约翰·罗奇
“就是这样，它现在的运行功率为 3 兆瓦，”Microsoft 数据中心高级开发团队的首席基础架构工程师 Mark Monroe 惊叹道。
建造燃料电池系统的 Plug 工程师的掌声和欢呼声穿透了集装箱顶部风扇和排放蒸汽的管道发出的白噪音。这一时刻是微软寻求零碳排放替代备用柴油发电机的最新里程碑，以在停电和其他服务中断的情况下支持持续运行。
“对于数据中心行业来说，我们刚刚目睹的是登月时刻，”微软数据中心研究主管肖恩詹姆斯说。 “我们有一台不产生排放的发电机。这令人兴奋。”
数据中心 是云计算面纱背后的物理基础设施。它们是存储猫视频和假期照片的地方，远程工作人员聚集在一起进行虚拟会议，游戏玩家聚集在一起构建世界、赛车和击退敌人。它们支持全球企业的数字化转型，使他们能够快速、安全地响应客户需求并管理供应链物流。
从本质上讲，数据中心是故意不显眼的仓库，里面装满了数以万计的计算机服务器以及保持服务器每周 7 天、每天 24 小时运行和可用所需的设备。这包括将服务器保持在 T 恤天气温度的机器，以及即使在电网中断期间也能保持不间断电源供应的电池和发电机。
“使数据中心成为数据中心的原因在于，即使网格不是，它也可以运行，”詹姆斯说。 “当停电时，服务器会保持正常运行。这就是数据中心和堆满计算机的仓库之间的区别。”
下一代发电机
Microsoft 努力为数据中心客户提供“五个九”的服务可用性，这意味着数据中心的运行时间为 99.999%。为此，数据中心运营商部分依赖于所谓的电池 不间断电源或UPS，在发生停电的那一刻开始，并在备用发电机启动时为服务器供电。
为确保发电机随时准备就绪，Microsoft 会定期对其进行测试，并执行所谓的负载测试，以确保来自服务器和其他数据中心设备的电力负载能够可靠地传输到发电机。
虽然备用发电机很少使用，但它们在电网出现故障时至关重要。这是因为它们为数据中心提供不间断的电力，从而为客户提供服务。
当备用发电机运行时，它们通常会燃烧化石燃料，尽管微软一直在开创可持续燃料替代品。作为公司承诺到 2030 年实现负碳排放的一部分，微软已承诺淘汰柴油燃料。为实现这一目标，微软正在探索短期和长期替代方案。
例如，2021 年 11 月，微软推出了 瑞典的可持续数据中心区域 它使用瑞典燃料供应商 Preem 的 Evolution Diesel Plus 作为发电机燃料。与标准化石柴油混合物相比，这种柴油至少含有 50% 可再生原料，并且二氧化碳净排放量减少了几乎相等。
微软首席环境官 Lucas Joppa 表示，从长远来看，质子交换膜或 PEM 燃料电池技术可能是一种可行的无碳排放解决方案。 PEM 燃料电池通过化学反应将氢和氧结合起来，产生电能、热能和水——不燃烧、不产生颗粒物和碳排放。
莱瑟姆的 PEM 燃料电池测试证明了这项技术在 3 兆瓦时的可行性，这是第一次在数据中心的备用发电机规模上进行。一旦绿色氢可用且经济上可行，这种固定式备用电源就可以跨行业实施，从数据中心到商业建筑和医院。
“三兆瓦非常有趣，因为这是我们现在使用的柴油发电机的大小，”乔帕说。
“我们建立了一个愿景”
微软开始 2013年探索燃料电池技术 与加州大学欧文分校的国家燃料电池研究中心合作，他们测试了使用以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池或 SOFC 为计算机服务器机架供电的想法。该技术显示了基本负载功率的前景，尽管它目前非常昂贵。
微软在 2018 年转向 PEM 燃料电池作为备用柴油发电机挑战的潜在解决方案。PEM 燃料电池通常用于汽车行业，因为与柴油发动机一样，它们可以快速开启和关闭，并且可以跟随负载增加和下来。 Monroe 指出，这种快速反应和负载跟踪能力非常适合数据中心的备用电源。
“我们开始研究氢的成本和可用性的预测，我们开始真正相信这可能是一个解决方案。因此，我们建立了一个愿景。我们从一个机架到一排，再到一个房间，再到一个数据中心，”他说。
2018 年，微软与科罗拉多州戈尔登国家可再生能源实验室的工程师合作，为配备 65 千瓦 PEM 燃料电池发电机的计算机机架供电。然后，在 2020 年，该团队聘请了犹他州盐湖城的 Power Innovations 来构建和测试一个系统，该系统可以为 10 个机架（一排）的数据中心服务器供电 2504千瓦氢燃料电池系统连续48小时.
