減少備份數(shù)據(jù)中心的排放

紐約萊瑟姆 - 今年6月初的一個陰天，裝在一對40英尺長的集裝箱中的氫燃料電池加速增加，因?yàn)楣こ處焸兙奂诠P記本電腦周圍，顯示有關(guān)電池的狀態(tài)，健康狀況和功率輸出的數(shù)據(jù)。

“就是這樣，它現(xiàn)在以三兆瓦的速度運(yùn)行，”微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團(tuán)隊(duì)的首席基礎(chǔ)設(shè)施工程師馬克·門羅（Mark Monroe）驚呼道。

建造燃料電池系統(tǒng)的Plug工程師的掌聲和歡呼聲刺破了集裝箱頂部風(fēng)扇和排放蒸汽的管道的白噪音。這一刻是微軟尋求零碳排放替代品的最新里程碑，用于替代備用柴油發(fā)電機(jī)，在停電和其他服務(wù)中斷的情況下支持連續(xù)運(yùn)行。

“我們剛剛目睹的是，對于數(shù)據(jù)中心行業(yè)來說，這是一個登月時刻，”微軟數(shù)據(jù)中心研究總監(jiān)肖恩詹姆斯說。“我們有一個不產(chǎn)生排放的發(fā)電機(jī)。這真是令人興奮。

數(shù)據(jù)中心是云計算面紗背后的物理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。它們是存儲貓視頻和度假照片的地方，遠(yuǎn)程工作人員聚集在一起進(jìn)行虛擬會議，游戲玩家聚集在一起建造世界、賽車和擊退敵人。它們使全球企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使他們能夠快速安全地響應(yīng)客戶需求并管理供應(yīng)鏈物流。

數(shù)據(jù)中心的核心是故意不起眼的倉庫，里面裝滿了數(shù)以萬計的計算機(jī)服務(wù)器和保持服務(wù)器運(yùn)行所需的設(shè)備，并且每周 7 天、每天 24 小時可用。這包括使服務(wù)器保持在T恤天氣溫度的機(jī)器，以及即使在電網(wǎng)中斷期間也能保持不間斷供電的電池和發(fā)電機(jī)。

“使數(shù)據(jù)中心成為數(shù)據(jù)中心的原因是，即使網(wǎng)格不是，它也可以運(yùn)行，”詹姆斯說。“當(dāng)停電時，服務(wù)器會保持運(yùn)行。這就是數(shù)據(jù)中心和裝滿計算機(jī)的倉庫之間的區(qū)別。

微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團(tuán)隊(duì)的首席基礎(chǔ)設(shè)施工程師馬克·門羅（左）和微軟數(shù)據(jù)中心研究總監(jiān)肖恩·詹姆斯（右）在紐約萊瑟姆檢查三兆瓦氫燃料電池系統(tǒng)。攝影：John Brecher。

下一代發(fā)電機(jī)

Microsoft 努力為數(shù)據(jù)中心客戶提供“五個 9”的服務(wù)可用性，這意味著數(shù)據(jù)中心在 99.999% 的時間內(nèi)正常運(yùn)行。為此，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商部分依靠所謂的不間斷電源（UPS）中的電池在發(fā)生停電時啟動，并在備用發(fā)電機(jī)啟動時為服務(wù)器供電。

為了確保發(fā)電機(jī)隨時準(zhǔn)備就緒，Microsoft 會定期對其進(jìn)行測試，并執(zhí)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)備的電氣負(fù)載可以可靠地傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)。

雖然備用發(fā)電機(jī)不經(jīng)常使用，但如果停電，它們至關(guān)重要。這是因?yàn)樗鼈儽３謹(jǐn)?shù)據(jù)中心的不間斷電源，從而為客戶提供服務(wù)。

當(dāng)備用發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，它們通常會燃燒化石燃料，盡管微軟一直在開拓可持續(xù)的燃料替代品。微軟已承諾消除柴油燃料，作為該公司到 2030 年實(shí)現(xiàn)負(fù)碳承諾的一部分。為了實(shí)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，2021 年 11 月，微軟在瑞典推出了可持續(xù)數(shù)據(jù)中心區(qū)域，該區(qū)域使用瑞典燃料提供商 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)化石柴油混合物相比，凈二氧化碳排放量幾乎相同。

長期的質(zhì)子交換膜或PEM燃料電池技術(shù)可能是無碳排放的可行解決方案，微軟首席環(huán)境官Lucas Joppa表示。PEM燃料電池將氫氣和氧氣結(jié)合在化學(xué)反應(yīng)中，產(chǎn)生電，熱和水 - 無燃燒，無顆粒物，無碳排放。

