数据中心的燃料电池的应用与发展

在决定一个数据中心的建设位置时，确保其与电网的可靠连接通常是企业必须考虑的头等大事。但这也限制了再生能源丰富却位置偏远的数据中心的建设和运营。
微软公司希望另辟蹊径，多年来致力开发和研究更好的解决方式。在过去五年中，微软公司一直在研发不同的数据中心供电方法，例如在机架层面使用氢气燃料电池或天然气燃料电池。这将为数据中心建设与运营提供了位置、可靠性和能源效率方面的优势，但也带来了全新的挑战。
去年，在怀俄明州Dry Creek水回收设施和加州大学欧文分校的美国国家燃料电池研究中心进行了试验后，微软公司在燃料电池商业化方面迈出了迄今为止的最大一步。

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微软公司云基础设施和运营总经理 Christian Belady（左）与微软公司云计算基础设施与运营高级研究项目经理 Sean James（右）在西雅图的先进能源实验室
2017年9月，微软公司与McKinstry公司和康明斯公司合作推出了＂世界上第一个天然气驱动的燃料电池供电数据中心＂的设计。
＂我们在西雅图的先进能源实验室（The Advanced Energy Lab）中部署了 20 个机架。＂微软公司云计算基础设施与运营高级研究项目经理 Sean James说，＂这个项目如此具有颠覆性的原因是，它如何从根本上简化了服务器供电的过程，以及使数据中心的能效几乎翻了一番，同时降低了成本，并提高了可靠性。＂
该项目设计称之为＂Stark和简单数据中心＂，将燃料电池部署在服务器机架。燃料电池由阳极、阴极和它们之间的电解质层组成。
在氢气燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）的情况下，氢分子在阳极分解成质子和电子，由催化剂激活。质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。
不同的燃料电池使用不同的电解质和电荷转移离子，但最有希望用于数据中心的两种燃料电池似乎是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），后者直接使用天然气作为燃料。
固体氧化物燃料电池具有更高的效率、更大的容量，适合连续发电，但运行在更高的温度，将产生二氧化碳，并对负载变化不敏感。
质子交换膜（PEMFC）燃料电池仍然是当然最环保干净的燃料电池系统，只生产废水，但由于氢气的产生和储存比较困难，很难广泛应用。然而，这种情况可能会在未来发生变化。
固体氧化物燃料电池是替代电网的一种快速和可行的方案，仍然可以提供一些环境优势。微软公司估计可减少49％的二氧化碳排放量，减少91％的氮氧化物，减少68％的一氧化碳，减少93％的挥发性有机化合物。
【数据中心的燃料电池的应用与发展】微软公司正在试验在研究燃料电池供电的数据中心的方法：在机架设备的直流供电方面，该公司解释说，它已经同时对Hydrogenics HyPM 10kW的质子交换膜燃料电池（PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2．5kW的固体氧化物燃料电池（SOFC）进行测试。
Hydrogenics燃料电池系统在设计时考虑到了数据中心和电信设施的应用特点，而目前固体氧化物燃料电池（SOFC）系统尚不存在类似的产品，其主要针对住宅和商业建筑领域，旨在用于热电联产。
该文件指出：＂预计为数据中心的机架内发电而设计的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统将产生更多的电力和更少的热量，而这些将被数据中心中现有的空气和空气通风系统冷却。＂
该方法提高能源效率的关键是减少输电损耗。因为电能沿着导线传输时会损耗一部分，而在这些损耗存在于标准数据中心、发电厂、变电站、变压器和交直流变换中。
随着燃料电池部署在服务器机架，一种称为分布式燃料电池（DFC）的方法已经采用，其电力损耗仅限于电池本身的电源变换。
微软公司称，由于在发电、输电和配电过程的电力损耗，发电厂提供的电能只有不到35％是数据中心消耗的。当考虑到数据中心的现场冷却、照明和能源储存相关的能源消耗时，发电厂提供的电能只有17．5％用于服务器运行。
在一篇名为＂数据中心的燃料电池：从服务器产生的电能＂的研究报告中，微软公司指出，在使用天然气燃料电池方法时，假设服务器的冷却负荷与传统燃料电池和数据中心的的工作负荷成比例，那么服务器消耗的电能高达29．5％．如果可以将燃料电池废热用于冷却过程，还可以获得进一步的收益。
能源效率并不是使用天然气燃料电池供电的数据中心具有吸引力的唯一因素。可靠性也可能是一个主要的吸引力，因为天然气的电网基础设施通常埋在地下，并且不受恶劣天气的影响。美国天然气供电的电网可靠性超过99．999％，而市电电网的可靠性仅为99．9％或更低。
这意味着数据中心运营商可以不再采用作为备用电源的柴油发电机组和电池，以及不再采用数据中心内的配电系统，这些设备的成本占数据中心投资成本的四分之一以上。
然而，挑战依然存在，这种技术仍处于研究阶段。当然，虽然数据中心运营商不再需要担心与电网的可靠连接，但如果采用固体氧化物燃料电池（SOFC）方法，则需要靠近天然气供应地点来解除这些担忧。
但也许最大的问题是快速变化的负载。数据中心的服务器可能在一瞬间就能彻底改变他们的能源需求，电网可以轻松应对。
但是，对于燃料电池来说，如果有一段时间燃料电池输送的电压或容量不足，将会导致服务器关闭或损坏，这可能导致数据中心无法使用。微软在研究报告中表示，可以有效处理燃料电池供电数据中心的电源浪涌。
处理这种容量不足的方法有两种。一种是以容量上限供电，但这会限制服务器的性能，并导致燃料电池和数据中心的利用率不足。另一种方法是使用电池和超级电容器等储能设备（ESD）来弥补负载浪涌时的不足。
然而，对于应对最坏情况的准备需要付出很高的经济代价。为此，微软公司提供了SizeCap解决方案，这个方案可以协调电池和超级电容器等储能设备（ESD）的规模和功率上限，可以实现经济高效，并解决数据中心的电力短缺问题。微软公司希望在这两种方法之间找到折衷的方案。
对于SizeCap和燃料电池整体方案的进一步研究是必要的，但电池的成本仍然非常高。然而，微软公司希望该方法很快会被广泛采用。如果出现这种情况，电网对数据中心的影响可能会成为过去。
氢气燃料电池时代的曙光

