Microsoft testet Wasserstoffbrennstoffzellen in Rechenzentren

Brennstoffzellen in Rechenzentren

In einer weltweiten Premiere, die eine lange prognostizierte saubere Energiewirtschaft in Gang setzen könnte, die auf dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum basiert, haben Wasserstoff-Brennstoffzellen 48 aufeinanderfolgende Stunden lang eine Reihe von Rechenzentrums-Servern mit Strom versorgt, gab Microsoft bekannt.

Das Kunststück ist der jüngste Meilenstein in der Verpflichtung des Unternehmens, bis 2030 CO2-negativ zu sein . Um dieses Ziel zu erreichen und den globalen Übergang von fossilen Brennstoffen zu beschleunigen, strebt Microsoft außerdem an , die Abhängigkeit von Dieselkraftstoff bis 2030 zu beseitigen.

Dieselkraftstoff macht weniger als 1% der Gesamtemissionen von Microsoft aus. Die Verwendung beschränkt sich hauptsächlich auf Azure-Rechenzentren, in denen wie bei den meisten Cloud-Anbietern weltweit dieselbetriebene Generatoren den kontinuierlichen Betrieb bei Stromausfällen und anderen Dienstunterbrechungen unterstützen.

“Die sind teuer. und tun mehr als 99% ihres Lebens nichts “, sagte Mark Monroe, ein Infrastrukturingenieur im Microsoft-Team verantwortlich für die Weiterentwicklung von Rechenzentren.

In den letzten Jahren sind die Kosten für Wasserstoffbrennstoffzellen so weit gesunken, dass sie jetzt eine wirtschaftliche Alternative zu dieselbetriebenen Notstromaggregaten darstellen.

“Und die Idee, sie mit grünem Wasserstoff zu betreiben, passt genau zu unseren gesamten Kohlenstoffverpflichtungen”, sagte Monroe.

Darüber hinaus könne ein Azure-Rechenzentrum mit Brennstoffzellen, einem Wasserstoffspeichertank und einem Elektrolyseur, der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt, in das Stromnetz integriert werden, um Lastausgleichsdienste bereitzustellen.

Zum Beispiel könnte der Elektrolyseur während Perioden übermäßiger Wind- oder Sonnenenergieerzeugung eingeschaltet werden, um die erneuerbare Energie als Wasserstoff zu speichern. In Zeiten hoher Nachfrage könnte Microsoft dann die Wasserstoffbrennstoffzellen in Betrieb nehmen, um Strom für das Netz zu erzeugen.

Wasserstoffbetriebene Langstreckenfahrzeuge könnten in Rechenzentren vorfahren, um ihre Tanks zu füllen.

“All diese Infrastrukturen bieten Microsoft die Möglichkeit, eine Rolle in einem sicherlich dynamischeren Rahmen für die Gesamtenergieoptimierung zu spielen, den die Welt in den kommenden Jahren bereitstellen wird”, sagte Lucas Joppa , Chief Environmental Officer von Microsoft.

Um weiter zu untersuchen, wie Microsoft seine Investitionen in Wasserstoffbrennstoffzellen und die damit verbundene Infrastruktur nutzen kann, hat das Unternehmen Joppa heute zum Vertreter im Hydrogen Council ernannt , einer globalen Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen, um die Wasserstoffwirtschaft anzukurbeln.

Wissenschaftler haben bereits bewiesen, dass Wasserstoffbrennstoffzellen verwendet werden können, um treibhausgasfreie Energie aus dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum zu erzeugen, so Joppa.

“Wir wissen, wie es geht”, sagte er. „Der Rat existiert, weil wir nicht unbedingt wissen, wie wir die Erzeugung von Wasserstoff, den Transport von Wasserstoff, die Lieferung von Wasserstoff und dann den Verbrauch auf die verschiedenen Arten skalieren können, die wir möchten. Es gibt noch jede Menge Arbeit zu erledigen. “

Ersatz für Diesel

Microsoft ist verpflichtet, Azure-Rechenzentrumskunden eine Serververfügbarkeit von 99,999% zu gewährleisten. Die maximal zulässige tägliche Ausfallzeit beträgt demach also maximal 1,44 Minuten bzw. 43,20 Minuten / Monat. Backup-Generatoren werden bei Stromnetzausfällen und anderen Betriebsunterbrechungen ausgelöst um diese Werte zu erreichen.

“Wir verwenden die Dieselgeneratoren nicht sehr oft”, sagte Monroe. „Wir starten sie einmal im Monat, um sicherzustellen, dass sie laufen, und geben ihnen einmal im Jahr einen Lasttest, um sicherzustellen, dass wir die Last korrekt auf sie übertragen können. Im Durchschnitt decken sie jedoch einen Stromausfall weniger als einmal pro Jahr ab.“

Microsoft erforscht Ersatztechnologien für Diesel, die die Verfügbarkeit von Diensten aufrechterhalten oder verbessern und vielversprechende Wasserstoffbrennstoffzellen und -batterien sehen, erklärte Brian Janous, General Manager des Microsoft-Teams für Energie- und Nachhaltigkeitsstrategie im Rechenzentrum.

“Die Arbeit, die das Team heute leistet, zielt wirklich darauf ab, die Machbarkeit verschiedener Lösungen zu bewerten”, sagte er.

Batterien liefern bereits kurzfristigen Notstrom und füllen die 30-Sekunden-Lücke zwischen einem Netzausfall und der Zeit, die zum Einschalten der Dieselgeneratoren benötigt wird. Fortgeschrittenere Batterien haben eine längere Lebensdauer.

“Wenn Sie zu einem Szenario kommen, in dem die von Ihnen benötigte Dauer so lang ist, dass die Batterien nicht mehr wirksam sind, würden Sie sich mit dem Betrachten von Brennstoffzellen befassen”, sagte Janous.

