减少备份数据中心的排放
纽约莱瑟姆 - 今年6月初的一个阴天，装在一对40英尺长的集装箱中的氢燃料电池加速增加，因为工程师们聚集在笔记本电脑周围，显示有关电池的状态，健康状况和功率输出的数据。
“就是这样，它现在以三兆瓦的速度运行，”微软数据中心高级开发团队的首席基础设施工程师马克·门罗（Mark Monroe）惊呼道。
建造燃料电池系统的Plug工程师的掌声和欢呼声刺破了集装箱顶部风扇和排放蒸汽的管道的白噪音。这一刻是微软寻求零碳排放替代品的最新里程碑，用于替代备用柴油发电机，在停电和其他服务中断的情况下支持连续运行。
“我们刚刚目睹的是，对于数据中心行业来说，这是一个登月时刻，”微软数据中心研究总监肖恩詹姆斯说。“我们有一个不产生排放的发电机。这真是令人兴奋。
数据中心是云计算面纱背后的物理基础结构。它们是存储猫视频和度假照片的地方，远程工作人员聚集在一起进行虚拟会议，游戏玩家聚集在一起建造世界、赛车和击退敌人。它们使全球企业能够实现数字化转型，使他们能够快速安全地响应客户需求并管理供应链物流。
数据中心的核心是故意不起眼的仓库，里面装满了数以万计的计算机服务器和保持服务器运行所需的设备，并且每周 7 天、每天 24 小时可用。这包括使服务器保持在T恤天气温度的机器，以及即使在电网中断期间也能保持不间断供电的电池和发电机。
“使数据中心成为数据中心的原因是，即使网格不是，它也可以运行，”詹姆斯说。“当停电时，服务器会保持运行。这就是数据中心和装满计算机的仓库之间的区别。
微软数据中心高级开发团队的首席基础设施工程师马克·门罗（左）和微软数据中心研究总监肖恩·詹姆斯（右）在纽约莱瑟姆检查三兆瓦氢燃料电池系统。摄影：John Brecher。
下一代发电机
Microsoft 努力为数据中心客户提供“五个 9”的服务可用性，这意味着数据中心在 99.999% 的时间内正常运行。为此，数据中心运营商部分依靠所谓的不间断电源（UPS）中的电池在发生停电时启动，并在备用发电机启动时为服务器供电。
为了确保发电机随时准备就绪，Microsoft 会定期对其进行测试，并执行所谓的负载测试，以确保来自服务器和其他数据中心设备的电气负载可以可靠地传输到发电机。
虽然备用发电机不经常使用，但如果停电，它们至关重要。这是因为它们保持数据中心的不间断电源，从而为客户提供服务。
当备用发电机运行时，它们通常会燃烧化石燃料，尽管微软一直在开拓可持续的燃料替代品。微软已承诺消除柴油燃料，作为该公司到 2030 年实现负碳承诺的一部分。为了实现这一目标，微软正在探索短期和长期的替代方案。
例如，2021 年 11 月，微软在瑞典推出了可持续数据中心区域，该区域使用瑞典燃料提供商 Preem 的 Evolution Diesel Plus 作为发电机燃料。这种柴油含有至少50%的可再生原材料，与标准化石柴油混合物相比，净二氧化碳排放量几乎相同。
长期的质子交换膜或PEM燃料电池技术可能是无碳排放的可行解决方案，微软首席环境官Lucas Joppa表示。PEM燃料电池将氢气和氧气结合在化学反应中，产生电，热和水 - 无燃烧，无颗粒物，无碳排放。
莱瑟姆的PEM燃料电池测试证明了这项技术在三兆瓦下的可行性，这是第一次在数据中心的备用发电机规模上。一旦绿色氢可用且经济可行，这种类型的固定备用电源就可以跨行业实施，从数据中心到商业建筑和医院。
“三兆瓦非常有趣，因为这是我们目前使用的柴油发电机的大小，”乔帕说。
“我们构建了一个愿景”
微软于2013年开始与加州大学欧文分校的国家燃料电池研究中心一起探索燃料电池技术，在那里他们测试了用固体氧化物燃料电池（SOFC）为计算机服务器机架供电的想法，这些燃料电池以天然气为燃料。该技术显示出基本负载功率的前景，尽管目前它的价格过高。
微软在2018年转向PEM燃料电池作为备用柴油发电机挑战的潜在解决方案。PEM燃料电池通常用于汽车行业，因为与柴油发动机一样，它们可以快速打开和关闭，并且可以跟随负载的上下。Monroe指出，这种快速反应和负载跟踪能力非常适合数据中心的备用电源。
“我们开始研究氢气的成本和可用性的预测，我们开始真正相信这可能是一个解决方案。因此，我们建立了一个愿景。它把我们从一个机架带到一排，从一个房间到一个数据中心，“他说。
