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ケーススタディ

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水素の実用例

水素燃料電池は、データセンターで排出量のないバックアップ電力を提供できるとマイクロソフトは述べています

ここでは、長さ 40 フィートの輸送用コンテナ 2 個に詰め込まれた水素燃料電池が、今年 6 月初旬の曇りの日に立ち上げられました。エンジニアがラップトップの周りに集まり、電池の状態、状態、出力に関するデータを表示するこの最初の実験での様子です。種類の水素発生器。

ジョン・ローチ

「これだ。現在 3 メガワットで稼働している」と、Microsoft のデータセンターの高度な開発チームの主任インフラストラクチャ エンジニアである Mark Monroe 氏は叫びました。

Mark Monroe, a principal infrastructure engineer on Microsoft’s team for datacenter advanced development, and Sean James, Microsoft’s director of datacenter research, stand between the two shipping containers and discuss the three-megawatt hydrogen fuel cell system.
マイクロソフトのデータセンターの高度な開発チームの主任インフラストラクチャ エンジニアであるマーク モンロー (左) と、マイクロソフトのデータセンター研究ディレクターであるショーン ジェームズ (右) が、ニューヨーク州レイサムにある 3 メガワットの水素燃料電池システムを視察しています。ジョン・ブレチャーによる写真。

燃料電池システムを構築した Plug のエンジニアからの拍手と歓声が、輸送用コンテナの上部にあるファンと蒸気を排出するパイプからのホワイト ノイズを突き破りました。この瞬間は、停電やその他のサービスの中断が発生した場合に継続的な運用をサポートする、バックアップのディーゼル発電機に代わる炭素排出ゼロの代替品を見つけるという Microsoft の探求における最新のマイルストーンでした。

「私たちが目撃したのは、データセンター業界にとって、月面着陸の瞬間でした。 「排出物を出さない発電機があります。それは驚くべきことです。

データセンター クラウド コンピューティングの背後にある物理インフラストラクチャです。猫のビデオや休暇中の写真が保存され、リモート ワーカーが集まって仮想会議を行い、ゲーマーが集まって世界を構築し、車をレースし、敵を吹き飛ばします。世界中のビジネスのデジタル変革を可能にし、顧客のニーズに迅速かつ安全に対応し、サプライ チェーンのロジスティクスを管理できるようにします。

核となるデータセンターは、何万台ものコンピュータ サーバーと、サーバーを 1 日 24 時間年中無休で稼働させ続けるために必要な機器が詰め込まれた、意図的に目立たない倉庫です。これには、サーバーを T シャツのような気温に保つ機械や、電力網の停止時でも中断のない電力供給を維持するバッテリーと発電機が含まれます。

「データセンターをデータセンターにするのは、グリッドが機能していなくても動作できることです」と James 氏は言います。 「停電が発生すると、サーバーは稼働したままになります。それが、データセンターとコンピューターでいっぱいの倉庫の違いです。」

次世代発電機

マイクロソフトは、データセンターの顧客に「ファイブ ナイン」のサービス可用性を提供するよう努めています。これは、データセンターが稼働時間 99.999% であることを意味します。それを行うために、データセンターのオペレーターは、いわゆるバッテリーの一部に依存しています。 無停電電源装置、または UPS、停電が発生した瞬間に起動し、バックアップ発電機が起動している間、サーバーに電力を供給します。

発電機の準備がすぐにできるようにするために、Microsoft は定期的に発電機をテストし、負荷テストと呼ばれるものを実行して、サーバーやその他のデータセンター機器からの電気負荷が確実に発電機に転送されるようにします。

バックアップ発電機はあまり使用されませんが、グリッドがダウンした場合に重要になります。これは、データセンターへの中断のない電力を維持し、顧客へのサービスを提供できるためです。

バックアップ ジェネレーターが稼働するときは、通常、化石燃料を燃やしますが、Microsoft は持続可能な代替燃料の先駆者です。マイクロソフトは、2030 年までにカーボン ネガティブになるという同社の誓約の一環として、ディーゼル燃料を廃止することを約束しました。この目標を達成するために、マイクロソフトは短期的および長期的な代替手段を模索しています。

たとえば、2021 年 11 月、Microsoft は スウェーデンの持続可能なデータセンター リージョン スウェーデンの燃料供給会社である Preem の Evolution Diesel Plus を発電機燃料に使用しています。このディーゼルには、少なくとも 50% の再生可能な原材料が含まれており、標準的な化石ディーゼル混合物と比較して、正味の二酸化炭素排出量がほぼ同等に削減されています。

Microsoft の最高環境責任者である Lucas Joppa 氏によると、長期的には、プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池技術は、二酸化炭素を排出しないための実行可能なソリューションになる可能性があります。 PEM 燃料電池は、電気、熱、水を生成する化学反応で水素と酸素を組み合わせます。燃焼、粒子状物質、二酸化炭素の排出はありません。

