Топливные элементы для ЦОД

Использование топливных элементов (Fuel Cells) в центрах обработки данных (ЦОД) пока еще не стало обязательным; тем не менее за этой технологией видится большое будущее. По крайней мере правительство США в рамках программы The American Recovery and Reinvestment Act планирует выделить на эти цели 41,9 млн долл. По словам представителя министерства энергетики, указанная сумма станет неким стимулом не только для ускоренного развития технологии топливных элементов, но и для создания новых рабочих мест, связанных с их производством и обслуживанием.

Согласно исследованиям, проведенным InterUnity Group, энергопотребление дата-центров растет ежегодно на 8%. Появляющиеся компьютерные технологии заставляют компании обновлять электрическую инфраструктуру своих ЦОД примерно раз в пять лет. А топливные элементы могли бы использоваться, например, для рентабельного резервного энергопитания дата-центров. Любой функционирующий дата-центр должен обеспечивать высокую надежность и доступность. Но, как известно, одна из трех основных причин, вызывающих простои в работе ЦОД, — это выход из строя аккумуляторных батарей. В этом случае также бы пригодилась надежность топливных элементов.

«Отцом» топливного элемента по праву считается англичанин Вильям Гроув, который еще в 1839 г. создал «газовую электрическую батарею»: соединяя водород и кислород, он получал электрический ток и воду. Напомним, что в свое время ученые Стэнфордского университета определяли топливный элемент как некое «устройство, которое посредством электрохимического процесса преобразует химическую энергию природного газа в электричество и горячую воду». Понадобилось более 100 лет, прежде чем топливные элементы нашли практическое применение на космических кораблях NASA. Но и сейчас эта технология при решении многих задач (в том числе и резервного электропитания ЦОД) не может пока по ряду причин заменить примитивные свинцово-кислотные аккумуляторы и шумные, грязные, требующие постоянного обслуживания дизель-генераторы.

Как известно, основу химических источников тока, к которым относятся аккумуляторы, составляют два электрода, контактирующих с электролитом. Между ними устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделенных процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. В свою очередь, в двигателе внутреннего сгорания, к которым относится дизель, энергия получается за счет сгорания топлива, а этот процесс сопровождается выделением токсичных веществ. В топливном элементе топливо, поступающее извне, «сгорает», как и в двигателе, но выделяется при этом только тепло и вода. Причем, в отличие от аккумуляторов, электроды топливного элемента в процессе работы не изменяются. В качестве топлива для топливных элементов в большинстве случаев используется водород, а также природный газ и метанол.

Одной из первых попытку использовать стационарную установку на топливных элементах для энергоснабжения всего дата-центра предприняла в 70-х годах прошлого века компания Siemens Power Generation, однако эти работы были приостановлены, и все усилия были направлены на разработку нового поколения топливных элементов. Сейчас известно о создании установки SFC-200 мощностью 125 КВт на базе топливных элементов с твердым электролитом SOFC (Solid Oxide Fuel Cells, рис. 1), где применяется керамический электролит на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Одно из существенных преимуществ SOFC состоит в том, что в качестве топлива можно использовать природный газ. По данным Siemens Power Generation, энергетическая эффективность установки превышает 80%. Ее прототипы проработали в Нидерландах и Германии более 20 тыс. ч.

В 2004 г. MGE UPS Systems продемонстрировала источник бесперебойного питания на базе топливных элементов, но из-за «отсутствия интереса клиентов» эта компания также свернула начатые работы.

В настоящее время на рынке топливных элементов для дата-центров не так много игроков. Одни из самых крупных — компании American Power Conversion (APC) и UTC Power. Впрочем, каждая из них нацелена на свой сегмент этого рынка.

