До сих пор кислотным аккумуляторным батареям и дизель-генераторам — устройствам, гарантирующим постоянную подачу электроэнергии при сбоях и отказах питания, — никаких альтернатив в области источников бесперебойного питания (ИБП) не было. Но постепенно в этот сегмент проникает технология топливных элементов.
В случае внезапного прекращения подачи электроэнергии ИБП в течение некоторого времени обеспечивают питанием инфраструктуру ИТ на предприятии. Чтобы гарантировать высокую готовность в 99,999% («пять девяток»), такие системы должны быть избыточными и независимыми. До сих пор эту задачу выполняли, как правило, дизель-генераторы. Однако мало того, что они занимают много места, их применению нередко препятствуют ограничения, вытекающие из строительных нормативов.
Альтернативой применению дизель-генератора является технология топливных элементов. Однако не всякая из имеющихся шести разновидностей топливных элементов подходит для этого: высокотемпературным элементам, к примеру, для запуска требуется несколько часов времени и дополнительный источник энергии, поэтому они абсолютно непригодны для работы в режиме ожидания, свойственном для области ИТ.
Иначе ситуация выглядит при использовании топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной (ПЭМ) — они способны поддерживать полную нагрузку уже через 10—20 с. Такой топливный элемент построен в соответствии с мембранной технологией. Это означает, что на катод через перфорированную мембрану попадают только положительно заряженные протоны водорода. Электроны атомов водорода остаются на аноде. Из-за перехода протонов создается разность потенциалов и выделяется теплота. В качестве топлива применяется исключительно водород, который получается путем электролиза под воздействием солнечного света (см. Рисунок 1).
Полимерно-электролитная мембрана, будучи низкотемпературным топливным элементом, генерирует электрическую энергию из водорода и кислорода, содержащихся в окружающем воздухе. Обычно достаточно простой вентиляции серверной комнаты. В полностью закрытых помещениях дополнительный приток свежего воздуха, который необходим и для работающих в помещении людей, обеспечивается системой управления климатом. Топливный элемент, оснащенный полимерно-электролитной мембраной, практически не нуждается в обслуживании. Лишь раз в год нужно поменять фильтр для очистки воздуха, что может сделать любой пользователь.
Наиболее важный компонент системы — мембрана в магазине топливных элементов («пакете»), чей срок службы ограничен примерно десятью годами. Поскольку один топливный элемент способен выдержать 5000 включений или обеспечить подачу электропитания в течение 5000 ч непрерывной работы, для исчерпания этого лимита общее время отключения питания за десять лет должно превысить восемь месяцев, однако подобный сценарий развития событий едва ли возможен. В регионах с плохим энергоснабжением топливные элементы включаются при коротких — лишь на несколько секунд — прерываниях подачи питания и таким образом быстро вырабатывают указанный ресурс в 5000 включений. Для предотвращения подобных ситуаций предлагается дополнительно подключать батарею.
Поскольку топливный элемент с полимерно-электролитной мембраной готов к работе уже через 10—20 с после включения, достаточно набора батарей, способного поддерживать работу системы в течение четырех минут при нагрузке в 10 кВт. Однако из соображений обеспечения избыточности нужен и второй набор батарей. При отказе сети бесперебойную подачу электроэнергии берет на себя устройство ИБП вместе с батареями, затем топливные элементы, включающиеся максимум через 20 с, питают систему ИБП и через нее подключенных потребителей — в течение нескольких часов или суток в зависимости от запаса водорода.
БАТАРЕЯ — НЕ ПАНАЦЕЯ
До сих пор топливные элементы использовались преимущественно в области информационных технологий, однако мало что может помешать их применению в промышленном производстве. Системы ИБП поддерживают рабочую нагрузку при нарушении энергоснабжения с помощью батареи. Однако батареи обладают двумя значительными недостатками: с одной стороны, они сравнительно ненадежны, с другой — трудно предсказать, когда они выйдут из строя. Для подачи напряжения приблизительно в 400 В (постоянного тока), в цепь обычно последовательно включается набор батарей, обеспечивающих напряжение 12 В. Стоит только одной из этих батарей выйти из строя, как вся система оказывается неработоспособной. Поэтому многие предприятия работают с двумя наборами батарей: при отказе одного подачу питания берет на себя второй, хотя бы на половину длительности переходного периода, в течение которого устраняются проблемы. Средний срок службы батареи в ИБП в зависимости от ее качества составляет от трех до восьми лет.
