Duomenų centrai ir baterijos: kaip BESS keičia žaidimo taisykles

Informatec Digital » Ištekliai » Duomenų centrai ir baterijos: kaip BESS keičia žaidimo taisykles

Įsivaizduokite duomenų centrą, kuris toliau veikia net ir nutrūkus tinklui.Energingas elektros energijos sąskaitų mažinimas ir tuo pačiu anglies pėdsako mažinimas nebėra mokslinė fantastika. Visa tai įmanoma dėka... energijos kaupimo sistemos su baterijomis (BESS), kurios iš eksperimento tapo pagrindine šiuolaikinių duomenų centrų elektros architektūros dalimi.

Kontekstas negalėjo būti sudėtingesnis.Duomenų centrai jau suvartoja apie 2 % pasaulinės elektros energijos, o prognozės rodo, kad iki 2030 m. šis skaičius gali padvigubėti dėl debesų kompiuterijos. IA ir visą parą veikiančias skaitmenines paslaugas. Tuo tarpu elektros tinklai sensta, yra perkrauti ir pažeidžiami ekstremalių oro sąlygų, o įmonės siekia vis agresyvesnių dekarbonizacijos tikslų. Šioje sudėtingoje situacijoje baterijos tapo pagrindiniu sąjungininku užtikrinant prieinamumą, mažinant išlaidas ir gerinant tvarumą.

Auganti energijos problema duomenų centruose

Duomenų centrų skaičius ir dydis visame pasaulyje smarkiai išaugoVien Jungtinėse Valstijose 2025 m. pradžioje buvo daugiau nei 5.400 duomenų centrų – daugiau nei dešimt kartų daugiau nei bet kurioje kitoje šalyje. JAV Energetikos departamentas apskaičiavo, kad duomenų centrai apie 2028 m. galėtų patenkinti iki 12 % šalies elektros energijos poreikio, palyginti su vos 1 % prieš dešimtmetį.

Pasauliniais skaičiais duomenų centrų energijos suvartojimas 2030 m. jis turėtų pasiekti apie 945 TWh – daugiau nei dvigubai daugiau nei 2023 m. Yra regionų, kuriuose įrenginių koncentracija yra tokia didelė, kad tinkluose jau yra pajėgumų problemų, vėlavimų sujungiant tinklus ir kliūčių, trukdančių prijungti naują atsinaujinančiosios energijos gamybą ar naujus duomenų centrų miestelius.

Tinklo trapumas nebėra teorinis scenarijus2024 m. Jungtinėse Valstijose įvykęs perdavimo linijos gedimas staiga atjungė maždaug 1 500 MW duomenų centro apkrovos – tai maždaug prilygsta didelės elektrinės išjungimui. Be to, 2020 m. vidutinis Amerikos vartotojas per metus patirdavo apie 8 valandas elektros energijos tiekimo sutrikimų, o kai kuriais kraštutiniais atvejais bendras nutrūkimų skaičius siekdavo nuo 30 iki 60 valandų.

Duomenų centro operatoriui kelios sekundės be elektros yra katastrofa.„Uptime Institute“ tyrimai rodo, kad įmonių įrenginiuose prastovų kaina siekia nuo 100 000 iki 500 000 USD per valandą, neįskaitant žalos reputacijai ar sutartinių baudų. Lygtis aiški: didesnė priklausomybė nuo elektros energijos, didesnė tinklo rizika ir potencialiai pražūtingas ekonominis poveikis su kiekvienu incidentu.

Iki šiol klasikinis sprendimas buvo UPS ir dyzelinio generatoriaus derinys.Generatorių baterijos (variklis-generatorius) dešimtmečius tarnauja kaip atsarginis energijos šaltinis, tačiau jos turi rimtų problemų: didelę CO₂, NOx ir kietųjų dalelių emisiją; triukšmą; degalų logistiką; intensyvią techninę priežiūrą; ir įprastą 5–15 sekundžių paleidimo laiką, dėl kurio reikia padidinti UPS sistemų dydį. Be to, jos paprastai neveikia, išskyrus bandymų ir avarinių situacijų metu, todėl yra brangus ir nepakankamai naudojamas turtas.

