Von John Roach
„Das ist es, es läuft gerade mit drei Megawatt“, erklärte Mark Monroe, ein leitender Infrastrukturingenieur im Microsoft-Team für fortgeschrittene Entwicklung von Rechenzentren.
Applaus und Freudenschreie der Ingenieure von Plug, die das Brennstoffzellensystem gebaut haben, durchdrangen das weiße Rauschen von Ventilatoren auf den Schiffscontainern und Rohren, die Dampf abließen. Dieser Moment war der jüngste Meilenstein in Microsofts Suche nach einem kohlenstofffreien Ersatz für die dieselbetriebenen Backup-Generatoren, die den kontinuierlichen Betrieb im Falle von Stromausfällen und anderen Betriebsunterbrechungen unterstützen.
„Was wir gerade erlebt haben, war für die Rechenzentrumsbranche ein Moment der Mondlandung“, sagte Sean James, Director of Datacenter Research bei Microsoft. „Wir haben einen Generator, der keine Emissionen produziert. Es ist überwältigend.“
Daten Center sind die physische Infrastruktur hinter dem Schleier des Cloud Computing. Hier werden Katzenvideos und Urlaubsfotos gespeichert, wo sich Remote-Mitarbeiter zu virtuellen Meetings versammeln und Gamer zusammenkommen, um Welten zu bauen, Autos zu fahren und Feinde zu vernichten. Sie ermöglichen die digitale Transformation von Unternehmen auf der ganzen Welt und ermöglichen es ihnen, schnell und sicher auf Kundenbedürfnisse zu reagieren und die Logistik der Lieferkette zu verwalten.
Im Kern sind Rechenzentren absichtlich unscheinbare Lagerhäuser, die mit Zehntausenden von Computerservern und der Ausrüstung gefüllt sind, die erforderlich ist, um die Server am Laufen zu halten und 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche verfügbar zu halten. Dazu gehören Maschinen, die die Server auf T-Shirt-Wetter-Temperaturen halten, sowie Batterien und Generatoren, die auch bei Stromnetzausfällen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung aufrechterhalten.
„Was ein Rechenzentrum zu einem Rechenzentrum macht, ist, dass es betrieben werden kann, obwohl das Grid es nicht ist“, sagte James. „Bei einem Stromausfall bleiben die Server aktiv. Das ist der Unterschied zwischen einem Rechenzentrum und einem Lager voller Computer.“
Generator der nächsten Generation
Microsoft ist bestrebt, Rechenzentrumskunden eine Dienstverfügbarkeit von „fünf Neunen“ bereitzustellen, was bedeutet, dass das Rechenzentrum 99,9991 TP2T der Zeit betriebsbereit ist. Rechenzentrumsbetreiber verlassen sich dabei zum Teil auf die Batterien in den sogenannten unterbrechungsfreie Stromversorgung oder USV, um in dem Moment zu starten, in dem ein Stromausfall auftritt, und die Server mit Strom zu versorgen, während Notstromaggregate hochgefahren werden.
Um sicherzustellen, dass die Generatoren jederzeit einsatzbereit sind, testet Microsoft sie regelmäßig und führt sogenannte Belastungstests durch, um sicherzustellen, dass die elektrische Last von den Servern und anderen Rechenzentrumsgeräten zuverlässig auf die Generatoren übertragen werden kann.
Obwohl die Backup-Generatoren selten verwendet werden, sind sie kritisch, wenn das Netz ausfällt. Das liegt daran, dass sie die ununterbrochene Stromversorgung des Rechenzentrums und damit den Service für die Kunden aufrechterhalten.
Wenn die Backup-Generatoren laufen, verbrennen sie normalerweise fossile Brennstoffe, obwohl Microsoft Pionierarbeit bei nachhaltigen Brennstoffalternativen geleistet hat. Microsoft hat sich verpflichtet, Dieselkraftstoff als Teil des Unternehmensversprechens, bis 2030 CO2-negativ zu sein, zu eliminieren. Um dieses Ziel zu erreichen, untersucht Microsoft kurz- und langfristige Alternativen.
