«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.


    / Flickr / Steve Jurvetson / CC

    «Марсианская технология» Bloom Energy


    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.

    Кто ещё использует топливные элементы


    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.


    / Air Force / PD

    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.

    Недостатки и перспективы технологии


    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.

    Несколько постов из нашего корпоративного блога:

    1cloud.ru
    240.63
    IaaS, VPS, VDS, Частное и публичное облако, SSL
    Share post

    Comments 25

      +3
      Очень странно написано.
      Шридхар создал устройство, которое расщепляло воду на кислород для дыхания и водород для транспортного топлива… Девайс должны были отправить на Марс в 2001 году, но миссию отменили…
      Шридхар подумал, что если «перевернуть» процессы, протекающие в устройстве, то получится установка, которая генерирует электричество из водорода и кислорода.
      Это при том, что топливная ячейка была придумана в 1839 г.

      Вот вам еще тритий «недостаток»: чтобы питать устройство водородом, его надо сначала получить, затратив энергию. Это такой же вопрос как об экологичности электромобилей. Сжигание углеводородов сами по себе они НЕ уменьшают. Только переносят место выброса. Да еще и КПД на преобразование туда-сюда падает. Так и тут. Решение — только глобальное изменение структуры выработки электричества.
        +7
        Сжигание углеводородов сами по себе они НЕ уменьшают.

        В общем случае уменьшают. Во-первых, даже КПД теплоэлектростанций значительно выше, чем у ДВС. Во-вторых, «стационарно» получать электроэнергию можно разными способами, не только сжигая углеводороды.
        Но и «перенос места выброса» — это на самом деле значительный плюс для экологии. Обеспечить качественную фильтрацию выбросов одной мощной стационарной энергоустановки намного проще, чем десятка тысяч разных маленьких мобильных.
          0
          Про то что главная цель электромобилей именно перенос выбросов здесь речь не идет. Лишь о том, что эффект такой же.
          0
          Не сказано, что Шридхар придумал концепцию топливных ячеек. В предыдущем абзаце есть, что он создал топливную ячейку, которую исоплзют в Блум Энерджи
            +1
            Шридхар подумал, что если «перевернуть» процессы, протекающие в устройстве, то получится установка, которая генерирует электричество из водорода и кислорода.

            Может мне тоже то-нибудь «изобрести»?
            Возьму транзистор и «подумаю, что если его подключить определенным образом, получится усилитель сигнала»
              +1
              Возьму транзистор и «подумаю, что если его подключить определенным образом, получится усилитель сигнала»

              Это было бы смешно, если бы не было реальностью. Примерно так и оформлена огромная масса патентов.
          +2
          Я, честно говоря, не понимаю, в чём экологичность (и вообще смысл) цепочки «произвести электричество» — «произвести водород» — «употребить его в топливной ячейке» — «запитать датацентр», если из неё можно безболезненно выбросить два средних элемента. А если водород получать из метана, как это сейчас чаще происходит, так вообще всякая ценность топливных элементов на нём пропадает.
            +1
            Я, честно говоря, не понимаю, в чём экологичность (и вообще смысл) цепочки «произвести электричество» — «произвести водород» — «употребить его в топливной ячейке» — «запитать датацентр», если из неё можно безболезненно выбросить два средних элемента.

            Ну, например, ночью солнечные панели электричества не вырабатывают, а днём вырабатывают больше чем надо, но только 70% светового дня.
            А если водород получать из метана, как это сейчас чаще происходит, так вообще всякая ценность топливных элементов на нём пропадает.

            В статье же приводится пример топливной ячейки на метане, и говорится, что она вырабатывает на 60% меньше парниковых газов чем ТЭС сжигающая этот метан.
              0
              В статье же приводится пример топливной ячейки на метане, и говорится, что она вырабатывает на 60% меньше парниковых газов чем ТЭС сжигающая этот метан.

              Вообще-то всё не так однозначно. Сошлюсь на статью 5-летней давности.

              Revealed: Fuel cell emits more CO2 than new gas plants do | ZDNet
              According to Leveen, Bloom's fuel cells on average emit 884 pounds of CO2 per megawatt-hour (mWh) of electricity produced. While that's not a bad reduction compared to 2,249 pounds for a coal-fired plant, it's not a whole lot less than 1,135 for an existing natural gas plant.

              But get this: It's more than the 730 pounds per mWh of modern combined cycle natural gas plants made by the likes of GE, Siemens and Mitsubishi, according to the report.

