Caterpillar Electric Power и Microsoft объявили об успешном эксперименте, в ходе которого для питания дата-центра применялись исключительно водородные топливные ячейки. Как сообщает пресс-служба Caterpillar, они обеспечивали электричеством ЦОД Microsoft в течение 48 часов.

Партнёры привлекли к сотрудничеству разработчика топливных ячеек — компанию Ballard Power Systems. Использовались крупноформатный водородный элемент для энергоснабжения дата-центра Microsoft в Шайенне (штат Вайоминг). Эксперимент имеет вполне прикладное значение — резервные источники питания на водородном топливе в последнее время всё чаще рассматриваются как альтернатива дизельным, но жизнеспособность технологии до сих пор под вопросом.

Компании провели демонстрацию с использованием водородных источников питания на высоте 1855 м над уровнем моря при температуре ниже нуля. Топливные ячейки интегрировали в подстанцию дата-центра. Caterpillar выступила координатором проекта. Помимо водородной батареи Ballard мощностью 1,5 МВт применялась аккумуляторная система Cat Power Grid Stabilization (PGS) 1260 и контроллер Caterpillar.

Изображение: Ballard Power Systems

Microsoft, пообещавшая добиться статуса «углеродно-отрицательной» компании к 2030 году, внимательно следит за потенциалом водородных топливных элементов. В 2020 году она провела эксперимент по питанию серверов с помощью элементов мощностью 250 кВт в течении 48 часов. В 2021 году был задуман новый, более масштабный проект в рамках инициативы H2@Scale Министерства энергетики США. Нынешняя демонстрация как раз и является итогом данного проекта. А в 2022 году Microsoft и Plug Power успешно протестировали 3-МВт водородную батарею для резервного питания ЦОД.

Хотя водородные технологии продолжают развиваться, до массового внедрения в ЦОД пройдёт ещё немало времени. Во-первых, этот газ по-прежнему значительно дороже дизеля, хотя его стоимость продолжает падать, во-вторых, он весьма взрывоопасен, поэтому требует сложных и дорогих систем хранения и транспортировки. Впрочем, в Microsoft заявили, что демонстрация результатов исследования и открытия в сфере водородных топливных решений поможет компании стать «углеродно-негативной» в объявленные ранее сроки.

Потребление электроэнергии дата-центрами в США должно достигнуть 35 ГВт уже к концу текущего десятилетия — почти вдвое выше в сравнении с показателями 2022 года. Как сообщается в докладе экспертов компании Newmark, специализирующейся на коммерческой недвижимости, драйвером роста энергопотребления должен стать повышенный спрос на ИИ и системы машинного обучения.

Дополнительно в докладе упоминается о дефиците свободного места в ЦОД Северной Америки, на ключевых рынках доступно буквально по несколько процентов мощностей. Более того, ситуация только усугубится благодаря облачным ИИ-сервисам гиперскейлеров — именно они несут ответственность за то, что в ближайшие годы взлетят потребности ЦОД в электроэнергии. Ещё летом компания CBRE сообщала, что нехватка электроэнергии становится главным препятствием к развитию рынка ЦОД.

Источник изображения: Renan Kamikoga/unsplash.com

Хотя гиперскейлерам в современных дата-центрах требуется «всего» 10–14 кВт на стойку, для ИИ-платформ этот показатель вырастет до 40–60 кВт из-за применения ресурсоёмких ускорителей. Это означает, что среднее потребление мощности ЦОД в США, вероятно, уже к 2030 году достигнет 35 ГВт, тогда как 2022 году оно было на уровне лишь 17 ГВт. В докладе подчёркивается, что внедрение ИИ-систем требует не только больше электроэнергии, но и более мощных систем охлаждения, которых в современной инфраструктуре ЦОД просто нет, что и служит катализатором роста рынка.

