Microsoft testet Wasserstoff-Brennstoffzellen für Backup-Strom in Rechenzentren
In einer weltweiten Premiere, die einer lange vorhergesagten sauberen Energiewirtschaft, die um das am häufigsten vorkommende Element im Universum herum aufgebaut ist, Starthilfe geben könnte, haben Wasserstoff-Brennstoffzellen eine Reihe von Rechenzentrumsservern 48 Stunden hintereinander mit Strom versorgt, teilte Microsoft am Montag mit.
Das Kunststück ist der jüngste Meilenstein in der Verpflichtung des Unternehmens, bis 2030 kohlenstoffneutral zu sein. Um dieses Ziel zu erreichen und den globalen Übergang weg von fossilen Brennstoffen zu beschleunigen, strebt Microsoft auch an, seine Abhängigkeit von Dieselkraftstoff bis 2030 zu beseitigen.
Dieselkraftstoff macht weniger als 1% der Gesamtemissionen von Microsoft aus. Sein Einsatz beschränkt sich in erster Linie auf azurblaue Rechenzentren, in denen, wie bei den meisten Cloud-Anbietern weltweit, dieselbetriebene Generatoren den kontinuierlichen Betrieb bei Stromausfällen und anderen Dienstunterbrechungen unterstützen.
"Sie sind teuer. Und sie sitzen herum und tun mehr als 99% ihres Lebens nichts", sagte Mark Monroe, ein leitender Infrastruktur-Ingenieur im Microsoft-Team für die fortgeschrittene Entwicklung von Rechenzentren.
Lucas Joppa steht lächelnd mit Bäumen im Hintergrund
Lucas Joppa, Chief Environmental Officer von Microsoft, ist der Vertreter von Microsoft im Hydrogen Council, einer globalen Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen zur Förderung der Wasserstoffwirtschaft. Kredit: Roderigo De Medeiros
In den letzten Jahren sind die Kosten für Wasserstoff-Brennstoffzellen so stark gesunken, dass sie heute eine wirtschaftlich tragfähige Alternative zu dieselbetriebenen Backup-Generatoren darstellen.
"Und die Idee, sie mit grünem Wasserstoff zu betreiben, passt genau in unsere Gesamtverpflichtung zum Klimaschutz", sagte Monroe.
Darüber hinaus fügte er hinzu, dass ein Azure-Rechenzentrum mit Brennstoffzellen, einem Wasserstoffspeichertank und einem Elektrolyseur, der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt, in das Stromnetz integriert werden könnte, um Lastausgleichsdienste anzubieten.
Zum Beispiel könnte der Elektrolyseur während Zeiten überschüssiger Wind- oder Sonnenenergieproduktion eingeschaltet werden, um die erneuerbare Energie als Wasserstoff zu speichern. Dann könnte Microsoft in Zeiten hoher Nachfrage die Wasserstoff-Brennstoffzellen in Betrieb nehmen, um Strom für das Stromnetz zu erzeugen.
Wasserstoffbetriebene Langstreckenfahrzeuge könnten an Datenzentren anhalten, um ihre Tanks zu füllen.
"All diese Infrastruktur stellt für Microsoft eine Gelegenheit dar, eine Rolle in einer sicherlich dynamischeren Art von Gesamtrahmen zur Energieoptimierung zu spielen, den die Welt in den kommenden Jahren einführen wird", sagte Lucas Joppa, Chief Environmental Officer von Microsoft.
Um weiter zu erkunden, wie Microsoft seine Investitionen in Wasserstoff-Brennstoffzellen und die damit verbundene Infrastruktur nutzen kann, ernannte das Unternehmen heute Joppa zu seinem Vertreter im Hydrogen Council, einer globalen Initiative führender Energie-, Transport- und Industrieunternehmen zur Ankurbelung der Wasserstoffwirtschaft.
Wissenschaftler haben bereits bewiesen, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Erzeugung von treibhausgasfreier Energie aus dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum eingesetzt werden können, stellte Joppa fest.
"Wir wissen, wie man das macht", sagte er. "Der Rat existiert, weil wir nicht unbedingt wissen, wie wir die Erzeugung von Wasserstoff, den Transport von Wasserstoff, die Versorgung mit Wasserstoff und dann den Verbrauch auf die verschiedenen Arten, die wir uns wünschen, skalieren können. Es gibt noch tonnenweise Arbeit, die getan werden muss".
