Alternatywne technologie generowania mocy dla centrów danych i serwerowni

Generowanie mocy jest kluczowym elementem systemów zasilania centrów danych i serwerowni o wysokiej dostępności. Systemy informatyczne mogą działać wiele minut lub nawet kilka godzin na zasilaniu akumulatorem lub kołem zamachowym, ale możliwość lokalnego generowania mocy jest niezbędna do osiągnięcia dostępności na poziomie „pięciu dziewiątek”. W przypadku lokalizacji ze słabym zasilaniem, generator mocy może być potrzebny, żeby osiągnąć dostępność o wartości 99,99 % lub nawet 99,9 %.1 Konwencjonalnym rozwiązaniem tego problemu są rezerwowe generatory napędzane olejem napędowym lub gazem w połączeniu z zasilaczem UPS. W instalacjach o wysokiej dostępności używane są układy N+1 takich generatorów.

Ogniwa paliwowe i mikroturbiny zostały zaproponowane jako odpowiednia alternatywa dla systemów generujących moc dla centrów danych i serwerowni. Mogą być używane do ciągłego zasilania serwerowni lub centrum danych, generowania nadmiarowej energii elektrycznej, która może zostać wykorzystana przez inne urządzenia lub do wspomagania sieci energetycznej. Mogą także służyć jako generatory rezerwowe. Jak opisano w następnych sekcjach, dostępność instalacji i całkowity koszt eksploatacji (TCO) zależą istotnie od sposobu wykorzystania tych systemów.

Tryb rezerwowy
W tym trybie sieć energetyczna jest głównym źródłem zasilania, a lokalny generator mocy jest używany tylko jako rezerwa podczas zaplanowanego wyłączenia lub awarii głównej sieci. Zasilacz UPS jest wykorzystywany jako przejściowe źródło zasilania podczas rozruchu systemu rezerwowego. Ten tryb jest wykorzystywany w ponad 99 % centrach danych i serwerowniach mających lokalne generatory mocy.

Tryb ciągły
W tym trybie lokalny generator mocy jest głównym źródłem zasilania, a sieć energetyczna jest używana tylko jako rezerwa podczas wyłączenia lub awarii generatora. Urządzenia mogą pobierać moc z generatora lub korzystać z zasilacza UPS jako przejściowego źródła zasilania podczas przełączania systemu. Lokalny generdator zasila tylko urządzenia o znaczeniu krytycznym. Jeśli moc generatora jest zbyt duża w porównaniu z obciążeniem, system generowania mocy może być niedostatecznie wykorzystywany lub działać w niepożądanym obszarze krzywej wydajności.

Tryb wzajemny
W tym trybie lokalny generator mocy jest głównym źródłem zasilania, a sieć energetyczna jest używana tylko jako rezerwa podczas wyłączenia lub awarii generatora. Generator działa równolegle z siecią energetyczną tak więc cały nadmiar mocy w stosunku do obciążenia o znaczeniu krytycznym jest oddawany do sieci. W tym trybie działania nadmiarowa moc może po prostu wspomagać inne urządzenia, które nie mają znaczenia krytycznego w obiekcie lub całkiem odwrócić przepływ mocy do sieci. Na ogół potrzebny jest zasilacz UPS jako bufor oddzielający urządzenia o znaczeniu krytycznym od sieci energetycznej. System generowania mocy działa zwykle w najbardziej wydajnym obszarze krzywej wydajności.

Odporność na awarie — konfiguracje
Wykorzystując dowolną technologię lub tryb pracy, można zwiększyć dostępność za pomocą następujących technik:

Architektura dwutorowa
W tym przypadku cały system generujący moc jest zduplikowany. W idealnej sytuacji, duplikacji podlegałby cały system zasilania, aż do urządzeń o znaczeniu krytycznym, które z kolei byłyby skonfigurowane do pobierania mocy z dwóch źródeł.

Architektura N+1
W tym przypadku najbardziej zawodne elementy systemu generującego moc składałyby się z wielu równolegle połączonych urządzeń, aby w przypadku awarii jednego z nich pozostałe mogły obsłużyć krytyczne obciążenie.

Określanie całkowitego kosztu eksploatacji
Czynniki ekonomiczne mogą nie być najważniejsze przy wyborze generatora mocy, ale zawsze są istotne.
Na całkowity koszt eksploatacji (TCO) takiego systemu składają się następujące elementy:

• koszt prac technicznych,
• koszt inwestycyjny,
• koszt instalacji / rozruchu,
• koszt utrzymania,
• koszt paliwa,
• zaoszczędzona energia (równoważąca koszt paliwa).