レーサムでの PEM 燃料電池テストでは、データセンターのバックアップ発電機の規模で初めて、3 メガワットでこの技術の実行可能性が実証されました。グリーン水素が利用可能になり、経済的に実行可能になると、このタイプの固定バックアップ電源は、データセンターから商業ビルや病院まで、さまざまな業界で実装される可能性があります。

「現在使用しているディーゼル発電機のサイズなので、3 メガワットは非常に興味深いものです」と Joppa 氏は述べています。

The prototype proton exchange membrane, or PEM, fuel cell system is imaged from outside the fence that surrounds it. The system can provide emissions free backup power to about 10,000 datacenter servers.
このプロトン交換膜 (PEM) 燃料電池システムのプロトタイプは、約 10,000 台のデータセンター サーバーに無排出のバックアップ電力を提供できます。ジョン・ブレチャーによる写真。

「私たちはビジョンを構築しました」

マイクロソフトが始めた 2013 年に燃料電池技術を探求する カリフォルニア大学アーバイン校の国立燃料電池研究センターと共同で、天然ガスを燃料とする固体酸化物燃料電池 (SOFC) でコンピューター サーバーのラックに電力を供給するというアイデアをテストしました。この技術は、現在法外に高価ですが、ベースロード電力の見込みを示しています。

Microsoft は、2018 年のバックアップ用ディーゼル発電機の課題に対する潜在的な解決策として、PEM 燃料電池に注目しました。そしてダウン。その素早い反応と負荷追従機能は、データセンターのバックアップ電源に適していると Monroe 氏は述べています。

「私たちはコストの予測と水素の利用可能性を検討し始め、これが解決策になる可能性があると本当に信じ始めました。そして、私たちはビジョンを構築しました。ラックから列、部屋、そしてデータセンターへと私たちを連れて行きました」と彼は言いました。

 

2018 年、マイクロソフトはコロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所のエンジニアと協力して、65 キロワットの PEM 燃料電池発電機でコンピューターのラックに電力を供給しました。その後、2020 年に、チームはユタ州ソルトレイクシティにある Power Innovations を雇い、10 ラック (1 列) のデータセンター サーバーに電力を供給できるシステムを構築してテストしました。 2504 キロワットの水素燃料電池システムで連続 48 時間.

概念実証のデモンストレーションが成功した後、チームは、データセンターのディーゼル発電機を置き換えるのに十分なサイズの 3 メガワット システムの実行可能性を証明することに着手しました。

モンロー氏が指摘した問題は、これほど大きな PEM 燃料電池システムを作った人は誰もいなかったということです。3 メガワットは、会社がユタ州でテストしたシステムよりも 10 倍以上大きいのです。 3 メガワットは、約 10,000 台のコンピューター サーバーまたは 600 世帯に電力を供給するのに十分なエネルギーです。

「一番クールなこと」

3 メガワットの燃料電池システムを構築するという課題は、レイサムに拠点を置くエンジニアの共感を呼んだ プラグ、燃料電池およびグリーン水素技術の商業開発のパイオニアです。現在、同社は、生産、輸送から保管、取り扱い、分配に至るまで、グリーンな水素エコシステム全体にソリューションを提供しています。

「ホワイトボードに絵を描いて、『オーケー、これができることはわかっている、これができることはわかっている』と言うのはとても楽しかったです」と Plug のエンジニアリング ディレクターである Scott Spink 氏は述べています。 「このプロジェクトの本当の課題は、実績のある 1 つの技術に頼ることができなかったことです。その燃料電池システムのすべての部品は、彼らが行っていたことの最前線にいたチームによってもたらされました。」

125 キロワットの燃料電池 (各輸送用コンテナに 18 個が梱包されている) は、同社がこれまでに製造した中で最大のものであり、3 メガワットの燃料電池システムは Plug の最大のアプリケーションです。このシステムは以前に構築されたものよりも大きいため、コンプレッサーや熱交換器からグリッド規模のインバーターや水素供給用のパイプまで、すべてのコンポーネントも同様です。

Hannah Baldwin, an electrical engineer for the high-power stationary group at Plug, stands front of a fuel cell and checks its health with a software program running on an open laptop in her hand.
Plug の高出力固定グループの電気技師である Hannah Baldwin は、ニューヨーク州レーサムにある 3 メガワットの水素発生装置の燃料電池の状態をチェックしています。ジョン・ブレチャーによる写真。

このシステムは、燃料電池の ProGen ラインの研究開発と製造のために、同社の本社の裏にある駐車場に隣接するコンクリート パッド上で少しずつ組み立てられました。露出したワイヤーとチューブがあちこちに伸び、ラジエーター ファンの帽子がコンテナから張り出し、システムに最初の反復プロトタイプの外観を与えます。