              Если вкратце, при работе топливных элементов Bloom Box, работающих на метане (природном газе), образуется больше углекислого газа в пересчете на единицу выработанной электроэнергии, чем при работе современных парогазовых установок, произведенных такими компаниями, как General Electric, Siemens и Mitsubishi.
                0
                цепочки «произвести электричество» — «произвести водород» — «употребить его в топливной ячейке» — «запитать датацентр», если из неё можно безболезненно выбросить два средних элемента

                Здесь более подходит сценарий питания миниЦОД мобильных операторов, когда сайт находится в труднодоступной местности, и таких мест навалом. Несколько лет назад видел живые решения на водороде для мобильного оператора (есть где то фото у себя). Если у вас там например стоит ДГУ, то его тоже надо обслуживать, доставлять солярку и прочее. А тут поставил несколько баллонов и подобную систему и все — живой накопитель электроэнергии в «исходном» состоянии. Как сейчас вспомнил это итальянцы были santerno
                сейчас порылся у них на сайте, ничего про hidrogen не нашел, может уже перепрофилировались с тех пор… Про ценник конечно отдельный вопрос… ну и балллоны под 220 бар хранить и доставлять — еще та опасность.
                  0
                  балллоны под 220 бар хранить и доставлять

                  полная ерунда на фоне того, что такой баллон на территории примерно автоматически переводит объект в разряд «опасных производственных объектов», с соответствующей регистрацией в Ростехнадзоре объекта и баллона, санитарными зонами, проверками, регулярными поверками «сосуда под давлением» и прочими радостями, которыми заниматься ради одного баллона, мягко говоря, не очень дешево.

                  миниЦОД мобильных операторов

                  В любом случае находится в населенном пункте или близко к нему. Небольшой ветряк, солнечные панели, плюс дизель на случай долгого штиля полярной ночью. Аккумуляторы на сутки работы там все равно должны быть. А еще, примерно всегда в таком месте есть люди, умеющие обслужить дизель. Плюс для таких случаев есть ДГУ, которые не требуют обслуживания каждые 250 часов наработки или четыре раза в год.
                  А вот необслуживаемая конструкция — это базовая станция на сопке посреди тайги. Ну или в горах. Туда и баллоны возить — очень нетривиальная задача. Проще десяток бочек соляры завезти и поставить тот же небольшой ветряк плюс пара кВт солнечных панелей. Или вообще ветряк, солнечные панели и батареи на 72 часа. Уж за три дня на горе или ветер подует, или солнце вылезет, или сервисник с бензогенератором доедет.
                    0
                    Проще десяток бочек соляры завезти и поставить тот же небольшой ветряк плюс пара кВт солнечных панелей.

                    Ага, видел я в своей практике картинку мониторинга базовых станций, разбросанных в разных трудных местах, там 80% значков горело восклицательными знаками, требуя обслужить их с точки зрения генераторов. А может и просто долить топлива… а топливо наверно кончалось уже в той машине, которая должна была его подвезти поближе, ну вы понимаете о чем я))))) а водород в баллоне нафиг никому не нужен…
                0
                Такие же мысли, но приходит на ум вариант — солнечные панели где-нибудь в сахаре. Провода до источника воды, там вырабатывать водород и доставлять к потребителю.
                  0
                  Чего не понятно — то? Мейнстрим.
                  Проблема всех зеленых технологий, в том что для потребителя они преподносятся, как «Смотрите работает и ничего не выделяет», создатели сознательно выносят полный жизненный цикл за сцену. Действительно например сжигать водород менее губительно, но блин «Электричество на производство водорода, хранение, логистика и т.д и тп». Каждая технология должна быть просчитана от А до Я
                  0
                  Один ватт мощности ячейки Bloom Energy обходится в 7–8 долларов. Для солнечной панели цена ватта составляет всего 3 доллара.

                  ИМХО, сравнение теплого с мягким. Природный газ можно хранить в газохранилище очень долго (скажем, несколько месяцев), благодаря чему топливный элемент может работать в любой день года и в любое время суток. А вот солнце ночью не светит, да и ненастные дни никто не отменял.

                  Я нашел свежую статью для инвесторов:
                  Bloom Energy: A Stock About To Wilt — Bloom Energy (NYSE:BE) | Seeking Alpha
                  Bloom's product uses natural gas at 10x the capital cost of legacy combined cycle gas turbines with equivalent GHG emissions.