Ersatz für Diesel
Mark Monroe lächelt vor weißem Hintergrund
Mark Monroe, ein leitender Infrastruktur-Ingenieur im Microsoft-Team für die fortgeschrittene Entwicklung von Rechenzentren, leitet ein Projekt, das das Potenzial von Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Stromversorgung von Backup-Generatoren in Rechenzentren untersucht. Kredit: Mark Monroe/Microsoft.
Microsoft ist bestrebt, den Kunden von Azure-Rechenzentren eine "Fünf-Neuner"-Verfügbarkeit der Dienste zu bieten, was bedeutet, dass das Rechenzentrum zu 99,999% der Zeit betriebsbereit ist. Backup-Generatoren werden bei Stromnetzausfällen und anderen Serviceunterbrechungen in Betrieb genommen.
"Wir nutzen die Dieselgeneratoren nicht sehr oft", sagte Monroe. "Wir nehmen sie einmal im Monat in Betrieb, um sicherzustellen, dass sie laufen, und führen einmal im Jahr einen Belastungstest durch, um sicherzustellen, dass wir die Last korrekt auf sie übertragen können, aber im Durchschnitt decken sie einen Stromausfall weniger als einmal pro Jahr ab.
Microsoft forscht an Ersatztechnologien für Diesel, die die Serviceverfügbarkeit aufrechterhalten oder verbessern würden, und sieht viel versprechende Aussichten bei Wasserstoff-Brennstoffzellen und Batterien, erklärte Brian Janous, General Manager des Microsoft-Teams für die Energie- und Nachhaltigkeitsstrategie von Rechenzentren.
"Bei der Arbeit, die das Team heute leistet, geht es in Wirklichkeit darum, die Machbarkeit verschiedener Lösungen zu bewerten", sagte er.
Batterien liefern bereits kurzfristige Notstromversorgung und füllen so die 30-Sekunden-Lücke zwischen einem Stromausfall im Netz und der Zeit, die benötigt wird, um die Dieselgeneratoren hochzufahren. Fortschrittlichere Batterien haben längere Laufzeiten.
"Wenn man zu einem Szenario kommt, in dem die erforderlichen Laufzeiten so lang sind, dass die Batterien nicht mehr effektiv sind, dann würde man sich auf so etwas wie Brennstoffzellen stürzen", sagte Janous.
Beweis des Konzepts
Ein Rack mit 4 Wasserstoff-Brennstoffzellen
Power Innovations baute ein 250-Kilowatt-Brennstoffzellensystem, um Microsoft bei der Erforschung des Potenzials des Einsatzes von Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Backup-Stromerzeugung in Rechenzentren zu unterstützen. In einer Machbarkeitsstudie versorgte das System eine Reihe von Rechenzentrumsservern 48 Stunden lang ununterbrochen mit Strom. Kredit: Energie-Innovationen.
Die Keimzelle für den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen für die Notstromversorgung wurde im Frühjahr 2018 gelegt, als Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, ein Computergestell mit einer Protonenaustauschmembran (PEM), einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, mit Strom versorgten. Monroe und seine Kollegen waren bei der Demonstration anwesend.
"Wir waren fasziniert, weil wir wussten, dass sie eine Brennstoffzelle für Kraftfahrzeuge verwenden", sagte Monroe. "Eine Automobil-Brennstoffzelle hat die Reaktionszeit wie ein Dieselgenerator. Sie kann sich schnell einschalten. Sie kann innerhalb von Sekunden für eine volle Ladung bereit sein. Man kann sie auf den Boden stellen, abschalten und im Leerlauf laufen lassen.
PEM-Brennstoffzellen kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff in einem Prozess, der Wasserdampf und Elektrizität erzeugt. Automobilunternehmen entwickeln die Technologie, um Autos, Lastwagen und andere Fahrzeuge anzutreiben. Nach der Demonstration begann Microsoft darüber nachzudenken, Brennstoffzellen als Backup-Strom in Rechenzentren einzusetzen.
Das Team von Monroe beschaffte ein 250-Kilowatt-Brennstoffzellensystem, das ausreicht, um eine ganze Reihe von Rechenzentrumsservern in der Größenordnung von 10 Racks mit Strom zu versorgen. Die Tests begannen bei Power Innovations, dem Systementwickler, außerhalb von Salt Lake City im September 2019. Das System bestand den 24-Stunden-Dauertest im Dezember dieses Jahres und den 48-Stunden-Test im Juni dieses Jahres.
"Es ist das größte uns bekannte Computer-Backup-Stromversorgungssystem, das mit Wasserstoff betrieben wird, und es hat den längsten Dauertest bestanden", sagte Monroe.
