Par John Roach
"Ça y est, il fonctionne à trois mégawatts en ce moment", s'est exclamé Mark Monroe, ingénieur principal en infrastructure de l'équipe Microsoft pour le développement avancé des centres de données.
Une salve d'applaudissements et des cris de joie des ingénieurs de Plug, qui ont construit le système de pile à combustible, ont percé le bruit blanc des ventilateurs au sommet des conteneurs d'expédition et des tuyaux d'évacuation de la vapeur. Ce moment était la dernière étape de la quête de Microsoft pour trouver un remplacement sans émission de carbone pour les générateurs diesel de secours qui prennent en charge les opérations continues en cas de pannes de courant et d'autres interruptions de service.
"Ce que nous venons d'assister était, pour l'industrie des centres de données, un moment d'atterrissage sur la lune", a déclaré Sean James, directeur de la recherche sur les centres de données chez Microsoft. « Nous avons un générateur qui ne produit aucune émission. C'est hallucinant.
Centres de données sont l'infrastructure physique derrière le voile du cloud computing. C'est là que sont stockées les vidéos de chats et les photos de vacances, où les télétravailleurs se réunissent pour des réunions virtuelles et où les joueurs convergent pour construire des mondes, faire la course et faire exploser leurs ennemis. Ils permettent la transformation numérique des entreprises du monde entier, leur permettant de répondre rapidement et en toute sécurité aux besoins des clients et de gérer la logistique de la chaîne d'approvisionnement.
À la base, les centres de données sont des entrepôts intentionnellement quelconques remplis de dizaines de milliers de serveurs informatiques et de l'équipement nécessaire pour que les serveurs fonctionnent et soient disponibles 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Cela inclut les machines qui maintiennent les serveurs à des températures extrêmes, ainsi que les batteries et les générateurs qui maintiennent une alimentation électrique ininterrompue même pendant les pannes de courant.
"Ce qui fait d'un centre de données un centre de données, c'est qu'il peut fonctionner même si le réseau ne l'est pas", a déclaré James. « Lorsqu'il y a une panne d'électricité, les serveurs restent ouverts. C'est la différence entre un centre de données et un entrepôt rempli d'ordinateurs.
Générateur de nouvelle génération
Microsoft s'efforce de fournir aux clients du centre de données une disponibilité de service "cinq-neuf", ce qui signifie que le centre de données est opérationnel 99,999% du temps. Pour ce faire, les opérateurs de centres de données s'appuient en partie sur les batteries de ce qu'on appelle le alimentation sans interruption ou onduleur, pour démarrer dès qu'une panne de courant se produit et alimenter les serveurs pendant que les générateurs de secours sont activés.
Pour s'assurer que les générateurs sont prêts à tout moment, Microsoft les teste périodiquement et effectue ce qu'on appelle des tests de charge pour s'assurer que la charge électrique des serveurs et des autres équipements du centre de données peut être transférée de manière fiable aux générateurs.
Bien que les générateurs de secours soient rarement utilisés, ils sont essentiels lorsque le réseau tombe en panne. C'est parce qu'ils maintiennent une alimentation ininterrompue du centre de données, et donc du service aux clients.
Lorsque les générateurs de secours fonctionnent, ils brûlent généralement des combustibles fossiles, bien que Microsoft ait été le pionnier des alternatives de carburant durables. Microsoft s'est engagé à éliminer le carburant diesel dans le cadre de l'engagement de l'entreprise à être négatif en carbone d'ici 2030. Pour atteindre cet objectif, Microsoft explore des alternatives à court et à long terme.
Par exemple, en novembre 2021, Microsoft a lancé son région de centre de données durable en Suède qui utilise le fournisseur de carburant suédois Preem's Evolution Diesel Plus pour le carburant du générateur. Ce diesel contient au moins 50% de matières premières renouvelables et une réduction presque équivalente des émissions nettes de dioxyde de carbone par rapport aux mélanges diesel fossiles standard.
À long terme, la membrane échangeuse de protons, ou PEM, la technologie des piles à combustible pourrait être une solution viable sans émission de carbone, selon Lucas Joppa, directeur de l'environnement de Microsoft. Les piles à combustible PEM combinent l'hydrogène et l'oxygène dans une réaction chimique qui génère de l'électricité, de la chaleur et de l'eau - pas de combustion, pas de particules et pas d'émissions de carbone.
Le test de pile à combustible PEM à Latham a démontré la viabilité de cette technologie à trois mégawatts, la première fois à l'échelle d'un générateur de secours dans un centre de données. Une fois que l'hydrogène vert sera disponible et économiquement viable, ce type d'alimentation de secours stationnaire pourrait être mis en œuvre dans toutes les industries, des centres de données aux bâtiments commerciaux et aux hôpitaux.