在那次成功的概念验证演示之后，该团队着手证明 3 兆瓦系统的可行性，该系统的大小足以取代数据中心的柴油发电机。
门罗指出，问题在于没有人制造出这么大的 PEM 燃料电池系统——3 兆瓦比该公司在犹他州测试的系统大 10 倍以上。 3 兆瓦的能量足以为大约 10,000 台计算机服务器或 600 个家庭供电。
“最酷的事情”
构建 3 兆瓦燃料电池系统的挑战引起了总部位于莱瑟姆的工程师的共鸣 插头，是燃料电池和绿色氢技术商业开发的先驱。如今，该公司为整个绿色氢生态系统提供解决方案——从生产和运输到储存、处理和分配。
“把它画在白板上，然后说，‘好吧，我们知道我们可以做到，我们知道我们可以做到，’非常有趣，”Plug 的工程总监 Scott Spink 说。 “这个项目的真正挑战是我们无法依赖一种经过验证的技术。燃料电池系统的每一部分都来自一个处于他们所做工作最前沿的团队。”
125 千瓦的燃料电池——其中 18 块装在每个集装箱中——是该公司制造的最大的燃料电池，而 3 兆瓦的燃料电池系统是 Plug 最大的应用。因为该系统比以前建造的任何系统都大，所以所有组件也是如此，从压缩机和热交换器到电网规模的逆变器和氢气输送管道。
该系统是在公司总部后面一个停车场附近的混凝土垫上零碎组装的，用于研发和制造其 ProGen 燃料电池系列。暴露的电线和管子是这样和那样的，散热器风扇的帽子悬在容器上，使系统看起来像第一次迭代原型。
斯宾克组装来构建系统的工程师们并没有被杂乱的外观所困扰。
“这是我做过的最酷的事情，”受聘从事该项目的 Plug 大功率固定组的下一代电气工程师 Hannah Baldwin 说。 “我不知道我将如何在我的职业生涯中超越这一点。有太多的拼图必须拼凑在一起。看到他们齐心协力，工作良好且稳定，是值得的。”
备用电源
在燃料电池发电机达到 3 兆瓦的里程碑后，微软的 James 启动了测试，以证明它可以在现实条件下运行。
“我问了两个问题，”他说。 “我的第一个问题得到了回答：这项技术全部集成在一起可以产生我需要的动力吗？我的第二个问题是它可以像柴油一样运行吗？柴油发动机可以非常快速地产生大量动力。那是关键。因此，我们将开始模拟数据中心的工作周期，其中之一就是断电。”
当发生停电时，UPS 中的电池可以使数据中心保持运行几分钟，这足以启动柴油或氢气发电机。一旦增加，备用发电机理论上可以让数据中心无限期地运行，只要它们有燃料供应。
从 6 月在莱瑟姆的那天开始，在接下来的几周内，斯宾克的团队运行了 3 兆瓦的氢燃料电池系统，通过微软用来验证柴油发电机的测试，以证明它可以可靠地运行，包括模拟停电和数小时的运行。
“我只是被逗乐了，”梦露说。 “这是我们在 2018 年开始的旅程的延续。在 2020 年，当我们宣布正在进行的小型测试工作时，我们暗示我们将在某个时间进行 3 兆瓦测试。未来。未来是现在。”
随着原型测试的完成和概念的验证，Plug 专注于
关于推出优化的大功率固定式商用版本
具有更小的占地面积和更流线型的燃料电池系统
比靠近停车场的垫子上的抛光美观
很多在莱瑟姆。
微软将在研究数据中心安装这些第二代燃料电池系统之一，工程师将在那里学习如何使用和部署新技术，包括开发氢安全协议。詹姆斯指出，在实时数据中心首次部署的日期未知，但可能会发生在空气质量标准禁止柴油发电机的新数据中心。
“当兴奋消退时，我会转过身来，开始问，'好吧，我们做了一个，我在哪里可以得到 1,000 个？'”他说。 “我们承诺完全不含柴油，供应链必须稳健——我们必须讨论整个氢能行业的规模。”
氢经济
氢是宇宙中最轻、最丰富的元素。长期以来，人们一直在关注地球的清洁能源潜力。一个挑战是，虽然像太阳这样的恒星主要由氢组成，但在地球上，氢只能以与其他元素的复合形式自然存在——想想水或碳氢化合物，如天然气和石油。
