В продолжение нашего краткого цикла обзоров актуальных вопросов энергоснабжения центров обработки данных (ЦОД) предлагаем вашему вниманию материал, посвященный использованию для резервного питания ЦОД водородных топливных элементов (ТЭ) в качестве альтернативы традиционным дизельным генераторам.
Возможности ЦОД, оснащенных интерактивными источниками бесперебойного питания (UPS), интегрированными с несколькими источниками энергии, описываются в статье Артуро Ди Филиппи "Водородные топливные элементы как резервный источник электроснабжения ЦОД", опубликованной в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 11, № 3 за 2023 год).
ЦОД и другие критически важные инфраструктуры, имеющие в своем составе аккумуляторные системы хранения энергии, прекрасно подходят для предоставления услуг по балансировке сети (оказания системных услуг). В текущем сценарии развития европейской энергосистемы растет потребность в резервах для быстрого реагирования на внезапные колебания частоты и быстрой корректировки спроса на электроэнергию.
ЦОДы могут выступать поставщиками следующих востребованных на энергетическом рынке услуг:
- Балансировка спроса и предложения. В периоды низкого спроса или высокого предложения избыточная энергия может храниться в батареях и позже высвобождаться в периоды высокого спроса или низкого предложения.
- Регулирование частоты. ЦОД могут удовлетворить потребность в быстродействующих резервах сдерживания частоты, регулирующих спрос на электроэнергию в режиме реального времени для устранения внезапных колебаний частоты.
- Снижение расходов на электроэнергию с помощью методов управления спросом, таких как ограничение пиковых нагрузок и арбитраж энергии.
При этом энергообеспечение ЦОД, которые должны оставаться в рабочем состоянии во время отключений продолжительностью от 24 до 48 часов, только за счет аккумуляторов становится нецелесообразным из-за значительного размера требуемой аккумуляторной системы. В качестве альтернативы автор предлагает решение на основе водородных топливных элементов.
Для питания центров обработки данных используются следующие типы топливных элементов:
- Протонообменные мембранные топливные элементы (PEM) используют водород в качестве источника топлива и включают твердый полимерный электролит. Они обеспечивают высокую плотность мощности, что позволяет уменьшить физические размеры по сравнению с другими типами топливных элементов. Они работают при относительно низких температурах, с максимальным диапазоном до 80°C, что обеспечивает быстрое время запуска.
- Твердооксидные топливные элементы (SOFC) используют в качестве электролита керамическое соединение. Эти топливные элементы работают при значительно более высоких температурах, обычно в диапазоне от 800 до 900°C, что устраняет необходимость в катализаторах из драгоценных металлов. Однако это требует более длительного времени запуска и выключения, что делает SOFC более подходящими для базового, а не для маневренного использования.
Топливные элементы PEM хорошо подходят для резервного питания, в то время как SOFC лучше подходят для первичной генерации энергии.
Основные компоненты решения резервного питания ЦОД на основе ТЭ (взамен дизельного генератора):
- Система хранения водорода. Обычно требуется около четырех водородных трейлеров или ресиверов для обеспечения 48 часов резервного питания для объекта мощностью 1 МВт.
- Полностью изолированная система ТЭ PEM. Модули PEM размещаются во внешнем корпусе со встроенной терморегуляцией, фильтрацией воздуха и выходом постоянного тока для источника бесперебойного питания (UPS) и блока литий-ионных батарей (LIB). Большинство топливных элементов подходят для использования в помещении, что потенциально устраняет необходимость во внешнем контейнере.
- UPS с LIB, управляющая топливными элементами при помощи встроенного преобразователя постоянного тока.
Топливные элементы могут использоваться в периоды высокой стоимости электроэнергии, а также в условиях частичного отключения ЦОД от коммунальной сети. Система UPS используются для решения проблемы относительно медленной реакции топливных элементов на изменения нагрузки. Благодаря параллельной работе топливных элементов и LIB топливные элементы могут направлять в батареи энергию, вырабатываемую за время их медленного снижения мощности.
Подключенный к сети UPS, оснащенный системой хранения энергии, может эффективно выполнять требования по сдерживанию частоты, одновременно позволяя владельцам ЦОД получать доход и снижать затраты за счет управления спросом. В перспективе UPS может превратиться в энергоменеджера, координирующего несколько источников питания, таких как коммунальная сеть, топливные элементы и резервный генератор (если он есть в системе). UPS будет постоянно оценивать и выбирать оптимальный источник питания на основе стоимости, надежности и других параметров, обеспечивая плавный переход между ними.
Автор прогнозирует переход к использованию топливных элементов в качестве основного источника энергии ЦОД и отмечает их следующие особенности:
- Чистое и надежное резервное питание для ЦОД при эффективном управлении топливными элементами интеллектуальной системы UPS.
- Большие первоначальные инвестиции по сравнению с дизельными генераторами аналогичной мощности (PEM стоят от $1800 до $2000 за кВт, в то время как дизельный генератор стоит около $450 за кВт). Ожидается, что этот разрыв в стоимости будет существенно сокращаться.
- Высокая стоимость водородного топлива по сравнению с ДТ. Прогнозируется, что водород станет дешевле дизельного топлива в течение срока службы системы. В рамках инициативы Earthshots Министерства энергетики США (DOE), запущенной в июне 2021 года, стоимость чистого водорода к 2030 году должна снизиться до $1 за кг.
- Более высокая эффективность (КПД) топливных элементов (особенно SOFC) по сравнению с дизельными генераторами.
- Меньшая потребность в обслуживании топливных элементов по сравнению с генераторами.
- Новые возможности при управлении UPS топливными элементами, недоступные для дизельных генераторов.
Дизель-генераторы менее эффективны в качестве резервного источника питания для регулирования частоты и балансировки спроса/предложения в силу быстрой выработки своего моторесурса при работе в маневренном режиме. Топливные элементы в сочетании с UPS намного лучше подходят для оказания системных услуг.
Учитывая текущие пилотные проекты, вполне разумно ожидать коммерциализации решений на основе топливных элементов (PEM) для резервного питания центров обработки данных в течение следующих нескольких лет.
Полную версию статьи читайте в журнале IEEE Electrification Magazine, т. 11, № 3 за 2023 год
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
