لأول مرة في العالم ، تعمل خلايا وقود الهيدروجين على تشغيل رفوف الخوادم في مركز بيانات Microsoft لمدة 48 ساعة على التوالي. وهذا يمكن أن يحفز تطوير اقتصاد الطاقة النظيفة الذي طال انتظاره والذي تم بناؤه حول أكثر العناصر وفرة في الكون.
يعد هذا الإنجاز إحدى الخطوات نحو الوفاء بالتزامات الشركة لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحلول عام 2030 . لتحقيق هذا الهدف وتسريع التخلص التدريجي العالمي من الوقود الأحفوري ، تهدف Microsoft أيضًا إلى القضاء على اعتمادها على الديزل بحلول عام 2030 .
يمثل الديزل أقل من 1٪ من إجمالي انبعاثات Microsoft. يقتصر استخدامه في الغالب على مراكز بيانات Azure ، حيث تواكب مولدات الديزل ، مثل معظم مزودي الخدمات السحابية حول العالم ، التشغيل المستمر في حالة انقطاع التيار الكهربائي وانقطاعات الخدمة الأخرى.
"إنها غالية الثمن. قال مارك مونرو ، كبير مهندسي البنية التحتية لفريق التطوير المتطور لمركز البيانات في Microsoft ، إنه لأكثر من 99٪ من حياتهم ، يتجمعون الغبار ولا يفعلون شيئًا.
لوكاس هوبا ، كبير مسؤولي البيئة في Microsoft ، هو المتحدث الرسمي باسم Microsoft لمجلس الهيدروجين ، وهي مبادرة عالمية لشركات الطاقة والنقل والصناعة الرائدة لتعزيز اقتصاد الهيدروجين. الصورة: رودريجو دي ميديروس.
في السنوات الأخيرة ، انخفضت تكلفة خلايا وقود الهيدروجين لدرجة أنها أصبحت بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لمولدات الديزل الاحتياطية.
قال مونرو: "فكرة استخدامها على الهيدروجين النظيف تتناسب مع التزامنا الشامل بالكربون".
وأضاف أنه بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج مركز بيانات Azure المجهز بخلايا وقود وخزان تخزين هيدروجين ومحلل كهربائي يحول جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، مع شبكة الطاقة لتوفير خدمات موازنة الحمل.
على سبيل المثال ، يمكن تشغيل خلية إلكتروليتية أثناء فترات فائض إنتاج الرياح أو الطاقة الشمسية لتخزين الطاقة المتجددة في شكل هيدروجين. بعد ذلك ، خلال فترات ارتفاع الطلب ، يمكن لمايكروسوفت إطلاق خلايا وقود الهيدروجين لتوليد الكهرباء للشبكة. يمكن لمركبات الهيدروجين لمسافات طويلة الانسحاب إلى مراكز البيانات لإعادة تزويد خزاناتها بالوقود.
قال لوكاس هوبا ، كبير مسؤولي البيئة في Microsoft: "تمثل كل هذه البنية التحتية فرصة لشركة Microsoft للعب دور مهم فيما سيقود بلا شك برنامج تحسين الطاقة الشامل الذي سينفذه العالم في السنوات القادمة".
لمزيد من استكشاف كيف يمكن لشركة Microsoft تحسين استثماراتها في خلايا وقود الهيدروجين والبنية التحتية ذات الصلة ، عينت الشركة اليوم Hopp كممثل لها في مجلس الهيدروجين ، وهي مبادرة عالمية لشركات الطاقة والنقل والصناعة الرائدة لتحفيز اقتصاد الهيدروجين.
لقد أثبت العلماء بالفعل أن خلايا الوقود من أكثر العناصر وفرة في الكون ، وهي الهيدروجين ، يمكن استخدامها لتوليد طاقة خالية من غازات الاحتباس الحراري.
قال "نحن نعرف كيف نفعل ذلك". لكن المجلس موجود لأننا لا نعرف دائمًا بالضبط كيفية زيادة إنتاج الهيدروجين ، ونقله وإمداداته ، ثم الاستهلاك بالطرق التي نرغب. لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به ".
يقود مارك مونرو ، كبير مهندسي البنية التحتية لفريق تطوير مركز البيانات المتقدم في Microsoft ، مشروعًا لاستكشاف إمكانات خلايا الوقود الهيدروجينية لتشغيل المولدات الاحتياطية في مراكز البيانات. الصورة: مارك مونرو / مايكروسوفت.