Источник изображения: Newmark

Существующие рынки с трудом справляются со спросом. На крупнейшем в мире рынке Северной Вирджинии ёмкостью 3400 МВт (впрочем, тут данные разнятся), где компактно размещены множество дата-центров, доступность мощностей составляет всего 0,2 % — при этом жители региона уже сегодня выступают категорически против новых проектов. Прочие популярные среди клиентов территории также сталкиваются с аналогичными вызовами. В мае уже сообщалось, что в североамериканских ЦОД буквально заканчиваются места. Впрочем, строительство ведётся всё активнее каждый год.

Источник изображения: Newmark

Имеются и другие проблемы. По данным Newmark, количество сделок на рынке резко снизилось — отчасти из-за роста процентных ставок, а также из-за крупных слияний и поглощений последних лет, что привело к сокращению возможностей масштабирования активов. И, конечно, играет важную роль расхождение взглядов покупателей и продавцов на оценку дата-центров, по мнению последних она значительно превышает затраты на строительство.

Концерны Honda и Mitsubishi намерены протестировать работу небольшого дата-центра, функционирующего на водороде. Как сообщает Datacenter Dynamics, газ будет получаться методом электролиза на заводе, оператором которого выступает Tokuyama Corporation.

На этом заводе водород является побочным продуктом, в основном предприятие ориентировано на получение гипохлорита натрия и хлора. Сейчас водород отдаётся местной электростанции. Honda будет б/у водородные топливные ячейки, ранее использовавшиеся в электромобилях, а Mitsubishi — применять полученную от них энергию для питания ЦОД.

Электромобили на водородных топливных ячейках позиционируются, как альтернатива аккумуляторным вариантам, но пока не получили широкого распространения из-за относительно низкого суммарного КПД. Впрочем, не исключается использование «водородных» грузовиков благодаря относительно быстрому процессу заправки баков — это гораздо быстрее, чем зарядка больших аккумуляторов.

Калифорнийский вариант. Источник изображения: Honda

Компании не уточняют, насколько большим будет новый дата-центр, но уже продемонстрировали объект размером с грузовой контейнер. Ранее Honda тестировала водородные топливные ячейки в своей американской штаб-квартире в Калифорнии, где их применяли в качестве резервного источника питания для ЦОД. Новый совместный проект поддержан японской Организацией по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO).

Пилотное тестирование будет проводиться до 31 марта 2026. Партнёры ожидают, что б/у ячейки позволят возводить недорогие стационарные водородные электростанции, что будет способствовать декарбонизации. Также будет оцениваться сама идея водородного энергообеспечения строящихся в регионе дата-центров.

Япония стала одной из немногих стран с довольно большим парком авто на водородных топливных элементах, поэтому недостатка в соответствующих ячейках не предвидится. Впрочем, и других решений на водороде предлагается немало. Например, с собственным проектом выступала Rolls-Royce, а ECL привлекла первые средства на создание автономных модульных ЦОД на водородном топливе.

Дата-центр Microsoft в Сан-Хосе (Калифорния) намерен использовать резервный ИБП с довольно необычным пока топливом. Как сообщает Datacenter Dynamics, поставщик топливных ячеек Enchanted Rock намерен приобретать возобновляемый природный газ (RNG) для выработки электричества.

Ожидается, что представленная в июле прошлого года микросеть будет использовать энергию, получаемую за счёт использования биогаза, приобретать который Enchanted Rock намерена у поставщика US Energy, работающего с альтернативными видами топлива и «кредитами» на возобновляемую энергию. Микросеть призвана не только питать дата-центр в случаях неожиданного отключения энергии, но и в случаях, когда отключить централизованное питание предписывается магистральным поставщиком в соответствии с протоколом Base Interruptible Power (BIP). Поставщик может запрашивать у потребителей отключение в часы пиковых нагрузок, если это оговорено специальным соглашением и соответствует возможностям потребителя.

