Энергетическая установка HotModule в ЦОД

Для энергопитания «зеленых» центров обработки данных (ЦОД) в опытную эксплуатацию все чаще внедряют энергетические установки на базе топливных элементов FC (Fuel Cells). И на то есть ряд весомых оснований: ведь топливные элементы в отличие от дизель-генераторов не имеют подвижных частей и благодаря этому работают практически бесшумно, без вибрации. Кроме того, единственными «отходами» топливных элементов являются вода и тепло. По эффективности такие источники питания превосходят дизель-генераторы, использование которых может быть ограничено экологическими нормами, касающимися отработанных газов и шумов. К тому же не следует забывать и главные преимущества автономных энергоустановок — умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию и сравнительно простое обслуживание. Расположение автономных источников энергии непосредственно в местах потребления не только избавляет от потерь в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.

Под топливным элементом обычно понимается одна из разновидностей электрохимических устройств, существенное преимущество которых состоит в том, что у них – в отличие от гальванических элементов и аккумуляторов – электроды в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются извне. В топливных элементах достигается высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую. Для постоянного получения электроэнергии необходимо непрерывно подводить топливо и окислитель, а отводить продукты реакции и теплоту. Поэтому реальная выработка электрической энергии и теплоты происходит в электрохимических генераторах и энергоустановках.

Один из перспективных типов топливных элементов — это топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells). Поскольку MCFC при работе выделяют большое количество тепла, они хорошо подходят для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (либо карбоната натрия), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода — оксид никеля с оксидом лития. Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. При нагревании до температуры порядка 650°С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом. Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду. Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода.

Источники на базе топливных элементов MCFC отличаются высокой эффективностью преобразования топлива. Коэффициент преобразования химической энергии топлива в электрическую обычно составляет 50–60%, а при утилизации теплоты, выделяемой при электрохимических реакциях, суммарный коэффициент использования топлива может достигать 90%. Следует подчеркнуть, что электрохимические процессы в MCFC не требуют использования дорогих катализаторов, а в качестве топлива может выступать целый ряд натуральных и синтетических топлив. Кроме того, высокие температуры протекания процессов не требуют наличия дополнительного реформера для преобразования топлива. Промышленные разработки в этой области ведут американские, немецкие и японские компании.

Один из примеров внедрения таких источников энергии – ЦОД компании T-Systems, подразделения Deutsche Telekom. Если «старый» ЦОД этой компании, расположенный в бункере времен второй мировой войны, известен своей надежностью (99,995%), то новый дата-центр (там же, в Мюнхене) с 2007 г. успешно эксплуатирует энергетическую установку HotModule на базе топливных элементов MCFC.

Основным контрактором в проекте выступила немецкая компания MTU CFC Solutions – совместное предприятие MTU Friedrichshafen, DaimlerChrysler и RWE Fuel Cells по выпуску энергетических установок для генерации электричества и тепла. Эта компания со своим американским партнером Fuel Cell Energy – основным разработчиком систем на базе топливных элементов MCFC – уже ввела в строй 35 подобных установок HotModule. В зависимости от модификации топливом может служить природный газ, биогаз или метанол. Обычно одна установка HotModule размерами 8х2,5х3,2 м генерирует 245 КВт электроэнергии и 180 КВт тепла. Для выработки биогаза можно использовать солому, навоз и другие биологические отходы. В данном случае биометан (смесь метана и углекислого газа) получают из отходов урожая кукурузы, выращиваемой в окрестностях Мюнхена, при этом считается, что нулевой баланс углекислого газа обеспечивается его абсорбцией на тех же полях кукурузы.