"Trois mégawatts, c'est super intéressant parce que c'est la taille des générateurs diesel que nous utilisons actuellement", a déclaré Joppa.
"Nous avons construit une vision"
Microsoft a commencé à explorer la technologie des piles à combustible en 2013 avec le National Fuel Cell Research Center de l'Université de Californie à Irvine, où ils ont testé l'idée d'alimenter des racks de serveurs informatiques avec des piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, qui sont alimentées au gaz naturel. La technologie est prometteuse pour l'alimentation de base, bien qu'elle soit actuellement d'un coût prohibitif.
Microsoft s'est tourné vers les piles à combustible PEM comme solution potentielle au défi des générateurs diesel de secours en 2018. Les piles à combustible PEM sont couramment utilisées dans l'industrie automobile car, comme les moteurs diesel, elles s'allument et s'éteignent rapidement et peuvent suivre une charge. et en bas. Cette capacité de réaction rapide et de suivi de charge est bien adaptée à l'alimentation de secours dans les centres de données, a noté Monroe.
"Nous avons commencé à regarder les projections des coûts et de la disponibilité de l'hydrogène et nous avons commencé à vraiment croire que cela pourrait être une solution. Et, ainsi, nous avons construit une vision. Cela nous a fait passer d'un rack à une rangée, d'une pièce à un centre de données », a-t-il déclaré.
En 2018, Microsoft a collaboré avec des ingénieurs du National Renewable Energy Laboratory de Golden, au Colorado, pour alimenter un rack d'ordinateurs avec un générateur de pile à combustible PEM de 65 kilowatts. Puis, en 2020, l'équipe a embauché Power Innovations à Salt Lake City, Utah, pour construire et tester un système capable d'alimenter 10 racks - une rangée - de serveurs de centre de données pour 48 heures consécutives avec un système de pile à combustible à hydrogène de 2504 kilowatts.
Après cette démonstration réussie de preuve de concept, l'équipe a entrepris de prouver la viabilité d'un système de trois mégawatts, qui est d'une taille suffisante pour remplacer un générateur diesel dans un centre de données.
Le problème, a noté Monroe, était que personne n'a fabriqué des systèmes de piles à combustible PEM aussi grands - trois mégawatts, c'est plus de 10 fois plus grand que le système testé par la société dans l'Utah. Trois mégawatts suffisent pour alimenter environ 10 000 serveurs informatiques ou 600 foyers.
'La chose la plus cool'
Le défi de construire un système de pile à combustible de trois mégawatts a trouvé un écho chez les ingénieurs de Latham Prise de courant, pionnier du développement commercial des technologies de la pile à combustible et de l'hydrogène vert. Aujourd'hui, la société propose des solutions dans l'ensemble de l'écosystème de l'hydrogène vert, de la production et du transport au stockage, à la manutention et à la distribution.
"Le dessiner sur le tableau blanc et dire, 'D'accord, nous savons que nous pouvons le faire, nous savons que nous pouvons le faire', était très amusant", a déclaré Scott Spink, directeur de l'ingénierie chez Plug. « Le véritable défi de ce projet était que nous ne pouvions pas compter sur une seule technologie éprouvée. Chaque pièce de ce système de pile à combustible est passée par une équipe qui était à la pointe de ce qu'elle faisait.
Les piles à combustible de 125 kilowatts – dont 18 sont emballées dans chaque conteneur d'expédition – sont les plus grandes que l'entreprise ait jamais fabriquées, et le système de pile à combustible de trois mégawatts est la plus grande application de Plug. Parce que le système est plus grand que tout ce qui a été construit auparavant, il en va de même pour tous les composants, des compresseurs et des échangeurs de chaleur aux onduleurs à l'échelle du réseau et aux tuyaux pour l'acheminement de l'hydrogène.
Le système a été assemblé au coup par coup sur une dalle de béton adjacente à un parking derrière le siège social de l'entreprise pour la recherche et le développement et la fabrication de sa gamme de piles à combustible ProGen. Les fils et les tubes exposés vont de-ci de-là et le chapeau des ventilateurs de radiateur surplombe les conteneurs donnant au système l'apparence d'un prototype de première itération.
Les ingénieurs que Spink a réunis pour construire le système n'ont pas été impressionnés par l'apparence hétéroclite.
"C'est la chose la plus cool que j'aie jamais faite", a déclaré Hannah Baldwin, une ingénieure électricienne de nouvelle génération pour le groupe stationnaire haute puissance de Plug, qui a été embauchée pour travailler sur le projet. « Je ne sais pas comment je vais faire mieux dans ma carrière. Il y a tellement de pièces du puzzle qui doivent s'assembler. Et les voir tous se rassembler et fonctionner bien et stables est gratifiant.
