основного источника электричества. Скорее всего, сначала компании будут создавать на базе ячеек системы резервного питания (как это делают в Daimler). А дальнейшее распространение технологии будет зависеть от того, насколько изготовителям удастся снизить расходы на производство.