數(shù)據(jù)中心的燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展

huaixiaoz 發(fā)布于2019-04-28 19:32 / 1687人閱讀

摘要：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系統(tǒng)尚不存在類似的產(chǎn)品，其主要針對(duì)住宅和商業(yè)建筑領(lǐng)域，旨在用于熱電聯(lián)產(chǎn)。

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(shì)，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(jí)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?cè)谖餮艌D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(jí)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(duì)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(shì)。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(duì)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(cè)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(duì)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?？煽啃砸部赡苁且粋€(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。