2018 年，微软与科罗拉多州戈尔登国家可再生能源实验室的工程师合作，用 65 千瓦的 PEM 燃料电池发电机为计算机机架供电。然后，在 2020 年，该团队聘请了犹他州盐湖城的 Power Innovations，以构建和测试一个系统，该系统可以使用 250 千瓦的氢燃料电池系统连续 48 小时为 10 个机架（一排）数据中心服务器供电。
在成功的概念验证演示之后，该团队着手证明三兆瓦系统的可行性，该系统的尺寸足以取代数据中心的柴油发电机。
门罗指出，问题在于没有人制造出如此大的PEM燃料电池系统 - 三兆瓦比该公司在犹他州测试的系统大10倍以上。三兆瓦的能量足以为大约10，000台计算机服务器或600个家庭供电。
“最酷的事情”
建造三兆瓦燃料电池系统的挑战引起了总部位于莱瑟姆的Plug工程师的共鸣，该公司是燃料电池和绿色氢技术商业开发的先驱。如今，该公司在整个绿色氢生态系统中提供解决方案——从生产和运输到储存、处理和分配。
“把它画在白板上，然后说，'好吧，我们知道我们可以做到这一点，我们知道我们可以做到这一点，'这很有趣，”Plug的工程总监斯科特·斯平克（Scott Spink）说。“这个项目的真正挑战是，我们没有依赖一项经过验证的技术。燃料电池系统的每一部分都来自一个处于他们所做工作最前沿的团队。
125千瓦的燃料电池 - 其中18个包装在每个集装箱中 - 是该公司有史以来最大的燃料电池，三兆瓦燃料电池系统是Plug最大的应用。由于该系统比以前建造的任何系统都大，因此所有组件也是如此，从压缩机和热交换器到电网规模的逆变器和氢气输送管道。
该系统在公司总部后面停车场附近的混凝土垫上零碎组装，用于研发和制造其ProGen燃料电池系列。裸露的电线和管子这样那样，散热器风扇的帽子悬在容器上，使系统看起来像第一次迭代原型。
斯宾克为构建系统而召集的工程师对杂乱无章的外观并不担心。
“这是我做过的最酷的事情，”Plug大功率固定小组的下一代电气工程师汉娜鲍德温说，他被雇用从事该项目。“我不知道我将如何在我的职业生涯中超越这一点。有太多的拼图必须拼凑在一起。看到他们走到一起，工作良好，稳定，是值得的。
汉娜·鲍德温（Hannah Baldwin）是Plug大功率固定小组的电气工程师，她正在检查纽约莱瑟姆三兆瓦氢燃料电池系统中燃料电池的健康状况。摄影：John Brecher。
备用电源
在燃料电池发电机达到三兆瓦里程碑后，微软的詹姆斯迅速启动了测试，以证明它可以在现实世界的条件下运行。
“我问了两个问题，”他说。“我的第一个问题得到了回答：这项技术集成在一起能产生我需要的电力吗？我的第二个问题是它能像柴油一样表现吗？柴油发动机可以非常快速地产生大量动力。这才是关键。因此，我们将开始模拟数据中心占空比，其中之一就是停电。
当发生停电时，UPS 中的电池可以使数据中心运行几分钟，这足以增加柴油或氢气发电机。从理论上讲，备用发电机一旦启动，只要有燃料供应，就可以无限期地保持数据中心运行。
从六月在莱瑟姆的那一天开始，在接下来的几周里，Spink的团队通过微软用来鉴定柴油发电机的测试来运行三兆瓦的氢燃料电池系统，以证明它可以可靠地运行，包括模拟停电和长达数小时的运行。
“我只是痒痒的，”梦露说。“这是我们在2018年开始的旅程的延续。在2020年，当我们宣布在较小的测试上所做的工作时，我们暗示我们将在未来某个时候进行三兆瓦的测试。未来就是现在。
随着原型测试的完成和概念的验证，Plug专注于推出优化的商业版本的大功率固定燃料电池系统，该系统比莱瑟姆停车场附近的垫子上的系统占地面积更小，更精简和抛光。
微软将在研究数据中心安装其中第二代燃料电池系统之一，工程师将学习如何使用和部署新技术，包括开发氢安全协议。詹姆斯指出，在实时数据中心首次部署的日期尚不清楚，尽管它可能会发生在空气质量标准禁止柴油发电机的新数据中心。
“当兴奋消退时，我会转过身来，开始问，'好吧，我们做了一个，我在哪里可以得到1000个？'”他说。“我们承诺完全无柴油，供应链必须强大 - 我们必须谈论整个氢行业的规模。
三兆瓦的氢燃料电池系统由一对40英尺长的集装箱组成，每个集装箱可容纳18个PEM燃料电池。散热器风扇的盖子位于每个容器的顶部。摄影：John Brecher。
