燃料电池应用在数据中心:进化还是革命
2019/10/15 17:10:22
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如今，数据中心行业厂商越来越熟悉布鲁姆能源(Bloom)公司生产的燃料电池。人们可以在eBay公司、Equinix公司、苹果公司、CenturyLink、AT&T、NTT美国公司，以及Verizon公司等运营的数据中心都可以看到正在运营的银色的“布鲁姆盒子”，其为超过150兆瓦的关键任务IT运营提供了电力支持。
五年前首次亮相的燃料电池对数据中心供电系统来说具有一定的历史意义。而对于布鲁姆公司来说，其燃料电池还具有一个更大的目标，就是抢占数据中心的供电系统及设备的滩头阵地。布鲁姆能源公司的定位是将燃料电池作为颠覆数据中心关键任务设施的传统电源架构的一种工具，并消除客户对昂贵的UPS供电系统和应急备用发电机的需求。
“我认为燃料电池将是数据中心电源行业20年来最具颠覆性的技术。”布鲁姆能源关键任务系统副总裁彼得?格罗斯表示，“这将是我们将遇到的下一件大事。”
到目前为止，只有几家厂商完全接受布卢姆公司的远景计划，采用布鲁姆盒子作为其主要电源，并为备用电源供电大多数客户已经把燃料电池整合到现有的电力架构中。而其他的用户只是初步采用，而不是完全接受。
对数据中心电力链的再思考
格罗斯则是在这方面进行努力的行业人士，他没有幻想目前可以解决面前的挑战。但他的从业经历涉及这一任务。格罗斯几十年来一直是先进的数据中心设计的先驱，他起初在EYP公司就职，主营进行任务关键型设计，后来又在惠普公司工作。他认为，企业越来越重视数据中心的可持续发展为布卢姆能源创造了一个巨大的机会。
eBay公司南犹他州数据中心采用的燃料电池
“很明显，如今越来越多的企业致力于减少碳足迹。”格罗斯说。“对于采用可再生能源的数据中心的关键任务应用，目前没有其他解决方案。太阳能和风力的电能还尚未满足真正关键任务的需求。热电联产(CHP)曾经应用在数据中心，但其尚未成为数据中心基础设施的一个组成部分。布鲁姆能源的燃料电池才是实现数据中心基础设施碳中性的高可靠电源的唯一选择。”
在数据中心中，布鲁姆能源公司并不是唯一致力于研发生产燃料电池的厂商。还有一些厂商也正在寻求可再生燃料来源的一系列其他方法，或为数据中心的服务器配备机架级燃料电池。但是，在关键基础设施的燃料电池领域中，布鲁姆公司已经成为市场的领导者，而布鲁姆公司的产品将是建立数据中心基础设施的标准组件最大的希望。
布鲁姆能源公司采用的固体氧化物燃料电池技术，它可通过电化学反应输出电力，却没有任何燃烧的过程。它可采用天然气或生物燃料，如填埋场沼气。经过多年的发展，许多全球各大企业公司出现在布鲁姆公司的客户名单上，其中包括美国银行，可口可乐公司，沃尔玛公司，eBay公司，以及谷歌公司。
布鲁姆能源公司的燃料电池
布鲁姆能源公司表示，其现场燃料电池可以提供“更好的电能”，并比燃煤发电厂更有效地利用燃料，避免了电力传输的功率损耗，并能大幅降低二氧化碳排放。布鲁姆的燃料电池将比大多数的电网提供更好的可再生能源，可以创建一个碳中性的电力解决方案。
而在数据中心采用燃料电池的主要障碍之一是成本，以及使用更多的燃料电池以达到支持数据中心电力所需的规模。“燃料电池技术早已经存在，但没有人能够实现燃料电池系统更经济的成本效益，”格罗斯说。
布鲁姆能源公司的燃料电池可以提供高达200kW的电力。该公司采用激励措施，降低了发电成本。而根据不同的估计。布鲁姆能源的的用户通常的投资回报期为3至5年。
但是，各个地域的能源情况各不相同。布鲁姆能源的燃料电池最适用于电力成本高，天然气价格低的地区。
