【行業(yè)新聞】微軟表示氫燃料電池可為數(shù)據(jù)中心提供無排放備用電源

發(fā)表時間:2022-08-12 11:02

文章來源:微軟新聞 | 翻譯:世界鉑金投資協(xié)會


今年六月初的一個陰天,一對40英尺長的集裝箱里裝著的氫燃料電池開始加速運轉(zhuǎn),工程師們聚集在筆記本電腦周圍,上面顯示著這臺史無前例的氫發(fā)電機(jī)電池的狀態(tài)、健康狀況和功率輸出數(shù)據(jù)。


微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團(tuán)隊的首席基礎(chǔ)設(shè)施工程師Mark Monroe驚呼道:“就是這樣!它現(xiàn)在正以三兆瓦的功率運行?!?/section>

建造燃料電池系統(tǒng)的Plug公司的工程師們發(fā)出了熱烈的喝彩和歡呼,穿透了集裝箱頂部風(fēng)扇和蒸汽管道的白噪音。這是微軟為備用柴油發(fā)動機(jī)尋找零碳排放替代品的最新里程碑,這種替代品可以在停電和其他服務(wù)中斷的情況下依然維持運營。


微軟數(shù)據(jù)中心研究主任Sean James說:“對于數(shù)據(jù)中心行業(yè)來說,我們剛剛見證的是一個歷史性的時刻,我們有一臺不產(chǎn)生排放物的發(fā)電機(jī),這非常令人震驚。”


數(shù)據(jù)中心是云計算背后的物理基礎(chǔ)設(shè)施。它可以儲存寵物視頻和度假照片,允許工作人員遠(yuǎn)程聚在一起進(jìn)行虛擬會議,還可以讓游戲玩家聚集在一起構(gòu)建世界、線上賽車和攻克敵軍。它們使世界各地的企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型,使他們能夠快速、安全地響應(yīng)客戶的需求并管理供應(yīng)鏈物流。


從本質(zhì)上講,數(shù)據(jù)中心是最不顯眼的倉庫,里面裝滿了數(shù)以萬計的計算機(jī)服務(wù)器和維持服務(wù)器每周7天、每天24小時運轉(zhuǎn)所需的設(shè)備。這包括將服務(wù)器存儲在一個較為舒適溫度的機(jī)器中,以及即使在電網(wǎng)中斷時也能保持不間斷的電力供應(yīng)。

"使數(shù)據(jù)中心成為數(shù)據(jù)中心的原因是,即使電網(wǎng)中斷,它也能運行。" James說,"停電的時候,服務(wù)器也能保持運行。這就是數(shù)據(jù)中心和堆滿電腦的倉庫之間的區(qū)別。"


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微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團(tuán)隊的首席基礎(chǔ)設(shè)施工程師Mark Monroe(左)和微軟數(shù)據(jù)中心研究主任Sean James(右)在紐約萊瑟姆檢查三兆瓦的氫燃料電池系統(tǒng)。圖源:John Brecher。


新一代的發(fā)電機(jī)


微軟致力于為數(shù)據(jù)中心客戶提供“五九”服務(wù)可用性,這意味著數(shù)據(jù)中心99.999%的時間都在運行。要做到這一點,數(shù)據(jù)中心運營商在一定程度上依賴于所謂的不間斷電源(或稱UPS)中的電池,在停電時啟動電池,并在備用發(fā)電機(jī)啟動時向服務(wù)器供電。


為了確保發(fā)電機(jī)隨時能準(zhǔn)備就緒,微軟定期對其進(jìn)行測試,并進(jìn)行所謂的負(fù)載測試,以確保來自服務(wù)器和其他數(shù)據(jù)中心設(shè)備的電力負(fù)荷能夠可靠地轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)上。


雖然備用發(fā)電機(jī)不常使用,但如果發(fā)生停電,它們可以維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的不間斷供電,從而為客戶提供服務(wù),因此它們非常重要。