氢经济
氢是宇宙中最轻、最丰富的元素。长期以来，人们一直关注着地球上的清洁能源潜力。一个挑战是，虽然像太阳这样的恒星主要由氢组成，但在地球上，氢只能与其他元素以化合物的形式自然存在 - 想想水或碳氢化合物，如天然气和石油。
从这些天然化合物中分离氢，储存，运输和大规模从中榨取动力所需的高成本和技术限制了其使用。在过去的十年里，这种计算已经开始改变，Plug固定电源销售和产品管理副总裁Darin Painter表示。
他说，这一变化是由整个氢生态系统的进步以及对可持续发展日益增长的兴趣和承诺推动的。
例如，丰富而廉价的风能和太阳能正在通过称为电解槽的机器经济高效地生产所谓的绿色氢气。这些机器像燃料电池一样反向运行——它们利用能量将水分子分解成氢和氧。如果用于运行电解槽的能量来自可再生能源，那么产生的氢气被认为是绿色的。
莱瑟姆测试中使用的氢气是一种低碳的“蓝色”氢气，作为氯和氢氧化钠工业生产的副产品获得。Painter说，Plug正在美国和欧洲各地的设施中扩大绿色氢气生产，以满足不断增长的需求。微软计划在生产数据中心仅使用绿色氢。
在氢生态系统的另一端，技术进步导致了更密集、更高效的燃料电池堆，这些燃料电池堆结合了氢和氧来发电、热能和水。
“在你能够大规模获得可行的解决方案之前，所有这些都必须发生，”Painter说。“如果我们在10年或15年前试图建造这个三兆瓦的系统，我认为我们不可能做到。
门罗和他的同事们在2018年氢燃料电池项目开始时运行数字时看到了微积分的这种变化。门罗说，在每瓦特的基础上，氢燃料电池产生的电力正在与柴油发电机等其他来源的电力竞争。
为了加速清洁能源解决方案的突破，美国能源部于 2021 年 6 月宣布了首个能源地球疫苗——氢弹，目标是在 1 年内将清洁氢的成本降低 80%，达到每 1 公斤 1 美元。门罗指出，一公斤氢气的能量含量与一加仑汽油大致相同。
他补充说，需要的是扩大绿色氢和燃料电池生产的催化剂，这将降低成本并增加该技术的采用。
根据Joppa的说法，微软和数据中心行业的其他参与者具有独特的优势，可以成为催化剂，除了担任首席环境官外，还是微软在氢委员会的代表，这是一个由领先的能源，运输和工业公司组成的全球倡议，旨在促进氢在清洁能源转型中的作用。
Joppa指出，微软对燃料电池和绿色氢的业务和可持续性需求向市场发出了需求信号。更重要的是，如果微软投资氢技术并且该技术有效，其他公司也将更有信心投资氢能，他补充说。
“因此，如果我们有信心使用这些来确保数据中心服务的连续性，那么这是一个很大的信念衡量标准，”Joppa说。
PEM燃料电池在化学反应中结合氢气和氧气，产生电，热和水。虽然大部分水以液体形式排出，但一部分以蒸汽形式排出。摄影：John Brecher。
城市规模的解决方案
詹姆斯指出，强大的绿色氢经济也可以帮助城市过渡到100%可再生能源。这是因为风能和太阳能发电场产生的多余能量可用于运行电解槽，实际上将这些多余的能量储存在氢气中。然后，当太阳不照，风不吹时，这种绿色氢可以在不产生任何碳排放的情况下为燃料电池提供动力。
“我们希望为我们的云提供太阳动力 - 免费的清洁能源，”他说。“嗯，实际上，你是怎么做到的？你必须非常善于储存能量，而氢是做到这一点的好方法。
James设想了一个未来，数据中心将配备氢燃料电池，储氢罐和电解槽，以将水分子转化为具有过量可再生能源的氢气。在高能源需求期间，或者当太阳停止照耀和风停止吹拂时，Microsoft 可以增加燃料电池，将数据中心负载从电网中移除，释放电网电力供其他人使用。
将这一愿景变为现实的挑战迫使下一代电气工程师鲍德温坚持从事氢经济事业，她承认，在她从事燃料电池项目之前，这条职业道路并不是首要考虑的。
“我对从事可以改变世界的事情的想法感到兴奋，而氢具有巨大的潜力，可以改变游戏规则，”她说。“当很多人想到可再生能源时，他们会想到风力涡轮机和太阳能电池板，他们不一定想到氢。我知道我没有。我认为这种情况肯定会改变。
想起曾经的自己，也总因为这些自我询问疑惑过，后来发现，想得再多，疑惑就更难以解决，反而平添烦恼，浪费了很多时间，还不如不问理由直接去做。
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