Beispielsweise hat Microsoft im November 2021 seine nachhaltige Rechenzentrumsregion in Schweden das Evolution Diesel Plus des schwedischen Kraftstoffanbieters Preem als Generatorkraftstoff verwendet. Dieser Diesel enthält mindestens 501 TP2T nachwachsende Rohstoffe und eine nahezu gleichwertige Reduzierung der Netto-CO2-Emissionen im Vergleich zu fossilen Standard-Dieselmischungen.
Laut Lucas Joppa, Chief Environmental Officer von Microsoft, könnte die Brennstoffzellentechnologie mit Protonenaustauschmembran oder PEM langfristig eine praktikable Lösung für keine CO2-Emissionen sein. PEM-Brennstoffzellen kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion, die Strom, Wärme und Wasser erzeugt – ohne Verbrennung, ohne Feinstaub und ohne Kohlenstoffemissionen.
Der PEM-Brennstoffzellentest in Latham demonstrierte die Realisierbarkeit dieser Technologie bei drei Megawatt, das erste Mal in der Größenordnung eines Backup-Generators in einem Rechenzentrum. Sobald grüner Wasserstoff verfügbar und wirtschaftlich rentabel ist, könnte diese Art der stationären Notstromversorgung branchenübergreifend implementiert werden, von Rechenzentren bis hin zu Gewerbegebäuden und Krankenhäusern.
„Drei Megawatt sind super interessant, denn das ist die Größe der Dieselgeneratoren, die wir derzeit verwenden“, sagte Joppa.
„Wir haben eine Vision entwickelt“
Microsoft begann damit Erforschung der Brennstoffzellentechnologie im Jahr 2013 mit dem National Fuel Cell Research Center an der University of California, Irvine, wo sie die Idee testeten, Racks von Computerservern mit Festoxid-Brennstoffzellen oder SOFCs zu betreiben, die mit Erdgas betrieben werden. Die Technologie ist vielversprechend für Grundlaststrom, obwohl sie derzeit unerschwinglich teuer ist.
Microsoft wandte sich 2018 an PEM-Brennstoffzellen als potenzielle Lösung für die Herausforderung des Backup-Dieselgenerators. PEM-Brennstoffzellen werden häufig in der Automobilindustrie eingesetzt, da sie sich wie Dieselmotoren schnell ein- und ausschalten und einer Ladung folgen können und runter. Diese schnelle Reaktion und Lastfolgefähigkeit eignet sich gut für die Notstromversorgung von Rechenzentren, bemerkte Monroe.
„Wir begannen, uns die Prognosen der Kosten und der Verfügbarkeit von Wasserstoff anzusehen, und wir begannen wirklich zu glauben, dass dies eine Lösung sein könnte. Und so haben wir eine Vision entwickelt. Es führte uns von einem Rack zu einer Reihe zu einem Raum zu einem Rechenzentrum“, sagte er.
Im Jahr 2018 arbeitete Microsoft mit Ingenieuren des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, zusammen, um ein Computerrack mit einem 65-Kilowatt-PEM-Brennstoffzellengenerator mit Strom zu versorgen. Dann, im Jahr 2020, beauftragte das Team Power Innovations in Salt Lake City, Utah, mit dem Bau und Test eines Systems, das 10 Racks – eine Reihe – von Rechenzentrumsservern mit Strom versorgen könnte 48 aufeinanderfolgende Stunden mit einem 2504-Kilowatt-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem.
Nach dieser erfolgreichen Proof-of-Concept-Demonstration machte sich das Team daran, die Realisierbarkeit eines Drei-Megawatt-Systems zu beweisen, das groß genug ist, um einen Dieselgenerator in einem Rechenzentrum zu ersetzen.
Das Problem, bemerkte Monroe, war, dass niemand PEM-Brennstoffzellensysteme so groß herstellte – drei Megawatt sind mehr als zehnmal größer als das System, das das Unternehmen in Utah getestet hat. Drei Megawatt reichen aus, um etwa 10.000 Computerserver oder 600 Haushalte mit Strom zu versorgen.
„Das Coolste“
Die Herausforderung, ein Drei-Megawatt-Brennstoffzellensystem zu bauen, fand bei den Ingenieuren in Latham Anklang Stecker, ein Pionier in der kommerziellen Entwicklung von Brennstoffzellen- und grünen Wasserstofftechnologien. Heute bietet das Unternehmen Lösungen für das gesamte Öko-Wasserstoff-Ökosystem an – von der Produktion und dem Transport bis hin zur Lagerung, Handhabung und Abgabe.
