Zum ersten Mal auf der Welt versorgten Wasserstoffbrennstoffzellen die Server-Racks eines Microsoft-Rechenzentrums 48 Stunden hintereinander mit Strom. Dies könnte die Entwicklung einer lang erwarteten sauberen Energiewirtschaft vorantreiben, die sich um das am häufigsten vorkommende Element im Universum dreht.
Diese Leistung ist einer der Schritte zur Erfüllung der Verpflichtungen des Unternehmens, die Kohlendioxidemissionen bis 2030 zu senken . Um dieses Ziel zu erreichen und den weltweiten Ausstieg aus fossilen Brennstoffen zu beschleunigen, will Microsoft auch die Abhängigkeit von Diesel bis 2030 beseitigen .
Diesel macht weniger als 1% der Gesamtemissionen von Microsoft aus. Die Verwendung ist hauptsächlich auf Azure-Rechenzentren beschränkt, in denen Dieselgeneratoren wie die meisten Cloud-Anbieter weltweit bei Stromausfällen und anderen Betriebsstörungen mit dem Dauerbetrieb Schritt halten.
"Die sind teuer. Und für mehr als 99% ihres Lebens sammeln sie Staub und tun nichts “, sagte Mark Monroe, Chefinfrastrukturingenieur des hochmodernen Entwicklungsteams für Rechenzentren von Microsoft.
Lucas Hoppa, Chief Environmental Officer von Microsoft, ist Microsofts Sprecher des Hydrogen Council, einer globalen Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen zur Förderung der Wasserstoffwirtschaft. Foto: Roderigo De Medeiros.
In den letzten Jahren sind die Kosten für Wasserstoffbrennstoffzellen so weit gesunken, dass sie zu einer kostengünstigen Alternative zu Diesel-Standby-Generatoren geworden sind.
"Die Idee, sie für sauberen Wasserstoff zu verwenden, passt zu unserem gesamten Engagement für Kohlenstoff", sagte Monroe.
Darüber hinaus könne das Azure-Rechenzentrum, das mit Brennstoffzellen, einem Wasserstoffspeichertank und einem Elektrolyseur ausgestattet ist, der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt, in das Stromnetz integriert werden, um Lastausgleichsdienste bereitzustellen.
Beispielsweise kann eine Elektrolysezelle in Zeiten überschüssiger Wind- oder Sonnenenergieerzeugung eingeschaltet werden, um erneuerbare Energie in Form von Wasserstoff zu speichern. In Zeiten hoher Nachfrage könnte Microsoft dann Wasserstoffbrennstoffzellen starten, um Strom für das Netz zu erzeugen. Langstrecken-Wasserstofffahrzeuge könnten zu Rechenzentren fahren, um ihre Tanks zu tanken.
"All diese Infrastruktur bietet Microsoft die Möglichkeit, eine wichtige Rolle bei dem zu spielen, was zweifellos das gesamte Energieoptimierungsprogramm vorantreiben wird, das die Welt in den kommenden Jahren implementieren wird", sagte Lucas Hoppa, Chief Environmental Officer von Microsoft.
Um weiter zu untersuchen, wie Microsoft seine Investitionen in Wasserstoffbrennstoffzellen und die dazugehörige Infrastruktur optimieren kann, hat das Unternehmen heute Hopp zum Vertreter im Hydrogen Council ernannt, einer globalen Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen zur Stimulierung der Wasserstoffwirtschaft.
Wissenschaftler haben bereits bewiesen, dass Brennstoffzellen aus dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum, Wasserstoff, zur Erzeugung von Energie ohne Treibhausgase verwendet werden können.
"Wir wissen, wie es geht", sagte er. „Aber der Rat existiert, weil wir nicht immer genau wissen, wie wir die Produktion von Wasserstoff, seinen Transport und seine Versorgung und dann den Verbrauch so skalieren können, wie wir es möchten. Es gibt noch viel zu tun. "
Mark Monroe, Chief Infrastructure Engineer des Advanced Data Center Development-Teams von Microsoft, leitet ein Projekt zur Untersuchung des Potenzials von Wasserstoffbrennstoffzellen für die Stromversorgung von Standby-Generatoren in Rechenzentren. Foto: Mark Monroe / Microsoft.
