In 2018 werkte Microsoft samen met ingenieurs van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, om een rack met computer systems van stroom te voorzien met een PEM-brandstofcelgenerator van 65 kilowatt. Vervolgens huurde het group in 2020 Power Innovations in Salt Lake City, Utah, in om een systeem te bouwen en te testen dat 10 racks – een rij – datacenterservers gedurende 48 uur aaneengesloten van stroom kon voorzien met een waterstof-brandstofcelsysteem van 250 kilowatt.
Na die succesvolle proof-of-concept-demonstratie ging het group op zoek naar de levensvatbaarheid van een systeem van drie megawatt, dat groot genoeg is om een dieselgenerator in een datacenter te vervangen.
Het probleem, merkte Monroe op, was dat niemand PEM-brandstofcelsystemen zo groot maakte – drie megawatt is meer dan 10 keer groter dan het systeem dat het bedrijf in Utah heeft getest. Drie megawatt is genoeg energie om ongeveer 10.000 computerservers of 600 huizen van stroom te voorzien.
‘Het Coolste’
De uitdaging om een brandstofcelsysteem van drie megawatt te bouwen vond weerklank bij de ingenieurs in Latham Plug, een pionier in de commerciële ontwikkeling van brandstofcel- en groene waterstoftechnologieën. Tegenwoordig biedt het bedrijf oplossingen voor het gehele groene waterstofecosysteem – van productie en transport tot opslag, dealing with en distributie.
“Het op het whiteboard tekenen en zeggen: ‘Oké, we weten dat we dit kunnen, we weten dat we dit kunnen’, was erg leuk”, zegt Scott Spink, technisch directeur van Plug. “De echte uitdaging voor dit project was dat we niet konden vertrouwen op één bewezen technologie. Elk onderdeel van dat brandstofcelsysteem kwam door een team dat voorop liep in wat ze aan het doen waren.”
De brandstofcellen van 125 kilowatt – waarvan er 18 in elke zeecontainer zijn verpakt – zijn de grootste die het bedrijf ooit heeft gemaakt, en het brandstofcelsysteem van drie megawatt is de grootste toepassing van Plug. Omdat het systeem groter is dan alles wat eerder is gebouwd, zijn alle componenten dat ook, van compressoren en warmtewisselaars tot omvormers op netschaal en de leidingen voor de levering van waterstof.
Het systeem werd stukje bij beetje gemonteerd op een betonnen pad grenzend aan een parkeerplaats achter het hoofdkantoor van het bedrijf voor onderzoek en ontwikkeling en productie van de ProGen-lijn van brandstofcellen. Blootliggende draden en buizen gaan heen en weer en de hoed van radiatorventilatoren hangt over de containers, waardoor het systeem eruitziet als een prototype van de eerste iteratie.
De ingenieurs die Spink verzamelde om het systeem te bouwen, waren onaangedaan door het bonte uiterlijk.
“Dit is het coolste wat ik ooit heb gedaan”, zegt Hannah Baldwin, een elektrotechnisch ingenieur van de volgende generatie voor de high-power stationary-groep bij Plug, die was aangenomen om aan het undertaking te werken. “Ik weet niet hoe ik dit ga overtreffen in mijn carrière. Er zijn zoveel stukjes van de puzzel die samen moeten komen. En om ze allemaal samen te zien komen en goed en stabiel te zien werken, geeft voldoening.”
Hannah Baldwin, een elektrotechnisch ingenieur voor de krachtige stationaire groep bij Plug, controleert de gezondheid van een brandstofcel in het drie-megawatt waterstof-brandstofcelsysteem in Latham, New York. Foto door John Brecher.
Noodstroom
Nadat de brandstofcelgenerator de mijlpaal van drie megawatt had bereikt, startte James van Microsoft een vliegende begin met testen om te bewijzen dat hij in reële omstandigheden kon presteren.
‘Ik heb twee vragen gesteld,’ zei hij. “Mijn eerste is beantwoord: kan deze geïntegreerde technologie de stroom produceren die ik nodig heb? Mijn tweede vraag is: kan hij presteren als een diesel? Een dieselmotor kan heel snel veel vermogen produceren. Dat is de sleutel. Dus we gaan een datacenter duty cycle simuleren en een daarvan is een stroomstoring.”
Wanneer er een stroomstoring optreedt, kunnen de batterijen in de UPS het datacenter enkele minuten draaiende houden, wat meer dan voldoende is om een diesel- of waterstofgenerator op te voeren. Eenmaal opgevoerd, kunnen back-upgeneratoren in theorie het datacenter voor onbepaalde tijd draaiende houden, zolang ze maar een brandstoftoevoer hebben.
Vanaf die dag in juni in Latham en gedurende de volgende weken, heeft het group van Spink het waterstof-brandstofcelsysteem van drie megawatt door de checks geleid die Microsoft gebruikt om dieselgeneratoren te kwalificeren om te bewijzen dat het betrouwbaar zou kunnen werken, inclusief gesimuleerde stroomuitval en urenlange runs.
