Источники автономии для ЦОД и станций ВИЭ: что общего?
Для производства электричества из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и его транспортировки необходимы устройства, способные накапливать энергию. Иначе говоря, аккумуляторы. Именно от вида накопителей зависит стабильность и надежность альтернативных электростанций; они же помогают выбрать оптимальный режим работы последних. Будучи заряженными в период минимальной потребности и разряжаемых в период максимального потребления, аккумуляторы создают ту самую стабильную подачу электроэнергии ВИЭ, которой пока еще так недостает электростанциям на альтернативных источниках энергии.
Конечно, накопители энергии существенно повышают стоимость установок на ВИЭ, но без них пока никуда, да и в обозримом будущем вряд ли получится полностью отказаться.
В мире широко известно несколько видов аккумулирующих устройств, самые распространенные из них и набирающие еще большую популярность – это литий-ионные (LiIon). По-прежнему широко применяются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ), гораздо меньше – маховики, работающие в составе динамических источников бесперебойного питания (ДИБП). Все указанные устройства в большей или меньшей степени задействованы в функционировании центров хранения и обработки информации (ЦОД) и приобретают еще большее распространение в энергетике, отчасти из-за развития станций на ВИЭ.
На IV международной конференции: «ЦОД: модели, сервисы, инфраструктура» в Алматы, директор по развитию бизнеса Piller Germany GmbH (Piller) Владислав Ротань рассказал участникам мероприятия о достижениях, перспективах развития и использования ДИБП, производимых компанией Piller. С редакцией Eenergy.media он поделился своим видением глобальных вызовов, стоящих перед человечеством, порассуждал на тему альтернативной энергетики и технологий Piller, которые помогут в решении этих вызовов.
– Владислав, расскажите, что полезного вы узнали на прошедшем мероприятии? Насколько новаторские идеи применимы в энергетике?
– В формате прошедшей конференции не было возможности рассказать все детали про применение и решения на базе наших систем для всех возможных приложений. Также, учитывая основное направление конференции – ЦОДостроение, рассказывать про решения для энергетики не было особого смысла. В моей презентации этой теме посвящен всего один слайд.
Говоря далее, необходимо разделять ЦОДы и энергетику как два совершенно разных рынка. У каждого из них – свои особые вызовы, и, как следствие, – свои подходы к решению проблем.
Основная проблематика рынка ЦОД (подразумевается энергетика ЦОД) – это обеспечение надежной и бесперебойной работы ответственных потребителей. На этих объектах в качестве стандартного решения для защиты полезной нагрузки используются статические источники бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторными батареями. Однако по мере увеличения мощности объекта возрастают и проблемы, исходящие от них. Именно аккумуляторные батареи – причина №1 всех аварий на ЦОДах: по мировой статистике, на них приходится более половины случаев остановок ЦОД. Аккумуляторные батареи занимают много места и требуют постоянного кондиционирования: для их работы необходима температура +20°С. Добавьте к этому еще и их относительно небольшой срок службы. Так, замена АКБ с паспортным сроком службы 5-7 лет производится в среднем один раз в три года и раз в 5-7 лет, если в техпаспорте указан эксплуатационный срок 10-12 лет. Сегодня в мире порядка 80% ЦОДов работают на ИБП с аккумуляторными батареями, остальные 20% – на динамических источниках бесперебойного питания.
Причина, по которой выбираются решения с АКБ, помимо привычки состоит в том, что капитальные затраты на решения с батареями такого типа при нагрузках до 1000 кВт почти на четверть меньше по сравнению с применением технологий ДИБП. На нагрузках 1,5-5 МВт решения на ДИБП все еще дороже, но выглядят уже предпочтительнее традиционных ИБП с учетом затрат на эксплуатацию последних на горизонте 3-5 лет, т. е. с учетом стоимости владения. При выборе решения, основанного на совокупной стоимости владения (TCO), учитываются дополнительные потери электроэнергии на кондиционирование, разница в энергоэффективности ИБП и ДИБП, ремонты и обслуживание, а также стоимость замены АКБ на сроке службы системы ИБП. Как правило, в период первой замены аккумуляторных батарей через 3-5 лет, решения на ДИБП для нагрузок 1,5-5 МВт уже дают экономию. На нагрузках свыше 5 МВт в зависимости от выбранной схемы отказоустойчивости ДИБП сравниваются по капитальным затратам со статическими источниками бесперебойного питания с АКБ. Таким образом, динамические ИБП позволяют получить снижение затрат на эксплуатацию в 30-50% начиная с первого года эксплуатации. И чем выше мощность полезной нагрузки, тем очевиднее экономическая выгода в начальной стоимости решений на ДИБП.
