آیا هیدروژن سوخت مرکز داده آینده را تامین می کند؟ | دانش مرکز داده

بر کسی پوشیده نیست که مرکز داده مدرن به منبع قابل اعتماد برق وابسته است. از سیستم‌های فیزیکی که آن را خنک نگه می‌دارند تا تقریباً تمام اجزای زیرساخت فناوری اطلاعات، الکتریسیته سوخت فناوری اطلاعات تجاری است که حفاظت از آن منبع را از روز اول برای اپراتورهای مرکز داده ضروری کرده است.

در ایالات متحده، ما توانسته‌ایم به قابلیت اطمینان خدمات برق خود از طریق شبکه سراسری اعتماد کنیم، اما با افزایش سن زیرساخت‌های الکتریکی، افزایش تقاضا، و حتی تهدیدات سایبری به چالش‌های موجود در ارائه، حتی این مورد نیز در حال بررسی است. برق قابل اعتماد علاوه بر این، فشار بیشتری برای کاهش گازهای گلخانه ای در تمام جنبه های مصرف انرژی وجود دارد. متأسفانه، بر اساس محاسبات EPA، تولید برق دومین شرکت کننده بزرگ در تولید گازهای گلخانه ای (GHG) است که طبق یک مطالعه در سال 2020، تنها 25 درصد از کل GHG را در ایالات متحده تشکیل می دهد.

خوشبختانه، جایگزین های دیگری برای برق وجود دارد، از جمله گزینه های سبز مانند تولید برق آبی، خورشیدی، باد و زمین گرمایی. استفاده از این جایگزین‌ها برای دهه‌ها به آرامی در حال رشد بوده است، اما این احتمال وجود دارد که اکثر اپراتورهای مرکز داده تنها تعداد انگشت شماری از گزینه‌های سنتی مبتنی بر هیدروکربن را برای خدمات برق داشته باشند، به‌ویژه که تولید انرژی هسته‌ای در ایالات متحده در حال حذف تدریجی است. و اگرچه کارایی زیست محیطی تاسیسات محلی بر عهده اپراتورهای مرکز داده نیست، سیستم های قدرت پشتیبان آنها این مسئولیت است و تمرکز روزافزون جهانی بر انرژی سبز در نهایت به سیستم های پشتیبان برق مراکز داده نیز گسترش خواهد یافت – یعنی اگر آنها قبلا انجام نداده اند

این دری را برای هیدروژن باز می کند تا نه تنها سیستم های پشتیبان را تامین کند، بلکه به طور بالقوه جایگزین سوخت های فسیلی برای تامین انرژی مرکز داده در آینده می شود.

بالا ماندن هنگامی که شبکه پایین است

برق اضطراری برای اپراتورهای مراکز داده ضروری است، و برای چندین دهه آنها این نیاز را از طریق یک اکوسیستم کاملاً درک شده از دیزل ژنراتورهای آماده به کار، بانک های عظیم باتری ها و سیستم های منبع تغذیه اضطراری هوشمند (UPS) که به طور خودکار در هنگام استفاده عادی آنلاین می شوند، برطرف کرده اند. قدرت از بین می رود یک سیستم UPS مرکز داده کامل برای پاسخگویی آنی در زمان شروع قطع و همچنین محافظت از زیرساخت در برابر متغیرهای آسیب زای برق مانند نویز خط، نوسانات ولتاژ، اعوجاج هارمونیک، تداخل EMI/RFI و حفاظت از نوسانات طراحی شده است. در مورد شارژ و تبدیل ولتاژ DC تامین شده از باتری برای تامین برق اصلی AC از دست رفته در صورت نیاز و بازگشت به برق شهری پس از بازگشت.

سیستم‌های پشتیبان باتری UPS معمولاً به گونه‌ای اندازه می‌شوند که توان کافی بر حسب تقاضا را برای 20 تا 30 دقیقه لازم برای فعال کردن خاموش کردن منظم، انتقال بارهای کاری به سایت‌های خراب یا انتقال به برق تولیدکننده پشتیبان برای مدت زمان طولانی‌تر فراهم کنند. مراکز داده مدرن در مقیاس ابری که می‌توانند از 80000 تا 100000 سرور داشته باشند، می‌توانند چندین مگاوات برق را در هنگام کار با ظرفیت مصرف کنند، و این امر باعث می‌شود که ژنراتورهای ثانویه برای مقابله با قطعی‌های طولانی‌تر که گاهی ممکن است روزها یا هفته‌ها طول بکشد، ضروری باشند.

این سیستم‌های عمدتاً دیزل ژنراتور هستند که اکثر گازهای گلخانه‌ای را از انرژی پشتیبان تامین می‌کنند و سوخت دیزل نیز مقادیر قابل‌توجهی دی‌اکسید کربن (CO2)، مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و هیدروکربن‌ها (HC) تولید می‌کند. به عنوان دوز سالم دوده و سایر آلاینده های خطرناک. گزینه‌های توربین گازی نیز در دسترس هستند که گاز طبیعی یا پروپان را می‌سوزانند، اما این سوخت‌ها همچنان در مقادیر قابل‌توجهی GHG تولید می‌کنند.