В UTC Power по праву считают себя лидером рынка экологически чистых энергетических решений – утверждается, что компания работает на нем уже более 50 лет. Ее история началась в 1958 г., тогда как подразделения Pratt&Whitney. Именно UTC Power обеспечила NASA топливными элементами для программы Apollo, которые использовались на бортах космических кораблей для получения электроэнергии, а позднее, на «челноках» Space Shuttle, — для производства питьевой воды для астронавтов. В начале 1990-х гг. компания начала коммерческое производство стационарных установок на топливных элементах. Сейчас UTC Power предлагает две подобных системы – PureCell 200 (рис. 2) и PureCell 400, которые устанавливаются снаружи или внутри помещения и генерируют мощность 200 и 400 КВт соответственно. В качестве исходного топлива для получения водорода используется природный газ. По имеющейся информации, в установках используются фосфорнокислые топливные элементы PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells, рис. 3), где в качестве электролита выступает жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Заметим, что фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (около 40%), однако среди их преимуществ стоит отметить простую конструкцию, высокую стабильность и низкую летучесть электролита. За счет получаемого в процессе работы установок тепла можно отапливать имеющиеся помещения и нагревать воду. Ведь, например, PureCell 200 вырабатывает 925 тыс. BTU (British Thermal Unit), что соответствует примерно 270 КВт.ч тепловой энергии, а показатель PureCell 400 – 1 млн 700 тыс. BTU (почти 500 КВт.ч).

Одним из самых известных проектов UTC Power стало оснащение в 2005 г. производственных мощностей компании Verizon в Гарден Сити (шт. Нью-Йорк) семью установками PureCell 200. С 1999 г. с успехом пользуется топливными элементами PAFC Первый Национальный банк в Омахе, причем представители этого финансового учреждения отмечают, что технологии UTC Power позволили им реализовать доступность 99,99999%.

В 2005 г. компания APC, входящая ныне в Schneider Electric, анонсировала выпуск адаптивной инженерной инфраструктуры ЦОД InfraStruXure с топливными элементами с полимерной электролитической мембраной PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, рис. 4). Технология изготовления элементов данного типа была разработана еще в 1950-х гг. инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini, а сейчас широко применяются на транспортных средствах. Отличительная особенность PEM-элементов — применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород.

Решение InfraStruXure Fuel Cell (рис. 5), объединяющее элементы электропитания, кондиционирования и управления в стоечной конструкции, обеспечивало автономную работу ответственных ИТ-приложений от резервного источника питания на топливных элементах. Энергетические модули мощностью 10 КВт каждый можно было стекировать по три, таким образом, стандартная 19-дюйм стойка (42U) способна была обеспечить до 30 КВт. Поскольку для выхода на полную мощность системе требовалось около 20 с, на это время сразу после отключения электроэнергии питание брал на себя аккумуляторный источник бесперебойного питания. Баллоны с водородом необходимо было хранить вне здания дата-центра. Одного баллона хватало на то, чтобы обеспечивать мощность 10 кВт в течение примерно 80 мин. Компания позиционировала систему как наиболее перспективную альтернативу автономным электрогенераторам на базе двигателей внутреннего сгорания (дизель-генераторы). Это особенно важно для сред, где необходимо строгое соблюдение экологических норм, строительных нормативов и электромагнитной совместимости, а также при недостатке пространства.

Среди ключевых достоинств своей разработки инженеры APC отметили следующие:

• существенное повышение надежности комплекса энергообеспечения за счет полного отсутствия движущихся механических частей;
• улучшение показателей готовности и эффективное устранение слабостей конструкции благодаря размещению системы в непосредственной близости от нагрузки;
• снижение полной стоимости владения за счет увеличения расчетного срока службы до 10 лет или 5 тыс. включений/выключений;
• снижение полной стоимости владения в результате сокращения занимаемой площади;
• возможность выработки электроэнергии даже в местах, где необходимо самое жесткое соблюдение экологических норм; единственные продукты сгорания в такой системе – тепло и вода.

В августе прошлого года APC объявила о выпуске новых энергетических модулей FCXR (Fuel Cell Extended Run) для контейнерных дата-центров, которые она разработала совместно с корпорацией Hydrogenics. В модулях (доступны версии 10, 20 и 30 КВт) используются блоки PyPM XR, базирующиеся на топливных элементах с полимерной электролитической мембраной PEM, которые способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (до 50%). Представители APC отмечают, что новые модули снижают операционные расходы, увеличивают надежность, а также имеют более длительный срок службы и при этом практически не влияют на окружающую среду.