Dieselersatz
Microsoft hat es sich zur Aufgabe gemacht, Azure-Rechenzentrumsbenutzern eine Verfügbarkeit von fünf Neunen für Dienste bereitzustellen, was bedeutet, dass das Rechenzentrum in 99,999% der Fälle verfügbar ist. Standby-Generatoren starten bei Stromausfällen oder anderen Betriebsstörungen.
"Wir verwenden Dieselgeneratoren nicht sehr oft", sagte Monroe. „Wir führen sie einmal im Monat durch, um sicherzustellen, dass sie funktionieren. Wir führen einmal im Jahr Lasttests durch, um sicherzustellen, dass wir die Last korrekt auf sie übertragen können. Im Durchschnitt decken sie jedoch Stromausfälle weniger als einmal im Jahr ab. “
Laut Brian Jenus, General Manager des Strategie-Teams für Energie und nachhaltige Rechenzentren von Microsoft, untersucht Microsoft Dieselersatztechnologien, die die Verfügbarkeit von Diensten unterstützen oder verbessern würden, und sieht das Versprechen bei Wasserstoff-Brennstoffzellen und -Batterien.
„Bei der Arbeit, die das Team heute leistet, geht es wirklich darum, die Machbarkeit verschiedener Lösungen zu bewerten“, sagt er.
Die Batterien liefern bereits kurzfristige Notstromversorgung und füllen die 30-Sekunden-Lücke zwischen Netzabschaltung und der für die Stromversorgung der Dieselgeneratoren erforderlichen Zeit. Moderne Batterien haben eine längere Lebensdauer.
"Wenn es eine Situation gibt, in der die erforderlichen Laufzeiten so lang sind, dass die Batterien nicht mehr effizient sind, werden Sie sich für so etwas wie Brennstoffzellen entscheiden", sagte Jenus.
Konzeptioneller Beweiß
Die Keime für die Idee, Wasserstoffbrennstoffzellen als Notstrom zu verwenden, wurden bereits im Frühjahr 2018 ausgesät, als Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, ein Computer-Rack mit einer Wasserstoff-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) betrieben. Monroe und seine Kollegen nahmen an einer Demonstration des Systems teil.
Power Innovations baute ein 250-Kilowatt-Brennstoffzellensystem, um Microsoft dabei zu unterstützen, das Potenzial der Verwendung von Wasserstoffbrennstoffzellen zur Backup-Stromerzeugung in Rechenzentren zu erkunden. Zum Nachweis des Konzepts versorgte das System 48 aufeinanderfolgende Stunden eine Reihe von Rechenzentrums-Servern mit Strom. Foto: Power Innovations.
"Wir waren fasziniert, weil wir wussten, dass sie eine Automobil-Brennstoffzelle verwenden", sagte Monroe. - Eine Kfz-Brennstoffzelle hat die gleiche Reaktionszeit wie ein Dieselgenerator. Es kann sich schnell einschalten. Es kann innerhalb von Sekunden für die volle Ladung bereit sein. Sie können es vertuschen, loslassen, im Leerlauf stehen lassen. "
Der Prozess der Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff in PEM-Brennstoffzellen führt zur Erzeugung von Wasserdampf und Elektrizität. Automobilunternehmen entwickeln Technologien für den Antrieb von Autos, Lastwagen und anderen Fahrzeugen. Nach der Demo begann Microsoft über die Verwendung von Brennstoffzellen zur Sicherung von Rechenzentren nachzudenken.
Das Monroe-Team kaufte ein 250-Kilowatt-Brennstoffzellensystem, das ausreicht, um eine ganze Reihe (etwa 10 Racks) von Rechenzentrums-Servern mit Strom zu versorgen. Die Tests begannen im September 2019 bei Power Innovations, einem Systementwickler außerhalb von Salt Lake City. Das System bestand im Dezember einen 24-Stunden-Festigkeitstest und im Juni einen 48-Stunden-Test.
"Dies ist das größte bekannte Computersicherungssystem, das mit Wasserstoff betrieben wird und den längsten kontinuierlichen Test bestanden hat", sagte Monroe.