當(dāng)備用發(fā)電機(jī)運行時,它們通常需要燃燒化石燃料,盡管微軟一直倡導(dǎo)可持續(xù)燃料替代品。微軟承諾到2030年實現(xiàn)零碳排放,作為該公司承諾的一部分,它將停止使用柴油。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),微軟正在探索短期和長期的替代方案。


例如,在2021年11月,微軟在瑞典推出了可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心區(qū)域,使用瑞典燃料供應(yīng)商Preem的Evolution Diesel Plus作為發(fā)電機(jī)燃料。這種柴油含有至少50%的可再生原材料,與標(biāo)準(zhǔn)化石柴油混合燃料相比,其凈二氧化碳排放的減少量幾乎相當(dāng)。。


微軟首席環(huán)境官Lucas Joppa表示,從長遠(yuǎn)來看,質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池技術(shù)可能是一種可行的零碳排放解決方案。質(zhì)子交換膜燃料電池在化學(xué)反應(yīng)中結(jié)合氫氣和氧氣,產(chǎn)生電力、熱量和水,其過程沒有燃燒,沒有微粒物質(zhì),也沒有碳排放。


在萊瑟姆進(jìn)行的質(zhì)子交換膜燃料電池測試證明了這項技術(shù)在三兆瓦規(guī)模上的可行性,這是數(shù)據(jù)中心第一次在備用發(fā)電機(jī)規(guī)模上進(jìn)行測試。一旦綠氫可用且經(jīng)濟(jì)上可行,這種固定的備用電源可以在各行業(yè)得到應(yīng)用,涵蓋范圍可以從數(shù)據(jù)中心到商業(yè)建筑和醫(yī)院。


"三兆瓦的規(guī)模是非常有趣的,因為這就是我們現(xiàn)在使用的柴油發(fā)電機(jī)的規(guī)模。"喬帕說。


我們的愿景

2013年,微軟與加州大學(xué)歐文分校的國家燃料電池研究中心一起探索燃料電池技術(shù),他們在那里測試了用固體氧化物燃料電池(即SOFC)為計算機(jī)服務(wù)器機(jī)架供電的想法,其中固體氧化物燃料電池以天然氣為燃料。該技術(shù)顯示了基荷電力的前景,盡管它目前的成本過高。


2018年,微軟將質(zhì)子交換膜燃料電池作為解決備用柴油發(fā)電機(jī)挑戰(zhàn)的潛在方案。由于質(zhì)子交換膜燃料電池可以像柴油機(jī)一樣快速開啟和關(guān)閉,并可以跟隨負(fù)載上下移動,因此它通常被用于汽車行業(yè)。Monroe指出,這種快速反應(yīng)和跟隨負(fù)載移動的能力非常適合用于數(shù)據(jù)中心的備用電源。


"我們開始關(guān)注氫氣的成本和可用性的預(yù)測,開始真正相信這可能是一個解決方案。因此,我們建立了一個愿景。他說:"我們的目標(biāo)范圍從一個機(jī)架擴(kuò)大到到一排機(jī)架,再到一個房間,最后到一個數(shù)據(jù)中心?!?/section>


2018年,微軟與科羅拉多州戈爾登的國家可再生能源實驗室的工程師合作,用一臺65千瓦的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)為一個計算機(jī)機(jī)架供電。然后,在2020年,該團(tuán)隊聘請猶他州鹽湖城的Power Innovations公司,建造并測試了一個系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用250千瓦的氫燃料電池系統(tǒng)連續(xù)48小時為10個機(jī)架(一排)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電。


在這次成功的概念驗證演示之后,該團(tuán)隊著手證明三兆瓦系統(tǒng)的可行性,其規(guī)模足以取代數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)。


Monroe指出,問題在于沒有人制造出這么大的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)——3兆瓦的功率規(guī)模比公司在猶他州測試的系統(tǒng)大10倍還多。3兆瓦的能量足以為大約1萬臺計算機(jī)服務(wù)器或600個家庭供電。


