Хотя водород для транспортных средств на данный момент не используется, он не забыт как источник экологически чистой энергии для инженерных сетей.
Энергетика – это ахиллесова пята современных центров обработки данных с использованием искусственного интеллекта (ИИ). Все это знают, и все из кожи вон лезут, чтобы найти энергетическое решение и не разориться. Рассматриваются ядерные макрореакторы, солнечная энергия, стандартная сеть, а также новые модели искусственного интеллекта. У каждого пункта есть недостатки.
На создание ядерных микрореакторов уходят годы, энергосистема и так перегружена, не говоря уже о том, что потребители не хотят за это платить. Солнечная энергия, несмотря на свои качества, требует значительных земельных ресурсов, и не каждое сообщество хочет иметь десятки гектаров, занятых солнечными панелями. Новые алгоритмы ИИ, предлагающие энергоэффективную модель, выглядели многообещающе, но глобальные запреты на китайские технологии представляют собой непреодолимый политический барьер.
Хотя использование водорода в автомобилях на данный момент не обсуждается, данный элемент не забыт в качестве источника экологически чистой энергии для инженерных сетей. Некоторые не понимают, что водород является активной частью программ многих правительств в области экологически чистой энергетики. Другие при этом не знают, что первый центр обработки данных с использованием искусственного интеллекта на водородном топливе (ECL, Маунтин-Вью, Калифорния) уже запущен в эксплуатацию.
В дополнение к своему проекту, ECL также планирует в 2025 году построить водородный модуль для центров обработки данных с использованием ИИ стоимостью 500 млн. долларов. Эти два центра обработки данных также предназначены для использования с нулевым уровнем отходов и воды, что очень важно для муниципалитетов и сообществ.
Государственные программы по внедрению водорода
Компания ECL не одинока в своих амбициях построить центр обработки данных, работающий на водороде, стоимостью 8 млрд. долларов. Рынок водорода также развивается благодаря правительственным инициативам в Соединенных Штатах Америки, Европейском союзе, Китае и Японии. В США именно программа Clean Hydrogen Hubs Министерства энергетики и ее многомиллиардные займы производителям водорода способствуют продвижению водорода в качестве топлива.
У Европы также есть свои собственные цели по использованию чистого водорода, в частности, к 2050 году 10% энергии в ЕС должно вырабатываться за счет водорода. Благодаря реализации этого плана в Китае теперь есть водородная электростанция, работающая на солнечной энергии. Корея, чтобы не отстать, располагает крупнейшей в мире водородной электростанцией.
Все эти государственные инвестиции привели к возобновлению интереса к водороду, что вновь привлекло внимание инвесторов. Помимо производителей данного вещества, водородная экономика, несомненно, откроет двери для компаний, занимающихся электроникой и полупроводниками. Однако для этого разработчикам энергетических установок потребуется ознакомиться со всеми тонкостями работы водородных электростанций, процессом производства водорода, водородными топливными элементами и электроникой, необходимой для создания системы производства водородного топлива и массивных систем на водородных топливных элементах.
Матрицы проектирования водородных установок
Технология создания центров обработки данных с использованием ИИ, работающих на водороде, далека от банальности. В основе водородной технологии лежит электролизер – устройство, расщепляющее воду на два компонента: водород и кислород. Для работы и проектирования электролизера необходим мощный источник энергии, такой как ветряная или солнечная электростанция. Также требуются очень стабильные ток и напряжение в диапазоне кА и кВ, а также мощность в диапазоне МВт.
Для производства водорода требуется силовая электроника, которая включает в себя преобразователь постоянного тока в постоянный для электролизеров, работающих на солнечной энергии, и преобразователь переменного тока в постоянный для электролизеров, работающих от ветра и сети. Но это еще не все. Для устранения гармонических искажений требуются активные силовые фильтры. Кроме того, существуют все типы специальных повышающих преобразователей, понижающих трансформаторов, инверторов, а также более сложные схемы, такие как схемы умножения импульсов. Хотя кремниевые силовые МОП-транзисторы и БТИЗ-транзисторы также используются в электролизерах, МОП-транзисторы из SiC и GaN из-за меньших потерь при переключении найдут свое место в более новых электролизерах.