استبدال الديزل
تلتزم Microsoft بتزويد مستهلكي مراكز بيانات Azure بـ "خمسة تسعة" من توافر الخدمة ، مما يعني أن مركز البيانات قد ارتفع بنسبة 99.999٪ من الوقت. تبدأ المولدات الاحتياطية في العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو انقطاع الخدمة الأخرى.
قال مونرو: "نحن لا نستخدم مولدات الديزل كثيرًا". "نديرها مرة في الشهر للتأكد من أنها تعمل. نجري اختبار الحمل مرة واحدة سنويًا للتحقق من أنه يمكننا نقل الحمل إليهم بشكل صحيح ، ولكن في المتوسط ، يتم تغطية حالات انقطاع التيار الكهربائي أقل من مرة واحدة سنويًا ".
وفقًا لبريان جينوس ، المدير العام لفريق Microsoft Energy and Sustainable Data Center Strategy Team ، فإن Microsoft تستكشف تقنيات استبدال الديزل التي من شأنها دعم أو تحسين توافر الخدمة ، وترى الوعد في خلايا وقود الهيدروجين والبطاريات.
يقول: "إن العمل الذي يقوم به الفريق اليوم يتعلق حقًا بمحاولة تقييم جدوى الحلول المختلفة".
توفر البطاريات بالفعل طاقة احتياطية قصيرة المدى ، وتملأ الفجوة التي تبلغ 30 ثانية بين فصل التيار الكهربائي والوقت اللازم لتشغيل مولدات الديزل. تتمتع البطاريات الأكثر حداثة بعمر أطول.
قال جينوس: "إذا كنت في موقف حيث يكون وقت التشغيل المطلوب طويلًا جدًا بحيث لم تعد البطاريات فعالة ، فإنك ستنتقل إلى شيء مثل خلية الوقود".
إثبات المفهوم
تم زرع بذور فكرة استخدام خلايا وقود الهيدروجين للطاقة الاحتياطية في ربيع عام 2018 ، عندما قام الباحثون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن ، كولورادو بتشغيل مجموعة من أجهزة الكمبيوتر باستخدام خلية وقود غشاء تبادل بروتون الهيدروجين ، أو PEM. حضر مونرو وزملاؤه عرضًا للنظام.
قامت شركة Power Innovations ببناء نظام خلايا وقود بقدرة 250 كيلووات لمساعدة Microsoft على استكشاف إمكانية استخدام خلايا وقود الهيدروجين لتوليد الطاقة الاحتياطية في مراكز البيانات. لإثبات المفهوم ، قام النظام بتشغيل عدد من خوادم مركز البيانات لمدة 48 ساعة متتالية. الصورة: ابتكارات الطاقة.
قال مونرو: "لقد أثار اهتمامنا لأننا علمنا أنهم كانوا يستخدمون خلية وقود للسيارات". - خلية وقود السيارة لها نفس وقت استجابة مولد الديزل. يمكن تشغيله بسرعة. يمكن أن تكون جاهزة للتحميل الكامل في غضون ثوان. يمكنك تغطيته ، دعه يذهب ، دعه يقف مكتوف الأيدي ".
ينتج عن عملية الجمع بين الهيدروجين والأكسجين في خلايا وقود PEM إنتاج بخار الماء والكهرباء. تعمل شركات السيارات على تطوير تقنيات لتشغيل السيارات والشاحنات والمركبات الأخرى. بعد العرض التوضيحي ، بدأت Microsoft التفكير في استخدام خلايا الوقود لتشغيل مراكز البيانات الخاصة بها.
قام فريق Monroe بشراء نظام خلايا وقود بقدرة 250 كيلو وات ، وهو ما يكفي لتشغيل صف كامل (حوالي 10 رفوف) من خوادم مركز البيانات. بدأ الاختبار في Power Innovations ، مطور أنظمة ، خارج مدينة سولت ليك في سبتمبر 2019. اجتاز النظام اختبار قوة لمدة 24 ساعة في ديسمبر واختبار لمدة 48 ساعة في يونيو.
قال مونرو: "هذا هو أكبر نظام نسخ احتياطي للكمبيوتر نعرف أنه يعمل بالهيدروجين وقد اجتاز أطول اختبار مستمر".