هیدروژن به عنوان یک گزینه سبز برای کاهش گازهای گلخانه ای

ناسا از دهه 1940 از هیدروژن برای اکتشاف فضا استفاده کرده است. با شروع ماموریت های جمینی، ادامه در دوران شاتل فضایی، و شامل موشک های دلتا III و دلتا IV مدرن بوئینگ، مراحل تقویت کننده بالایی همگی بر اساس سیستم های سوخت هیدروژن مایع/اکسیژن مایع هستند که بالاترین راندمان ضربه ای خاص را در بین هر سوختی ایجاد می کنند. علاوه بر این، پیل‌های سوختی هیدروژنی از اواسط دهه 60، اکثر نیروی الکتریکی را برای تقریباً هر سرمایه‌گذاری فضایی سرنشین دار تامین کرده‌اند.

با این حال، در زمین، علیرغم زمان و تلاش زیادی که برای این تلاش صرف شده است، موفقیت چندانی در استفاده از هیدروژن به عنوان جایگزینی برای نفت برای موتورهای احتراق داخلی حاصل نشده است که تا حدی به دلیل اشتعال پذیری بالاتر هیدروژن است که باعث ایجاد آتش سوزی می شود. در موتورهای سنتی، بدون ذکر نامناسب بودن کامل آن برای موتورهای دیزلی با احتراق تراکمی. حتی زمانی که موفقیتی در راه اندازی یک موتور با سوخت هیدروژن حاصل شد، سوزاندن هیدروژن همراه با هوای معمولی همچنان بسیاری از گازهای گلخانه ای را تولید می کند که ابتکارات سبز به دنبال اجتناب از آنها هستند. با این حال، تحقیقات برای ترکیب گاز طبیعی با 30 درصد نیتروژن برای حداقل کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در حال انجام است.

از سوی دیگر، ترکیب فناوری پیل سوختی و هیدروژن ممکن است مدل ایده آلی برای تولید برق سبز با تولید گازهای گلخانه ای نزدیک به صفر باشد. زیبایی پیل های سوختی این است که هیدروژن و اکسیژن وارد می شود و برق و بخار آب خارج می شود. در واقع، آب تولید شده توسط سلول های سوختی در فضاپیمای آپولو به اندازه کافی تمیز بود که بتوان آن را مصرف کرد. یک مدل پیل سوختی معکوس‌پذیر می‌تواند انرژی مورد نیاز را با استفاده از هیدروژن و اکسیژن تولید کند، اما زمانی که برای تولید برق مورد نیاز نباشد، می‌تواند انرژی را به شکل هیدروژن استخراج و ذخیره کند. سبز شدن از این خیلی سخت است.

ثابت شده است که سیستم های پیل سوختی با سوخت هیدروژن، الکل یا متان به اندازه هر سیستم تولید برق دیگر قابل اعتماد هستند و عدم وجود قطعات متحرک می تواند به طور قابل توجهی هزینه های تعمیر و نگهداری را به دلیل سایش و پارگی کاهش دهد. یکی از ایرادات جزئی برای نیروی پیل سوختی هیدروژنی این است که برق تولید شده مستقیم DC است، در حالی که اکثریت قریب به اتفاق زیرساخت های مرکز داده با برق AC کار می کنند. این یک نگرانی عمده نیست زیرا همان فناوری اینورتر اثبات شده است که توسط سیستم های پشتیبان مبتنی بر باتری استفاده می شود، اما باعث کاهش جزئی 5-6٪ در راندمان سیستم در تمام قدرت می شود.

توربین گاز راه دیگری برای استفاده از هیدروژن برای تولید برق است. پادشاه فعلی تپه جنرال الکتریک 7HA.03 است که به تنهایی 430 مگاوات نیرو تولید می کند و می تواند تا 640 مگاوات با راندمان 61 درصد برسد. برای بالاترین کاهش GHG، می تواند با ترکیب سوخت تا 50٪ هیدروژن کار کند – با هدف رسیدن به 100٪ هیدروژن در آینده نزدیک. حتی با سوخت گاز طبیعی در یک سناریوی آزمایشی که در آن GE 7HA.01 از طریق 3.3 تن مخلوط هوا/گاز طبیعی سوخت، آزمایش تنها 6.2 مایع تخمینی تولید کرد. اونس از آلودگی

آنچه به راندمان نسبی ژنراتور توربین گازی می افزاید این واقعیت است که برق AC تولید می کند که نیاز به سیستم اینورتر را از بین می برد. توربین های مدرن را می توان در کمتر از 20 دقیقه تا بار کامل چرخاند و تا کمتر از 30 درصد ظرفیت نامی خود را کاهش داد در حالی که در استانداردهای آلایندگی باقی می ماند، که عامل مهمی در تعادل با نوسانات تقاضا در طول روز است.