Istnieje szereg czynników sytuacyjnych, które mogą drastycznie zmienić całkowity koszt posiadania, w tym:
• stosunek kosztów paliwa i energii elektrycznej,
• opłaty za korzystanie z sieci lub za zasilanie rezerwowe,
• stawki za moc oddawaną do sieci i regulacje prawne,
• procentowe obciążenie systemu zasilania.
Można skonstruować model, aby oszacować całkowity koszt posiadania dla różnych technologii i trybów działania. Dla konwencjonalnych generatorów rezerwowych dostępne są gotowe dane i można dokonać dokładnego oszacowania. W przypadku ogniw paliwowych i mikroturbin oszacowania przyszłych kosztów sprzętu na podstawie prognoz branżowych na następne 3–5 lat mogą dostarczyć użytecznych wskazówek dotyczących przyszłej ekonomiki tych technologii.
Jeżeli dostępne są dane na temat kosztu sprzętu, instalacji, utrzymania i energii, obliczenie całkowitego kosztu posiadania dla typowego, 10-letniego okresu eksploatacji centrum danych nie jest trudne i nie zostanie tu szczegółowo przedstawione.
Na podstawie realistycznych danych na rysunku 1 przedstawiono całkowity koszt posiadania podczas okresu eksploatacji systemu generowania mocy dla centrum danych o mocy  250 kW.



Analiza ujawnia następujące prawidłowości:

• Koszty początkowe są porównywalne z kosztem zużytej energii podczas całego okresu eksploatacji.
• Koszt energii zaoszczędzonej przez ogniwa paliwowe i mikroturbiny jest niewystarczający, aby zrównoważyć koszty początkowe tych technologii.
• Zakładając, że typowy procent wykorzystania centrum danych jest znacznie niższy niż 100 %2, ciągłe lokalne generowanie mocy jest najmniej ekonomicznym wyborem, zarówno w porównaniu z trybem rezerwowym, jak i wzajemnym.
• Nieefektywność lokalnego generatora mocy eliminuje korzyści wynikające z wykorzystania tańszego paliwa.

Inne czynniki
Czynniki ekonomiczne sugerują, że w porównaniu z generatorami rezerwowymi, ogniwa paliwowe i mikroturbiny nie są atrakcyjne dla centrów danych. Jednakże, istnieje wiele różnych sytuacji i zagadnień, które uznano za potencjalne czynniki przemawiające za wykorzystaniem tych technologii. Omówiono je poniżej.

Wpływ na środowisko
Dozwolona emisja do środowiska może być ograniczona przez lokalne przepisy lub politykę firmy. Lokalnym systemem generowania mocy, który stwarza największy problem ze względu na emisję, jest silnik wysokoprężny. Licencjonowanie takich silników jest złożone, w wysokim stopniu zależne od lokalizacji, a w niektórych przypadkach niepraktyczne lub niemożliwe. Logicznym argumentem przemawiającym za wykorzystaniem jako rezerwy silnika wysokoprężnego jest fakt, że chociaż poziom emisji jest wysoki, to czas działania jest krótki, więc sumaryczna emisja nie jest duża. Jednakże w praktyce, rezerwowe silniki wysokoprężne generują ogromne ilości widocznego dymu podczas rozruchu, zwłaszcza jeśli są nagle poddawane obciążeniu, jak to ma miejsce w przypadku stosowania jako systemu rezerwowego. Jedną z konsekwencji jest narażenie na skargi sąsiadów, dotyczące rozruchu silnika, które mogą doprowadzić do wysoce niepożądanej sytuacji, gdy niejako „po fakcie” zostaną wprowadzone regulacje przez lokalne władze. Dla celów analizy całkowitego kosztu posiadania założono wykorzystanie generatorów rezerwowych zasilanych gazem ziemnym lub propanem zamiast bardziej popularnych silników wysokoprężnych. Kosztują one do 30 % więcej, ale znacznie redukują problem emisji, zwłaszcza widocznej. Jeśli głównym celem jest redukcja emisji, dane sugerują, że zestawy generatorów zasilanych gazem ziemnym lub propanem są znacznie bardziej ekonomiczne niż ogniwa paliwowe lub mikroturbiny.