“燃料电池在加利福尼亚和东北部各州的应用真的很好。”格罗斯指出，这两个地区是主要的数据中心市场。“这一解决方案将不适用于华盛顿州中部电力成本低的地方。但是天燃气价格都很便宜，而且可以使用很长时间。”
为什么改变如此艰难
那么，如何使燃料电池的应用更加引人注目?那就是通过使用布鲁姆盒子以消减数据中心的电源链中其他昂贵的设备的成本。当用户添加布鲁姆能源的燃料电池时，而其消减UPS设备和发电机的费用，其成本公式看起来就会非常不同。业界人士总在开玩笑说，“每个公司都想要创新，只要燃料电池技术已经到位了20年了。”
“在数据中心行业，技术创新以一个缓慢的步伐在前进，特别是在电气方面，”他说。“而在冷却技术和设备上，技术创新的速度则更快一些，那些互联网巨头一直在创新。在电气方面，其基本架构已经20年的历史，与以前相比基本没有什么根本改变。
“从历史上看，电力行业的创新并没有真正的动力，因为这样的风险是如此之高。”格罗斯补充说，“而只有企业的高级人员才有可能进行推动和改善。因为这些系统并不便宜，只有对执行发起商真正有帮助才有可能”。“
eBay公司的应用案例
eBay公司全球基础服务部门副总裁迪恩?纳尔逊就是那些执行发起商中的一员。纳尔逊负责管理电子商务巨头eBay公司的数据中心和网络。他提出了创新的优先事项，与eBay公司的解决方案供应商合作开发尖端解决方案，可以使其数据中心更加节能以及更具成本效益。
2012年，eBay公司采用了布鲁姆的电源解决方案，安装30个布鲁姆盒子，为eBay公司在犹他州南乔丹的“水银计划”的数据中心提供电力。
在传统的配置中，数据中心使用公用电网的电力，并且配备UPS供电系统和备用发电机提供电源保障。在eBay公司的项目中，布鲁姆能源公司的燃料电池作为主要电力，并与公用电网互为备份。在其高密度的模块化数据中心配备了双路电源，其中一个电源输入来自布鲁姆燃料电池系统，而另一个输入来自电网。
eBay公司的该数据中心已在线运行近两年。今年四月，布鲁姆盒子在eBay数据中心设施的一个实用程序中断的表现堪称完美。eBay公司正在寻求说服他公司采取类似的做法，eBay的成功采用是一个重要的例证。
“布鲁姆盒子已经运行了将近两年的时间，取得了很好的效果。”格罗斯说，“也有一些公司对此外持怀疑态度，在参观和了解eBay采用燃料电池系统的性能之后，他们的想法更有了一些转变，并表示采用这种电源系统令人印象深刻。”
而多租户数据中心提供商对这种解决方案也十分感兴趣，一般多租户数据中心提供商实施新技术在传统上比较谨慎。CenturyLink公司和Equinix公司成为了布鲁姆能源公司的客户，这反映了数据中心托管提供商在解决其能源基础设施可持续发展方面的兴趣日益增长。
CenturyLink公司在加利福尼亚州欧文一个数据中心部署了500kW布鲁姆的燃料电池。布鲁姆公司高管说，客户对于供电解决方案越来越感兴趣，而布鲁姆燃料电源在CenturyLink公司的部署将作为一个概念证明，评估其如何继续使用燃料电池向前发展。CenturyLink公司表示，在设计中将布鲁姆的电源解决方案作为电源系统，并与电网互为备份，但目前处于评估模式。
Equinix公司选择了绿色通道，采用了使用沼气的功率为1兆瓦的布鲁姆盒子。Equinix公司表示，该项目在圣何塞的SV5的数据中心的应用，消减了来自加州电网的至少160万*的二氧化碳排放量。采用可再生能源发电的燃料电池每年生产的电力估计为830万千瓦时。
“如果在未来我们可以采用更加可持续的能源，大家都会从中受益。”Equinix公司全球可持续发展和采购高级总监戴维?瑞纳德在一篇博客文章表示，“采用布鲁姆能源的项目，可以让我们更接近全面采用可再生能源的目标。”