خوب حالا چی؟

پس از چندین دهه تحقیق و آزمایش، سرانجام ممکن است به نقطه اوج برسیم که هیدروژن از نظر هزینه، در دسترس بودن، کارایی و – شاید مهم‌تر از همه – کاهش GHG به جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی تبدیل شود. وزن این نگرانی‌ها در طول سال‌ها همراه با ساختار فناوری اطلاعات کسب‌وکار تغییر کرده است، اما تقاضای فزاینده‌ای برای خدمات فناوری اطلاعات تنها رشد خواهد کرد، و این بدان معناست که اپراتورهای مرکز داده به زودی به گیگاوات قدرت پشتیبان درخواستی نیاز خواهند داشت.

در این مرحله، هیدروژن راه حلی برای صرفه جویی در مصرف انرژی پشتیبان و تامین انرژی مرکز داده در آینده دارد، اما پتانسیل کاهش گسترده GHG از طریق استفاده از سلول های سوختی هیدروژنی یا توربین ها اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد. در حالی که کشورها به سرکوب انتشار گازهای گلخانه ای ادامه می دهند. خوشبختانه، ابتکارات عمده ای در حال انجام است که به کاهش مقیاس برای هیدروژن کمک می کند، یکی از بزرگترین آنها برنامه سراسری Energy Earthshots از وزارت انرژی ایالات متحده است که بر تحقیق و توسعه مورد نیاز برای توسعه انرژی پاک تمرکز دارد. اولین Earthshot – Hydrogen Shot که در ژوئن 2021 راه اندازی شد – هدف عمومی کاهش 80٪ هزینه هیدروژن تمیز به 1 دلار در هر کیلوگرم در یک دهه است. این ماموریت “111” امیدوار است شروع به توسعه بقیه اکوسیستم تولید هیدروژن، ذخیره سازی و حمل و نقل پایدار کند که تا به امروز وجود ندارد، و همچنین موارد استفاده جدید را بر اساس بسیار در دسترس و کم هزینه شناسایی کند. تامین هیدروژن سبز

همچنین تحقیقات مستقل زیادی برای کاهش سایر چالش‌های هیدروژنی در حال انجام است، مانند پیل‌های سوختی برگشت‌پذیر که در بالا ذکر شد که می‌توانند در صورت نیاز برق تولید کنند و به الکترولیز برای ذخیره انرژی اضافی زمانی که تقاضای برق کاهش می‌یابد، و توسعه بیشتر دماهای بالا بازگردند. الکترولیز که می تواند از گرمای تلف شده از راکتورهای زمین گرمایی، خورشیدی و حتی هسته ای برای بهبود قابل ملاحظه بازده هیدروژن از آب استفاده کند.

تحقیقات همچنین برای یافتن آلیاژهای جدیدی در حال انجام است که می‌توانند به اندازه فلزات گرانبها که در حال حاضر برای کاتالیزورها در فرآیندهای الکترولیز با حجم بالا استفاده می‌شوند کارآمد باشند، و همچنین پلیمرهای جدید و/یا کارآمدتر به عنوان الکترولیت در غشای تبادل پروتون (PEM). ) سلول های سوختی. علاوه بر این، پتانسیل استفاده از سرمای عمیق فرآیند تبدیل مجدد به گاز طبیعی مایع برای خنک کردن هیدروژن برای تبدیل به گاز خود است، و شاید مورد علاقه شخصی من تحقیق در مورد یک سلول سوختی نمک‌زدایی باشد که پتانسیل تولید همزمان الکتریسیته، یک اسید را دارد. ، پایه و آب شیرین مستقیماً از آب دریا. فقط به این فکر کنید که چنین اختراعی چقدر شرایط زندگی درصد زیادی از کشورهای در حال توسعه را بهبود می بخشد.

وابستگی جهان به سوخت‌های فسیلی نمی‌تواند برای همیشه ادامه داشته باشد، برخی تخمین‌ها می‌گویند کمتر از 50 سال تا پایان بسیاری از ذخایر نفتی جهان باقی مانده است. با توسعه سوخت‌های جایگزین بادوام مانند هیدروژن، می‌توانیم فراتر از فناوری‌های قدیمی حرکت کنیم، وضعیت محیط زیست خود را بهبود بخشیم، و شاید در نهایت خود را از خفقانی که صنعت نفت بر روی بسیاری از منابع انرژی در سراسر جهان دارد رها کنیم. ما باید تکامل پیدا کنیم و استفاده از هیدروژن برای مرکز داده آینده یکی از راه‌های تحقق آن است.