Reguliavimo ir socialinis spaudimas daro spaudimą dyzelinui.Tokios milžinės kaip „Microsoft“ ir „Google“ paskelbė planus palaipsniui atsisakyti dyzelinių generatorių kaip atsarginės energijos šaltinio: „Microsoft“ nustatė 2030 m. tikslinę datą, iki kurios ji visiškai atsisakys dyzelino, o „Google“ jau atliko didelio masto akumuliatorių bandymus, skirtus pakeisti generatorius duomenų centruose visoje Europoje. Pramonės žinia gana aiški: reikalinga švaresnė, tylesnė, lankstesnė ir išmanesnė alternatyva.

Kas yra BESS ir kaip jis integruojamas į duomenų centrą?

BESS (akumuliatorių energijos kaupimo sistema) iš esmės yra didelė, išmaniai valdoma akumuliatorių baterija.Jis gali kaupti elektros energiją ir ją išlaisvinti, kai reikia. Duomenų centre jis integruotas su elektros infrastruktūra (UPS, skirstomosiomis skydinėmis, transformatoriais ir, jei taikoma, generatoriais), kad veiktų kaip itin greito reagavimo galios rezervas.

Pagrindinis skirtumas, palyginti su generatoriumi, yra greitisNors dyzeliniam generatoriui paleisti ir sinchronizuoti reikia kelių sekundžių, BESS gali įsijungti per milisekundes. Šiuolaikiniai keitikliai ir ličio jonų akumuliatoriai leidžia perjungti laiką, paprastai mažesnį nei 50 ms, o tai pakankamai greitai, kad IT komandos to net nepastebėtų. Praktiškai BESS veikia kaip didelės talpos, ilgai veikiantis nepertraukiamo maitinimo šaltinis (UPS).

Tačiau BESS skirtas ne tik elektros energijos tiekimo nutraukimamsTikrasis jo potencialas atsiskleidžia, kai jis naudojamas kaip aktyvus energijos valdymo įrankis: jis gali įkrauti ne piko valandomis arba su atsinaujinančios energijos pertekliumi, iškrauti piko kainų metu, išlyginti paklausos kreivę, teikti pagalbines paslaugas tinklui (dažnio reguliavimas, įtampos palaikymas) ir dalyvauti paklausos valdymo programose. Jis nustoja būti „atskira draudimo polisu“ ir tampa turtu, kuris veikia kiekvieną dieną.

Ekonominis veiksnys pastaraisiais metais smarkiai pasikeitėLičio jonų akumuliatorių kaina nuo 2020 iki 2024 m. sumažėjo maždaug 20 %, o masinė baterijų gamyba Šis procesas paspartėjo, o BESS įrengta galia tokiose rinkose kaip Kalifornija ir Teksasas sumažėjo nuo praktiškai nulio 2018 m. iki daugiau nei 22 GW kartu sudėjus 2024 m. Dėmesys perkeltas nuo paprasto daugelio MW įrengimo prie teisingo energijos kiekio nustatymo MWh, t. y. tikrosios atsarginės kopijos trukmės.

Duomenų centrui tai reiškia modulines sistemas, skirtas išlaikyti apkrovą valandų valandas.ne tik tipiškoms 5–10 minučių trukmės klasikinio UPS veikimo trukmei. Šiandien įprasta matyti konfigūracijas, kurios esant pilnai apkrovai užtikrina nuo 60 iki 120 minučių autonomijos, o projektai, trunkantys 4–8 valandas, jau diegiami, ypač aplinkose, kuriose didelė atsinaujinančiosios energijos skverbtis arba silpni tinklai.

Pagrindiniai BESS privalumai duomenų centruose

BESS siūlo labai aiškų trijų verčių pasiūlymąRadikalus veikimo laiko pagerėjimas, energijos sąnaudų sumažėjimas ir reikšmingas žingsnis į priekį tvarumo srityje. Panagrinėkime tai išsamiau.