Еще один недостаток — восприимчивость батарей к высоким температурам, что делает необходимым их эффективное охлаждение. Так, продолжительность жизни батареи уменьшается вдвое уже при повышении температуры окружающей среды с 20° до 30°.
Увеличение срока службы ИБП требуется тогда, когда для критически важных приложений нужно обеспечить максимальную готовность системы подачи питания. В современных системах топливных элементов надежность на условие «пять девяток» достигается благодаря модульному избыточному построению: при отказе одного модуля вся система не затрагивается. Компания АРС, к примеру, предлагает решения с поддержкой одного, двух или трех модулей топливных элементов на выбор, при этом общая мощность составляет 10, 20 или 30 кВт. Возможно параллельное включение модулей в нескольких шкафах для повышения мощности или обеспечения избыточности. Каждый блок питания топливного элемента подключается к преобразователю постоянного тока, который переводит выходное напряжение топливного элемента в напряжение электрической шины батареи ИБП (см. «Пример продукта»).
ОТКАЗ ОТ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ
Против использования дизель-генераторов говорят, в первую очередь, существующие нормативы, касающиеся отработанных газов и шумов, причем в будущем они могут стать еще более жесткими. Кроме того, как известно, для обеспечения электрической мощности 100 кВт, мощность дизель-генератора должна составлять 150 кВт, что соответствует примерно мощности двигателя небольшого грузовика. Таким образом, из-за указанных выше граничных значений применение дизель-генераторов во многих средах даже не обсуждается.
Топливные элементы в отличие от дизель-генераторов не обладают подвижными частями. Благодаря этому они работают практически бесшумно, без вибрации. Для эксплуатации могут использоваться обычные промышленные водородные баллоны, в отношении которых не выдвигается никаких особых правил соблюдения безопасности. Водородные баллоны систем топливных элементов вырабатывают в пять раз больше энергии, чем система батарей, которая занимала бы то же пространство. Устройство должно быть установлено на уровне первого этажа за пределами здания в отдельном помещении, соответствующем требованиям к системе вентиляции и обеспечивающем удобный доступ для замены баллонов. Водородные баллоны можно объединить в две или несколько групп, отделив их друг от друга при помощи запорных вентилей, и заменять, не прерывая работы предприятия. Таким образом, время независимого энергоснабжения может составлять от нескольких часов до нескольких дней.
Единственными «отходами» топливного элемента являются вода и тепло. Однако при его работе тепловой энергии выделяется больше, чем электрической: на 10 кВт вырабатываемой электрической мощности приходятся 15 кВт тепла. Для случая полностью оснащенного шкафа это означает, что в ЦОД дополнительно образуются 45 кВт тепловой энергии — возможно, с фатальными последствиями для среды ИТ. Концепция охлаждения для системы топливных элементов, тем не менее, проста: климатическая система не нужна, достаточно циркуляции воды. Внутри помещений на топливный элемент устанавливается охлаждающий кожух, а за пределами зданий используется холодильник с вентилятором. При рабочей температуре примерно 90° вода по трубопроводу выводится за пределы здания.
Топливный элемент отдает выделяемое им тепло в окружающую среду вне зависимости от того, имеется ли в здании климатическая система. Таким образом, серверная комната не нагревается — через охлаждаемый водой кожух отводимое тепло попадает наружу.
Михаэль Шумахер — технический директор компании АРС.
© AWi Verlag
Пример продукта
Компания АРС предлагает технологию топливных элементов в виде модульных 19-дюймовых сменных блоков мощностью 10 кВт для ИБП серии Symmetra PX в рамках программы решений InfraStruXure (ISX), которые также образуют модульную структуру с приращением мощности 10 кВт. Типичными областями применения таких ISX являются ЦОД, средние и крупные предприятия (см. Рисунок 2).