Мировая практика двух последних десятилетий показывает, что доля больших ЦОДов неуклонно растет. Это уже устойчивый тренд. Соответственно увеличивается число инсталляций с ДИБП. Например, в настоящий момент наш завод готовит решение для одного ЦОДа в Европе мощностью 100 МВт. Такая мощность объектов в Европе и США – уже обычное дело.
– Да, это все очень интересно, учитывая, что сфера ІТ стремительно развивается. Но давайте вернемся к энергетике. Как мы поняли, ДИБП в некоторых случаях гораздо надежнее и экономичнее ИБП с АКБ, но все же хотелось бы узнать, чем именно маховики будут полезны энергетикам?
– В энергетике совершенно иные вызовы. Для дальнейшего разговора на эту тему важно определиться с пониманием слова «энергетика». Как минимум, можно говорить про большую, малую (автономную) и альтернативную энергетику.
В большой, традиционной энергетике, наше оборудование может быть использовано как большие фермы с маховиками на мощности 100-200 МВт, которые позволяют решать вопросы с пиковыми нагрузками, возникающими из-за нарушения баланса мощности на отдельных сетях. Перегрузки сетей приводят к авариям и отключению потребителей. Подача дополнительной мощности требует подключения резервных линий электропередач или включения пиковых энергоцентров, что может занимать 20-60 сек. Именно в это время маховики могут поставлять недостающую мощность к потребителям, не приводя к проблемам в сети.
В автономной энергетике маховики позволяют строить оптимальные по числу генерирующих установок энергоцентры, экономя на капзатратах и существенно снижая стоимость выработки 1 кВт/ч путем повышения уровня загрузки газопоршневых установок (ГПУ), а также решать вопросы с обеспечением надлежащего качества энергии. Суть последнего в следующем. Установки ГПУ на газовом топливе довольно медленные как при включении, так и в регулировании мощности: среднее время старта из состояния покоя занимает 30-40 сек, а при колебаниях нагрузки требуется 20-25 сек на стабилизацию частоты и напряжения. Если этого не делать, то в зависимости от величины нагрузки возможны опасные скачки напряжения. Чтобы этого избежать, обычно выбирают двойное количество установок ГПУ. А чтобы быть готовым к приему увеличения нагрузки с учетом резервирования, и используются балластные резисторы, которые подключаются на выход ГПУ в момент сброса нагрузки.
Рассмотрим, какую выгоду дает применение ДИБП на примере энергоцентра на базе ГПУ для нагрузки в 6 МВт. В качестве традиционного подхода будут использованы восемь генераторов по 1,5 МВт. Видно, что загрузка такого энергоцентра составляет не более 50%. При этом стоит учитывать, что каждые 8 тысяч часов эксплуатации на каждой установке необходимо выполнять годовое техническое обслуживание, а каждые 24 тысячи мото-часов проводить капитальное техобслуживание, которое по стоимости составляет до 30-50% нового оборудования. Если использовать под эту же задачу маховики Piller, то состав энергоцентра будет уже таким: шесть установок ГПУ мощностью по 1,5 МВт и один маховик на 1,5 МВт. Никаких балластных резисторов. Маховик будет помогать газовым установкам, добавляя недостающую мощность на выход системы в начальный момент скачка роста нагрузки или абсорбировать избыточную мощность от генераторов в момент снижения нагрузки, направляя ее на заряд маховика, пока ГПУ не отработают цикл регулировки выходной мощности в течение 20-25 сек. Все это время колебания частоты на нагрузке не будут превышать 1%. Экономия будет уже при закупе оборудования, поскольку один маховик стоит дешевле двух установок ГПУ на 1,5 МВт. Загрузка ГПУ составит 67% против 50% в первом случае, что позволит находиться в области оптимального режима генерации. А с учетом того, что техобслуживание и капремонт будут выполняться на шести установках ГПУ и одном маховике против восьми, то стоимость выработки 1 кВт/ч снизится на треть по сравнению с первым вариантом.
В альтернативной энергетике, где помимо автономных газовых генераторов используются ветрогенераторы, солнечные панели, приливные станции и т. д., маховики выступают динамическими аккумуляторами энергии на 20-60 сек. Они обеспечивают бесперебойное переключение на резервные источники, например, дизельные ДГУ или ГПУ, если прекращается ветер, заходит солнце и т. д. А также играют роль динамических стабилизаторов, обеспечивая заданный уровень параметров напряжения и частоты на нагрузке во всех режимах работы энергосистемы.