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虽然固体氧化物燃料电池（SOFCs）的支持者认为全球遍布的天然气基础设施的巨大网络是其部署最大的优势之一，但是也有一些认为燃料电池的未来在于氢气为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）计算科学中心主任Steve Hammond博士表示，＂我确实看到固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一个利基市场，而且价格相当昂贵。它们最适合于基本负载功率和可变负载或负载。＂
同时，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在汽车行业推动的效率和成本方面取得了重大进展。 Hammond说，＂我认为人们可以在数据中心领域充分考虑使用这一技术。＂
虽然氢气燃料电池和锂离子电池驱动汽车之间的竞争激烈，制造商已经在这项技术上投入了大量资金，并促使燃料电池的价格大幅下降。
汽车厂商正在采取措施将这项技术用于数据中心。戴姆勒公司去年年底透露，它已与惠普企业（HPE）以及梅赛德斯奔驰、NREL合作开发持续电源解决方案的原型和依赖氢气的固定式电源系统。
＂汽车燃料电池系统的成熟度如今不容置疑。他们已经为日常使用做好了准备，并为交通行业提供了一个可行的选择。＂戴姆勒公司燃料电池主管兼戴姆勒子公司NuCellSys首席执行官Christian Mohrdieck教授表示，＂然而，能源、工业和住宅部门以外的流动性部门的氢气燃料电池的机会多种多样，需要制定新的战略。而规模经济和模块化是其重要的挑战。＂
自2017年11月起，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）一直在测试戴姆勒公司的燃料系统，并将其安装在能源系统集成设施（ESIF）数据中心。据称，它是世界上效率最高的数据中心之一， 2016年的年平均能源使用效率（PUE）为1．04．
＂这个系统仍处于基础研究阶段，我们研究的重点是能否安全地做到这一点？这是否有意义？是否有一条通往经济可行性的道路，以及需要进一步的研发是什么？＂ Hammond说，＂我们有一个原型，我相信戴姆勒公司可以为我们提供一个实际的生产版本，我们将能够在年中运行。＂
＂这将代表一个早期的步骤，该技术将会改变汽车技术。我们正在做的事情是对汽车燃料电池进行改造，目前还没有500－100kW的专用数据中心燃料电池。＂Hammond说。
他补充道，＂我认为，如果它会对云计算空间产生影响，那么就需要在数据中心的行级机架上完成。我们曾与微软公司合作，并对一个50兆瓦数据中心在离网的情况进行了技术经济分析。他们需要100个小时的备份时间。我们对其在美国的两个不同数据中心进行了分析，计算需要多少风力和太阳能来支持，以及如何存储5000兆瓦时当量的氢气。微软公司对此很感兴趣，他们正在致力于研究，并且在某些时候这将具有经济意义，但其效益并不能直接体现。＂
经济意义并不是云计算提供商被氢燃料电池吸引的唯一原因，也有可能是为了大幅减少碳排放。然而，这些减少的程度取决于氢气的生产方式。
在依赖化石燃料的过程中，氢气的生产总是需要耗费更多的能量，而这种能源可以从天然气中回收，大约95％的氢燃料是使用天然气生成的。制备氢气的方法主要是水蒸气重整甲烷，而甲烷重整过程中将排出二氧化碳和一氧化碳等副产物。
要做到真正的绿色环保，必须通过电解生产氢气，在电解中通过水分离氢气和氧气原子，并且电力必须来自可再生能源。
＂对于我们来说，我们可以做到这一点，我们在数据中心园里有太阳能发电系统。＂Hammond说。，＂也可以通过购买电力协议，为电解设备供电，并且拥有储氢基础设施。所以我们想表明，尽可能安全地采取适当的安全机制和失效机制来证明其有效性，但我最担心的是采用氢气可肥让人感到担忧。＂
1937年在兴登堡的一场毁灭性的飞艇灾难不仅标志着飞艇时代的结束，也让人们不再信任氢气的应用。
他说，＂在美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）在氢气传感器和加气站技术方面做了大量工作。我们一直安全地使用氢气。但是，对于数据中心技术人员来说，需要做同样的事情，仍然需要从根本上重新思考数据中心设施，以及如何生产和存储电能的人员进行多年的研究。＂
在过去的三年中， Hammond一直在研究这个概念，但没有获得直接资助。＂我认为这种技术在5到10年内将对数据中心市场产生影响。＂他说。