在決議一個(gè)數(shù)據(jù)中心的建造方位時(shí)，保證其與電網(wǎng)的牢靠銜接一般是企業(yè)有必要考慮的頭等大事。但這也約束了再生動(dòng)力豐厚卻方位偏僻的數(shù)據(jù)中心的建造和運(yùn)營(yíng)。

微軟公司期望另辟蹊徑，多年來(lái)致力開(kāi)發(fā)和研討更好的處理辦法。在曩昔五年中，微軟公司一向在研制不同的數(shù)據(jù)中心供電辦法，例如在機(jī)架層面運(yùn)用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池。這將為數(shù)據(jù)中心建造與運(yùn)營(yíng)供給了方位、牢靠性和動(dòng)力功率方面的優(yōu)勢(shì)，但也帶來(lái)了全新的應(yīng)戰(zhàn)。

上一年，在懷俄明州Dry Creek水收回設(shè)備和加州大學(xué)歐文分校的美國(guó)國(guó)家燃料電池研討中心進(jìn)行了實(shí)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)備和運(yùn)營(yíng)總經(jīng)理 Christian Belady（左）與微軟公司云核算基礎(chǔ)設(shè)備與運(yùn)營(yíng)高檔研討項(xiàng)目經(jīng)理 Sean James（右）在西雅圖的先進(jìn)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室

2017年9月，微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司協(xié)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"的規(guī)劃。

"咱們?cè)谖餮艌D的先進(jìn)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（The Advanced Energy Lab）中布置了 20 個(gè)機(jī)架。"微軟公司云核算基礎(chǔ)設(shè)備與運(yùn)營(yíng)高檔研討項(xiàng)目經(jīng)理 Sean James說(shuō)，"這個(gè)項(xiàng)目如此具有顛覆性的原因是，它怎么從根本上簡(jiǎn)化了服務(wù)器供電的進(jìn)程，以及使數(shù)據(jù)中心的能效簡(jiǎn)直翻了一番，一起降低了本錢，并進(jìn)步了牢靠性。"

該項(xiàng)目規(guī)劃稱之為"Stark和簡(jiǎn)略數(shù)據(jù)中心"，將燃料電池布置在服務(wù)器機(jī)架。燃料電池由陽(yáng)極、陰極和它們之間的電解質(zhì)層組成。

在氫氣燃料的質(zhì)子交流膜燃料電池（PEMFC）的狀況下，氫分子在陽(yáng)極分解成質(zhì)子和電子，由催化劑激活。質(zhì)子可直接穿過(guò)質(zhì)子交流膜抵達(dá)陰極，而電子只能經(jīng)過(guò)外電路才干抵達(dá)陰極。 當(dāng)電子經(jīng)過(guò)外電路流向陰極時(shí)就發(fā)生了直流電。

不同的燃料電池運(yùn)用不同的電解質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移離子，但最有期望用于數(shù)據(jù)中心的兩種燃料電池似乎是質(zhì)子交流膜燃料電池 （PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），后者直接運(yùn)用天然氣作為燃料。

固體氧化物燃料電池具有更高的功率、更大的容量，合適連續(xù)發(fā)電，但運(yùn)轉(zhuǎn)在更高的溫度，將發(fā)生二氧化碳，并對(duì)負(fù)載改動(dòng)不靈敏。

質(zhì)子交流膜 （PEMFC）燃料電池依然是當(dāng)然最環(huán)保潔凈的燃料電池體系，只出產(chǎn)廢水，但由于氫氣的發(fā)生和貯存比較困難，很難廣泛運(yùn)用。可是，這種狀況可能會(huì)在未來(lái)發(fā)生改動(dòng)。

固體氧化物燃料電池是替代電網(wǎng)的一種快速和可行的計(jì)劃，依然能夠供給一些環(huán)境優(yōu)勢(shì)。微軟公司估計(jì)可削減49％的二氧化碳排放量，削減91％的氮氧化物，削減68％的一氧化碳，削減93％的揮發(fā)性有機(jī)化合物。