Nepertraukiama galia ir ypatingas atsparumas

Bet kurio operatoriaus absoliutus prioritetas yra didelis prieinamumas ir veikimo laikasIr čia akumuliatoriai turi pranašumą. Kadangi BESS sistema gali reaguoti per milisekundes, ji apima įtampos kritimus, mikronutrikimus ir visiškus elektros energijos tiekimo sutrikimus neprarandant serverių energijos. Pavyzdžiui, „Google“ savo duomenų centre Sent Gilene, Belgijoje, pademonstravo, kad 2,5 MWh baterija gali palaikyti įrenginio veikimą tikro elektros energijos tiekimo sutrikimo metu, išvengiant milijonų dolerių nuostolių.

Švedijoje „Microsoft“ įdiegė 16 MWh ir 24 MW galios BESS. Duomenų centre, pakeisdama didelį dyzelinių generatorių banką, ši sistema užtikrina maždaug 80 minučių autonominį veikimą esant pilnai apkrovai – tai daugiau nei pakankamai daugeliui vietinio tinklo įvykių. Ji taip pat gali padėti pačiam tinklui „avarinio paleidimo“ scenarijuose arba atkuriant sistemą po didelio gedimo.

Kalbant apie vidinį patikimumą, akumuliatorius taip pat yra geriausias.Ličio jonų sistemos turi mažai judančių dalių, yra nuolat stebimos ir turi savidiagnostikos galimybes. Gerai suprojektuota BESS gali pasiūlyti didesnį nei 99,9 % prieinamumo rodiklį, o dyzelinių generatorių paleidimo gedimų rodiklis yra didelis. Mažesnė tikimybė, kad jie „neįsijungs, kai jų labiausiai reikia“.

Yra ir kitų praktinių privalumų, kurie pastebimi kasdienėje veikloje.mažiau priežiūros (nereikia keisti alyvos ar valdyti kuro), geresnė bangų kokybė (harmonikų filtravimas, bangų įdubimų ir bangų mažinimas), galimybė kurti mikrotinklus su vietine atsinaujinančios energijos gamyba ir gebėjimas atlaikyti ilgalaikius elektros energijos tiekimo sutrikimus, derinant BESS su kitais šaltiniais, tokiais kaip kuro elementai arba švarios dujų turbinos.

Ekstremaliomis aplinkybėmis BESS + alternatyvios generacijos derinys Tai leidžia generatoriui veikti daug trumpiau valandų, o akumuliatorius įkrauti tik tada, kai elektros energijos tiekimo sutrikimas trunka ilgiau nei tikėtasi, taip gerokai sumažinant triukšmą, išmetamųjų teršalų kiekį ir logistinę riziką, susijusią su dyzelino tiekimu.

Energijos sąnaudų mažinimas ir OPEX optimizavimas

Be tiekimo saugumo, BESS yra labai galinga priemonė elektros energijos sąskaitoms mažinti.Duomenų centrai moka ne tik už suvartotą kWh, bet ir už kiekvienu atsiskaitymo laikotarpiu pasiektą didžiausią paklausą (kW). Šie pikai, net jei jie ir retkarčiais, gali sudaryti nuo 30 % iki 70 % visų išlaidų.

Taikant piko mažinimo ir apkrovos perkėlimo strategijas, BESS veikia kaip „buferis“ tarp tinklo ir IT apkrovos.Jis kraunamas ne piko valandomis, kai energija pigesnė (naktį, savaitgaliais arba didelio vėjo energijos gamybos kiekio laikotarpiu), ir iškraunamas piko valandomis, kad sumažintų tinklo apkrovą. NREL apskaičiavo, kad taikant agresyvią strategiją duomenų centras gali sutaupyti iki 30 % metinių energijos sąnaudų.

Praktiškai tai reiškia milijonus eurų per metus hipermasinio masto įrenginiams.JAV vakarinėje pakrantėje buvo užfiksuota atvejų, kai piko valdymui naudojama akumuliatorių sistema sumažino energijos sąnaudas apie 15 %, be to, apsaugojo objektą nuo staigaus momentinių kainų šuolio tinklo avarinių situacijų metu.