萊瑟姆的PEM燃料電池測試證明了這項(xiàng)技術(shù)在三兆瓦下的可行性，這是第一次在數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)規(guī)模上。一旦綠色氫可用且經(jīng)濟(jì)可行，這種類型的固定備用電源就可以跨行業(yè)實(shí)施，從數(shù)據(jù)中心到商業(yè)建筑和醫(yī)院。

“三兆瓦非常有趣，因?yàn)檫@是我們目前使用的柴油發(fā)電機(jī)的大小，”喬帕說。

“我們構(gòu)建了一個愿景”

微軟于2013年開始與加州大學(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)，在那里他們測試了用固體氧化物燃料電池（SOFC）為計算機(jī)服務(wù)器機(jī)架供電的想法，這些燃料電池以天然氣為燃料。該技術(shù)顯示出基本負(fù)載功率的前景，盡管目前它的價格過高。

微軟在2018年轉(zhuǎn)向PEM燃料電池作為備用柴油發(fā)電機(jī)挑戰(zhàn)的潛在解決方案。PEM燃料電池通常用于汽車行業(yè)，因?yàn)榕c柴油發(fā)動機(jī)一樣，它們可以快速打開和關(guān)閉，并且可以跟隨負(fù)載的上下。Monroe指出，這種快速反應(yīng)和負(fù)載跟蹤能力非常適合數(shù)據(jù)中心的備用電源。

“我們開始研究氫氣的成本和可用性的預(yù)測，我們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。它把我們從一個機(jī)架帶到一排，從一個房間到一個數(shù)據(jù)中心，“他說。

2018 年，微軟與科羅拉多州戈?duì)柕菄铱稍偕茉磳?shí)驗(yàn)室的工程師合作，用 65 千瓦的 PEM 燃料電池發(fā)電機(jī)為計算機(jī)機(jī)架供電。然后，在 2020 年，該團(tuán)隊(duì)聘請了猶他州鹽湖城的 Power Innovations，以構(gòu)建和測試一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用 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）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電。

在成功的概念驗(yàn)證演示之后，該團(tuán)隊(duì)著手證明三兆瓦系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)的尺寸足以取代數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)。

門羅指出，問題在于沒有人制造出如此大的PEM燃料電池系統(tǒng) - 三兆瓦比該公司在猶他州測試的系統(tǒng)大10倍以上。三兆瓦的能量足以為大約10，000臺計算機(jī)服務(wù)器或600個家庭供電。

“最酷的事情”

建造三兆瓦燃料電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)引起了總部位于萊瑟姆的Plug工程師的共鳴，該公司是燃料電池和綠色氫技術(shù)商業(yè)開發(fā)的先驅(qū)。如今，該公司在整個綠色氫生態(tài)系統(tǒng)中提供解決方案——從生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)絻Υ?、處理和分配?/p>

“把它畫在白板上，然后說，'好吧，我們知道我們可以做到這一點(diǎn)，我們知道我們可以做到這一點(diǎn)，'這很有趣，”Plug的工程總監(jiān)斯科特·斯平克（Scott Spink）說。“這個項(xiàng)目的真正挑戰(zhàn)是，我們沒有依賴一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。燃料電池系統(tǒng)的每一部分都來自一個處于他們所做工作最前沿的團(tuán)隊(duì)。

125千瓦的燃料電池 - 其中18個包裝在每個集裝箱中 - 是該公司有史以來最大的燃料電池，三兆瓦燃料電池系統(tǒng)是Plug最大的應(yīng)用。由于該系統(tǒng)比以前建造的任何系統(tǒng)都大，因此所有組件也是如此，從壓縮機(jī)和熱交換器到電網(wǎng)規(guī)模的逆變器和氫氣輸送管道。

該系統(tǒng)在公司總部后面停車場附近的混凝土墊上零碎組裝，用于研發(fā)和制造其ProGen燃料電池系列。裸露的電線和管子這樣那樣，散熱器風(fēng)扇的帽子懸在容器上，使系統(tǒng)看起來像第一次迭代原型。

斯賓克為構(gòu)建系統(tǒng)而召集的工程師對雜亂無章的外觀并不擔(dān)心。

“這是我做過的最酷的事情，”Plug大功率固定小組的下一代電氣工程師漢娜鮑德溫說，他被雇用從事該項(xiàng)目。“我不知道我將如何在我的職業(yè)生涯中超越這一點(diǎn)。有太多的拼圖必須拼湊在一起?？吹剿麄冏叩揭黄?，工作良好，穩(wěn)定，是值得的。

