在決定一個(gè)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)位置時(shí)，確保其與電網(wǎng)的可靠連接通常是企業(yè)必須考慮的頭等大事。但這也限制了再生能源豐富卻位置偏遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營。
微軟公司希望另辟蹊徑，多年來致力開發(fā)和研究更好的解決方式。在過去五年中，微軟公司一直在研發(fā)不同的數(shù)據(jù)中心供電方法，例如在機(jī)架層面使用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池。這將為數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)營提供了位置、可靠性和能源效率方面的優(yōu)勢，但也帶來了全新的挑戰(zhàn)。
去年，在懷俄明州Dry Creek水回收設(shè)施和加州大學(xué)歐文分校的美國國家燃料電池研究中心進(jìn)行了試驗(yàn)后，微軟公司在燃料電池商業(yè)化方面邁出了迄今為止的最大一步。
微軟公司云基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營總經(jīng)理 Christian Belady（左）與微軟公司云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營高級研究項(xiàng)目經(jīng)理 Sean James（右）在西雅圖的先進(jìn)能源實(shí)驗(yàn)室
2017年9月，微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司合作推出了＂世界上第一個(gè)天然氣驅(qū)動(dòng)的燃料電池供電數(shù)據(jù)中心＂的設(shè)計(jì)。
＂我們在西雅圖的先進(jìn)能源實(shí)驗(yàn)室（The Advanced Energy Lab）中部署了 20 個(gè)機(jī)架。＂微軟公司云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營高級研究項(xiàng)目經(jīng)理 Sean James說，＂這個(gè)項(xiàng)目如此具有顛覆性的原因是，它如何從根本上簡化了服務(wù)器供電的過程，以及使數(shù)據(jù)中心的能效幾乎翻了一番，同時(shí)降低了成本，并提高了可靠性。＂
該項(xiàng)目設(shè)計(jì)稱之為＂Stark和簡單數(shù)據(jù)中心＂，將燃料電池部署在服務(wù)器機(jī)架。燃料電池由陽極、陰極和它們之間的電解質(zhì)層組成。
在氫氣燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的情況下，氫分子在陽極分解成質(zhì)子和電子，由催化劑激活。質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。 當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。
不同的燃料電池使用不同的電解質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移離子，但最有希望用于數(shù)據(jù)中心的兩種燃料電池似乎是質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），后者直接使用天然氣作為燃料。
固體氧化物燃料電池具有更高的效率、更大的容量，適合連續(xù)發(fā)電，但運(yùn)行在更高的溫度，將產(chǎn)生二氧化碳，并對負(fù)載變化不敏感。
質(zhì)子交換膜 （PEMFC）燃料電池仍然是當(dāng)然最環(huán)保干凈的燃料電池系統(tǒng)，只生產(chǎn)廢水，但由于氫氣的產(chǎn)生和儲(chǔ)存比較困難，很難廣泛應(yīng)用。然而，這種情況可能會(huì)在未來發(fā)生變化。
固體氧化物燃料電池是替代電網(wǎng)的一種快速和可行的方案，仍然可以提供一些環(huán)境優(yōu)勢。微軟公司估計(jì)可減少49％的二氧化碳排放量，減少91％的氮氧化物，減少68％的一氧化碳，減少93％的揮發(fā)性有機(jī)化合物。
微軟公司正在試驗(yàn)在研究燃料電池供電的數(shù)據(jù)中心的方法：在機(jī)架設(shè)備的直流供電方面，該公司解釋說，它已經(jīng)同時(shí)對Hydrogenics HyPM 10kW的質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2．5kW的固體氧化物燃料電池（SOFC）進(jìn)行測試。
Hydrogenics燃料電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)施的應(yīng)用特點(diǎn)，而目前固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)尚不存在類似的產(chǎn)品，其主要針對住宅和商業(yè)建筑領(lǐng)域，旨在用于熱電聯(lián)產(chǎn)。
該文件指出：＂預(yù)計(jì)為數(shù)據(jù)中心的機(jī)架內(nèi)發(fā)電而設(shè)計(jì)的固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)將產(chǎn)生更多的電力和更少的熱量，而這些將被數(shù)據(jù)中心中現(xiàn)有的空氣和空氣通風(fēng)系統(tǒng)冷卻。＂