Der nächste Schritt für das Team besteht darin, ein 3-MW-Brennstoffzellensystem zu erwerben und zu testen, das so groß ist wie die Diesel-Standby-Generatoren in Azure-Rechenzentren.
Brennstoffzellenforschung
Bereits vor dieser Demo von 2018 suchte Microsoft nach Möglichkeiten, Brennstoffzellen einzusetzen. Das Unternehmen begann 2013 mit der Erforschung der Brennstoffzellentechnologie mit dem National Fuel Cell Research Center an der University of California in Irvine, wo es die Idee testete, Server-Racks mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) zu versorgen, die mit Erdgas betrieben werden.
"Sie haben die Fähigkeit, ihren eigenen Wasserstoff aus dem Erdgas zu produzieren, das sie produzieren", erklärte Monroe. "Sie nehmen Erdgas, etwas Wasser, und erhitzen es auf 600 Grad Celsius, was der Temperatur heißer Kohle entspricht."
Dies ist heiß genug für einen Prozess namens Dampfmethanumwandlung, bei dem ein Strom von Wasserstoffatomen zur Stromerzeugung erzeugt wird.
Microsoft untersucht weiterhin das Potenzial der SOFC-Brennstoffzellentechnologie, um eine Grundlast bereitzustellen, mit der Rechenzentren vom Stromnetz befreit werden können, wodurch sie 8- bis 10-mal energieeffizienter werden. Derzeit ist diese Technologie jedoch für eine breite Anwendung zu teuer.
"Das SOFC-Verfahren erzeugt auch Kohlendioxid, was ein weiterer Grund ist, warum Microsoft PEM-Brennstoffzellen untersucht", sagte Monroe.
Darüber hinaus sind seit der Demonstration im National Renewable Energy Laboratory die geschätzten Kosten von PEM-Brennstoffzellensystemen für die Standby-Stromerzeugung in Rechenzentren um mehr als 75% gesunken. Wenn sich der Trend fortsetzt, könnten in ein oder zwei Jahren die Kapitalkosten von Brennstoffzellengeneratoren mit Dieselgeneratoren zu wettbewerbsfähigen Preisen bewertet werden.
Er fügte hinzu, dass eine zunehmende Produktion von Brennstoffzellen zur Deckung der Nachfrage aus der Rechenzentrumsbranche möglicherweise zu weiteren Kosteneinsparungen führen könnte.
"Wir sehen uns als Katalysator für diese gesamte Wasserstoffwirtschaft", sagte Monroe.
Wasserstoffwirtschaft
Aus Sicht von Microsoft umfassen andere Teile dieser Wirtschaft die Infrastruktur für den Kauf, die Speicherung und die Wartung von ausreichend umweltfreundlichem Wasserstoff, um Standby-Generatoren für 12 bis 48 Stunden mit Strom zu versorgen. Dies ist der Industriestandard für eine Verfügbarkeit von fünf Neunern. ...
Beispielsweise benötigt jedes Rechenzentrum für 48 Stunden Standby-Strom bis zu 100.000 Kilogramm Wasserstoff, um Standby-Generatoren bei einem längeren Stromausfall zu betreiben, erklärte Monroe.
"Weitere Gespräche innerhalb des Unternehmens über die Sicherung dieser Infrastruktur führten zu Diskussionen über die Rolle von Microsoft bei der Förderung der Wasserstoffwirtschaft", sagte Jenus.
„Was wäre, wenn Sie all diese Ressourcen in das Rechenzentrum integrieren und so in das Netzwerk integrieren könnten, dass die Dekarbonisierung des Netzwerks im weiteren Sinne weiter beschleunigt wird, und nicht nur als punktuelle Lösung für das Rechenzentrum selbst? er sagte. "Hier liegen meiner Meinung nach die wahren Entdeckungen."
Header-Bild: Microsoft verwendete Wasserstoff, der in Tanks auf Anhängern gespeichert war, die vor einem Labor in der Nähe von Salt Lake City, Utah, geparkt waren, um Wasserstoffbrennstoffzellen zu betreiben, die 48 Stunden hintereinander eine Reihe von Rechenzentrums-Servern mit Strom versorgen. Foto: Power Innovations.