漢娜·鮑德溫（Hannah Baldwin）是Plug大功率固定小組的電氣工程師，她正在檢查紐約萊瑟姆三兆瓦氫燃料電池系統(tǒng)中燃料電池的健康狀況。攝影：John Brecher。

備用電源

在燃料電池發(fā)電機(jī)達(dá)到三兆瓦里程碑后，微軟的詹姆斯迅速啟動了測試，以證明它可以在現(xiàn)實(shí)世界的條件下運(yùn)行。

“我問了兩個問題，”他說。“我的第一個問題得到了回答：這項(xiàng)技術(shù)集成在一起能產(chǎn)生我需要的電力嗎？我的第二個問題是它能像柴油一樣表現(xiàn)嗎？柴油發(fā)動機(jī)可以非?？焖俚禺a(chǎn)生大量動力。這才是關(guān)鍵。因此，我們將開始模擬數(shù)據(jù)中心占空比，其中之一就是停電。

當(dāng)發(fā)生停電時，UPS 中的電池可以使數(shù)據(jù)中心運(yùn)行幾分鐘，這足以增加柴油或氫氣發(fā)電機(jī)。從理論上講，備用發(fā)電機(jī)一旦啟動，只要有燃料供應(yīng)，就可以無限期地保持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)行。

從六月在萊瑟姆的那一天開始，在接下來的幾周里，Spink的團(tuán)隊(duì)通過微軟用來鑒定柴油發(fā)電機(jī)的測試來運(yùn)行三兆瓦的氫燃料電池系統(tǒng)，以證明它可以可靠地運(yùn)行，包括模擬停電和長達(dá)數(shù)小時的運(yùn)行。

“我只是癢癢的，”夢露說。“這是我們在2018年開始的旅程的延續(xù)。在2020年，當(dāng)我們宣布在較小的測試上所做的工作時，我們暗示我們將在未來某個時候進(jìn)行三兆瓦的測試。未來就是現(xiàn)在。

隨著原型測試的完成和概念的驗(yàn)證，Plug專注于推出優(yōu)化的商業(yè)版本的大功率固定燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)比萊瑟姆停車場附近的墊子上的系統(tǒng)占地面積更小，更精簡和拋光。

微軟將在研究數(shù)據(jù)中心安裝其中第二代燃料電池系統(tǒng)之一，工程師將學(xué)習(xí)如何使用和部署新技術(shù)，包括開發(fā)氫安全協(xié)議。詹姆斯指出，在實(shí)時數(shù)據(jù)中心首次部署的日期尚不清楚，盡管它可能會發(fā)生在空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)禁止柴油發(fā)電機(jī)的新數(shù)據(jù)中心。

“當(dāng)興奮消退時，我會轉(zhuǎn)過身來，開始問，'好吧，我們做了一個，我在哪里可以得到1000個？'”他說。“我們承諾完全無柴油，供應(yīng)鏈必須強(qiáng)大 - 我們必須談?wù)撜麄€氫行業(yè)的規(guī)模。

三兆瓦的氫燃料電池系統(tǒng)由一對40英尺長的集裝箱組成，每個集裝箱可容納18個PEM燃料電池。散熱器風(fēng)扇的蓋子位于每個容器的頂部。攝影：John Brecher。

氫經(jīng)濟(jì)

氫是宇宙中最輕、最豐富的元素。長期以來，人們一直關(guān)注著地球上的清潔能源潛力。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，氫只能與其他元素以化合物的形式自然存在 - 想想水或碳?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，運(yùn)輸和大規(guī)模從中榨取動力所需的高成本和技術(shù)限制了其使用。在過去的十年里，這種計算已經(jīng)開始改變，Plug固定電源銷售和產(chǎn)品管理副總裁Darin Painter表示。

他說，這一變化是由整個氫生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)步以及對可持續(xù)發(fā)展日益增長的興趣和承諾推動的。

例如，豐富而廉價的風(fēng)能和太陽能正在通過稱為電解槽的機(jī)器經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)所謂的綠色氫氣。這些機(jī)器像燃料電池一樣反向運(yùn)行——它們利用能量將水分子分解成氫和氧。如果用于運(yùn)行電解槽的能量來自可再生能源，那么產(chǎn)生的氫氣被認(rèn)為是綠色的。