該方法提高能源效率的關(guān)鍵是減少輸電損耗。因?yàn)殡娔苎刂鴮?dǎo)線傳輸時(shí)會(huì)損耗一部分，而在這些損耗存在于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心、發(fā)電廠、變電站、變壓器和交直流變換中。
隨著燃料電池部署在服務(wù)器機(jī)架，一種稱為分布式燃料電池（DFC）的方法已經(jīng)采用，其電力損耗僅限于電池本身的電源變換。
微軟公司稱，由于在發(fā)電、輸電和配電過程的電力損耗，發(fā)電廠提供的電能只有不到35％是數(shù)據(jù)中心消耗的。當(dāng)考慮到數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)場冷卻、照明和能源儲(chǔ)存相關(guān)的能源消耗時(shí)，發(fā)電廠提供的電能只有17．5％用于服務(wù)器運(yùn)行。
在一篇名為＂數(shù)據(jù)中心的燃料電池：從服務(wù)器產(chǎn)生的電能＂的研究報(bào)告中，微軟公司指出，在使用天然氣燃料電池方法時(shí)，假設(shè)服務(wù)器的冷卻負(fù)荷與傳統(tǒng)燃料電池和數(shù)據(jù)中心的的工作負(fù)荷成比例，那么服務(wù)器消耗的電能高達(dá)29．5％．如果可以將燃料電池廢熱用于冷卻過程，還可以獲得進(jìn)一步的收益。
能源效率并不是使用天然氣燃料電池供電的數(shù)據(jù)中心具有吸引力的唯一因素。可靠性也可能是一個(gè)主要的吸引力，因?yàn)樘烊粴獾碾娋W(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施通常埋在地下，并且不受惡劣天氣的影響。美國天然氣供電的電網(wǎng)可靠性超過99．999％，而市電電網(wǎng)的可靠性僅為99．9％或更低。
這意味著數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商可以不再采用作為備用電源的柴油發(fā)電機(jī)組和電池，以及不再采用數(shù)據(jù)中心內(nèi)的配電系統(tǒng)，這些設(shè)備的成本占數(shù)據(jù)中心投資成本的四分之一以上。
然而，挑戰(zhàn)依然存在，這種技術(shù)仍處于研究階段。當(dāng)然，雖然數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商不再需要擔(dān)心與電網(wǎng)的可靠連接，但如果采用固體氧化物燃料電池（SOFC）方法，則需要靠近天然氣供應(yīng)地點(diǎn)來解除這些擔(dān)憂。
但也許最大的問題是快速變化的負(fù)載。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器可能在一瞬間就能徹底改變他們的能源需求，電網(wǎng)可以輕松應(yīng)對。
但是，對于燃料電池來說，如果有一段時(shí)間燃料電池輸送的電壓或容量不足，將會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器關(guān)閉或損壞，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心無法使用。微軟在研究報(bào)告中表示，可以有效處理燃料電池供電數(shù)據(jù)中心的電源浪涌。
處理這種容量不足的方法有兩種。一種是以容量上限供電，但這會(huì)限制服務(wù)器的性能，并導(dǎo)致燃料電池和數(shù)據(jù)中心的利用率不足。另一種方法是使用電池和超級電容器等儲(chǔ)能設(shè)備（ESD）來彌補(bǔ)負(fù)載浪涌時(shí)的不足。
然而，對于應(yīng)對最壞情況的準(zhǔn)備需要付出很高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。為此，微軟公司提供了SizeCap解決方案，這個(gè)方案可以協(xié)調(diào)電池和超級電容器等儲(chǔ)能設(shè)備（ESD）的規(guī)模和功率上限，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效，并解決數(shù)據(jù)中心的電力短缺問題。微軟公司希望在這兩種方法之間找到折衷的方案。
對于SizeCap和燃料電池整體方案的進(jìn)一步研究是必要的，但電池的成本仍然非常高。然而，微軟公司希望該方法很快會(huì)被廣泛采用。如果出現(xiàn)這種情況，電網(wǎng)對數(shù)據(jù)中心的影響可能會(huì)成為過去。
氫氣燃料電池時(shí)代的曙光
雖然固體氧化物燃料電池（SOFCs）的支持者認(rèn)為全球遍布的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的巨大網(wǎng)絡(luò)是其部署最大的優(yōu)勢之一，但是也有一些認(rèn)為燃料電池的未來在于氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。
美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）計(jì)算科學(xué)中心主任Steve Hammond博士表示，＂我確實(shí)看到固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一個(gè)利基市場，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。它們最適合于基本負(fù)載功率和可變負(fù)載或負(fù)載。＂
