Придет ли водород в дата-центры будущего?⁠⁠

Рассмотрим потенциал водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу с точки зрения стоимости и эффективности. А также ответим на вопросы: сможет ли водород сократить выбросы парниковых газов и придет ли он в центры обработки данных в будущем? Тему раскрыл Стивен Хилл — корреспондент журнала Data Center Knowledge.

Электричество является топливом ИТ-инфраструктуры: от практически каждого компонента до систем охлаждения центров обработки данных. К сожалению производство электроэнергии является вторым по величине источником парниковых газов, на долю которого приходится 25% от их количества. Правда есть альтернатива в виде экологичных вариантов производства электричества, таких как гидроэнергетика, солнечная, ветровая и геотермальная генерация. Их доля медленно растет на протяжении десятилетий, но у большинства дата-центров есть лишь несколько традиционных альтернатив на основе углеводородов, включая резервное электропитание, вырабатываемое дизель-генераторными установками (ДГУ). И здесь есть потенциал использования водорода не только в системах резервного питания, но и в качестве замены ископаемого топлива для электропитания ЦОДов будущего.

Водород – экологичный вариант сокращения выбросов парниковых газов

NASA использовало водород для исследования космоса еще в 1940-х годах. Начиная с миссий Gemini и космических шаттлов до современных ракет Boeing Delta III и IV. Все верхние ступени ускорителей основаны на топливных системах с жидким водородом и жидким кислородом, которые создают самый высокий удельный импульсный КПД среди любого вида топлива. Более того, с середины 60-х водородные топливные элементы обеспечивают большую часть электроэнергии почти для каждого пилотируемого космического корабля.

На Земле однако водород не заменил бензин и дизтопливо в двигателях внутреннего сгорания. И это несмотря на то, что в этом направлении было потрачено много времени и сил. Произошло это, отчасти из-за более высокой воспламеняемости водорода, вызывающего преждевременное зажигание в традиционных бензиновых двигателях, не говоря уже о его полной непригодности в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия. Более того, даже после некоторого успеха двигателя, работающего на водороде, сжигание водорода вместе с обычным воздухом по-прежнему производит много парниковых газов. Правда ведутся исследования по сочетанию природного газа с азотом до 30% с тем, чтобы сократить выбросы парниковых газов, но дальше лабораторных разработок дело не пошло.

С другой стороны, сочетание технологии топливных элементов и водорода может оказаться идеальной моделью для производства зеленой электроэнергии с почти нулевым выбросом парниковых газов. Прелесть топливных элементов состоит в том, что на входе мы берем водород и кислород, а на выходе получаем электроэнергию и водяной пар. (К примеру, вода, произведенная топливными элементами космического корабля «Аполлон», была достаточно чистой для того, чтобы ее можно было пить). Трудно придумать что-то намного более “зеленое”, чем это.

Системы топливных элементов, работающие на водороде, спирте или метане, оказались такими же надежными, как и любая другая система производства электроэнергии, а отсутствие каких-либо движущихся частей может существенно снизить затраты на техническое обслуживание из-за износа. Один небольшой недостаток водородных топливных элементов заключается в том, что электроэнергия вырабатывается в виде постоянного тока, в то время как подавляющее большинство инфраструктуры центров обработки данных работает на переменном токе. Но это не является серьезной проблемой, поскольку существует проверенная инверторная технология, которая уже используется в системах резервного питания ЦОДов с применением аккумуляторных батарей и эта технология, обладает относительно небольшим снижением эффективности — на уровне 5-6%.

Газовая турбина — еще один способ использования водорода для выработки электроэнергии. Нынешним “королем горы” является General Electric 7HA.03, производящий 430 МВт электроэнергии (а в пике 640 МВт) при КПД 61%. С целью максимального сокращения выбросов парниковых газов он может работать на топливной смеси, содержащей до 50% водорода, но в планах — 100% использование водорода в ближайшем будущем. Работая на природном газе в тестовом режиме турбина сожгла 3,3 тонны смеси воздух/природный газ и выбросила всего 183 мл загрязнений.