萊瑟姆測試中使用的氫氣是一種低碳的“藍(lán)色”氫氣，作為氯和氫氧化鈉工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品獲得。Painter說，Plug正在美國和歐洲各地的設(shè)施中擴(kuò)大綠色氫氣生產(chǎn)，以滿足不斷增長的需求。微軟計劃在生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心僅使用綠色氫。

在氫生態(tài)系統(tǒng)的另一端，技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致了更密集、更高效的燃料電池堆，這些燃料電池堆結(jié)合了氫和氧來發(fā)電、熱能和水。

“在你能夠大規(guī)模獲得可行的解決方案之前，所有這些都必須發(fā)生，”Painter說。“如果我們在10年或15年前試圖建造這個三兆瓦的系統(tǒng)，我認(rèn)為我們不可能做到。

門羅和他的同事們在2018年氫燃料電池項(xiàng)目開始時運(yùn)行數(shù)字時看到了微積分的這種變化。門羅說，在每瓦特的基礎(chǔ)上，氫燃料電池產(chǎn)生的電力正在與柴油發(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，美國能源部于 2021 年 6 月宣布了首個能源地球疫苗——氫彈，目標(biāo)是在 1 年內(nèi)將清潔氫的成本降低 80%，達(dá)到每 1 公斤 1 美元。門羅指出，一公斤氫氣的能量含量與一加侖汽油大致相同。

他補(bǔ)充說，需要的是擴(kuò)大綠色氫和燃料電池生產(chǎn)的催化劑，這將降低成本并增加該技術(shù)的采用。

根據(jù)Joppa的說法，微軟和數(shù)據(jù)中心行業(yè)的其他參與者具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以成為催化劑，除了擔(dān)任首席環(huán)境官外，還是微軟在氫委員會的代表，這是一個由領(lǐng)先的能源，運(yùn)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色氫的業(yè)務(wù)和可持續(xù)性需求向市場發(fā)出了需求信號。更重要的是，如果微軟投資氫技術(shù)并且該技術(shù)有效，其他公司也將更有信心投資氫能，他補(bǔ)充說。

“因此，如果我們有信心使用這些來確保數(shù)據(jù)中心服務(wù)的連續(xù)性，那么這是一個很大的信念衡量標(biāo)準(zhǔn)，”Joppa說。

PEM燃料電池在化學(xué)反應(yīng)中結(jié)合氫氣和氧氣，產(chǎn)生電，熱和水。雖然大部分水以液體形式排出，但一部分以蒸汽形式排出。攝影：John Brecher。

城市規(guī)模的解決方案

詹姆斯指出，強(qiáng)大的綠色氫經(jīng)濟(jì)也可以幫助城市過渡到100%可再生能源。這是因?yàn)轱L(fēng)能和太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的多余能量可用于運(yùn)行電解槽，實(shí)際上將這些多余的能量儲存在氫氣中。然后，當(dāng)太陽不照，風(fēng)不吹時，這種綠色氫可以在不產(chǎn)生任何碳排放的情況下為燃料電池提供動力。

“我們希望為我們的云提供太陽動力 - 免費(fèi)的清潔能源，”他說。“嗯，實(shí)際上，你是怎么做到的？你必須非常善于儲存能量，而氫是做到這一點(diǎn)的好方法。

James設(shè)想了一個未來，數(shù)據(jù)中心將配備氫燃料電池，儲氫罐和電解槽，以將水分子轉(zhuǎn)化為具有過量可再生能源的氫氣。在高能源需求期間，或者當(dāng)太陽停止照耀和風(fēng)停止吹拂時，Microsoft 可以增加燃料電池，將數(shù)據(jù)中心負(fù)載從電網(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(shí)的挑戰(zhàn)迫使下一代電氣工程師鮑德溫堅持從事氫經(jīng)濟(jì)事業(yè)，她承認(rèn)，在她從事燃料電池項(xiàng)目之前，這條職業(yè)道路并不是首要考慮的。

“我對從事可以改變世界的事情的想法感到興奮，而氫具有巨大的潛力，可以改變游戲規(guī)則，”她說。“當(dāng)很多人想到可再生能源時，他們會想到風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板，他們不一定想到氫。我知道我沒有。我認(rèn)為這種情況肯定會改變。

想起曾經(jīng)的自己，也總因?yàn)檫@些自我詢問疑惑過，后來發(fā)現(xiàn)，想得再多，疑惑就更難以解決，反而平添煩惱，浪費(fèi)了很多時間，還不如不問理由直接去做。

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