„Es auf das Whiteboard zu zeichnen und zu sagen: ‚Okay, wir wissen, dass wir das können, wir wissen, dass wir das können', hat viel Spaß gemacht“, sagte Scott Spink, der technische Leiter von Plug. „Die eigentliche Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, dass wir uns nicht auf eine bewährte Technologie verlassen konnten. Jedes Teil dieses Brennstoffzellensystems wurde von einem Team entwickelt, das an der Spitze seiner Arbeit stand.“
Die 125-Kilowatt-Brennstoffzellen – von denen 18 in jeden Versandbehälter gepackt werden – sind die größten, die das Unternehmen je hergestellt hat, und das 3-Megawatt-Brennstoffzellensystem ist die größte Anwendung von Plug. Da das System größer ist als alles, was zuvor gebaut wurde, sind es auch alle Komponenten, von Kompressoren und Wärmetauschern bis hin zu Wechselrichtern im Netzmaßstab und den Rohren für die Wasserstoffversorgung.
Das System wurde Stück für Stück auf einer Betonplatte neben einem Parkplatz hinter dem Hauptsitz des Unternehmens für Forschung und Entwicklung und Herstellung seiner ProGen-Reihe von Brennstoffzellen zusammengebaut. Freiliegende Drähte und Rohre gehen hin und her, und der Hut von Kühlerlüftern hängt über den Containern, was dem System das Aussehen eines Prototyps der ersten Iteration verleiht.
Die Ingenieure, die Spink zum Bau des Systems zusammenstellte, ließen sich von der kunterbunten Erscheinung nicht beeindrucken.
„Das ist das Coolste, was ich je gemacht habe“, sagte Hannah Baldwin, eine Elektroingenieurin der nächsten Generation für die High-Power Stationary Group bei Plug, die für die Arbeit an dem Projekt eingestellt wurde. „Ich weiß nicht, wie ich das in meiner Karriere noch toppen soll. Es gibt einfach so viele Puzzleteile, die zusammenpassen müssen. Und zu sehen, wie sie alle zusammenkommen und gut und stabil arbeiten, ist lohnend.“
Notstromversorgung
Nachdem der Brennstoffzellengenerator den Drei-Megawatt-Meilenstein erreicht hatte, startete James von Microsoft die Tests, um zu beweisen, dass er unter realen Bedingungen funktionieren kann.
„Ich habe zwei Fragen gestellt“, sagte er. „Meine erste Frage wurde beantwortet: Kann diese Technologie, die alle zusammen integriert sind, die Leistung erzeugen, die ich brauche? Meine zweite Frage ist, kann es wie ein Diesel funktionieren? Ein Dieselmotor kann sehr schnell viel Leistung erzeugen. Das ist der Schlüssel. Also werden wir damit beginnen, den Arbeitszyklus eines Rechenzentrums zu simulieren, und einer davon ist ein Stromausfall.“
Bei einem Stromausfall können Batterien in der USV das Rechenzentrum mehrere Minuten lang am Laufen halten, was mehr als ausreichend ist, um einen Diesel- oder Wasserstoffgenerator hochzufahren. Einmal hochgefahren, können Backup-Generatoren das Rechenzentrum theoretisch auf unbestimmte Zeit am Laufen halten, solange sie über eine Kraftstoffversorgung verfügen.
Ab diesem Junitag in Latham und für die nächsten Wochen ließ Spinks Team das 3-Megawatt-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem durch die Tests laufen, mit denen Microsoft Dieselgeneratoren qualifiziert, um zu beweisen, dass es zuverlässig funktionieren kann, einschließlich simulierter Stromausfälle und stundenlanger Läufe.
„Ich bin nur gekitzelt“, sagte Monroe. „Dies ist eine Fortsetzung der Reise, die wir 2018 begonnen haben. Und als wir 2020 die Arbeit an den kleineren Tests ankündigten, spielten wir darauf an, dass wir irgendwann einen 3-Megawatt-Test durchführen würden die Zukunft. Die Zukunft ist jetzt."