“Ik ben gewoon gekieteld,” zei Monroe. “Dit is een voortzetting van de reis die we in 2018 zijn begonnen. En in 2020, toen we het werk aankondigden dat aan de kleinere checks werd gedaan, zinspeelden we op het feit dat we ergens in de loop van de tijd een take a look at van drie megawatt zouden gaan uitvoeren. de toekomst. De toekomst is nu.”
Nu de prototypetests zijn voltooid en het idea is bewezen, richt Plug zich op het uitrollen van een geoptimaliseerde commerciële versie van krachtige stationaire brandstofcelsystemen die een kleinere voetafdruk hebben en een meer gestroomlijnde en gepolijste esthetiek hebben dan die op het pad naast de parkeerplaats in Latham.
Microsoft zal een van deze brandstofcelsystemen van de tweede generatie installeren in een onderzoeksdatacenter waar technici leren werken met de nieuwe technologie en deze inzetten, inclusief de ontwikkeling van veiligheidsprotocollen voor waterstof. De datum van de eerste implementatie in een stay datacenter is onbekend, hoewel het waarschijnlijk zal plaatsvinden in een nieuw datacenter op een locatie waar luchtkwaliteitsnormen dieselgeneratoren verbieden, merkte James op.
“Ik ga me omdraaien als de opwinding wegebt en begin te vragen: ‘Oké, we hebben er een gedaan, waar kan ik 1.000 krijgen?'”, zei hij. “We hebben ons verplicht om volledig dieselvrij te zijn, en die toeleveringsketen moet robuust zijn – we moeten het hebben over schaalvergroting in de hele waterstofindustrie.”
Het waterstofbrandstofcelsysteem van drie megawatt bestaat uit een paar 12 meter lange zeecontainers, elk met 18 PEM-brandstofcellen. Boven op elke container zit een dop met radiatorventilatoren. Foto door John Brecher.
Waterstof Economie
Waterstof is het lichtste en meest voorkomende ingredient in het universum. Het wordt al lang op aarde in de gaten gehouden vanwege zijn potentieel voor schone energie. Een uitdaging is dat terwijl sterren zoals de zon voornamelijk uit waterstof bestaan, waterstof op aarde alleen van nature voorkomt in een samengestelde vorm met andere elementen – denk aan water of koolwaterstoffen zoals aardgas en aardolie.
De hoge kosten en technologie die nodig is om waterstof uit deze natuurlijke verbindingen te scheiden, op te slaan, te transporteren en er op grote schaal kracht uit te persen, hebben het gebruik ervan beperkt. Volgens Darin Painter, vice-president verkoop en productbeheer voor stationaire stroom bij Plug, is die berekening de afgelopen tien jaar aan het veranderen.
De verandering wordt gedreven door vooruitgang in het waterstofecosysteem in combinatie met een groeiende interesse in en toewijding aan duurzaamheid, zei hij.
Zo maakt overvloedige en goedkope wind- en zonne-energie het mogelijk om op een kostenefficiënte manier zogenaamde groene waterstof op te wekken met zogenaamde electrolyzers. Deze machines werken als een omgekeerde brandstofcel: ze gebruiken energie om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof. Als de energie die wordt gebruikt om de elektrolyseur te laten werken, afkomstig is van hernieuwbare bronnen, wordt de geproduceerde waterstof als groen beschouwd.
De waterstof die tijdens de Latham-test werd gebruikt, was een koolstofarme “blauwe” waterstof die werd verkregen als bijproduct bij de industriële productie van chloor en natriumhydroxide. Plug is bezig met het opschalen van de productie van groene waterstof in faciliteiten in de VS en Europa om aan de groeiende vraag te voldoen, aldus Painter. Microsoft is van plan alleen groene waterstof te gebruiken in productiedatacenters.
Aan de andere kant van het waterstofecosysteem hebben technologische ontwikkelingen geleid tot dichtere en efficiëntere brandstofcelstapels die waterstof en zuurstof combineren om elektriciteit, warmte en water op te wekken.
“Dat moet allemaal gebeuren voordat je tot een haalbare oplossing op schaal kunt komen”, zei Painter. “Als we 10 of 15 jaar geleden hadden geprobeerd dit systeem van drie megawatt te bouwen, denk ik niet dat we dat gekund hadden.”
Monroe en zijn collega’s zagen deze verandering in de berekening toen ze de cijfers bij de begin van hun waterstof-brandstofcelproject in 2018 uitvoerden. Op foundation van per watt, zei Monroe, is de stroom geproduceerd door waterstof-brandstofcellen goed op weg om steeds meer te worden. concurrerend met stroom uit andere bronnen, zoals dieselgeneratoren.