同時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在汽車行業(yè)推動(dòng)的效率和成本方面取得了重大進(jìn)展。Hammond說，＂我認(rèn)為人們可以在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域充分考慮使用這一技術(shù)。＂
雖然氫氣燃料電池和鋰離子電池驅(qū)動(dòng)汽車之間的競爭激烈，制造商已經(jīng)在這項(xiàng)技術(shù)上投入了大量資金，并促使燃料電池的價(jià)格大幅下降。
汽車廠商正在采取措施將這項(xiàng)技術(shù)用于數(shù)據(jù)中心。戴姆勒公司去年年底透露，它已與惠普企業(yè)（HPE）以及梅賽德斯奔馳、NREL合作開發(fā)持續(xù)電源解決方案的原型和依賴氫氣的固定式電源系統(tǒng)。
＂汽車燃料電池系統(tǒng)的成熟度如今不容置疑。他們已經(jīng)為日常使用做好了準(zhǔn)備，并為交通行業(yè)提供了一個(gè)可行的選擇。＂戴姆勒公司燃料電池主管兼戴姆勒子公司NuCellSys首席執(zhí)行官Christian Mohrdieck教授表示，＂然而，能源、工業(yè)和住宅部門以外的流動(dòng)性部門的氫氣燃料電池的機(jī)會(huì)多種多樣，需要制定新的戰(zhàn)略。而規(guī)模經(jīng)濟(jì)和模塊化是其重要的挑戰(zhàn)。＂
自2017年11月起，美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）一直在測試戴姆勒公司的燃料系統(tǒng)，并將其安裝在能源系統(tǒng)集成設(shè)施（ESIF）數(shù)據(jù)中心。據(jù)稱，它是世界上效率最高的數(shù)據(jù)中心之一，2016年的年平均能源使用效率（PUE）為1．04．
＂這個(gè)系統(tǒng)仍處于基礎(chǔ)研究階段，我們研究的重點(diǎn)是能否安全地做到這一點(diǎn)？這是否有意義？是否有一條通往經(jīng)濟(jì)可行性的道路，以及需要進(jìn)一步的研發(fā)是什么？＂ Hammond說，＂我們有一個(gè)原型，我相信戴姆勒公司可以為我們提供一個(gè)實(shí)際的生產(chǎn)版本，我們將能夠在年中運(yùn)行。＂
＂這將代表一個(gè)早期的步驟，該技術(shù)將會(huì)改變汽車技術(shù)。我們正在做的事情是對汽車燃料電池進(jìn)行改造，目前還沒有500－100kW的專用數(shù)據(jù)中心燃料電池。＂Hammond說。
他補(bǔ)充道，＂我認(rèn)為，如果它會(huì)對云計(jì)算空間產(chǎn)生影響，那么就需要在數(shù)據(jù)中心的行級機(jī)架上完成。我們曾與微軟公司合作，并對一個(gè)50兆瓦數(shù)據(jù)中心在離網(wǎng)的情況進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。他們需要100個(gè)小時(shí)的備份時(shí)間。我們對其在美國的兩個(gè)不同數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了分析，計(jì)算需要多少風(fēng)力和太陽能來支持，以及如何存儲(chǔ)5000兆瓦時(shí)當(dāng)量的氫氣。微軟公司對此很感興趣，他們正在致力于研究，并且在某些時(shí)候這將具有經(jīng)濟(jì)意義，但其效益并不能直接體現(xiàn)。＂
經(jīng)濟(jì)意義并不是云計(jì)算提供商被氫燃料電池吸引的唯一原因，也有可能是為了大幅減少碳排放。然而，這些減少的程度取決于氫氣的生產(chǎn)方式。
在依賴化石燃料的過程中，氫氣的生產(chǎn)總是需要耗費(fèi)更多的能量，而這種能源可以從天然氣中回收，大約95％的氫燃料是使用天然氣生成的。制備氫氣的方法主要是水蒸氣重整甲烷，而甲烷重整過程中將排出二氧化碳和一氧化碳等副產(chǎn)物。
要做到真正的綠色環(huán)保，必須通過電解生產(chǎn)氫氣，在電解中通過水分離氫氣和氧氣原子，并且電力必須來自可再生能源。
＂對于我們來說，我們可以做到這一點(diǎn)，我們在數(shù)據(jù)中心園里有太陽能發(fā)電系統(tǒng)。＂Hammond說。，＂也可以通過購買電力協(xié)議，為電解設(shè)備供電，并且擁有儲(chǔ)氫基礎(chǔ)設(shè)施。所以我們想表明，盡可能安全地采取適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制和失效機(jī)制來證明其有效性，但我最擔(dān)心的是采用氫氣可肥讓人感到擔(dān)憂。＂
1937年在興登堡的一場毀滅性的飛艇災(zāi)難不僅標(biāo)志著飛艇時(shí)代的結(jié)束，也讓人們不再信任氫氣的應(yīng)用。
他說，＂在美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在氫氣傳感器和加氣站技術(shù)方面做了大量工作。我們一直安全地使用氫氣。但是，對于數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員來說，需要做同樣的事情，仍然需要從根本上重新思考數(shù)據(jù)中心設(shè)施，以及如何生產(chǎn)和存儲(chǔ)電能的人員進(jìn)行多年的研究。＂
在過去的三年中，Hammond一直在研究這個(gè)概念，但沒有獲得直接資助。＂我認(rèn)為這種技術(shù)在5到10年內(nèi)將對數(shù)據(jù)中心市場產(chǎn)生影響。＂他說。
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