システムを構築するためにスピンクが集めたエンジニアは、雑多な外観に動じませんでした。

「これは私がこれまでに行った中で最もクールなことです」と、このプロジェクトで働くために雇われた Plug の高出力固定グループの次世代電気技師である Hannah Baldwin は言いました。 「自分のキャリアでこれをどのように上回れるかわかりません。一緒にならなければならないパズルのピースがたくさんあります。そして、それらすべてがまとまり、うまく安定して機能しているのを見るのはやりがいがあります。」

バックアップ電源

燃料電池発電機が 3 メガワットのマイルストーンを達成した後、Microsoft の James はテストを開始して、実際の条件で動作できることを証明しました。

「私は2つの質問をしました」と彼は言いました。 「私の最初の質問には答えがありました。このテクノロジーをすべて統合することで、私が必要とするパワーを生み出すことができるでしょうか? 2 つ目の質問は、ディーゼルのように機能するかどうかです。ディーゼルエンジンは、非常に迅速に多くのパワーを生み出すことができます。それが鍵です。そこで、データセンターのデューティ サイクルのシミュレーションを開始しようとしていますが、そのうちの 1 つが停電です。」

停電が発生した場合、UPS 内のバッテリはデータセンターを数分間稼働させ続けることができます。これは、ディーゼル発電機または水素発電機を立ち上げるのに十分な時間です。バックアップ発電機は、理論的には、一度起動すると、燃料供給がある限り、データセンターを無期限に稼働し続けることができます。

レーサムでのその 6 月の日から、その後数週間、Spink のチームは、3 メガワットの水素燃料電池システムを、Microsoft がディーゼル発電機を認定するために使用するテストを通じて実行し、シミュレートされた停電や長時間の運転など、ディーゼル発電機が確実に機能することを証明しました。

「私はただくすぐったいだけです」とモンローは言いました。 「これは、2018 年に開始した旅の続きです。そして 2020 年に、小規模なテストで行っていた作業を発表したとき、3 メガワットのテストをいつか実行する予定であるという事実をほのめかしました。未来。未来は今だ。」

プロトタイプのテストが完了し、コンセプトが証明されたので、Plug は焦点を当てています。
ハイパワーステーショナリーの最適化された商用バージョンの展開について
フットプリントが小さく、より合理化された燃料電池システム
駐車場に隣接するパッドにあるものよりも洗練された美学
レーサムにたくさんあります。

マイクロソフトは、これらの第 2 世代燃料電池システムの 1 つを研究データセンターに設置し、そこでエンジニアは、水素安全プロトコルの開発を含む、新しいテクノロジの使用方法と展開方法を学びます。稼働中のデータセンターでの最初の導入日は不明ですが、大気質基準でディーゼル発電機が禁止されている場所にある新しいデータセンターで導入される可能性が高いと James 氏は述べています。

「興奮が収まったら振り向いて、『オーケー、1 つやった。どこで 1,000 を手に入れることができるか?』と尋ね始めます」と彼は言いました。 「私たちは完全にディーゼルを使わないことを約束しており、そのサプライ チェーンは堅牢でなければなりません。水素産業全体の規模について話し合う必要があります。」

In this overhead image taken with a drone, the oversized caps of radiator fans that sit atop each shipping container are visible. Other infrastructure includes batteries in white boxes to absorb load while the fuel cells start up and load banks in blue boxes to simulate a datacenter load during testing of the prototype system.
ラジエータ ファンの特大キャップは、燃料電池を搭載した各輸送コンテナの上に置かれています。その他のインフラストラクチャには、燃料電池の起動中に負荷を吸収するバッテリ (白いボックス) と、プロトタイプ システムのテスト中にデータセンターの負荷をシミュレートするためのバンク (青いボックス) が含まれます。ジョン・ブレチャーによる写真。

水素経済

水素は宇宙で最も軽く、最も豊富な元素です。地球は、そのクリーンなエネルギーの可能性のために長い間注目されてきました。課題は、太陽などの星は大部分が水素で構成されているのに対し、地球上では水素は他の元素との化合物の形で自然にしか発生しないということです。水または天然ガスや石油などの炭化水素を考えてみてください。

これらの天然化合物から水素を分離し、貯蔵し、輸送し、大規模に電力を引き出すために必要な高コストと技術により、その使用は制限されています。 Plug の定置用電力の販売および製品管理担当副社長である Darin Painter 氏によると、過去 10 年間でその計算法は変化し始めています。