微軟公司正在實(shí)驗(yàn)在研討燃料電池供電的數(shù)據(jù)中心的辦法：在機(jī)架設(shè)備的直流供電方面，該公司解釋說(shuō)，它現(xiàn)已一起對(duì)Hydrogenics HyPM 10kW的質(zhì)子交流膜燃料電池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2.5kW的固體氧化物燃料電池（SOFC）進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

Hydrogenics燃料電池體系在規(guī)劃時(shí)考慮到了數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的運(yùn)用特色，而現(xiàn)在固體氧化物燃料電池（SOFC）體系尚不存在相似的產(chǎn)品，其首要針對(duì)住宅和商業(yè)修建范疇，旨在用于熱電聯(lián)產(chǎn)。

該文件指出："估計(jì)為數(shù)據(jù)中心的機(jī)架內(nèi)發(fā)電而規(guī)劃的固體氧化物燃料電池（SOFC）體系將發(fā)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)體系冷卻。"

該辦法進(jìn)步動(dòng)力功率的關(guān)鍵是削減輸電損耗。由于電能沿著導(dǎo)線傳輸時(shí)會(huì)損耗一部分，而在這些損耗存在于規(guī)范數(shù)據(jù)中心、發(fā)電廠、變電站、變壓器和交直流改換中。

跟著燃料電池布置在服務(wù)器機(jī)架，一種稱為分布式燃料電池（DFC）的辦法現(xiàn)已選用，其電力損耗僅限于電池自身的電源改換。

微軟公司稱，由于在發(fā)電、輸電和配電進(jìn)程的電力損耗，發(fā)電廠供給的電能只要不到35％是數(shù)據(jù)中心耗費(fèi)的。當(dāng)考慮到數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)場(chǎng)冷卻、照明和動(dòng)力貯存相關(guān)的動(dòng)力耗費(fèi)時(shí)，發(fā)電廠供給的電能只要17.5％用于服務(wù)器運(yùn)轉(zhuǎn)。

在一篇名為"數(shù)據(jù)中心的燃料電池：從服務(wù)器發(fā)生的電能"的研討報(bào)告中，微軟公司指出，在運(yùn)用天然氣燃料電池辦法時(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)中心的的作業(yè)負(fù)荷成份額，那么服務(wù)器耗費(fèi)的電能高達(dá)29.5%.假如能夠?qū)⑷剂想姵貜U熱用于冷卻進(jìn)程，還能夠取得進(jìn)一步的收益。

動(dòng)力功率并不是運(yùn)用天然氣燃料電池供電的數(shù)據(jù)中心具有招引力的僅有要素。牢靠性也可能是一個(gè)首要的招引力，由于天然氣的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備一般埋在地下，而且不受惡劣氣候的影響。美國(guó)天然氣供電的電網(wǎng)牢靠性超越99.999％，而市電電網(wǎng)的牢靠性僅為99.9％或更低。

這意味著數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商能夠不再選用作為備用電源的柴油發(fā)電機(jī)組和電池，以及不再選用數(shù)據(jù)中心內(nèi)的配電體系，這些設(shè)備的本錢占數(shù)據(jù)中心出資本錢的四分之一以上。

可是，應(yīng)戰(zhàn)依然存在，這種技能仍處于研討階段。當(dāng)然，盡管數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商不再需求憂慮與電網(wǎng)的牢靠銜接，但假如選用固體氧化物燃料電池（SOFC）辦法，則需求接近天然氣供應(yīng)地點(diǎn)來(lái)免除這些憂慮。

但也許最大的問(wèn)題是快速改動(dòng)的負(fù)載。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器可能在一會(huì)兒就能徹底改動(dòng)他們的動(dòng)力需求，電網(wǎng)能夠輕松應(yīng)對(duì)。

可是，關(guān)于燃料電池來(lái)說(shuō)，假如有一段時(shí)間燃料電池運(yùn)送的電壓或容量缺乏，將會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器關(guān)閉或損壞，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心無(wú)法運(yùn)用。微軟在研討報(bào)告中表明，能夠有用處理燃料電池供電數(shù)據(jù)中心的電源浪涌。