                  Мой вольный перевод:
                  При использовании топливных элементов Bloom Energy, работающих на природном газе, капитальные затраты в 10 выше, чем при использовании традиционных парогазовых установок с примерно таким же количеством выбросов парниковых газов (углекислого газа).

                  Я даже не подозревал, что разница в цене настолько велика.

                  P.S. Дополнительная информация: парогазовая установка

                  P.P.S. Парогазовая установка — Википедия
                  Преимущества
                  • Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 60 %. <...>
                    0
                    Да, газовые станции, даже современные комбинированные паро-газовые это очень дешевый вид электростанций в расчете на единицу мощности (но не энергии). Вообще самый дешевый из всех существующих промышленных. Многие современные проекты дешевле 1000$ за кВт установленной мощности укладываются. Близко к таким показателям только современные СЭС в регионах с дешевой раб. силой начали подбираться в последние несколько лет (но естественно с намного худшими показателями КИУМ и надежности электроснабжения). С газом вопрос только в стоимости и доступности собственно газа, все остальное получается просто на отлично.

                    Так что если их ТЭ как указано обходятся в 7-8 $ за 1 Вт, то прочти х10 раз по капитальным затратам вполне может получиться.

                    C другой стороны например чисто водородные ТЭ (без возможности работы на метане) в которые намного активнее вкладывались в исследования, оптимизацию технологий и снижение себестоимости производства (в том числе за счет активных гос. субсидий по нескольким долгосрочным программам) стоят сейчас примерно в 20 раз дешевле чем эти метановые ТЭ. Хотя еще лет 15 назад их стоимости были вполне сравнимы (водородные были всего раза в 1.5 дешевле).

                    Так что есть куда сильно падать по цене, если технология получит распространение и деньги на дальнейшее развитие.
                  • UFO just landed and posted this here
                      0
                      Нет, у них высокий КПД. Выше чем у большинства электростанций и генераторов, кроме самых современных и навороченных паро-газовых (комбинированная установка сочетающая газовую и паровую турбины в одном блоке).

                      В этом примере из статьи — КПД выше 50%.
                      0
                      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.

                      Каким образом ??? Ведь при сгорании метана на ТЭС используется по максимуму химическая энергия, заключенная в метане. На выходе углекислый газ и вода. Если топливная ячейка выбрасывает на 60% меньше углекислого газа, это означает, что либо там не полностью используется химическая энергия метана (просто он не весь окисляется), либо там происходит нечто фантастическое — углерод превращается в водород и дальше как обычно! ;-)
                        +1
                        Возможно, технологи маркетологи Bloom Energy сравнивают топливные элементы Bloom Box с какими-то морально устаревшими тепловыми электростанциями, а не, к примеру, с современными парогазовыми установками.
                        0
                        Что-то я не понял — как это на ватт 7-8 баксов, если та же MS строит 10МВт электростанцию за 45М$? Получается 4.5 бакса на ватт, с учётом строительства здания, баков под водород и монтаж… Может быть 3 бакса за ватт?
                          0
                          У MS не используются такие ТЭ от Bloom Energy. Тоже топливные элементы, но нигде нет упоминаний о Bloom Energy. Они видимо нашли производителей ТЭ подешевле. Ну и масштаб имеет значение — одно дело компактное устройство устанавливаемое чуть ли не прямо в серверную стойку в ДЦ, другое большая промышленная установка для отдельной достаточно мощной электростанции.

                          От масштаба удельная цена (на единицу мощности) может меняться до нескольких раз.
                            0
                            4.5 бакса на ватт

                            В любом случае примерно в 10 раз дороже ГПГУ или ДГУ.
                            Плюс, чем меньше размер, тем дороже ватт. У Bloom, если я правильно понял их сайт, одиночная установка максимум — 300 кВт.
                            Отдельный вопрос — заявляемый КПД выше 50% при заявляемом тепловыделении до 2 кВт с мелочью на 1 кВт мощности, что, как бы, намекает на КПД около 33%…
                            0
                            «Корея занимает первое место по потреблению электричества в Азии» — весьма сомнительный тезис. А по ссылке статья о топливных элементах
                              0
                              Видимо имелось в на человека. По удельному потреблению электричества на 1 человека то Корея, то Тайвань на 1м месте оказываются среди азиатских стран: en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_electricity_consumption

                              По общему конечно Китай и Япония в Азии вне конкуренции из своих размеров и количества населения.

                            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.