Энергия — ахиллесова пята современных центров обработки данных, особенно в свете возросших потребностей высокопроизводительных вычислений для систем искусственного интеллекта. Все это знают, и «из кожи вон лезут», чтобы найти энергетическое решение, которое не приведёт к разорению или увеличению финансирования при модернизации систем дата-центров. Ядерные микро-реакторы, потенциал земной коры (включая геотермальную энергию), возобновляемые источники (солнечная и ветроэнергетика), стандартная энергосеть, а также усовершенствование новых моделей ИИ — все эти подходы рассматриваются бизнесом. У каждого есть свои недостатки.
Ядерные микро-реакторы строятся годами, привычные сети уже перегружены и не могут обеспечить необходимой мощности, не говоря уже о том, что потребители не хотят за это платить. Солнечная энергия, несмотря на свои качества, требует значительного количества земельных ресурсов, и не каждое сообщество захочет получить сотни акров солнечных панелей у себя на заднем дворе. Новые алгоритмы ИИ, которые предлагают энергоэффективную модель, выглядели многообещающе, но пока есть непреодолимые препятствия.
В виду этих обстоятельств, многие обратили свой интерес к водородным технологиям. Хотя водород для транспортных средств пока глобально в мире не рассматривается, он не забыт в качестве возможности его использования, как «зелёной» энергии для коммунальных предприятий. Он сейчас является активной частью многих правительственных программ получения экологически нейтральной энергии. Даже не все специалисты знают, что первый центр обработки данных (ЦОД) на водородном топливе уже запущен компанией «ECL (Data Center Solution Company)» и работает в Маунтин-Вью, Калифорния. Продолжая развивать свой проект, эта организация также планирует в 2025 году построить ещё один модуль водородного дата-центра с искусственным интеллектом для облачной инфраструктуры стоимостью 500 миллионов долларов. Эти два ЦОД позиционируются, как работающие без отходов и с нулевым потреблением воды, что как раз и нужно муниципалитетам и сообществам.
ECL не одинока в своих амбициях по строительству водородных центров обработки данных. Также движущей силой водородного рынка являются правительственные инициативы практически всех развитых стран – такие проекты уже финансируются из бюджета в России, Соединённых Штатах, Европейском союзе, Китае и Японии. Стратегическая программа России по внедрению водородной энергетики в различные отрасли, стартовала ещё в 2023 году. Её частичная реализация на межотраслевом уровне запланирована к 2030 году. В США именно программа Clean Hydrogen Hubs Министерства энергетики и её миллиардные кредиты производителям водорода двигают эту водородную иглу из области транспортной доступности в сферу производства электричества для обеспечения вычислительной мощности цифровой эпохи.
У Европы также есть свои собственные цели по чистому водороду, в частности, к 2050 году десять процентов энергии ЕС будет вырабатываться из водорода. Начав реализовывать этот план ещё десять лет назад, Китай теперь имеет работающую солнечную водородную установку. А Южная Корея, чтобы не отставать от своих азиатских конкурентов, построила самую большую водородную электростанцию в мире.
Все эти государственные инвестиции привели к возобновлению интереса к водороду, вернув его в планы крупных частных инвесторов. Помимо производителей водорода, зелёная экономика, работающая на химическом элементе «под номером 1», несомненно, откроет двери для компаний, занимающихся электроникой и полупроводниками. Однако это потребует от проектировщиков силового оборудования знакомства с тонкостями водородных электростанций, процессом производства водорода, особенностями обращения с топливными элементами и электроникой, необходимой для создания системы производства водородного топлива, а также массивных систем водородных топливных элементов.
Сам принцип получения водородной энергии непрост, а центра обработки данных под управлением искусственного интеллекта вообще далёк от упрощения. В основе водородной технологии лежит электролизер — машина, которая расщепляет воду на два её компонента: водород и кислород. Для работы электролизерной машины необходим источник энергии большой мощности, например, ветряная или солнечная электростанция. При проектировании инфраструктуры также необходимо учитывать, что потребуются очень стабильный ток высокого напряжения (в диапазоне сотен ампер и тысячи вольт), а также мощность в диапазоне Мегаватта. Это очень немалые ресурсы.