Топливные ячейки ИБП на природном газе не могут обеспечить полное отсутствие выбросов, но использование биогаза позволяет уменьшить объём вредных веществ, поступающих в атмосферу. Сообщается, что на площадке в Сан-Хосе будет применяться смесь, состоящая из биогаза и природного газа в равных долях. По условиям соглашения Enchanted Rock с Microsoft микросеть обеспечит нулевой углеродный выброс. Компании-партнёры подчёркивают, что топливные ячейки на природном газе имеют на 80 % меньший выброс, чем дизельные генераторы, работающие в соответствии с американскими стандартами, а в некоторых случаях они ещё эффективнее.

Источник изображения: Enchanted Rock

Enchanted Rock заявила, что несколько лет назад дата-центрам в регионе требовалась общая мощность 50-60 МВт, но теперь она выросла на порядок. В компании считают, что во многом рост потребностей в альтернативной энергетике связан со сложностями получения электричества из магистральных сетей и сложностями с получением разрешений на применение дизель-генераторов. В компании подчёркивают, что в Калифорнии очень строгие экологические нормы, но Enchanted Rock удаётся соответствовать всем необходимым стандартам.

После анонса нового решения в 2021 году и конкретного проекта для ЦОД Microsoft в 2022, сделан ещё один важнейший шаг по её внедрению. В Enchanted Rock планируют начать закупки RNG-топлива у US Energy уже с начала 2026 года. Сама Microsoft активно участвует в проектах по развитию «зелёной» энергетики. Ранее Microsoft успешно протестировала водородные топливные элементы для резервного питания ЦОД.

Дата-центры традиционно являются стабильным источником тепла, поэтому многие компании пытаются найти ему применение. Тем не менее, как свидетельствует доклад Uptime Institute, этому есть немало ограничений, связанных как с географическим положением дата-центров, так и с различными техническими и иными ограничениями.

В докладе сообщается о текущем состоянии проектов использования постоянно выделяемого оборудованием ЦОД тепла и упоминаются вызовы, с которыми приходится столкнуться операторам ЦОД и властям всех уровней для того, чтобы подобные схемы заработали. Это тем более важно, что современные дата-центры тратят порядка 20–30 % электроэнергии на охлаждение. При этом проблему можно было бы как минимум частично решить, применив эффективные механизмы отвода тепла.

Индустрия учитывает тренд на создание экоустойчивых систем и принятие законов, нацеленных на защиту окружающей среды, и уделяет всё больше внимания созданию оборудования и технологий, позволяющих, например, использовать избыточное тепло для обогрева жилья и других объектов. К тому же бум в сфере ИИ-систем ведёт к созданию инфраструктуры повышенной энергоёмкости. Рост плотности мощности на стойку постепенно увеличивается, при этом ожидаемо выделяется всё больше тепла.

Источник изображений: Uptime Institute

Лидером по применению «мусорного» тепла ЦОД по версии Uptime Institute является север Европы, отчасти из-за весьма умеренного климата. При этом приходится учитывать, что использование такого тепла возможно, только если рядом есть его потребители, что усложняет задачу и увеличивает издержки при передаче тепла на расстояние. При этом уровень выделения тепла и стоимость энергии в каждом случае разные и многое зависит от сезона. Поэтому строить бизнес на таких технологиях часто нецелесообразно и многие операторы предлагают подобное тепло даром, хотя его удаётся и продавать.

Правда, исследование показало, что в плане энергетики подобные системы обычно либо приносят нулевую пользу, либо и вовсе убыточны, поскольку часто приходится применять тепловые насосы и иные системы донагрева до отдачи тепла в системы отопления, что часто только увеличивает общее потребление энергии. Тем не менее, утверждается, что включение подобных решений в районные системы отопления способно снизить общее потребление энергии и выбросы парниковых газов. Лидерами по внедрению таких проектов являются Швеция, Дания, Финляндия.