تتمثل الخطوة التالية للفريق في الحصول على نظام خلايا وقود 3 ميجاوات واختباره وهو كبير مثل مولدات الديزل الاحتياطية في مراكز بيانات Azure.
أبحاث خلايا الوقود
حتى قبل هذا العرض التوضيحي لعام 2018 ، كانت Microsoft تبحث عن طرق لاستخدام خلايا الوقود. بدأت الشركة في استكشاف تقنية خلايا الوقود في عام 2013 مع المركز القومي لأبحاث خلايا الوقود في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، حيث اختبروا فكرة تزويد رفوف الخوادم بخلايا وقود الأكسيد الصلب ، أو SOFCs ، التي تعمل بالغاز الطبيعي.
وأوضح مونرو: "لديهم القدرة على إنتاج الهيدروجين الخاص بهم من الغاز الطبيعي الذي ينتجون". "يأخذون الغاز الطبيعي ، وبعض الماء ، ويسخنونه حتى 600 درجة مئوية ، وهي درجة حرارة الفحم الساخن."
هذا ساخن بدرجة كافية لعملية تسمى تحويل الميثان البخاري ، والتي تولد تيارًا من ذرات الهيدروجين لتوليد الكهرباء.
تواصل Microsoft استكشاف إمكانات تقنية خلايا الوقود SOFC لتوفير حمل أساسي يمكنه تحرير مراكز البيانات من الشبكة الكهربائية ، مما يجعلها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بمقدار 8-10 مرات. ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا باهظة الثمن حاليًا لاعتمادها على نطاق واسع.
قال مونرو: "تنتج عملية SOFC أيضًا ثاني أكسيد الكربون ، وهو سبب آخر لبحث Microsoft في خلايا وقود PEM".
بالإضافة إلى ذلك ، منذ العرض التوضيحي في المختبر الوطني للطاقة المتجددة ، انخفضت التكاليف المقدرة لأنظمة خلايا الوقود PEM لتوليد الطاقة الاحتياطية في مراكز البيانات بأكثر من 75٪. إذا استمر الاتجاه ، ففي غضون عام أو عامين ، يمكن أن تكون التكلفة الرأسمالية لمولدات خلايا الوقود تنافسية في الأسعار مع مولدات الديزل.
وأضاف أن زيادة إنتاج خلايا الوقود لتلبية الطلب من صناعة مراكز البيانات يمكن أن يؤدي إلى مزيد من التوفير في التكاليف.
قال مونرو: "نرى أنفسنا كمحفز لاقتصاد الهيدروجين بأكمله".
اقتصاد الهيدروجين
من منظور Microsoft ، تشتمل الأجزاء الأخرى من هذا الاقتصاد على البنية التحتية لشراء وتخزين وصيانة ما يكفي من الهيدروجين الصديق للبيئة لتشغيل المولدات الاحتياطية لمدة 12-48 ساعة ، وهو معيار الصناعة لخمس تسعات في توافر الخدمة. ...
على سبيل المثال ، لمدة 48 ساعة من الطاقة الاحتياطية ، سيحتاج كل مركز بيانات إلى ما يصل إلى 100000 كيلوغرام من الهيدروجين لتزويد المولدات الاحتياطية بالوقود في حالة انقطاع التيار الكهربائي لفترة طويلة ، أوضح مونرو.
قال جينوس: "أدت المزيد من المحادثات داخل الشركة حول كيفية تأمين هذه البنية التحتية إلى مناقشات حول دور Microsoft في قيادة اقتصاد الهيدروجين".
"ماذا لو كان بإمكانك أخذ كل هذه الأصول في مركز البيانات ودمجها في الشبكة بطريقة تزيد من تسريع إزالة الكربون من الشبكة على نطاق أوسع ، بدلاً من مجرد حل نقطة لمركز البيانات نفسه؟ هو قال. "هذا هو المكان الذي أعتقد أن الاكتشافات الحقيقية تكمن فيه."
صورة العنوان: استخدمت Microsoft الهيدروجين المخزن في صهاريج على مقطورات متوقفة خارج مختبر بالقرب من مدينة سولت ليك ، يوتا ، لتزويد خلايا وقود الهيدروجين بالطاقة التي تشغل عددًا من خوادم مركز البيانات لمدة 48 ساعة متتالية. الصورة: ابتكارات الطاقة .