最酷的事


建造一個三兆瓦燃料電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)引起了總部設(shè)在萊瑟姆的Plug公司工程師的共鳴,該公司是燃料電池和綠色氫氣技術(shù)商業(yè)開發(fā)的先驅(qū)。如今,該公司提供整個綠氫生態(tài)系統(tǒng)的解決方案,包括氫氣的生產(chǎn)和運輸?shù)酱鎯?、處理和分配?/section>


Plug的工程總監(jiān)Scott Spink說:"在白板上畫出來并相信我們能做到是一個很大的樂趣。這個項目的真正挑戰(zhàn)是,我們沒有依靠一種成熟的技術(shù),燃料電池系統(tǒng)的每一塊都是由一個處于最前沿的團(tuán)隊完成的?!?/section>


125千瓦的燃料電池(其中每個集裝箱里裝18個電池)是該公司有史以來制造的最大的燃料電池,而3兆瓦的燃料電池系統(tǒng)是Plug公司最大的應(yīng)用。因為該系統(tǒng)比以前制造的任何東西都要大,所以相應(yīng)的部件,從壓縮機(jī)和熱交換器到電網(wǎng)規(guī)模的逆變器和輸送氫氣的管道,也是如此。


該系統(tǒng)是在該公司總部后面停車場旁的一個混凝土平臺上零散地組裝起來的,用于研發(fā)和制造其ProGen系列燃料電池。裸露的電線和管子雜亂無章,散熱器風(fēng)扇的蓋子懸在容器上,使該系統(tǒng)看起來就像第一次迭代的原型。


Spink召集的建造該系統(tǒng)的工程師們并沒有被這雜亂的外觀所困擾。


Plug公司大功率固定設(shè)備組的新一代電氣工程師Hannah Baldwin被聘請來參與這個項目,她說道:"這是我做過的最酷的事情,我不知道在我的職業(yè)生涯中將如何超越這個時刻,只是有太多的拼圖需要組合起來。看到它們?nèi)拷M合在一起,并且運作得很好,很穩(wěn)定,我很有成就感。"


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Hannah Baldwin,Plug公司大功率固定裝置組的電氣工程師,她在紐約萊瑟姆的三兆瓦氫燃料電池系統(tǒng)中檢查一個燃料電池的健康狀況。圖來:John Brecher。


備用電源


在燃料電池發(fā)電機(jī)達(dá)到三兆瓦的里程碑后,微軟的James開始了測試,以證明它在現(xiàn)實環(huán)境中可以運行。


"我問了兩個問題。"他說,"第一個問題已經(jīng)得到了回答,即這項技術(shù)整合在一起能否產(chǎn)生我所需要的功率?第二個問題是,它能像柴油機(jī)一樣工作嗎?柴油機(jī)可以非常迅速地產(chǎn)生大量的動力。這就是關(guān)鍵所在。所以,我們要開始模擬數(shù)據(jù)中心的工作周期,其中之一就是停電?!?/section>


當(dāng)電力供應(yīng)中斷時,不間斷電源(UPS)中的電池可以讓數(shù)據(jù)中心運行幾分鐘,這足以讓柴油或氫氣發(fā)電機(jī)升溫。理論上,備用發(fā)電機(jī)一旦啟動,只要有燃料供應(yīng),就可以讓數(shù)據(jù)中心無限期地運行。


從6月在萊瑟姆的那一天開始,在接下來的幾個星期里,Spink的團(tuán)隊對3兆瓦規(guī)模的氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了測試,測試的目的是讓柴油發(fā)電機(jī)合格,以證明它可以穩(wěn)定地運行,包括模擬停電和長時間運行。