Šios santaupos papildo galimas pajamas iš dalyvavimo tinklo paslaugų rinkose.Kai kurie elektros sistemų operatoriai moka dideliems vartotojams, kurie gali sumažinti savo paklausą arba įterpti energiją kritiniais laikais. Duomenų centras su BESS gali pasiūlyti dažnio reguliavimą, greitą atsarginių kopijų kūrimo pajėgumą arba reagavimą į paklausą ir už tai imti mokestį, galutiniam klientui nieko nepastebint.

Bendrosios nuosavybės išlaidų lygtis dar labiau pagerėja taikant mokesčių lengvatas ir subsidijasJungtinėse Valstijose Infliacijos mažinimo įstatyme numatyta 30 % investicinė mokesčių lengvata autonominėms energijos kaupimo sistemoms, kuri paskatino akumuliatorių projektus didelių technologijų bendrovių duomenų centruose. Tai gali būti papildyta regioninėmis subsidijomis, susijusiomis su atsparumu, energijos vartojimo efektyvumu arba atsinaujinančiosios energijos integracija.

Tvarumas, atsinaujinanti energija ir reguliavimo spaudimas

BESS yra pagrindinis duomenų centro komponentas, kad jis būtų tikrai „žalias“.Viena vertus, tai tiesiogiai sumažina išmetamųjų teršalų kiekį, pakeisdama dyzelinių generatorių naudojimą bandymų ir avarinių situacijų metu, ir palengvina baterijų perdirbimo procesasKita vertus, tai leidžia maksimaliai padidinti atsinaujinančios energijos vartojimą tiek vietoje (pavyzdžiui, fotovoltinės plokštės ant stogo), tiek pagal elektros energijos pirkimo–pardavimo sutartis (EPS).

Kaupiant saulės arba vėjo energijos perteklių, kai yra gamyba ir maža paklausaBESS leidžia sistemoms toliau veikti naudojant švarią energiją, kai nešviečia saulė arba vėjas silpnas. Pavyzdžiui, „Apple“ įrodė, kad derindama baterijas su fotovoltiniais elementais, ji gali valdyti savo Nevados duomenų centrą su maždaug 80 % saulės energijos, net jei saulės jėgainė elektrą gamina tik dieną.

„Meta“ ir kiti operatoriai kasmet sumažino CO₂ išmetimą dešimtimis ar šimtais tūkstančių tonų. Pereinant nuo tradicinių elektros tinklu varomų dyzelinių sistemų prie modelių, paremtų atsinaujinančiais energijos šaltiniais ir didelės talpos akumuliatorinėmis energijos kaupimo sistemomis (BESS), pašalinamas vietinis variklio triukšmo ir taršos poveikis – tai itin svarbi problema miestuose ar netoli gyvenamųjų zonų.

Reglamentavimo požiūriu, akumuliatorių kaupimas padeda laikytis vis griežtesnių direktyvų ir reglamentų.Europos Sąjunga siekia iki 2030 m. sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį 40–55 % ir jau dabar daugiausia dėmesio skiria duomenų centrų efektyvumui. Tokie miestai kaip Amsterdamas ir Singapūras netgi svarstė moratoriumus naujiems duomenų centrams dėl energijos suvartojimo ir išmetamųjų teršalų kiekio; projektų, kuriuose integruota pastatų energijos vartojimo efektyvumo sistema (BESS) ir aukšta atsinaujinančiosios energijos integracija, pristatymas gali turėti lemiamos reikšmės gaunant leidimus.

Apibendrinant, BESS yra viena iš atsparumo, taupymo ir dekarbonizacijos svertų., kažkas labai galingo sektoriuje, kuriam taikomi klientų, reguliuotojų ir investuotojų ESG klausimai.

Duomenų centruose naudojamos baterijos: švino-rūgštinės, ličio jonų ir kitos

Istoriškai UPS sistemų karalienė buvo VRLA (išlaisvinančiosios rūgšties) akumuliatoriai.dėl mažos pradinės kainos ir po dešimtmečių naudojimo nusistovėjusio našumo. Tačiau perėjimas prie ličio jonų akumuliatorių duomenų centruose jau yra realybė ir visiškai keičia energijos atsarginių kopijų kūrimo būdą.