處理這種容量缺乏的辦法有兩種。一種是以容量上限供電，但這會(huì)約束服務(wù)器的功能，并導(dǎo)致燃料電池和數(shù)據(jù)中心的利用率缺乏。另一種辦法是運(yùn)用電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備（ESD）來(lái)補(bǔ)償負(fù)載浪涌時(shí)的缺乏。

可是，關(guān)于應(yīng)對(duì)最壞狀況的預(yù)備需求支付很高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。為此，微軟公司供給了SizeCap處理計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃能夠和諧電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備（ESD）的規(guī)劃和功率上限，能夠完結(jié)經(jīng)濟(jì)高效，并處理數(shù)據(jù)中心的電力缺少問(wèn)題。微軟公司期望在這兩種辦法之間找到折衷的計(jì)劃。

關(guān)于SizeCap和燃料電池全體計(jì)劃的進(jìn)一步研討是必要的，但電池的本錢依然非常高。可是，微軟公司期望該辦法很快會(huì)被廣泛選用。假如呈現(xiàn)這種狀況，電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響可能會(huì)成為曩昔。

氫氣燃料電池年代的曙光

盡管固體氧化物燃料電池（SOFCs）的支撐者以為全球遍布的天然氣基礎(chǔ)設(shè)備的巨大網(wǎng)絡(luò)是其布置最大的優(yōu)勢(shì)之一，可是也有一些以為燃料電池的未來(lái)在于氫氣為燃料的質(zhì)子交流膜燃料電池（PEMFC）。

美國(guó)動(dòng)力部國(guó)家可再生動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（NREL）核算科學(xué)中心主任Steve Hammond博士表明，"我確實(shí)看到固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一個(gè)利基商場(chǎng)，而且價(jià)格恰當(dāng)貴重。它們最合適于根本負(fù)載功率和可變負(fù)載或負(fù)載。"

一起，質(zhì)子交流膜燃料電池（PEMFC）在轎車職業(yè)推進(jìn)的功率和本錢方面取得了重大進(jìn)展。Hammond說(shuō)，"我以為人們能夠在數(shù)據(jù)中心范疇充分考慮運(yùn)用這一技能。"

盡管氫氣燃料電池和鋰離子電池驅(qū)動(dòng)轎車之間的競(jìng)賽劇烈，制造商現(xiàn)已在這項(xiàng)技能上投入了很多資金，并促使燃料電池的價(jià)格大幅下降。

轎車廠商正在采納措施將這項(xiàng)技能用于數(shù)據(jù)中心。戴姆勒公司上一年年末透露，它已與惠普企業(yè)（HPE）以及梅賽德斯奔跑、NREL協(xié)作開(kāi)發(fā)持續(xù)電源處理計(jì)劃的原型和依靠氫氣的固定式電源體系。

"轎車燃料電池體系的成熟度現(xiàn)在不容置疑。他們現(xiàn)已為日常運(yùn)用做好了預(yù)備，并為交通職業(yè)供給了一個(gè)可行的挑選。"戴姆勒公司燃料電池主管兼戴姆勒子公司NuCellSys首席執(zhí)行官Christian Mohrdieck教授表明，"可是，動(dòng)力、工業(yè)和住宅部門以外的流動(dòng)性部門的氫氣燃料電池的時(shí)機(jī)多種多樣，需求擬定新的戰(zhàn)略。而規(guī)劃經(jīng)濟(jì)和模塊化是其重要的應(yīng)戰(zhàn)。"

自2017年11月起，美國(guó)動(dòng)力部國(guó)家可再生動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（NREL）一向在測(cè)驗(yàn)戴姆勒公司的燃料體系，并將其安裝在動(dòng)力體系集成設(shè)備（ESIF）數(shù)據(jù)中心。據(jù)稱，它是世界上功率最高的數(shù)據(jù)中心之一，2016年的年平均動(dòng)力運(yùn)用功率（PUE）為1.04.