Dostępność
W przypadku wielu centrów danych i serwerowni koszt przestojów jest bardzo wysoki. Sugeruje się, że ogniwa paliwowe i mikroturbiny mogłyby poprawić ogólną dostępność systemu w porównaniu z generatorami rezerwowymi. Jedna z często cytowanych statystyk stwierdza, że generator rezerwowy uruchamia się tylko w 90 % przypadków.
Aby dokładnie zweryfikować ten postulat, potrzebne są dane na temat niezawodności ogniw paliwowych i mikroturbin, wraz z naturą awarii i czasem ich naprawy. Nie są one jeszcze dostępne. Wiadomo jednak, że można dokonać inwestycji w odporność na awarie, aby zwiększyć dostępność dowolnego systemu zasilania, takich jak omówiona wcześniej architektura N+1 i dwutorowa. Ponadto, wiadomo, że usprawnienia projektów zapewniające możliwość serwisowania w trakcie pracy, lepszy monitoring stanu i serwis zwiększają dostępność. Dostępne obecnie materiały sugerują, że oszczędności na całkowitym koszcie posiadania wynikające z użycia generatorów rezerwowych mogą zostać wykorzystane do zwiększenia dostępności systemów, aby zrównoważyć jakąkolwiek potencjalną i wciąż niezaobserwowaną przewagę ogniw paliwowych i mikroturbin.

Eliminacja innego sprzętu
Wiele opisów ogniw paliwowych i mikroturbin sugeruje, że technologie te mogłyby wyeliminować inne urządzenia w systemie zasilania, potencjalnie redukując koszt, zwiększając dostępność i wydajność. Często opisywana jest eliminacja zasilaczy UPS lub akumulatorów.
W przypadku wzajemnego trybu pracy zasilacz UPS jest wciąż potrzebny do izolacji urządzeń o znaczeniu krytycznym od sieci energetycznej. W przypadku ciągłego trybu pracy, zasilacz UPS jest nadal wymagany, aby oddzielić urządzenia o znaczeniu krytycznym od wpływu innych urządzeń w obiekcie, na przykład klimatyzatorów. Natomiast w przypadku trybu rezerwowego, zasilacz UPS jest oczywiście potrzebny, aby podtrzymać pracę urządzeń o znaczeniu krytycznym do czasu uruchomienia generatora. Czas pracy zasilacza UPS wykorzystywanego w trybie ciągłym lub wzajemnym mógłby być w zasadzie krótszy, niż w przypadku trybu rezerwowego. Akumulator mógłby więc być mniejszy. Jednakże, zmniejszenie czasu pracy akumulatorów dla danego obciążenia zwiększa ich zużycie i zmniejsza niezawodność systemu. Zmniejszenie rozmiaru akumulatorów, aby osiągnąć czas pracy poniżej pięciu minut jest niepraktyczne przy wykorzystaniu obecnej technologii. Wykorzystanie zasilacza UPS z kołami zamachowymi w połączeniu z ciągłym lub wzajemnym trybem pracy generatora mocy mogłoby wyeliminować konieczność stosowania akumulatorów. Jednakże dane nie wskazują, aby dawało to jakikolwiek zysk na całkowitym koszcie posiadania. Ponadto dane dotyczące awarii prawdziwych centrów danych sugerują, że akumulatory mogą dać czas ludziom na interwencję podczas nadzwyczajnych warunków awarii, aby zapobiec przestojowi.

Konwersja prądu zmiennego na stały
Niektóre opisy ogniw paliwowych i mikroturbin sugerują, że te technologie mogłyby wyprzeć z użycia zasilanie prądem zmiennym w centrach danych i serwerowniach. Idea polega na tym, że urządzeniom o znaczeniu krytycznym dostarczany byłby prąd stały, dzięki czemu występowałoby mniej etapów konwersji mocy. Zarówno ogniwa paliwowe, jak i mikroturbiny generują prąd stały, który potencjalnie mógłby być wykorzystany bezpośrednio.
Ta wizja nie jest realistyczna ani praktyczna. Po pierwsze, wiele urządzeń potrzebnych w centrum danych lub serwerowni wymaga prądu zmiennego i jest mało prawdopodobne, aby było dostępne w wersjach zasilanych prądem stałym. Można tutaj wymienić oświetlenie, klimatyzację, urządzenia biurowe, a nawet komputery osobiste. Poza tym, założenie, że dostarczanie prądu stałego ma przewagę nad prądem zmiennym pod względem wydajności bądź jakimkolwiek innym jest nieprawdziwe.3

Połączenie zasilania z ciepłem
Wszystkie generatory mocy wytwarzają więcej ciepła niż energii elektrycznej. Jeśli to ciepło można użytecznie wykorzystać, eliminując potrzebę wykorzystania innego źródła ciepła, możliwe są znaczne oszczędności. Niestety centra danych i serwerownie nie potrzebują dodatkowego ciepła, gdyż wytwarzają go dużo. Dlatego trzeba znaleźć inny sposób na wykorzystanie energii cieplnej wytwarzanej w sposób ciągły zanim możliwe będą oszczędności. Niektóre obiekty spełniają te kryteria, jednak dane sugerują, że w ich przypadku całkowity koszt posiadania generatora mocy o działaniu wzajemnym mógłby być niższy od generatora rezerwowego. Należy pamiętać, że gdy razem z energią zostanie użyte ciepło, dane sugerują, że silnik napędzany gazem ziemnym nadal będzie oferował niższy całkowity koszt posiadania niż ogniwa paliwowe lub mikroturbiny.