Alimentation de secours
Après que le générateur à pile à combustible ait atteint le cap des trois mégawatts, James de Microsoft a lancé les tests pour prouver qu'il pouvait fonctionner dans des conditions réelles.
« J'ai posé deux questions, dit-il. « Ma première question a reçu une réponse : cette technologie intégrée peut-elle produire la puissance dont j'ai besoin ? Ma deuxième question est-ce qu'il peut fonctionner comme un diesel? Un moteur diesel peut produire beaucoup de puissance très rapidement. C'est la clé. Nous allons donc commencer à simuler le cycle de service d'un centre de données et l'un d'entre eux est une panne de courant. »
Lorsqu'une panne de courant se produit, les batteries de l'onduleur peuvent maintenir le centre de données en marche pendant plusieurs minutes, ce qui est plus que suffisant pour faire démarrer un générateur diesel ou à hydrogène. Une fois montés en puissance, les générateurs de secours, en théorie, peuvent faire fonctionner le centre de données indéfiniment, tant qu'ils disposent d'un approvisionnement en carburant.
À partir de ce jour de juin à Latham et pendant les semaines suivantes, l'équipe de Spink a fait passer le système de pile à combustible à hydrogène de trois mégawatts par les tests que Microsoft utilise pour qualifier les générateurs diesel afin de prouver qu'il pouvait fonctionner de manière fiable, y compris des pannes de courant simulées et des heures de fonctionnement.
"Je suis juste chatouillé", a déclaré Monroe. "C'est une continuation du voyage que nous avons commencé en 2018. Et en 2020, lorsque nous avons annoncé le travail en cours sur les tests plus petits, nous avons fait allusion au fait que nous allions effectuer un test de trois mégawatts dans le courant de l'année. l'avenir. Le futur c'est maintenant."
Avec les tests de prototypes terminés et le concept éprouvé, Plug se concentre
sur le déploiement d'une version commerciale optimisée du stationnaire de forte puissance
des systèmes de pile à combustible qui ont une empreinte plus petite et un fonctionnement plus rationalisé
et esthétique soignée que celle du pad adjacent au parking
beaucoup à Latham.
Microsoft installera l'un de ces systèmes de pile à combustible de deuxième génération dans un centre de données de recherche où les ingénieurs apprendront à travailler avec et à déployer la nouvelle technologie, y compris le développement de protocoles de sécurité de l'hydrogène. La date du premier déploiement dans un centre de données en direct est inconnue, bien qu'il se produise probablement dans un nouveau centre de données dans un endroit où les normes de qualité de l'air interdisent les générateurs diesel, a noté James.
"Je vais faire demi-tour quand l'excitation s'estompe et commencer à demander : 'D'accord, nous en avons fait un, où puis-je en obtenir 1 000 ?'", a-t-il déclaré. "Nous nous sommes engagés à être complètement sans diesel, et cette chaîne d'approvisionnement doit être robuste - nous devons parler d'échelle dans l'ensemble de l'industrie de l'hydrogène."
L'économie de l'hydrogène
L'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus abondant de l'univers. Il a longtemps été observé sur Terre pour son potentiel d'énergie propre. Un défi est que, alors que les étoiles telles que le soleil sont principalement constituées d'hydrogène, sur Terre, l'hydrogène ne se produit naturellement que sous forme composée avec d'autres éléments - pensez à l'eau ou aux hydrocarbures tels que le gaz naturel et le pétrole.
Le coût élevé et la technologie requise pour séparer l'hydrogène de ces composés naturels, le stocker, le transporter et en tirer de l'énergie à grande échelle ont limité son utilisation. Au cours de la dernière décennie, ce calcul a commencé à changer, selon Darin Painter, vice-président des ventes et de la gestion des produits pour l'alimentation stationnaire chez Plug.
Le changement est motivé par les progrès réalisés dans l'écosystème de l'hydrogène, associés à un intérêt et à un engagement croissants pour la durabilité, a-t-il déclaré.
Par exemple, l'énergie éolienne et solaire abondante et peu coûteuse permet la production rentable d'hydrogène dit vert avec des machines appelées électrolyseurs. Ces machines fonctionnent comme une pile à combustible à l'envers - elles utilisent de l'énergie pour diviser les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. Si l'énergie utilisée pour faire fonctionner l'électrolyseur provient d'énergies renouvelables, l'hydrogène produit est considéré comme vert.
L'hydrogène utilisé lors du test de Latham était un hydrogène « bleu » à faible teneur en carbone obtenu comme sous-produit de la production industrielle de chlore et d'hydroxyde de sodium. Plug est en train d'augmenter la production d'hydrogène vert dans ses installations aux États-Unis et en Europe pour répondre à la demande croissante, a déclaré Painter. Microsoft prévoit d'utiliser uniquement de l'hydrogène vert dans les centres de données de production.