从这些天然化合物中分离、储存、运输和大规模提取氢气所需的高成本和技术限制了它的使用。根据 Plug 固定电源销售和产品管理副总裁 Darin Painter 的说法，在过去十年中，这种计算方式已经开始发生变化。
他说，这一变化是由整个氢生态系统的进步以及对可持续性的兴趣和承诺日益增长所推动的。
例如，丰富且廉价的风能和太阳能使使用称为电解器的机器能够以具有成本效益的方式生产所谓的绿色氢。这些机器像燃料电池一样反向运行——它们利用能量将水分子分解成氢和氧。如果用于运行电解槽的能源来自可再生能源，那么产生的氢气被认为是绿色的。
莱瑟姆测试期间使用的氢气是一种低碳“蓝色”氢气，是氯气和氢氧化钠工业生产中的副产品。 Painter 表示，Plug 正在扩大美国和欧洲工厂的绿色氢气生产规模，以满足不断增长的需求。微软计划在生产数据中心只使用绿色氢。
在氢生态系统的另一端，技术进步带来了更密集、更高效的燃料电池堆，它们将氢和氧结合起来产生电力、热量和水。
“所有这一切都必须发生，然后才能大规模找到可行的解决方案，”Painter 说。 “如果我们在 10 或 15 年前尝试建造这个 3 兆瓦的系统，我认为我们做不到。”
Monroe 和他的同事在 2018 年氢燃料电池项目开始时计算数字时看到了这种变化。Monroe 说，以每瓦特为基础，氢燃料电池产生的电力正在成为与柴油发电机等其他来源的电力竞争。
为加速清洁能源解决方案的突破，美国能源部宣布 第一次能量地球射击 – Hydrogen Shot – 2021 年 6 月，目标是在 10 年内将 1 公斤清洁氢气的成本降低 80% 至 US$1。门罗指出，一公斤氢气的能量含量与一加仑汽油大致相同。
他补充说，需要的是扩大绿色氢和燃料电池生产的催化剂，这将降低成本并增加该技术的采用。
据 Joppa 称，微软和数据中心行业的其他参与者在成为催化剂方面处于独特的地位，除了担任首席环境官之外，他还是微软在 氢能委员会，这是一项由领先的能源、运输和工业公司发起的全球倡议，旨在促进氢在清洁能源转型中的作用。
Joppa 指出，微软对燃料电池和绿色氢的业务和可持续性需求向市场发出了需求信号。此外，如果微软投资氢技术并且该技术奏效，其他公司也会对氢投资更有信心，他补充说。
“因此，如果我们有信心使用这些来确保我们的数据中心服务的连续性，那就是信心的一个重要衡量标准，”Joppa 说。
城市规模的解决方案
詹姆斯指出，强大的绿色氢经济还可以帮助城市过渡到 100% 可再生能源。这是因为风能和太阳能发电场产生的多余能量可用于运行电解槽，实际上将多余的能量储存在氢气中。然后，在没有阳光和风的情况下，这种绿色氢可以为燃料电池提供动力，而不会产生任何碳排放。
“我们希望为我们的云提供太阳能——免费的清洁能源，”他说。 “嗯，实际上，你是怎么做到的？你必须非常擅长储存能量，而氢气是做到这一点的好方法。”
詹姆斯设想了一个未来，数据中心配备氢燃料电池、储氢罐和电解槽，利用多余的可再生能源将水分子转化为氢。在能源需求高的时期或当阳光不再照耀、风不再吹时，微软可以增加燃料电池的容量，将数据中心的负载从电网中移除，释放电网电力供其他人使用。
将这一愿景的一个版本变为现实的挑战是迫使下一代电气工程师鲍德温坚持从事氢经济事业，这是一条职业道路，她承认，在她从事燃料工作之前，这并不是最重要的细胞项目。
“我对研究可以改变世界的东西的想法感到兴奋，氢有很大的潜力成为一个巨大的游戏规则改变者，”她说。 “当很多人想到可再生能源时，他们会想到风力涡轮机和太阳能电池板，而他们不一定会想到氢。我知道我没有。我认为这肯定会改变。”
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