Połączenie zasilania z chłodzeniem
Innym zastosowaniem dla ciepła wytwarzanego podczas generowania mocy jest wykorzystanie go w modułach chłodzących z wykorzystaniem urządzenia zwanego absorpcyjnym modułem chłodzącym. W takiej sytuacji nadmiarowe ciepło jest zamienianie na wydajność chłodzenia potrzebnego w centrum danych. Ponieważ chłodzenie typowego centrum danych może pobierać tyle energii elektrycznej, ile urządzenia o znaczeniu krytycznym samego centrum, daje to podwójną korzyść zmniejszenia zużycia energii ORAZ poprawy wydajności generatora mocy. Teoretycznie, może to znacznie obniżyć całkowity koszt posiadania centrum. Zapewnienie odporności na awarie systemów łączących generator i chłodzenie bez utraty korzyści pozostaje obecnie technologicznym wyzwaniem.

Wydajność takiego połączenia zasilania i chłodzenia korzystającego z absorpcyjnego modułu chłodzącego zwiększa się wraz ze wzrostem ilości nadmiarowego ciepła. Z tego też powodu technologie wykorzystujące ogniwa paliwowe, takie jak PEM, nie nadają się do stosowania z absorpcyjnymi modułami chłodzącymi ze względu na niskie temperatury działania. Mikroturbiny mają dla systemów połączonego chłodzenia i zasilania najbardziej odpowiednie charakterystyki wydzielanego nadmiarowego ciepła.

Całkowita niezależność od sieci
Okazyjnie pojawia się w literaturze sugestia, że ogniwa paliwowe i mikroturbiny mogłyby umożliwić centrom danych całkowite odłączenie się od sieci energetycznej. Wyeliminowałoby to konieczność ponoszenia opłat za zasilanie rezerwowe i innych opłat związanych z siecią. Dzięki temu centrum mogłoby się znajdować w lokalizacji, gdzie nie jest możliwe uzyskanie przyrostowego zasilania z sieci elektrycznej. Niezależność od sieci wprowadza szereg nowych problemów technicznych, takich jak uruchomienie elektrowni, czy utrata sieci jako zapasowego źródła zasilania. Dodatkowo obiekt jest wciąż zależny od dostaw paliwa za pośrednictwem rurociągu lub ciężarówki i w związku z tym podatny na strajki pracowników i inne przerwy w dostawach. Sieć gazownicza może przerwać dostawy w razie sytuacji kryzysowej, na przykład w przypadku spadku ciśnienia w czasie wysokiego zużycia gazu, gdy temperatura otoczenia jest bardzo niska. Materiały sugerują, że jeśli celem byłoby całkowite odłączenie od sieci energetycznej, konwencjonalne generatory mocy oparte na silnikach nadal mają przewagę nad ogniwami paliwowymi i mikroturbinami pod względem całkowitego kosztu posiadania.

Wniosek
Lokalny generator mocy używany podczas dłuższych przerw w zasilaniu nadal pozostaje niezbędny do osiągnięcia wysokiej dostępności centrów danych i serwerowni. W przewidywalnej przyszłości podejście wykorzystujące rezerwowe generatory mocy oparte na silnikach będzie miało przewagę ekonomiczną nad ogniwami paliwowymi i mikroturbinami. Jeśli problemem jest wysoka emisja, należy raczej przejść z silników wysokoprężnych na napędzane gazem ziemnym lub propanem, niż na ogniwa paliwowe czy mikroturbiny. Innowacje technologiczne dramatycznie zmniejszające koszt ogniw paliwowych i rewolucyjna technologia mogłyby umożliwić ogniwom wyparcie generatorów opartych na silnikach, ale metody osiągnięcia takiej redukcji kosztów nie są jeszcze znane. Kombinacja wzajemnego trybu pracy z generatorem połączonym z systemem chłodzącym daje mikroturbinom możliwość osiągnięcia przewagi nad konwencjonalnymi rozwiązaniami pod względem całkowitego kosztu posiadania. Jednakże, istnieje szereg technicznych przeszkód do pokonania, takich jak ekonomiczne metody zapewnienia odporności na awarie. Aby zmaksymalizować dostępność generatora mocy, poprawa odporności na awarie istniejącej technologii opartej na silnikach jest najlepszą inwestycją z punktu widzenia użytkownika. Wśród takich inwestycji można wymienić architekturę dwutorową, architekturę N+1, lepszą integrację i testowanie systemu, a także lepsze oprzyrządowanie i monitoring.