À l'autre extrémité de l'écosystème de l'hydrogène, les progrès technologiques ont conduit à des empilements de piles à combustible plus denses et plus efficaces qui combinent l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'électricité, de la chaleur et de l'eau.
"Tout cela doit se produire avant de pouvoir trouver une solution viable à grande échelle", a déclaré Painter. "Si nous avions essayé de construire ce système de trois mégawatts il y a 10 ou 15 ans, je ne pense pas que nous aurions pu."
Monroe et ses collègues ont vu ce changement dans le calcul lorsqu'ils ont calculé les chiffres au début de leur projet de pile à combustible à hydrogène en 2018. Sur une base par watt, a déclaré Monroe, l'électricité produite à partir de piles à combustible à hydrogène est en passe de devenir compétitif avec l'énergie provenant d'autres sources telles que les générateurs diesel.
Pour accélérer les percées dans les solutions d'énergie propre, le département américain de l'énergie a annoncé le premier Energy Earthshot – Hydrogen Shot – en juin 2021, dans le but de réduire le coût de l'hydrogène propre de 80% à US$1 pour 1 kilogramme en 1 décennie. Un kilogramme d'hydrogène a à peu près le même contenu énergétique qu'un gallon d'essence, a noté Monroe.
Ce qu'il faut, a-t-il ajouté, c'est un catalyseur pour augmenter la production d'hydrogène vert et de piles à combustible, ce qui réduira les coûts et augmentera l'adoption de la technologie.
Microsoft et d'autres acteurs de l'industrie des centres de données sont particulièrement bien placés pour être ce catalyseur, selon Joppa, qui, en plus de son rôle de directeur de l'environnement, est le représentant de Microsoft sur le Conseil Hydrogène, une initiative mondiale d'entreprises leaders dans les domaines de l'énergie, du transport et de l'industrie, créée pour promouvoir le rôle de l'hydrogène dans la transition vers une énergie propre.
Les besoins commerciaux et de développement durable de Microsoft en matière de piles à combustible et d'hydrogène vert envoient un signal de demande sur le marché, a noté Joppa. De plus, si Microsoft investit dans la technologie de l'hydrogène et que la technologie fonctionne, d'autres entreprises se sentiront également plus confiantes d'investir dans l'hydrogène, a-t-il ajouté.
"Donc, si nous nous sentons confiants dans l'utilisation de ceux-ci pour assurer la continuité de nos services de centre de données, c'est une grande mesure de confiance", a déclaré Joppa.
Solutions à l'échelle de la ville
Une solide économie verte de l'hydrogène pourrait également aider les villes à passer à l'énergie renouvelable 100%, a noté James. En effet, l'énergie excédentaire produite par les parcs éoliens et solaires peut être utilisée pour faire fonctionner des électrolyseurs, stockant en fait cet excès d'énergie dans l'hydrogène. Ensuite, lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas, cet hydrogène vert peut alimenter des piles à combustible sans générer d'émissions de carbone.
"Nous voulons alimenter notre nuage à partir du soleil - une énergie propre et gratuite", a-t-il déclaré. « Eh bien, concrètement, comment faites-vous ? Vous devez devenir très bon pour stocker l'énergie, et l'hydrogène est un excellent moyen d'y parvenir.
James envisage un avenir où les centres de données seront équipés de piles à hydrogène, de réservoirs de stockage d'hydrogène et d'électrolyseurs pour convertir les molécules d'eau en hydrogène avec un excès d'énergie renouvelable. Pendant les périodes de forte demande énergétique ou lorsque le soleil cesse de briller et que le vent cesse de souffler, Microsoft peut accélérer les piles à combustible, retirer la charge du centre de données du réseau, libérant ainsi l'énergie du réseau pour que d'autres puissent l'utiliser.
Les défis de concrétiser une version de cette vision sont ce qui oblige l'ingénieur électricien de nouvelle génération Baldwin à s'en tenir à une carrière dans l'économie de l'hydrogène, un cheminement de carrière, admet-elle, qui n'était pas sa priorité avant de travailler sur le carburant. projet de cellule.
"Je suis ravie à l'idée de travailler sur quelque chose qui peut faire une différence dans le monde, et l'hydrogène a une tonne de potentiel pour changer la donne", a-t-elle déclaré. « Quand beaucoup de gens pensent aux énergies renouvelables, ils pensent aux éoliennes et aux panneaux solaires, et ils ne pensent pas nécessairement à l'hydrogène. Je sais que non. Je pense que cela va certainement changer.
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