この変化は、持続可能性への関心とコミットメントの高まりと相まって、水素エコシステム全体の進歩によって推進されている、と彼は述べた。

たとえば、豊富で安価な風力および太陽エネルギーにより、電解槽と呼ばれる機械を使用して、いわゆるグリーン水素をコスト効率よく生成できるようになっています。これらの機械は逆に燃料電池のように動作します。エネルギーを使用して水分子を水素と酸素に分解します。電解槽の稼働に使用されるエネルギーが再生可能エネルギーからのものである場合、生成される水素はグリーンであると見なされます。

レイサム試験で使用された水素は、塩素と水酸化ナトリウムの工業生産の副産物として得られた低炭素の「青い」水素でした。 Plug は、増加する需要に対応するために、米国とヨーロッパの施設でグリーン水素生産を拡大している最中である、と Painter 氏は述べた。 Microsoft は、運用データセンターでグリーン水素のみを使用する予定です。

水素エコシステムの反対側では、技術の進歩により、水素と酸素を組み合わせて電気、熱、水を生成する、より高密度で効率的な燃料電池スタックが実現しています。

「大規模な実行可能なソリューションにたどり着く前に、これらすべてを実行する必要があります」と Painter 氏は言います。 「この 3 メガワットのシステムを 10 年か 15 年前に構築しようとしていたら、実現できなかったと思います。」

モンローと彼の同僚は、2018 年の水素燃料電池プロジェクトの開始時に数値を計算したときに、この計算の変化を確認しました。ワットあたりのベースでは、水素燃料電池から生成される電力は、ディーゼル発電機などの他の電源と競合します。

クリーン エネルギー ソリューションのブレークスルーを加速するために、米国エネルギー省は発表しました。 最初のエネルギー アースショット – 水素ショット – 2021 年 6 月、クリーンな水素のコストを 10 年以内に 1 キログラムで 80% から US$1 に削減することを目標に。 1 キログラムの水素は、1 ガロンのガソリンとほぼ同じエネルギー量を持っている、とモンロー氏は述べています。

必要なのは、環境に優しい水素と燃料電池の生産を拡大するための触媒であり、それによってコストが削減され、この技術の採用が促進される、と彼は付け加えました。

Joppa 氏によると、マイクロソフトやデータセンター業界の他のプレーヤーは、その触媒となる独自の立場にあるとのことです。 水素協議会は、クリーン エネルギーへの移行における水素の役割を促進するために設立された、エネルギー、運輸、産業の大手企業による世界的なイニシアチブです。
燃料電池とグリーン水素に対する Microsoft のビジネスと持続可能性のニーズは、市場に需要のシグナルを送ると Joppa 氏は述べています。さらに、マイクロソフトが水素技術に投資し、その技術がうまく機能すれば、他の企業も水素への投資に自信を持つようになるだろう、と彼は付け加えた。

「したがって、データセンター サービスの継続性を確保するためにこれらを使用する自信がある場合、それは信頼の大きな尺度です」と Joppa 氏は言います。

都市規模のソリューション

堅牢なグリーン水素経済は、都市が 100% の再生可能エネルギーに移行するのにも役立つ可能性があると James は述べています。これは、風力発電所と太陽光発電所で生成された余剰エネルギーを使用して電解槽を稼働させ、事実上、この余剰エネルギーを水素に貯蔵できるためです。次に、太陽が輝いておらず、風が吹いていないとき、この緑色の水素は、二酸化炭素を排出せずに燃料電池に電力を供給できます。

「私たちは太陽からクラウドに電力を供給したいと考えています。つまり、無料のクリーン エネルギーです」と彼は言いました。 「まあ、実際には、どうやってそれを行うのですか?エネルギーを蓄えるのは本当に上手でなければなりませんが、水素はそれを行うのに最適な方法です。」

James は、データセンターに水素燃料電池、水素貯蔵タンク、電解槽が装備され、余剰の再生可能エネルギーで水分子を水素に変換する未来を思い描いています。エネルギー需要が高い時期、または太陽が輝きを失い、風が吹かなくなったとき、Microsoft は燃料電池を増やして、データセンターの負荷をグリッドから切り離し、グリッドの電力を解放して他のユーザーが使用できるようにします。

このビジョンのバージョンを実現するという課題は、次世代の電気エンジニアであるボールドウィンが水素経済でのキャリアに固執することを強いるものであり、キャリアパスは、彼女が燃料に取り組む前は頭に浮かんでいなかったと彼女は認めています。セルプロジェクト。

「私は、世界に変化をもたらすことができる何かに取り組むというアイデアに興奮しています.水素は、巨大なゲームチェンジャーになる可能性を秘めています. 「多くの人が再生可能エネルギーについて考えるとき、風力タービンやソーラー パネルを思い浮かべますが、必ずしも水素を思い浮かべるとは限りません。私はしなかったことを知っています。必ず変わると思います。」

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