Konzeptioneller Beweiß

Der Grundstein für die Verwendung von Wasserstoffbrennstoffzellen zur Notstromversorgung wurde im Frühjahr 2018 gelegt, als Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, ein Computer-Rack mit einer Protonenaustauschmembran oder PEM-Wasserstoffbrennstoffzelle versorgten. Monroe und seine Kollegen waren zur Demonstration anwesend.

“Wir waren fasziniert, weil wir wussten, dass sie eine Automobil-Brennstoffzelle verwenden”, sagte Monroe. „Eine Automobil-Brennstoffzelle hat die Reaktionszeit wie ein Dieselgenerator. Es kann sich schnell einschalten. Es kann innerhalb von Sekunden für eine volle Ladung bereit sein. Du kannst es auf den Boden legen, ablassen, im Leerlauf laufen lassen. “

PEM-Brennstoffzellen kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff in einem Prozess, der Wasserdampf und Elektrizität erzeugt. Automobilunternehmen entwickeln die Technologie für den Antrieb von Autos, Lastwagen und anderen Fahrzeugen. Nach der Demonstration begann Microsoft darüber nachzudenken, Brennstoffzellen für die Notstromversorgung in Rechenzentren zu verwenden.

Das Team von Monroe beschaffte ein 250-Kilowatt-Brennstoffzellensystem, das ausreicht, um eine ganze Reihe von Rechenzentrumservern in der Größenordnung von 10 Racks mit Strom zu versorgen. Die Tests begannen im September 2019 bei Power Innovations, dem Systementwickler außerhalb von Salt Lake City. Das System bestand im Dezember den 24-Stunden-Dauertest. der 48-Stunden-Test im Juni.

“Es ist das größte Computer-Backup-Stromversorgungssystem, von dem wir wissen, dass es mit Wasserstoff betrieben wird, und es hat den längsten kontinuierlichen Test durchgeführt”, sagte Monroe.

Der nächste Schritt für das Team ist die Beschaffung und Erprobung eines 3-Megawatt-Brennstoffzellensystems, das der Größe dieselbetriebener Backup-Generatoren in Azure-Rechenzentren entspricht.

Brennstoffzelle als Alternative 

Bereits vor dieser Demonstration im Jahr 2018 hatte Microsoft nach Möglichkeiten gesucht, 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, Racks von Servern mit Festoxid-Brennstoffzellen oder SOFCs zu versorgen, die mit Erdgas betrieben werden .

“Sie haben die Möglichkeit, aus der Erdgaszufuhr, die sie erhalten, ihren eigenen Wasserstoff herzustellen”, erklärte Monroe. “Sie nehmen Erdgas, ein bisschen Wasser, sie erhitzen es auf 600 Grad Celsius, was der Temperatur eines heißen Holzkohlefeuers entspricht.”

Das ist heiß genug für einen Prozess namens Dampfmethanreformation, bei dem ein Strom von Wasserstoffatomen zur Stromerzeugung erzeugt wird.

Microsoft hat das Potenzial der SOFC-Brennstoffzellentechnologie zur Bereitstellung von Grundlaststrom weiter untersucht, wodurch Rechenzentren vom Stromnetz befreit und gleichzeitig 8- bis 10-mal energieeffizienter gemacht werden könnten. Derzeit ist die Technologie jedoch für eine umfassende Bereitstellung zu teuer.

Das SOFC-Verfahren erzeugt auch Kohlendioxid, was ein weiterer Grund ist, warum Microsoft PEM-Brennstoffzellen untersucht, so Monroe.

Darüber hinaus sind die geschätzten Kosten für PEM-Brennstoffzellensysteme zur Notstromerzeugung in Rechenzentren seit der Demonstration im National Renewable Energy Laboratory um mehr als 75% gesunken. Wenn sich der Trend fortsetzt, könnten in ein oder zwei Jahren die Kapitalkosten von Brennstoffzellengeneratoren im Vergleich zu Dieselgeneratoren preislich wettbewerbsfähig sein.

Die erhöhte Produktion von Brennstoffzellen zur Deckung der Nachfrage aus der Rechenzentrumsbranche könnte die Kosten möglicherweise weiter senken, fügte er hinzu.

“Wir sehen uns sehr als Katalysator in dieser gesamten Wasserstoffwirtschaft”, sagte Monroe.

Wasserstoffwirtschaft

Aus Sicht von Microsoft umfassen andere Teile dieser Wirtschaft die Infrastruktur zur Beschaffung, Speicherung und Aufrechterhaltung einer ausreichenden Versorgung mit grünem Wasserstoff, um die Backup-Generatoren 12 bis 48 Stunden lang mit Strom zu versorgen. Dies ist in der Branche Standard, um diese „fünf Neunen“ der Serviceverfügbarkeit zu ermöglichen .

Zum Beispiel würde jedes Rechenzentrum für 48 Stunden Backup-Stromerzeugung bis zu 100.000 Kilogramm Wasserstoff benötigen, um die Backup-Generatoren für einen längeren Stromausfall zu befeuern, sagte Monroe.

Interne Gespräche über die Sicherung dieser Infrastruktur haben zu Diskussionen über die Rolle geführt, die Microsoft bei der Ankurbelung der Wasserstoffwirtschaft spielen könnte, so Janous.

“Was wäre, wenn Sie alle diese Ressourcen des Rechenzentrums so in das Netz integrieren könnten, dass die Dekarbonisierung des Netzes weiter beschleunigt wird und nicht nur eine punktuelle Lösung für das Rechenzentrum selbst”, sagte er. “Diesen Ansatz finde ich sehr Interessant.”