Ličio jonų (Li-ion) baterijose elektroduose naudojami ličio junginiai. Jie grupuojami į elementus, modulius ir pilnas sistemas. Jie pasižymi dideliu energijos tankiu, stabiliai tiekia energiją net ir mažėjant įkrovos lygiui ir atlaiko daug daugiau ciklų nei švino rūgšties akumuliatoriai. Tokios technologijos kaip LFP (ličio geležies fosfatas), NMC (nikelio mangano kobaltas) arba specifinės konfigūracijos, tokios kaip NMC/LTO, tampa vis labiau paplitusios sudėtingose ​​pramonės srityse.

Palyginti su švino-rūgštiniais akumuliatoriais, ličio jonų akumuliatoriai turi keletą aiškių pranašumųPrivalumai: didesnis energijos tankis (didesnė talpa mažesnėje erdvėje), daug ilgesnis tarnavimo laikas (paprastai 10–15 metų, palyginti su daugelio VRLA akumuliatorių 3–5 metais), didelis įkrovimo / iškrovimo efektyvumas ir mažesnė priežiūra. Kai kuriais atvejais ličio jonų sistema gali pasiekti 2.500 ciklų, palyginti su 1.500 ciklų, kuriuos naudoja gera švino-rūgšties akumuliatorių sistema, todėl per visą įrenginio gyvavimo laiką reikia gerokai sumažinti keitimų skaičių.

Be to, ličio baterijos leidžia veikti aukštesnėje temperatūroje.Šių baterijų temperatūra pakyla iki 55 °C, todėl duomenų centre baterijų skyriui taikomi mažiau griežti klimato kontrolės reikalavimai, didesnis vietos pasirinkimo lankstumas ir sutaupoma vėsinimo CAPEX/OPEX sąnaudų. Jos taip pat užima mažiau vietos ir sveria gerokai mažiau, o tai yra labai svarbus veiksnys pastatuose su konstrukciniais apribojimais.

Visa tai reiškia daug mažesnes bendras eksploatavimo išlaidas (TCO). Nepaisant didesnių pradinių išlaidų, pramonės analizės rodo, kad per 10 metų, pakeitus VRLA akumuliatorius ličio jonų akumuliatoriais UPS ir BESS sistemose, bendros eksploatavimo išlaidos (BCO) sumažėja 30–50 %, nes sumažėja priežiūros poreikis, rečiau keičiami akumuliatoriai, padidėja efektyvumas ir su tuo susijęs energijos taupymas.

Tačiau rinka neapsiriboja vien švino rūgšties ir ličio jonų akumuliatoriais.Pradeda atsirasti komerciniai sprendimai, naudojantys natrio jonų ir nikelio-cinko baterijas, kurie žada pranašumų kainos, saugumo ir tvarumo srityse (pavyzdžiui, sumažinant kobalto ar nikelio naudojimą). Tokie gamintojai kaip „Natron Energy“ daug investuoja į natrio jonų gamybos įrenginius, skirtus, be kita ko, duomenų centrų reikmėms.

Tuo tarpu tokios technologijos kaip nikelio-cinko technologija populiarėja UPS sprendimuose. Ekologiškesnis, kaip rodo neseniai sudaryti susitarimai tarp UPS tiekėjų ir šio tipo akumuliatorių gamintojų. Nors jų naudojimas vis dar yra mažumoje, palyginti su ličio jonų akumuliatoriais, tendencija rodo, kad per ateinantį dešimtmetį technologijų derinys taps įvairesnis.

Nuo UPS + dyzelino iki aktyvaus BESS: naujas architektūros standartas

Pirmasis revoliucijos etapas buvo tiesioginis VRLA pakeitimas ličio jonų akumuliatoriais UPS sistemose.Išlaikant tą pačią topologiją (klasikinį UPS su vidinėmis baterijomis arba specialiais stelažais), tačiau naudojant daug tvirtesnę saugojimo technologiją. Vien šis žingsnis pagerina patikimumą ir sumažina bendrąsias išlaidas (BCO).