Водородные топливные элементы
На приемной стороне электролизера находится водородный топливный элемент. Водородные топливные элементы, как и батарейки, преобразуют химическую энергию в электрическую. Однако топливные элементы намного сложнее, чем батарейки для фонарика. В типичном устройстве топливный элемент питается водородом и кислородом через компрессионный бак. Помимо создания напряжения, топливный элемент вырабатывает воду и тепло в качестве побочных продуктов. Этот процесс еще более усложняется тем, что во впускных отверстиях топливных элементов необходимо поддерживать оптимальную температуру, давление и влажность. Существуют также проблемы, связанные с нагрузкой. При изменении нагрузки меняются характеристики топливного элемента.
Топливный элемент сам по себе имеет низкое номинальное напряжение, порядка 0,6 вольт. Для получения более высокого напряжения топливные элементы должны быть объединены в несколько блоков. На низком уровне можно найти топливные элементы мощностью от 5 до 5000 ватт. Однако на этом мощность водородных топливных элементов не заканчивается, также доступны топливные элементы мощностью 100 кВт, 300 кВт и 1400 кВт. Всего этого более чем достаточно для обеспечения 120 кВт на стойку, необходимых кластеру агрегата наземного электропитания.
С другой стороны, суровая реальность такова, что топливные элементы не являются так называемыми «готовыми к использованию». Только специалист по топливным элементам попытается использовать водородный топливный элемент для питания серверного кластера с графическим процессором. В частности, можно было бы обратиться к опыту таких компаний, как American Electric Power или Bloom Energy, для модернизации центров обработки данных с использованием ИИ, работающих на водороде. Вместе эти две компании могут внедрить технологию топливных элементов с плотностью энергии 100 МВт на 4000 м2.
Такие компании, как Siemens, Bosch, Fuel Cell Energy, Siltrax и OnExo, используют технологии водородных топливных элементов и водородных электролизеров. Существуют спецификации и литература о компаниях. В литературе говорится, что для центров обработки данных доступны топливные элементы мощностью от 100 кВт до 1400 кВт. Однако, что поражает, так это фактический физический вес этих топливных элементов – 15 тонн – это заставляет задуматься.
Несмотря на всех поставщиков на рынке водородной энергетики, ECL, похоже, единственная компания, готовая к созданию центров обработки данных с использованием ИИ. ECL построила свой оригинальный водородный центр обработки данных на основе водородных энергетических модулей мощностью от 1 МВт до 2 МВт. И, судя по всему, сделает то же самое для своего первого центра обработки данных с ИИ мощностью 1 ГВт, расположенный в Техасе. Ирония заключается в том, что, несмотря ни на что, компания сделала то, чего не смогли достичь крупные центры. То есть использовать водород в качестве основного источника энергии, а не только в качестве резервного. Все это заставляет задуматься о том, что известно ECL такого, чего не знают крупные центры обработки данных. Обоснованным предположением может быть то, что компания знает о рынке электролизеров и топливных элементов, больше, чем другие фирмы, занимающиеся центрами обработки данных.
Заключение
Водород как основной источник энергии для современных и будущих центров обработки данных – это реальная возможность. Тот факт, что такие компании, как Bloom Energy, American Electric Power и ECL взяли на себя крупные финансовые обязательства по строительству центров обработки данных, оснащенных топливными элементами и электролизерами, является очевидным признаком этого. В Китае и Корее также есть крупные водородные электростанции, и это еще один очевидный признак. Такие компании, как Bosch, Fuel Cell Energy, Siltrax и OxEon, добавляют больше топлива в водородно-экологическую смесь. У каждой из этих организаций есть водородная технология, которую центры обработки данных могли бы использовать для независимости от сети.