在決議一個數(shù)據(jù)中心的建造方位時，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力豐厚卻方位偏僻的數(shù)據(jù)中心的建造和運營。

微軟公司期望另辟蹊徑，多年來致力開發(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，例如在機架層面運用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池。這將為數(shù)據(jù)中心建造與運營供給了方位、牢靠性和動力功率方面的優(yōu)勢，但也帶來了全新的應(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)歐文分校的美國國家燃料電池研討中心進行了實驗后，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)備和運營總經(jīng)理 Christian Belady（左）與微軟公司云核算基礎(chǔ)設(shè)備與運營高檔研討項目經(jīng)理 Sean James（右）在西雅圖的先進動力實驗室

2017年9月，微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司協(xié)作推出了"世界上第一個天然氣驅(qū)動的燃料電池供電數(shù)據(jù)中心"的規(guī)劃。

"咱們在西雅圖的先進動力實驗室（The Advanced Energy Lab）中布置了 20 個機架。"微軟公司云核算基礎(chǔ)設(shè)備與運營高檔研討項目經(jīng)理 Sean James說，"這個項目如此具有顛覆性的原因是，它怎么從根本上簡化了服務(wù)器供電的進程，以及使數(shù)據(jù)中心的能效簡直翻了一番，一起降低了本錢，并進步了牢靠性。"

該項目規(guī)劃稱之為"Stark和簡略數(shù)據(jù)中心"，將燃料電池布置在服務(wù)器機架。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)子交流膜燃料電池（PEMFC）的狀況下，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)子交流膜抵達陰極，而電子只能經(jīng)過外電路才干抵達陰極。 當電子經(jīng)過外電路流向陰極時就發(fā)生了直流電。

不同的燃料電池運用不同的電解質(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，但運轉(zhuǎn)在更高的溫度，將發(fā)生二氧化碳，并對負載改動不靈敏。

質(zhì)子交流膜 （PEMFC）燃料電池依然是當然最環(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，很難廣泛運用。可是，這種狀況可能會在未來發(fā)生改動。

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劃，依然能夠供給一些環(huán)境優(yōu)勢。微軟公司估計可削減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)性有機化合物。

微軟公司正在實驗在研討燃料電池供電的數(shù)據(jù)中心的辦法：在機架設(shè)備的直流供電方面，該公司解釋說，它現(xiàn)已一起對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）進行測驗。

Hydrogenics燃料電池體系在規(guī)劃時考慮到了數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的運用特色，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："估計為數(shù)據(jù)中心的機架內(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。"

該辦法進步動力功率的關(guān)鍵是削減輸電損耗。由于電能沿著導(dǎo)線傳輸時會損耗一部分，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)中心耗費的。當考慮到數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)場冷卻、照明和動力貯存相關(guān)的動力耗費時，發(fā)電廠供給的電能只要17.5％用于服務(wù)器運轉(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"的研討報告中，微軟公司指出，在運用天然氣燃料電池辦法時，假設(shè)服務(wù)器的冷卻負荷與傳統(tǒng)燃料電池和數(shù)據(jù)中心的的作業(yè)負荷成份額，那么服務(wù)器耗費的電能高達29.5%.假如能夠?qū)⑷剂想姵貜U熱用于冷卻進程，還能夠取得進一步的收益。

動力功率并不是運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)中心運營商能夠不再選用作為備用電源的柴油發(fā)電機組和電池，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。當然，盡管數(shù)據(jù)中心運營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)地點來免除這些憂慮。

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

可是，關(guān)于燃料電池來說，假如有一段時間燃料電池運送的電壓或容量缺乏，將會導(dǎo)致服務(wù)器關(guān)閉或損壞，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心無法運用。微軟在研討報告中表明，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。另一種辦法是運用電池和超級電容器等儲能設(shè)備（ESD）來補償負載浪涌時的缺乏。

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

關(guān)于SizeCap和燃料電池全體計劃的進一步研討是必要的，但電池的本錢依然非常高?？墒?，微軟公司期望該辦法很快會被廣泛選用。假如呈現(xiàn)這種狀況，電網(wǎng)對數(shù)據(jù)中心的影響可能會成為曩昔。

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)勢之一，可是也有一些以為燃料電池的未來在于氫氣為燃料的質(zhì)子交流膜燃料電池（PEMFC）。

美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）核算科學(xué)中心主任Steve Hammond博士表明，"我確實看到固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一個利基商場，而且價格恰當貴重。它們最合適于根本負載功率和可變負載或負載。"

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

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

轎車廠商正在采納措施將這項技能用于數(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)作開發(fā)持續(xù)電源處理計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)已為日常運用做好了預(yù)備，并為交通職業(yè)供給了一個可行的挑選。"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，動力、工業(yè)和住宅部門以外的流動性部門的氫氣燃料電池的時機多種多樣，需求擬定新的戰(zhàn)略。而規(guī)劃經(jīng)濟和模塊化是其重要的應(yīng)戰(zhàn)。"

自2017年11月起，美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）一向在測驗戴姆勒公司的燃料體系，并將其安裝在動力體系集成設(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年的年平均動力運用功率（PUE）為1.04.

"這個體系仍處于基礎(chǔ)研討階段，咱們研討的重點是能否安全地做到這一點？這是否有含義？是否有一條通往經(jīng)濟可行性的路途，以及需求進一步的研制是什么？" Hammond說，"咱們有一個原型，我信賴戴姆勒公司能夠為咱們供給一個實際的出產(chǎn)版別，咱們將能夠在年中運轉(zhuǎn)。"

"這將代表一個早期的過程，該技能將會改動轎車技能。咱們正在做的作業(yè)是對轎車燃料電池進行改造，現(xiàn)在還沒有500-100kW的專用數(shù)據(jù)中心燃料電池。"Hammond說。

他彌補道，"我以為，假如它會對云核算空間發(fā)生影響，那么就需求在數(shù)據(jù)中心的行級機架上完結(jié)。咱們曾與微軟公司協(xié)作，并對一個50兆瓦數(shù)據(jù)中心在離網(wǎng)的狀況進行了技能經(jīng)濟剖析。他們需求100個小時的備份時間。咱們對其在美國的兩個不同數(shù)據(jù)中心進行了剖析，核算需求多少風(fēng)力和太陽能來支撐，以及怎么存儲5000兆瓦時當量的氫氣。微軟公司對此很感興趣，他們正在致力于研討，而且在某些時分這將具有經(jīng)濟含義，但其效益并不能直接表現(xiàn)。"

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

要做到真實的綠色環(huán)保，有必要經(jīng)過電解出產(chǎn)氫氣，在電解中經(jīng)過水別離氫氣和氧氣原子，而且電力有必要來自可再生動力。

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

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

他說，"在美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）在氫氣傳感器和加氣站技能方面做了很多作業(yè)。咱們一向安全地運用氫氣?？墒?，關(guān)于數(shù)據(jù)中心技能人員來說，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)和存儲電能的人員進行多年的研討。"

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

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