Nachdem die Prototypentests abgeschlossen und das Konzept erprobt sind, konzentriert sich Plug
bei der Einführung einer optimierten kommerziellen Version von stationären Hochleistungsgeräten
Brennstoffzellensysteme, die einen geringeren Platzbedarf haben und stromlinienförmiger sind
und polierte Ästhetik als die auf dem Block neben dem Parkplatz
Los in Latham.
Microsoft wird eines dieser Brennstoffzellensysteme der zweiten Generation in einem Forschungsrechenzentrum installieren, wo Ingenieure lernen, wie man mit der neuen Technologie arbeitet und diese einsetzt, einschließlich der Entwicklung von Wasserstoffsicherheitsprotokollen. Das Datum der ersten Bereitstellung in einem Live-Rechenzentrum ist unbekannt, obwohl es wahrscheinlich in einem neuen Rechenzentrum an einem Ort stattfinden wird, an dem Luftqualitätsstandards Dieselgeneratoren verbieten, bemerkte James.
„Ich werde mich umdrehen, wenn die Aufregung nachlässt, und anfangen zu fragen: ‚Okay, wir haben einen gemacht, wo bekomme ich 1.000?'“, sagte er. „Wir haben uns verpflichtet, vollständig dieselfrei zu sein, und diese Lieferkette muss robust sein – wir müssen über die Skalierung in der gesamten Wasserstoffindustrie sprechen.“
Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff ist das leichteste und am häufigsten vorkommende Element im Universum. Es wird seit langem auf der Erde wegen seines Potenzials für saubere Energie beobachtet. Eine Herausforderung dabei: Während Sterne wie die Sonne größtenteils aus Wasserstoff bestehen, kommt Wasserstoff auf der Erde in der Natur nur in Verbindung mit anderen Elementen vor – denken Sie an Wasser oder Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und Erdöl.
Die hohen Kosten und die Technologie, die erforderlich sind, um Wasserstoff von diesen natürlichen Verbindungen zu trennen, ihn zu speichern, zu transportieren und ihm in großem Maßstab Strom zu entziehen, haben seine Verwendung eingeschränkt. In den letzten zehn Jahren hat sich dieses Kalkül laut Darin Painter, Vizepräsident für Vertrieb und Produktmanagement für stationäre Stromversorgung bei Plug, geändert.
Der Wandel werde durch Fortschritte im gesamten Wasserstoff-Ökosystem vorangetrieben, gepaart mit einem wachsenden Interesse an und Engagement für Nachhaltigkeit, sagte er.
Beispielsweise ermöglicht die reichlich vorhandene und kostengünstige Wind- und Sonnenenergie die kostengünstige Erzeugung von sogenanntem grünem Wasserstoff mit Maschinen, die Elektrolyseure genannt werden. Diese Maschinen funktionieren wie eine umgekehrte Brennstoffzelle – sie spalten Wassermoleküle mithilfe von Energie in Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn die zum Betrieb des Elektrolyseurs verwendete Energie aus erneuerbaren Quellen stammt, gilt der produzierte Wasserstoff als grün.
Der während des Latham-Tests verwendete Wasserstoff war ein kohlenstoffarmer „blauer“ Wasserstoff, der als Nebenprodukt bei der industriellen Produktion von Chlor und Natriumhydroxid anfällt. Plug sei dabei, die Produktion von grünem Wasserstoff in Anlagen in den USA und Europa auszubauen, um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, sagte Painter. Microsoft plant, in Produktionsrechenzentren nur grünen Wasserstoff zu verwenden.
Am anderen Ende des Wasserstoffökosystems haben technologische Fortschritte zu dichteren und effizienteren Brennstoffzellenstapeln geführt, die Wasserstoff und Sauerstoff kombinieren, um Strom, Wärme und Wasser zu erzeugen.
„All das muss passieren, bevor man zu einer praktikablen Lösung in großem Maßstab kommen kann“, sagte Painter. „Wenn wir vor 10 oder 15 Jahren versucht hätten, dieses Drei-Megawatt-System zu bauen, hätten wir das meiner Meinung nach nicht gekonnt.“
Monroe und seine Kollegen sahen diese Veränderung im Kalkül, als sie die Zahlen zu Beginn ihres Wasserstoff-Brennstoffzellen-Projekts im Jahr 2018 durchführten. Auf einer Pro-Watt-Basis, sagte Monroe, ist der aus Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugte Strom auf dem besten Weg, es zu werden konkurrenzfähig mit Strom aus anderen Quellen wie Dieselgeneratoren.