"這個(gè)體系仍處于基礎(chǔ)研討階段，咱們研討的重點(diǎn)是能否安全地做到這一點(diǎn)？這是否有含義？是否有一條通往經(jīng)濟(jì)可行性的路途，以及需求進(jìn)一步的研制是什么？" Hammond說(shuō)，"咱們有一個(gè)原型，我信賴戴姆勒公司能夠?yàn)樵蹅児┙o一個(gè)實(shí)際的出產(chǎn)版別，咱們將能夠在年中運(yùn)轉(zhuǎn)。"

"這將代表一個(gè)早期的過(guò)程，該技能將會(huì)改動(dòng)轎車技能。咱們正在做的作業(yè)是對(duì)轎車燃料電池進(jìn)行改造，現(xiàn)在還沒(méi)有500-100kW的專用數(shù)據(jù)中心燃料電池。"Hammond說(shuō)。

他彌補(bǔ)道，"我以為，假如它會(huì)對(duì)云核算空間發(fā)生影響，那么就需求在數(shù)據(jù)中心的行級(jí)機(jī)架上完結(jié)。咱們?cè)c微軟公司協(xié)作，并對(duì)一個(gè)50兆瓦數(shù)據(jù)中心在離網(wǎng)的狀況進(jìn)行了技能經(jīng)濟(jì)剖析。他們需求100個(gè)小時(shí)的備份時(shí)間。咱們對(duì)其在美國(guó)的兩個(gè)不同數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了剖析，核算需求多少風(fēng)力和太陽(yáng)能來(lái)支撐，以及怎么存儲(chǔ)5000兆瓦時(shí)當(dāng)量的氫氣。微軟公司對(duì)此很感興趣，他們正在致力于研討，而且在某些時(shí)分這將具有經(jīng)濟(jì)含義，但其效益并不能直接表現(xiàn)。"

經(jīng)濟(jì)含義并不是云核算供給商被氫燃料電池招引的僅有原因，也有可能是為了大幅削減碳排放?？墒牵@些削減的程度取決于氫氣的出產(chǎn)辦法。

在依靠化石燃料的進(jìn)程中，氫氣的出產(chǎn)總是需求耗費(fèi)更多的能量，而這種動(dòng)力能夠從天然氣中收回，大約95％的氫燃料是運(yùn)用天然氣生成的。制備氫氣的辦法首要是水蒸氣重整甲烷，而甲烷重整進(jìn)程中將排出二氧化碳和一氧化碳等副產(chǎn)物。

要做到真實(shí)的綠色環(huán)保，有必要經(jīng)過(guò)電解出產(chǎn)氫氣，在電解中經(jīng)過(guò)水別離氫氣和氧氣原子，而且電力有必要來(lái)自可再生動(dòng)力。

"關(guān)于咱們來(lái)說(shuō)，咱們能夠做到這一點(diǎn)，咱們?cè)跀?shù)據(jù)中心園里有太陽(yáng)能發(fā)電體系。"Hammond說(shuō)。，"也能夠經(jīng)過(guò)購(gòu)買電力協(xié)議，為電解設(shè)備供電，而且具有儲(chǔ)氫基礎(chǔ)設(shè)備。所以咱們想表明，盡可能安全地采納恰當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制和失效機(jī)制來(lái)證明其有用性，但我最憂慮的是選用氫氣可肥讓人感到憂慮。"

1937年在興登堡的一場(chǎng)毀滅性的飛艇災(zāi)禍不只標(biāo)志著飛艇年代的完畢，也讓人們不再信賴氫氣的運(yùn)用。

他說(shuō)，"在美國(guó)動(dòng)力部國(guó)家可再生動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（NREL）在氫氣傳感器和加氣站技能方面做了很多作業(yè)。咱們一向安全地運(yùn)用氫氣?？墒?，關(guān)于數(shù)據(jù)中心技能人員來(lái)說(shuō)，需求做同樣的作業(yè)，依然需求從根本上從頭考慮數(shù)據(jù)中心設(shè)備，以及怎么出產(chǎn)和存儲(chǔ)電能的人員進(jìn)行多年的研討。"

在曩昔的三年中，Hammond一向在研討這個(gè)概念，但沒(méi)有取得直接贊助。"我以為這種技能在5到10年內(nèi)將對(duì)數(shù)據(jù)中心商場(chǎng)發(fā)生影響。"他說(shuō)。

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