У нашей компании очень большой опыт реализации описанных выше решений. Подобные системы в различных вариациях уже много лет успешно эксплуатируются в Европе, России и странах Аравийского полуострова.
– Если уж затронули тему альтернативной энергетики, то нашим читателям было бы интересно узнать, какую службу человечеству могут сослужить ДИБП в решении глобальных проблем?
– Глобальный вызов мирового масштаба – это вопрос экологии. Чем более длительное время человечество развивается, тем больше ему требуется энергии и тем больше оно производит отходов. Говоря про выработку энергии – электрической и тепловой, нужно отметить, что в мировой практике уже давно наметился тренд на замещение «грязных» технологий производства электричества и тепла, таких как уголь, мазут, атомная энергия в пользу более чистых видов: природного газа, энергии солнца и ветра, а в скором будущем – топливных элементов. По этой причине местный вызов для энергетики РК – это переход на газ и альтернативную энергетику. Сложность в том, что это – очень масштабные задачи, требующие колоссальных инвестиций. Если в РК данные проекты будут реализованы, то здесь очень будут полезными технологии Piller c маховиками в части задач, описанных выше.
Другая упомянутая глобальная проблема – тема мусора. Например, одна только Москва генерирует порядка 11% всех отходов страны. В России данная реформа очень долго буксовала, опять же из-за необходимости выделения огромных денежных средств. Однако с января 2020 года в РФ официально стартует нацпроект «Экология»: начинает массово внедряться раздельный сбор мусора и вводится налог на утилизацию вредных отходов. При чем здесь экологические проблемы и центры обработки данных с энергетикой? Дело в том, что порядка 80% всех ЦОД используют ИБП с аккумуляторными батареями. Прежде всего, по причине их более низкой стоимости для нагрузок ниже 1,5 МВт. Однако все может очень сильно измениться, если в недалеком будущем придется платить утилизационные сборы за прием и переработку химически вредных отходов – свинцово-кислотных АКБ (свинец, кислота, сурьма). Если по состоянию на сегодня пункты приема цветных металлов платят за отработанные АКБ, то вскоре владельцам ЦОДов придется платить большие суммы в качестве утилизационного сбора. Таким образом, технология динамических ИБП станет еще более привлекательной, чем ИБП на основе аккумуляторных батарей даже на относительно малых мощностях 0,5-1 МВт. Главные компоненты ДИБП – это мотор-генератор и маховик, представляющие из себя железо и медь – экологически чистые материалы.
Я сомневаюсь, что замена обычных АКБ на литий-ионные (LiIon) будет основным трендом в системах энергоснабжения ЦОД. Даже несмотря на их преимущества по сравнению со свинцово-кислотными АКБ: более компактные размеры, способность работать при более высоких температурах (+35 против +20) и более быстрое время восстановления заряда. Во-первых, LiIon состоит из еще более вредных химических элементов, во-вторых, такие аккумуляторы существенно дороже свинцово-кислотных. Еще один минус литий-ионных накопителей – пожароопасность. Просто вспомните истории про взрывания LiIon батареек в мобильных телефонах одного очень известного производителя смартфонов. В мире уже произошло несколько крупных пожаров на ЦОД с аккумуляторами такого типа. Учитывая традиционный подход к выбору решения на основе минимальных цен, возникают риски приобретения некачественных LiIon батарей, которые могут стать источниками пожаров. В силу вышесказанного, мой прогноз по трендам в мире энергетики ЦОДов выглядит следующим образом.
На горизонте ближайших 5-15 лет доля источников бесперебойного питания с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторными батареями будет постепенно сокращаться, а число решений на литий-ионных батареях – увеличиваться, в основном, в нише периферийных и малых ЦОД мощностью до 1 МВт. Процент использования маховиков, наоборот, будет неуклонно расти, как за счет уже сложившегося мирового тренда на строительство средних (3-10 МВт) и больших ЦОД (свыше 10 МВт), так и за счет постепенного отказа от химически вредных и опасных источников. Далее, через 15-25 лет, придет технология с топливными/водородными элементами, которая начнет конкурировать с LiIon АКБ и маховиками.
– Благодарю за увлекательную беседу и прогноз.
Беседовала Елена Гаркава
Центральная Азия_Зеленая экономика, Green Business