Monroe說:"我很高興,這是我們早在2018年就開始的項目的延續(xù)。而在2020年,當(dāng)我們宣布正在進(jìn)行的小型測試時,我們提到了一個事實,即我們將在未來的某個時候運行一個3兆瓦的測試。那個未來就是現(xiàn)在。"


隨著原型測試的完成和概念的驗證,Plug公司正專注于推出一款優(yōu)化的商用大功率固定式燃料電池系統(tǒng),該系統(tǒng)比Latham市停車場附近平臺上的那個占地面積更小,更精簡,也更美觀。


微軟將在一個研究數(shù)據(jù)中心安裝一個這樣的第二代燃料電池系統(tǒng),工程師將在那里學(xué)習(xí)如何使用和部署新技術(shù),包括制定氫氣安全協(xié)議。James指出,在實際數(shù)據(jù)中心首次部署的日期尚不清楚,但可能會在空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)禁止使用柴油發(fā)電機(jī)的新數(shù)據(jù)中心。


他說:“當(dāng)興奮勁過去后,我就反過來思考,我們成功了一次,但在哪里可以把規(guī)模擴(kuò)大到1000個?"我們已經(jīng)承諾完全不使用柴油,而且這個供應(yīng)鏈必須是健全的,因此我們必須討論整個氫氣行業(yè)的規(guī)模?!?/section>

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三兆瓦的氫燃料電池系統(tǒng)由一對40英尺長的運輸集裝箱組成,每個集裝箱都有18個質(zhì)子交換膜燃料電池。每個集裝箱的頂部有一個散熱器風(fēng)扇的蓋子。圖源:John Brecher。


氫能經(jīng)濟(jì)


氫是宇宙中最輕、含量最豐富的元素,它清潔能源的潛力長期受到關(guān)注。一個挑戰(zhàn)是,雖然像太陽這樣的恒星主要由氫組成,但在地球上,氫只與其他元素以化合物的形式存在,比如水或碳?xì)浠衔?,如天然氣和石油?/p>


從這些天然化合物中分離氫,儲存氫,運輸氫,并大規(guī)模地從氫中提取能量所需的高昂成本和技術(shù)限制了它的使用。據(jù)Plug公司銷售和產(chǎn)品管理副總裁Darin Painter說,在過去十年中,這種情況已經(jīng)開始改變。


他說,這種變化是由整個氫氣生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)步以及人們對可持續(xù)發(fā)展日益增長的興趣和承諾推動的。


例如,充足且便宜的風(fēng)能和太陽能正在通過被稱為電解槽的機(jī)器生產(chǎn)所謂的“綠氫”。這些機(jī)器的運作方式就像一個反向的燃料電池,它們利用能量將水分子分解成氫氣和氧氣。如果用于運行電解槽的能源來自可再生能源,那么生產(chǎn)的氫氣就被認(rèn)為是綠氫。


萊瑟姆試驗中使用的氫是一種低碳的“藍(lán)氫”,是工業(yè)生產(chǎn)氯和氫氧化鈉的副產(chǎn)品。Painter說,Plug正在擴(kuò)大美國和歐洲工廠中綠氫的生產(chǎn)規(guī)模,以滿足日益增長的需求。微軟計劃在生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心中使用綠氫。


在氫氣生態(tài)系統(tǒng)的另一端,技術(shù)進(jìn)步帶來了密度更大且效率更高的燃料電池組,這些燃料電池組將氫氣和氧氣結(jié)合起來,產(chǎn)生電力、熱量和水。


Painter說:"所有這些操作都必須建立在你能夠達(dá)到一個可行解決方案的規(guī)模之上。如果我們在10年或15年前就嘗試建立這個3兆瓦的系統(tǒng),當(dāng)時我們不可能成功。"


Monroe和他的同事在2018年氫燃料電池項目開始時進(jìn)行了計算,看到了這種計算方式的變化。Monroe說,在每瓦的基礎(chǔ)上,氫燃料電池產(chǎn)生的電力很有可能與柴油發(fā)電機(jī)等其他來源的電力競爭。