Antrasis etapas, jau vykstantis, yra perėjimas nuo „pasyvaus UPS“ prie „aktyvaus BESS“.Čia koncepcija pasikeičia: užuot turėjus bateriją, skirtą veikti tik kelias minutes, kol įsijungs generatorius, projektuojama vidutinės arba didelės talpos kaupimo sistema (dešimtys MWh) su tinklelį formuojančiais keitikliais, kurie vienu metu gali veikti kaip nepertraukiamo maitinimo šaltinis (UPS) ir laikina „elektrinė“.

Šioje naujoje architektūroje vienas vidutinio/didelio pajėgumo BESS gali pakeisti UPS ir generatoriaus tandemą. Daugeliu atvejų jis pasižymi milisekundžių atsako laiku, įtampos / dažnio palaikymu ir kelių valandų baterijos veikimo laiku. Kai reikalingas itin ilgas baterijos veikimo laikas, jį galima derinti su alternatyvios kartos maitinimu, tačiau baterija yra svarbiausia.

Šis pakeitimas labai supaprastina duomenų centro elektros infrastruktūrą.Mažiau mechaninių komponentų, mažiau gedimo vietų, mažiau vietos užima degalų bakai ir pagalbinės sistemos, trumpesnė ir efektyvesnė energijos grandinė (geresnis energijos suvartojimas). Be to, kadangi tai visiškai elektroninė sistema, stebėjimo ir valdymo galimybės yra daug detalesnės.

Įdomi šio modelio pasekmė yra duomenų centro vaidmens pasikeitimas tinklo atžvilgiu.Jis nustoja būti problemiška apkrova, reikalaujančia didelės galios tam tikruose taškuose, ir tampa lanksčiu ištekliumi, galinčiu padėti stabilizuoti elektros sistemą. Tai pagerina operatoriaus derybų poziciją dėl prijungimo leidimų ir pajėgumų didinimo, o tai ypač svarbu tose srityse, kur tinklas jau veikia iki ribos.

Pagrindinis programinės įrangos ir išmaniojo BESS valdymo vaidmuo

BESS be gerų kontrolinių smegenų yra kaip „Ferrari“ su pradurtomis padangomisSvarbiausia yra turto našumo valdymo (APM) programinė įranga ir akumuliatorių valdymo sistemos (BMS), kurios nusprendžia, kada įkrauti, kada iškrauti, kaip apsaugoti elementų tarnavimo laiką ir kaip sąveikauti su tinklu ir likusia duomenų centro infrastruktūra.

Šiuolaikinės platformos, daugelis jų palaikomos dirbtinio intelekto ir pažangios analizėsJie realiuoju laiku stebi akumuliatorių būseną (temperatūrą, įtampą, sroves, SOH, SOC), numato degradaciją, rekomenduoja optimalų veikimą, atsižvelgdami į energijos kainas ir rizikos scenarijus, ir automatizuoja dalyvavimą tinklo paslaugų rinkose.

APM SaaS sprendimai, kurie specializuojasi energetikos išteklių srityje, pavyzdžiui, kai kurie sektoriaus tiekėjai.Jie leidžia duomenų centrų operatoriams kuo geriau išnaudoti savo investicijas į BESS: pailgina akumuliatoriaus veikimo laiką, sumažina netikėtų gedimų skaičių, optimizuoja įkrovimo / iškrovimo ciklą ir suderina energijos strategiją su verslo ir tvarumo tikslais.

Šiame kontekste BESS nustoja būti tik technine įranga ir tampa programuojama energijos platforma.gebanti įgyvendinti sudėtingas taupymo, atsparumo ir papildomų pajamų strategijas, pasižyminti aukštu automatizavimo lygiu.

Scenarijuje, kai duomenų centrų elektros energijos suvartojimas dauginasi, tinklas yra apkrautas ir didėja spaudimas mažinti išmetamųjų teršalų kiekį.Baterijų energijos kaupimo sistemos tampa naujosios energetikos architektūros stuburu: jos garantuoja paslaugų teikimo tęstinumą, mažina sąskaitas už elektrą, sudaro sąlygas masiškai naudoti atsinaujinančius energijos šaltinius ir paverčia duomenų centrą aktyviu elektros sistemos dalyviu, o ne paprastu pasyviu vartotoju.

Susijęs straipsnis:

Žalioji IT: žalioji kompiuterija, energijos vartojimo efektyvumas ir tvarumas