Процесс генерации водорода требует силовой электроники, которая включает преобразователь постоянного тока в постоянный для систем электролизеров с питанием от солнечной энергии, и преобразователь переменного тока в постоянный для электролизеров с питанием от ветра или традиционной сети. Но и это ещё не все. Активные фильтры мощности необходимы для борьбы с гармоническими искажениями. Затем идут все типы специальных повышающих преобразователей, понижающих преобразователей, инверторов, а также более экзотические схемы, такие как схемы умножения импульсов. Хотя кремниевые силовые МОП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT-транзисторы) также используются в электролизере, полевые кремниевые (SiC ) и нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы из-за меньших потерь переключения найдут своё место в новых установках.
На приёмной стороне расщепителя находится водородный топливный элемент (ТЭ), который преобразует химическую энергию в электрическую. Однако эти топливные элементы намного сложнее, чем в батарейках для фонарика. В типичной компоновке топливный элемент питается водородом и кислородом через компрессионный бак. Помимо потенциала напряжения, он производит воду и тепло в качестве побочных продуктов. Процесс ещё более сложен, поскольку входы топливных элементов должны поддерживаться при оптимальной температуре, давлении и влажности. Существуют также проблемы, связанные с нагрузкой. При изменении нагрузки характеристики ТЭ изменяются. Сам по себе топливный элемент имеет низкое номинальное напряжение, порядка 0,6 вольт. Для более высокого напряжения множество элементов должны быть суммированы. В ассортименте сейчас выпускают компоновки мощностью от пяти до пяти тысяч ватт. Однако номинальная мощность водородного топливного элемента на этом не заканчивается. По спецзаказу промышленность может выпустить стандартизированные компоненты на 100 кВт, 300 кВт и 1400 кВт. Всех их более чем достаточно для обеспечения 120 киловатт на стойку, необходимых кластеру графических процессоров (GPU).
С другой стороны, суровая реальность такова, что топливные элементы не являются тем, что можно назвать «готовыми к использованию». Только эксперт может правильно подключить всю непростую систему к серверной стойке. Кроме того, понадобится полностью спроектировать новую схему подключения, чтобы модернизировать центр обработки данных для перехода на водород. Но, как показывает практика, существует несколько компаний в мире, способных установить технологию топливных элементов с плотностью энергии 100 МВт на площади примерно в 50 соток (чуть больше акра земли).
Такие компании, как Siemens, Bosch, Fuel Cell Energy, Siltrax и OnExo, уже имеют технологию и опытных проектировщиков водородных топливных элементов и электролизеров по унифицированной спецификации для энергетической мощности, необходимой дата-центрам (мощностью от 100 кВт до 1400 кВт). Однако поразительным ещё является физический вес этих топливных элементов – самый большой весит 15 тонн, что заставляет задуматься.
Несмотря на всех поставщиков на рынке водородной энергетики, «ECL», похоже, единственная, кто готов к созданию центров обработки данных с искусственным интеллектом. Эта компания построила свой оригинальный ЦОД на основе водородных энергетических модулей мощностью от 1 МВт до 2 МВт. И, судя по всему, сделает то же самое для своего нового центра обработки данных мощностью 1 ГВт в Техасе. Ирония заключается в том, что по сути стартап в этом бизнесе смог сделать то, чего не смогли сделать технологические гиганты IT- индустрии для своих огромных дата-центров. А именно, использовать водород в качестве основного источника энергии, а не просто как резервный. Можно предположить, что инженеры «ECL» более ответственно подошли к вопросу, узнав больше о компаниях на рынке электролизеров и топливных элементов, чем другие компании.
Кроме того, они доказали, что водород, как основной источник энергии для сегодняшних и будущих дата-центров — это реальная возможность обеспечить себя электроэнергией, почти не загрязняя окружающую среду. Тот факт, что в Китае и Южной Корее также есть крупные водородные коммунальные предприятия, является ещё одним очень явным признаком смещения парадигмы в сторону независимой от штатных энергосетей генерации электричества.