Изменение мощности стойки за последние три года

По итогам опроса 2022 года перспективные системы жидкостного охлаждения применяет меньшинство компаний, но подавляющее большинство относится к ним с благосклонным вниманием и рассматривает их применение в будущем.

В ноябре сообщалось, что британское правительство заявляло об инвестициях в объёме $41,4 млн на поддержку схемы передачи избыточного тепла на западе Лондона, способной обеспечить отоплению и горячую воду для 10 тыс. домов. Компания atNorth также раскрыла планы строительства нового ЦОД близ Хельсинки, который тоже будет отдавать тепло в местную систему отопления. По оценкам Uptime Institute, всего сегодня в Европе действуют порядка 60 проектов по использованию тепла ЦОД в отоплении, ещё 6 — в Северной Америке. 11 аналогичных проектов разрабатываются или возводятся.

Новые законы, направленные на борьбу с климатическими изменениями, также способствуют распространению таких систем. Обновлённая европейская Директива по энергоэффективности (EED) регламентирует, что ЦОД от 1 МВт должны либо применять наилучшие практики повышения энергоэффективности, в том числе подключаться к системам отопления, либо доказать, что это нецелесообразно. Более того, германский закон об энергоэффективности Energieeffizienzgesetz (EnEfG) ещё жёстче, поскольку фактически обязывает ЦОД отдавать тепло. В 2026 году вновь построенные ЦОД должны будут утилизировать 10 % избыточного тепла, а в 2028 — уже 20 %. Различные законодательные нормы применяются и в других странах.

Использование систем прямого жидкостного охлаждения

В целом применяются различные схемы, от уже упомянутых до не совсем стандартных. Например, Bytesnet использует погружные СЖО, от которых забирается избыточное тепло, а финский оператор систем отопления Fortum сам определил местоположение ЦОД Microsoft, от которых он получает тепло. Одна из самых необычных схем применяется в Японии, где для охлаждения применяется снег, а талая вода потом применяется для выращивания угрей на продажу. Экономика подобных систем довольно сложна. Приходится учитывать многочисленные факторы, от потребностей местных отопительных сетей до себестоимости энергии и тепла. Впрочем, строить ЦОД с интегрированными механизмами отвода избыточного тепла часто дешевле, чем переделывать старые.

Правительство Кении объявило в ходе саммита CPO28 о выделении $4,48 млрд на «зелёные» гопроекты, в число которых входят строительство крупного кампуса ЦОД и освоение новых источников энергии. Как сообщает кенийское издание The Star, соответствующие сделки анонсировали на прошлой неделе на фоне запуска инициативы Africa Green Industrialisation Initiative (AGII).

Так, власти намерены сотрудничать с городом Конза и компанией KenGen над разработкой цифровых технологий с использованием «зелёной» энергии из геотермальных источников. В частности, будет направлено порядка $1,5 млрд на строительство кампуса ЦОД EcoCloud ёмкостью 200 МВт. Конза отвечает за создание необходимой инфраструктуры, а совместно с KenGen город намерен привлечь новых инвесторов. На это властями выделено $600 млн.

Заодно Кения будет сотрудничать с Индонезией и городом Масдар над строительством геотермальной станции мощностью 300 МВт. Будут использоваться опыт и преимущества обеих стран с последующей передачей технологий, строительством новых мощностей, оптимизацией законодательства и др. Объём изначальных инвестиций составит $1 млрд. Дополнительно Кения зарезервировала $200 млн на займы для проектов в области «чистой» энергетики в других странах.

Источник изображения: Thomas Bennie/unsplash.com

Кроме того, совместно с Globeleq будет разрабатываться геотермальный проект мощностью 35 МВт близ вулканического кратера Мененгаи. Этот проект обойдётся в $110 млн, а на его реализацию выделено два года. Ещё одна сделка на $800 млн предполагает строительство в районе геотермального поля Пака в Кении электростанции мощностью 200 МВт компаниями GDC и AMEA Power. Компании за свой счёт оценят возможности площадки и целесообразность реализации данного проекта.