Om doorbraken in oplossingen voor schone energie te versnellen, kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie aan de eerste Energy Earthshot – Hydrogen Shot – in juni 2021, met als doel de kosten van schone waterstof binnen 1 decennium met 80% te verlagen tot US $ 1 voor 1 kilogram. Een kilo waterstof heeft ongeveer dezelfde energie-inhoud als een liter benzine, merkte Monroe op.
Wat nodig is, voegde hij eraan toe, is een katalysator om de productie van groene waterstof en brandstofcellen op te schalen, wat de kosten zal drukken en de acceptatie van de technologie zal vergroten.
Microsoft en andere spelers in de datacenterindustrie bevinden zich in een unieke positie om die katalysator te zijn, volgens Joppa, die naast zijn rol als chief surroundings officer de vertegenwoordiger van Microsoft is op de Waterstof Raadeen wereldwijd initiatief van toonaangevende energie-, transport- en industriebedrijven dat is opgericht om de rol van waterstof in de transitie naar schone energie te promoten.
De zakelijke en duurzaamheidsbehoeften van Microsoft voor brandstofcellen en groene waterstof sturen een vraagsignaal naar de markt, merkte Joppa op. Bovendien, als Microsoft investeert in waterstoftechnologie en de technologie werkt, zullen andere bedrijven er meer vertrouwen in hebben om ook in waterstof te investeren, voegde hij eraan toe.
“Dus als we er vertrouwen in hebben om deze te gebruiken om de continuïteit van onze datacenterservices te waarborgen, is dat een grote mate van vertrouwen”, zei Joppa.
PEM-brandstofcellen combineren waterstof en zuurstof in een chemische reactie die elektriciteit, warmte en water opwekt. Terwijl het meeste water in vloeibare vorm wegstroomt, komt een deel als stoom naar buiten. Foto door John Brecher.
Oplossingen Op Stadsschaal
Een robuuste groene waterstofeconomie kan steden ook helpen om over te stappen op 100% hernieuwbare energie, merkte James op. Dat komt omdat overtollige energie die wordt geproduceerd door wind- en zonneparken kan worden gebruikt om elektrolysers te laten werken, waardoor deze overtollige energie in feite wordt opgeslagen in waterstof. Als de zon dan niet schijnt en de wind niet waait, kan deze groene waterstof brandstofcellen aandrijven zonder enige CO2-uitstoot te genereren.
“We willen onze cloud van de zon voorzien – gratis schone energie”, zei hij. “Nou, praktisch, hoe doe je dat dan? Je moet heel goed worden in het opslaan van energie, en waterstof is een geweldige manier om dat te doen.”
James stelt zich een toekomst voor waarin datacenters zijn uitgerust met waterstofbrandstofcellen, waterstofopslagtanks en elektrolysers om watermoleculen om te zetten in waterstof met overtollige hernieuwbare energie. Tijdens periodes met een grote vraag naar energie of wanneer de zon niet meer schijnt en de wind niet meer waait, kan Microsoft de brandstofcellen opvoeren, waardoor de belasting van het datacenter van het internet wordt gehaald, waardoor netstroom vrijkomt voor gebruik door anderen.
De uitdaging om een versie van deze visie werkelijkheid te laten worden, dwingt de volgende generatie elektrotechnisch ingenieur Baldwin om huge te houden aan een carrière in de waterstofeconomie, een carrièrepad, geeft ze toe, dat niet in haar hoofd stond voordat ze aan de brandstofindustrie werkte. cel undertaking.
“Ik ben enthousiast over het idee om te werken aan iets dat een verschil kan maken in de wereld, en waterstof heeft heel veel potentieel om een enorme game changer te worden,” zei ze. “Als veel mensen aan hernieuwbare energie denken, denken ze aan windturbines en zonnepanelen, en niet per se aan waterstof. Ik weet dat ik dat niet deed. Ik denk dat dat zeker gaat veranderen.”
Verwant:
Leer meer over duurzaamheid van het milieu bij Microsoft
Leer meer over Plug
Lees: Microsoft-datacenterbatterijen ter ondersteuning van de groei van hernieuwbare energiebronnen op het elektriciteitsnet
Lees: Microsoft take a look at waterstofbrandstofcellen voor back-upstroom in datacenters
Lees: Microsoft’s virtuele datacenter grond ‘de cloud’ in werkelijkheid
Lees: Microsoft vindt dat datacenters onder water betrouwbaar en praktisch zijn en duurzaam omgaan met energie
Lees: Om datacenterservers af te koelen, wendt Microsoft zich tot kokende vloeistof
Bovenste afbeelding: Microsoft testte een prototype van een waterstof-brandstofcelsysteem van drie megawatt dat emissievrije back-upstroom kan leveren aan datacenters. Foto door John Brecher.
John Roach schrijft over onderzoek en innovatie van Microsoft. Volg hem verder Twitteren.
Source: information.microsoft.com