К относительной эффективности газотурбинного генератора добавляется тот факт, что он вырабатывает сразу переменный ток, что устраняет необходимость в инвертировании. Современные турбины можно разогнать до полной нагрузки менее чем за 20 минут и уменьшить до менее чем 30 % от номинальной мощности, не выходя при этом за допустимые нормы выбросов, что является важным фактором, когда речь идет о балансировке колебаний спроса в течение суток.

Что ожидать?

После многих десятилетий исследований и экспериментов мы, возможно, наконец подошли к переломному моменту, когда водород станет жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу с точки зрения стоимости, доступности, эффективности и, что, возможно, наиболее важно, сокращения выбросов парниковых газов. Анализ этих проблем менялся с годами, но суть в том, что спрос на ИТ-услуги будет только расти, а это означает, что операторам центров обработки данных, которые могут содержать до 100 тысяч серверов скоро потребуются уже гигаваттные резервные мощности.

На данный момент у водорода есть потенциал, если речь идет об экономике резервного питания и электропитания в целом для ЦОДов будущего. Причем этот потенциал увеличится в свете необходимости сокращения выбросов парниковых газов. В настоящее время существуют инициативы, которые помогут склонить чашу весов в пользу водорода. Например, проект Earthshot — Hydrogen Shot, запущенный в июне 2021 года, преследует цель снизить стоимость чистого водорода на 80% до 1 доллара за килограмм за одно десятилетие. Это даст развитие и остальной части цикла, связанному с хранением и транспортировкой водорода.

Необходимо заметить, что в мире проводится множество исследований для решения других проблем, таких как развитие реверсивных топливных элементов, которые генерируют электроэнергию, когда это необходимо, и возвращаются к электролизу для хранения избыточной энергии, когда потребность в энергии падает.

Среди прочих разработок:

- развитие высокотемпературного электролиза, который может использовать тепло геотермальных, солнечных и даже ядерных реакторов для производства водорода из воды;

- поиск новых сплавов, которые могут быть столь же эффективными, как драгметаллы, используемые в настоящее время в качестве катализаторов электролиза;

- применение полимеров в качестве электролита в протонообменной мембране топливных элементов;

- развитие криотехнологий для регазификации сжиженного природного газа и предварительного охлаждения водорода для его собственной газификации;

- исследования в области опреснительных топливных элементов, которые потенциально могут производить электричество при выработке пресной воды из морской.

Зависимость мира от ископаемого топлива не может продолжаться вечно, по некоторым оценкам, у нас осталось менее 50 лет, прежде чем мы исчерпаем большую часть мировых запасов нефти. С разработкой жизнеспособных альтернативных видов топлива, таких как водород, мы можем выйти за рамки устаревших технологий, улучшить состояние окружающей среды и, возможно, в конечном итоге освободимся от мертвой хватки, которой нефтяная промышленность держит большую часть мирового энергоснабжения. Мы должны развиваться, и использование водорода для центров обработки данных будущего — один из способов.

Комментарий дата-центра ITSOFT. Центры обработки данных, в особенности те, что оказывают услуги colocation (размещение клиентского оборудования в телекоммуникационных стойках) приближены к своим заказчикам, к мегаполисам и местам генерации данных. По экономическим причинам невозможно арендовать сотни гектаров дорогой земли для построения солнечной или ветряной электростанции, равно как гидро-, геотермальных, приливных и прочих источников генерации электричества. В этой связи использование топлива, в котором с высокой плотностью, если так можно сказать упакована электроэнергия и к тому же на 100% экологичного может действительно стать альтернативой в будущем. Жесткой хваткой никто не держится за традиционные дизель-генераторные установки и аккумуляторные комнаты.

В случае, если удастся решить вопросы, связанные с ценой на водородное топливо, безопасностью его хранения, транспортировки и использования, полагаем, что ИТ-сфера откроет инновациям двери, по крайней мере для резервного и аварийного электропитания.

Материал подготовлен дата-центром ITSOFT