Дополнительно страна будет сотрудничать с компанией Fortescue над проектом производства «зелёного» аммиака, что повысит уровень её энергетической безопасности и снизит зависимость от импорта, а заодно позволит выпускать удобрения. Fortescue возьмёт на себя обучение и повышение квалификации рабочих. Общая стоимость сделки — $1,5 млрд. Наконец, United Green и Kenya Development Corporation разработают агропроект в районе озера Виктория, который предусматривает обработку 15 тыс. га земли с помощью «умных» технологий и с высоким уровнем поглощения углерода. Он обойдётся в $270 млн.

Google пожинает первые плоды уникального геотермального проекта, реализуемого совместно с компанией Fervo Energy в Неваде. Как сообщается в блоге Google, техногигант стал на шаг ближе к декарбонизации своего бизнеса.

К 2030 году Google планирует добиться нулевого углеродного выброса при энергоснабжении ЦОД и офисных кампусов компании. Два года назад Google заключила со стартапом Fervo соглашение о совместной разработке проекта геотермальной электростанции, предусматривавшего поставку 5 МВт. ИИ-решения Google должна были оптимизировать работу станции.

Заработавшая электростанция поставляет около 3,5 МВт в местные энергосети, в том числе обслуживающие и ЦОД компании. Google и Fervo подписывают соглашения о покупке энергии (PPA) — полученное электричество не обязательно поступает именно в ЦОД Google, но это помогает изменить общий баланс энергии в сетях в пользу безуглеродных источников.

Источник изображения: Google

Как заявляют в Министерстве энергетики США, к 2050 году геотермальные источники смогут выдавать до 120 ГВт или 16 % от общих потребностей страны в электричестве. При этом во многих регионах это оптимальное решение для получения «чистой» энергии, поскольку доступ к другим возобновляемым источникам ограничен — такое, например, характерно для Азиатско-Тихоокеанского региона. При этом геотермальную энергию используют относительно редко, а коммерческое применение соответствующим технологиям можно найти только в местностях где до подземного тепла весьма легко добраться.

В отличие от обычных геотермальных электростанций, Fervo применяет технологии горизонтального бурения скважин, ранее характерные только для нефтегазовой промышленности. Это позволяет добраться до источников тепла, прежде недоступных. Fervo пробурила две скважины и разместила оптоволоконные кабели, позволяющие получать данные о температуре и других характеристиках системы в режиме реального времени. Благодаря новым технологиям геотермальная электростанция занимает меньше места, чем другие проекты такого типа.

Также Google анонсировала сотрудничество с некоммерческой организацией Project InnerSpace, которая намерена ускорить внедрение электростанций такого типа. Участвуют в таких природоохранных инициативах и другие техногиганты. Например, Microsoft ещё в мае заключила соглашение о закупке 51 МВт геотермальной энергии в Новой Зеландии. Есть и примеры прямого использования энергии из таких источников дата-центрами. В Кении начато строительство ЦОД Ecocloud Data Centre на геотермальном поле, электричество будет получать как сам объект, так и другие предприятия.

Мэр Шийенского (Skien) муниципалитета Норвегии опроверг слухи о непомерном энергопотреблении строящегося кампуса ЦОД Google. Как сообщает Datacenter Dynamics, ранее в местных СМИ появились сведения, что компания якобы подала заявку на получение 860 МВт — это около 5 % от энергопотребления всей страны.

Фактически же запрос на 860 МВт был сделан местной сетевой энергокомпанией Statnett исходя из потребностей на протяжении ближайших 20 лет. На долю Google придётся лишь часть выделяемых мощностей. Последняя уже получила 100 МВт и ожидает одобрения выделения ещё 20 МВт на первом этапе строительства. На втором этапе компания рассчитывает получить ещё 120 МВт к 2030 году. Формальный анонс ЦОД состоялся в октябре 2022 года, хотя компания приобрела 200 га ещё в 2019 году.