Der nächste Schritt für das Team ist die Beschaffung und der Test eines 3-Megawatt-Brennstoffzellensystems, das der Größe der dieselbetriebenen Backup-Generatoren in den Azure-Rechenzentren entspricht.
Brennstoffzellen-Explorationen
Brian Janous steht lächelnd auf einem Feld
Brian Janous ist Geschäftsführer von Microsofts Team für die Energie- und Nachhaltigkeitsstrategie von Rechenzentren. Sein Team erforscht Ersatztechnologien für dieselbetriebene Backup-Generatoren. Credit: Scott Eklund/Red Box Pictures.
Schon vor dieser Demonstration im Jahr 2018 hatte Microsoft nach Möglichkeiten gesucht, Brennstoffzellen einzusetzen. Das Unternehmen begann 2013 mit dem National Fuel Cell Research Center an der Universität von Kalifornien, Irvine, die Brennstoffzellentechnologie zu erforschen. Dort testeten sie die Idee, Server-Racks mit Festoxid-Brennstoffzellen oder SOFCs zu betreiben, die mit Erdgas betrieben werden.
"Sie haben die Fähigkeit, aus dem Erdgas, das sie erhalten, ihren eigenen Wasserstoff herzustellen", erklärte Monroe. "Sie nehmen Erdgas und ein wenig Wasser und erhitzen es auf 600 Grad Celsius, was der Temperatur eines heißen Holzkohlefeuers entspricht.
Das ist heiß genug für einen Prozess namens Dampf-Methan-Reformierung, der einen Strom von Wasserstoffatomen zur Stromerzeugung erzeugt.
Microsoft hat das Potenzial der SOFC-Brennstoffzellentechnologie zur Bereitstellung von Grundlaststrom weiter erforscht, wodurch Rechenzentren vom Stromnetz befreit werden könnten, während sie gleichzeitig 8- bis 10-mal energieeffizienter wären. Vorerst ist die Technologie jedoch noch zu teuer für einen breiten Einsatz.
Der SOFC-Prozess erzeugt auch Kohlendioxid, was ein weiterer Grund dafür ist, dass Microsoft PEM-Brennstoffzellen erforscht, stellte Monroe fest.
Darüber hinaus sind die geschätzten Kosten für PEM-Brennstoffzellensysteme zur Backup-Stromerzeugung in Rechenzentren seit der Demonstration im National Renewable Energy Laboratory um mehr als 75% gesunken. Wenn der Trend anhält, könnten in ein oder zwei Jahren die Kapitalkosten von Brennstoffzellengeneratoren preislich wettbewerbsfähig mit denen von Dieselgeneratoren sein.
Die erhöhte Produktion von Brennstoffzellen, um die Nachfrage der Rechenzentrumsindustrie zu befriedigen, könnte die Kosten möglicherweise weiter senken, fügte er hinzu.
"Wir sehen uns sehr wohl als Katalysator in dieser gesamten Wasserstoffwirtschaft", sagte Monroe.
Wasserstoff-Wirtschaft
Aus der Sicht von Microsoft umfassen andere Teile dieser Wirtschaft die Infrastruktur zur Beschaffung, Lagerung und Aufrechterhaltung einer ausreichenden Versorgung mit grünem Wasserstoff, um die Backup-Generatoren für 12 bis 48 Stunden mit Strom zu versorgen, was in der Branche Standard ist, um diese "fünf Neunen" der Dienstverfügbarkeit zu ermöglichen.
Zum Beispiel würde jedes Rechenzentrum für 48 Stunden Backup-Stromerzeugung bis zu 100.000 Kilogramm Wasserstoff benötigen, um die Backup-Generatoren bei einem längeren Stromausfall zu betreiben, sagte Monroe.
Interne Gespräche darüber, wie diese Infrastruktur gesichert werden könne, hätten zu Diskussionen über die Rolle geführt, die Microsoft bei der Ankurbelung der Wasserstoffwirtschaft spielen könnte, bemerkte Janous.
"Was wäre, wenn man all diese Anlagen, über die das Rechenzentrum verfügt, so in das Stromnetz integrieren könnte, dass die Dekarbonisierung des Stromnetzes im weiteren Sinne beschleunigt wird und nicht nur eine Punktlösung für das Rechenzentrum selbst", sagte er. "Das ist der Punkt, an dem all dies meiner Meinung nach interessant wird.
Quelle: news.microsoft.com/innovation-stories/...OnDl3LnGEIvFiEuRwjOQ
Wurde vom Englischen ins Deutsche übersetzt!
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