Um Durchbrüche bei sauberen Energielösungen zu beschleunigen, kündigte das US-Energieministerium an der erste Energy Earthshot – Hydrogen Shot – im Juni 2021, mit dem Ziel, die Kosten für sauberen Wasserstoff innerhalb von 1 Jahrzehnt um 80% auf US$1 für 1 Kilogramm zu senken. Ein Kilogramm Wasserstoff hat ungefähr den gleichen Energiegehalt wie eine Gallone Benzin, stellte Monroe fest.
Was benötigt werde, fügte er hinzu, sei ein Katalysator, um die Produktion von grünem Wasserstoff und Brennstoffzellen zu steigern, was die Kosten senken und die Akzeptanz der Technologie erhöhen werde.
Laut Joppa, der zusätzlich zu seiner Rolle als Chief Environmental Officer Microsofts Repräsentant auf der ist, sind Microsoft und andere Akteure in der Rechenzentrumsbranche einzigartig positioniert, um dieser Katalysator zu sein Wasserstoffrat, eine globale Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen, die gegründet wurde, um die Rolle von Wasserstoff bei der Umstellung auf saubere Energie zu fördern.
Die Geschäfts- und Nachhaltigkeitsbedürfnisse von Microsoft für Brennstoffzellen und grünen Wasserstoff senden ein Nachfragesignal in den Markt, bemerkte Joppa. Wenn Microsoft in Wasserstofftechnologie investiert und die Technologie funktioniert, werden sich auch andere Unternehmen sicherer fühlen, in Wasserstoff zu investieren, fügte er hinzu.
„Wenn wir uns also sicher fühlen, diese einzusetzen, um die Kontinuität unserer Rechenzentrumsdienste zu gewährleisten, ist das ein großer Vertrauensbeweis“, sagte Joppa.
Lösungen im Stadtmaßstab
Eine robuste Öko-Wasserstoffwirtschaft könnte den Städten auch beim Übergang zu erneuerbaren 100%-Energien helfen, bemerkte James. Das liegt daran, dass überschüssige Energie, die von Wind- und Solarparks erzeugt wird, zum Betrieb von Elektrolyseuren verwendet werden kann, wodurch diese überschüssige Energie in Wasserstoff gespeichert wird. Dann, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht, kann dieser grüne Wasserstoff Brennstoffzellen antreiben, ohne CO2-Emissionen zu erzeugen.
„Wir wollen unsere Cloud mit Strom aus der Sonne versorgen – kostenlose, saubere Energie“, sagte er. „Nun, praktisch, wie machst du das? Man muss wirklich gut darin werden, Energie zu speichern, und Wasserstoff ist eine großartige Möglichkeit, das zu tun.“
James stellt sich eine Zukunft vor, in der Rechenzentren mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, Wasserstoffspeichertanks und Elektrolyseuren ausgestattet sind, um Wassermoleküle mit überschüssiger erneuerbarer Energie in Wasserstoff umzuwandeln. In Zeiten mit hohem Energiebedarf oder wenn die Sonne aufhört zu scheinen und der Wind aufhört zu wehen, kann Microsoft die Brennstoffzellen hochfahren, die Last des Rechenzentrums vom Netz nehmen und Netzstrom für andere freigeben.
Die Herausforderungen, eine Version dieser Vision in die Realität umzusetzen, zwingen die Elektroingenieurin der nächsten Generation, Baldwin, an einer Karriere in der Wasserstoffwirtschaft festzuhalten, einem Karriereweg, den sie, wie sie zugibt, vor ihrer Arbeit am Kraftstoff nicht im Vordergrund stand Zelle Projekt.
„Ich bin begeistert von der Idee, an etwas zu arbeiten, das die Welt verändern kann, und Wasserstoff hat ein enormes Potenzial, eine große Veränderung zu bewirken“, sagte sie. „Wenn viele Menschen an erneuerbare Energien denken, denken sie an Windturbinen und Sonnenkollektoren, und sie denken nicht unbedingt an Wasserstoff. Ich weiß, dass ich es nicht getan habe. Ich denke, das wird sich definitiv ändern.“
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