Источник изображения: Michael Fousert/unsplash.com

По словам местных властей, подготовительные работы на площадке уже ведутся, хотя конкретных сроков завершения строительства никто не называет. Известно, что к строительству привлекли местных консультантов и подрядчиков. Google финансирует основную часть расходов на силовую инфраструктуру, а также занимается вопросами водоснабжения и водоотвода, ливневой канализацией и прокладкой ВОЛС.

В Норвегии аккуратно относятся к распределению доступной электроэнергии. В конце июля оператору Green Mountain разрешили строительство кампуса ЦОД для TikTok, но такое решение вызвало вопросы у норвежских политиков — ставится под сомнение целесообразность выделения электроэнергии для «видео с котами» в условиях её нехватки для других проектов, в том числе оборонного характера.

Оператор ЦОД Equinix повысил энергоэффективность своего дата-центра FR6 во Франкфурте (Германия) на 9 %, оптимизировав распределение энергоресурсов при поддержке ИИ. Как сообщает Datacenter Dynamics, этот результат достигнут с помощью интеллектуальной системы управления охлаждения Etalytics.

ПО Etalytics позволило снизить индекс PUE почти до 1,2 и, как ожидается, даст возможность сократить энергопотребление на 900 МВт·ч ежегодно. В дальнейшем Equinix намерена внедрить аналогичные ИИ-решения почти во всех своих франкфутских ЦОД IBX, включая объекты FR4, FR6, FR8 и FR2.6.

Стартап Etalytics был сформирован в 2020 году одной из исследовательских групп Технического университета Дармштадта. Сотрудничество с Equinix началось тогда же. ИИ-платформа Etalyctics позволяет регулировать работу систем охлаждения, что ведёт к экономии электроэнергии. ПО собирает телеметрию с помощью IIoT-датчиков для формирования «цифрового двойника», который может использоваться для «динамических расчётов» оптимальной стратегии охлаждения в реальном времени. Учитывается температура, влажность и т.д.

Как сообщают в Equinix Germany, речь идёт о многообещающем примере позитивного эффекта цифровизации и влиянии ИИ на рост энергоэффективности. Это, в частности, позволило получить награду Energy Efficiency Award от Германского энергетического агентства (DENA). Впрочем, ПО Etalytics с не меньшим успехом может применяться в химической, фармацевтической и автомобильной промышленности.

Источник изображения: Equinix

Считается, что внедрение подобных технологий станет ещё одним ключевым фактором достижения «климатической нейтральности», особенно на фоне амбициозных целей нового Закона об энергоэффективности Германии. В Equinix сообщили, что обсуждают с немецкими политиками способы достижения ещё большей энергоэффективности и устойчивости для того, чтобы новые нормы не помешали цифровизации страны.

Как сообщает Datacenter Knowledge, в Португалии на фоне коррупционного скандала проводятся расследования, часть которых связана с проектами, касающимися энергетики и дата-центров. Португальская полиция провела рейды по правительственным офисам и задержала несколько чиновников, топ-менеджеров, юристов и ряд других лиц.

Расследования, связанные с разработкой литиевых месторождений и водородными энергетическими проектами ведутся как минимум с 2020 года, но только теперь были приняты радикальные меры. Почти полторы сотни полицейских провели обыски в различных ведомствах, включая Министерство окружающей среды и Министерство инфраструктуры, с выемкой документов и других улик.

Источник изображения: Frank Nürnberger/unsplash.com

По данным Bloomberg, парламентарии, вероятно, ещё успеют одобрить бюджет на 2024 год, который включал ряд спорных проектов. Правоохранительные органы интересуют концессии на разведку лития на севере Португалии, а также проекты, связанные с производством водорода и возведением дата-центров компанией Start Campus. Последняя уже начала строительство необычных ЦОД, которые должны охлаждаться морской водой по технологиям американской компании Nautilus.