通过这些项目，一些数据中心托管提供商已经涉足燃料电池的应用。但布鲁姆燃料电池市场上升空间可能是巨大的。因为Equinix公司在全球拥有100多个数据中心，而CenturyLink公司在全球有50多个数据中心。
燃料电池在Equinix公司和CenturyLink公司的应用，是多租户数据中心采用燃料电池，并将其融入现有的传统电力系统的典型案例。虽然这个电源架构的使用时间还不长，布鲁姆能源公司认为这是过渡到数据中心新型电气设计的一个重要步骤。
“其实用户还可以采用一些临时措施，”格罗斯说，“我们不需要采取激进的办法。客户可以使用布鲁姆公司应用于更传统的组件，尤其是在升级和改造时。客户仍然可以使用柴油发电机提供备用电源。”
在某些情况下，在数据中心附近安装的布鲁姆燃料电池实际上并没有向数据中心设备提供电源。这种情况在苹果公司北卡罗来纳州麦敦数据中心，部署了一个10兆瓦的布鲁姆燃料电池系统。燃料电池系统采用的是附近的一个垃圾填埋场提供的天然气和沼气，并将电力传输到杜克能源公司，而不是直接提供给苹果公司的数据中心。
燃料电池技术得到进一步发展
布鲁姆能源公司并不是唯一的数据中心燃料电池的生产厂商。Doosan公司就为在奥马哈的FirstNational银行、Cox通信公司，以及Verizon公司的数据中心部署了燃料电池。微软公司选择FuelCell能源公司提供的燃料电池，为其怀俄明州夏延的“数据工厂”提供电能，其燃料电池采用了从污水处理厂提取的甲烷气体。
微软公司也正在验证一种设计，将燃料电池部署在每个机架设备中，并提出了一个更激进的设计。在这个设计中，燃料线路将取代传统的配电系统，从消除交流电源和直流电源之间的多次转换电力的损耗。
“我们相信我们的燃料电池实验室中取得的进展，总有一天将会改变能量传递和管理的游戏规则。”微软全球基础服务高级研究项目经理肖恩?詹姆斯表示，“我们的目标是通过整合燃料电池部署到每一个服务器机柜，有效地消除电力损耗，提高传统数据中心的效率。”
微软公司去年在加州大学欧文分校进行了一个概念测试，建立由一个采用燃料电池的功率为12千瓦的机架。据悉，这个研究项目耗资500万美元，该项目将其测试使用的燃料电池实现了机架级设计。
詹姆斯认为，这个简化的电源设计，使其运营成本更加低廉，抵消了燃料电池的成本较高的不良影响。
“我们通过设计这样的一个系统，与传统的电力输送到服务器相比，电能节省了一半，我们可以通过燃料电池提供更多的电力，且仍然具有较低的总成本。”詹姆斯在其一篇博客文章中进行了总结，“而这仅仅是节省电能成本。另外，我们也要以节省数据中心基础设施的成本，例如网络、电源设备，发电厂传输的线路等。我们的设计只需要较少的能量，并且具有比传统的数据中心的设计更加显著成本较低的潜力。”
未来之路：经济性与普及性
格罗斯表示，燃料电池的经济性正在转变人们的想法这毫不奇怪，即使是在传统的电力
架构中。“经济学发挥了重要作用。”格罗斯说。“所有这些数据中心设施必须有一个积极的经济影响。人们不会花更多的费用，除非真正有明显的好处。”
而燃料电池经济学的最终胜利，是其新的电力系统设计消除了其他组件及其相关的成本。“数据中心行业目前已经过度配置。”格罗斯说，“数据中心基础设施的大部分能力在闲置，而采用布鲁姆电源架构可以消除过度配置。“
而目前数据中心运营商是否准备接受燃料电池新型电源系统设计，还有待观察。但是，推动建立更环保，更高效和具有成本效益的数据中心将会使用燃料电池提到行业厂商的议事日程上来。
“我认为，业界对其应用的了解是最重要的事情，”格罗斯说。“在相关行业中，绝大多数的厂商对布鲁姆燃料系统的应用了解甚少。而目前这种情况正在慢慢变好转，未来燃料电池在数据中心的应用将会越来越广泛。”