為了加速清潔能源解決方案的突破,美國能源部在2021年6月宣布了第一項能源地球計劃——氫計劃,其目標(biāo)是在10年內(nèi)將清潔氫氣的成本降低80%,達(dá)到1美元/公斤。Monroe指出,一公斤氫氣的能量含量與一加侖的汽油的能量含量大致相同。


他補充說,現(xiàn)在需要的是一種催化劑,以擴(kuò)大綠氫和燃料電池的生產(chǎn)規(guī)模,這將降低成本,并增加技術(shù)的采用。


Joppa說,微軟和數(shù)據(jù)中心行業(yè)的其他參與者處于獨特的地位,可以成為這種催化因素,他除了擔(dān)任首席環(huán)境官外,還是微軟氫能委員會的代表,這是一個由領(lǐng)先的能源、運輸和工業(yè)公司組成的全球倡議,旨在促進(jìn)氫在清潔能源轉(zhuǎn)型中的作用。


Joppa指出,微軟對燃料電池和綠氫的業(yè)務(wù)和可持續(xù)性需求向市場發(fā)出了需求信號。他還補充說,如果微軟投資氫技術(shù),并且技術(shù)成功的話,其他公司也會更有興趣投資氫技術(shù)。


"所以,如果我們有信心使用這些技術(shù)來確保我們數(shù)據(jù)中心服務(wù)的連續(xù)性,這將大大提振我們的信心。"Joppa說。


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質(zhì)子交換膜燃料電池在化學(xué)反應(yīng)中結(jié)合氫氣和氧氣,產(chǎn)生電力、熱量和水。雖然大部分的水以液體形式排出,但有一部分以蒸汽形式排出。圖源:John Brecher。


城市規(guī)模的解決方案


James指出,一個強大的綠氫經(jīng)濟(jì)也可以幫助城市過渡到使用100%的可再生能源。這是因為風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠產(chǎn)生的多余能量可以用來運行電解槽,實際上是將這些多余的能量儲存在氫氣中。然后,在沒有光照和風(fēng)力的情況下,這種綠氫可以為燃料電池提供動力,而不產(chǎn)生任何碳排放。


他說:"我們想通過不需要光照的清潔能源為我們供電。你將如何做到這一點?這對能量儲存要求很高,而氫氣是一個很好的方法。"


James設(shè)想,未來的數(shù)據(jù)中心將配備氫燃料電池、儲氫罐和電解槽,利用多余的可再生能源將水分子轉(zhuǎn)換成氫。在能源需求旺盛的時期,或者光照、風(fēng)力不足的時候,微軟可以加大燃料電池的功率,將數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷從電網(wǎng)中移除,釋放電網(wǎng)電力供其他人使用。


將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實所面臨的挑戰(zhàn)是迫使這位下一代電氣工程師Baldwin堅持在氫經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域工作的原因,她承認(rèn),在她參與燃料電池項目之前,這一職業(yè)道路并不是她的首選。


她說:"很高興我可以從事能夠改變世界的工作,而氫氣有很大的潛力成為一個巨大的規(guī)則改變者。很多人想到可再生能源時想到的都是風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板,而不一定想到氫氣。但未來,這種情況肯定會有所改變。"(來源:微軟新聞)

翻譯:世界鉑金投資協(xié)會


提示:本文信息僅供參考,不代表世界鉑金投資協(xié)會的觀點,不構(gòu)成或不應(yīng)被認(rèn)為是世界鉑金投資協(xié)會的投資建議。


注:此新聞稿選取自國外行業(yè)新聞網(wǎng)站的實時行業(yè)新聞,經(jīng)由世界鉑金投資協(xié)會翻譯并編輯成中文新聞稿,供讀者閱讀參考。為了尊重知識產(chǎn)權(quán),任何媒體若要轉(zhuǎn)載,請務(wù)必注明文章的原出處及翻譯稿出處。



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