Alternativní technologie generování energie pro datová střediska a síťové sály White Paper č. 64 Revize 1
Resumé Palivové články a mikroturbíny představují nové technologické alternativy generování energie pro datová střediska a síťové sály. Tento dokument se zabývá různými provozními režimy těchto systémů a rozebírá výhody a nevýhody nových technologií ve srovnání s konvenčními systémy, jakými jsou například záložní y. 2
Úvod Generování energie je hlavní součástí napájecího systému pro datová střediska a síťové sály s vysokou dostupností. Systémy informačních technologií lze napájet po dobu několika minut nebo dokonce hodin pomocí baterií nebo setrvačníku, ale k dosažení dostupnosti 99,999 % je nezbytná možnost místního generování energie. V místech s problematickou elektrickou sítí může být možnost generování energie nutná i k dosažení dostupnosti 99,99 % nebo dokonce 99,9 %1. Konvenčním řešením tohoto problému jsou záložní dieselové nebo plynové y v kombinaci se systémy UPS. Pro instalace s vysokou dostupností je používána architektura N+1 pole záložních ů. Jako alternativní způsoby generování energie pro síťové sály a datová střediska byly navrženy palivové články a mikroturbíny. Tyto systémy lze využívat k nepřetržitému napájení síťového sálu nebo datového střediska, lze je použít ke generování nadbytečné elektrické energie, kterou lze použít pro napájení další zátěže nebo pro zpětný odvod do elektrické rozvodné sítě, nebo je lze použít jako záložní y. Způsob použití těchto systémů má značný vliv na dostupnost systému a na celkové náklady na vlastnictví, jak je popsáno v dalších částech tohoto dokumentu. režim V tomto režimu je primárním zdrojem energie střídavé napětí z elektrické sítě. Místní generování energie je použito pouze jako záloha při plánovaném vypnutí nebo při výpadku napájecí elektrické sítě. K překlenutí časové prodlevy při spouštění záložního systému je použit systém UPS. Tento provozní režim je použit ve více než 99 % síťových sálů a datových středisek, která jsou vybavena místními y energie. Nepřetržitý režim V tomto režimu je primárním zdrojem energie místní a energie z elektrické sítě je použita pouze jako záloha při plánovaném vypnutí nebo při výpadku místního u. Zařízení mohou být napájena z místního u a k překlenutí časové prodlevy při přepojování systémů je použit systém UPS. Místní napájí pouze kritickou zátěž. Je-li místní v porovnání se zatížením předimenzován, může být systém generování energie nedostatečně využit nebo může pracovat v nežádoucím bodu křivky účinnosti. 1 Kvantitativní údaje o tom, jaký vliv má generování energie na dostupnost, naleznete v dokumentu White Paper č. 24: Vliv systému UPS na dostupnost systému společnosti APC. 3
Režim interaktivní s elektrickou sítí V tomto režimu je primárním zdrojem energie místní a energie z elektrické sítě je použita pouze jako záloha při plánovaném vypnutí nebo při výpadku místního u. Místní pracuje paralelně s elektrickou sítí, takže veškerá vygenerovaná energie, která není spotřebována kritickou zátěží, přechází do elektrické sítě. V tomto režimu může nadbytečná energie napájet další nekritická zařízení, nebo může dokonce proudit zpět do elektrické sítě. K oddělení kritické zátěže od přímého napájení z elektrické sítě se běžně používá systém UPS. Systém generování energie pracuje za normálních okolností v nejoptimálnějším bodu křivky účinnosti. Konfigurace odolné proti výpadkům Při použití libovolné technologie nebo režimu lze dostupnost zvýšit následujícími způsoby: Architektura s duálním rozvodem V tomto případě je celý systém generování energie zdvojen. V ideálním případě je zdvojení provedeno v rámci celé napájecí trasy až ke kritické zátěži, kterou je nutné konfigurovat tak, aby mohla využívat dva vstupy napájení. Architektura N+1 V tomto případě jsou nejméně spolehlivé součásti systému generování energie složeny z několika paralelních jednotek tak, aby v případě poruchy jedné z nich mohly zbývající jednotky zajistit napájení kritické zátěže. Stanovení celkových nákladů na vlastnictví (TCO) Finanční stránka nemusí být při výběru systému generování energie vždy určující, vždy je však velmi důležitým faktorem. Celkové náklady na vlastnictví systému generování energie sestávají z následujících položek: náklady na inženýring investiční náklady náklady na instalaci a spuštění náklady na údržbu náklady na palivo úspora energie (kompenzace nákladů na palivo) 4
Výpočet celkových nákladů na vlastnictví může být značně ovlivněn mnoha místními faktory, jako například: poměr ceny paliva k ceně elektrické energie náklady na instalaci elektrické sítě nebo poplatky za záložní napájení sazby za zpětné dodávky energie do elektrické sítě a související předpisy stupeň zatížení napájecího systému Je možné vytvořit model pro odhad celkových nákladů na vlastnictví pro různé technologie a provozní režimy. V případě konvenčních záložních ů jsou údaje snadno dostupné a lze získat spolehlivý odhad. V případě ch článků a mikroturbín lze informace týkající se ekonomiky provozu těchto technologií získat z předběžných odhadů nákladů na tato zařízení založených na oborových předpovědích na 3 až 5 let. Výpočet celkových nákladů na vlastnictví pro běžnou životnost datového střediska (10 let) na základě údajů o nákladech na zařízení, instalaci, údržbu a energii je jednoduchý a není zde podrobně popsán. Reprezentativní tabulka s údaji o nákladech a výpočty výsledných celkových nákladů na vlastnictví po dobu životnosti jsou uvedeny v příloze 1. Na obrázku 1 jsou znázorněny celkové náklady na vlastnictví (TCO) po dobu životnosti systému generování energie pro datové středisko o příkonu 250 kw, které jsou založeny na realistických odhadech údajů v příloze 1. $8,00 Přímé náklady Čistá energie Roční poplatky TCO po dobu životnosti: USD/W $7,00 $6,00 $5,00 $4,00 $3,00 $2,00 $1,00 $0,00 Nepřetržitý článek (H) Nepřetržitý článek článek Nepřetržitá Obrázek 1: Celkové náklady na vlastnictví systému generování energie pro různé technologie a režimy provozu 5
Z analýzy vyplývají následující skutečnosti: Přímé náklady jsou srovnatelné s náklady na energii po dobu životnosti. Úspora nákladů na energii u ch článků a mikroturbín není dostatečná, aby kompenzovala přímé náklady na tyto technologie. Za předpokladu, že typické využití datového střediska je podstatně nižší než 100 % 2, je nepřetržité místní generování energie s ohledem na náklady nejméně výhodnou variantou ve srovnání se záložním režimem nebo režimem interaktivním s elektrickou sítí. Neúčinnost místního generování energie anuluje většinu výhod plynoucích z použití levnějšího paliva. Další faktory Z ekonomického hlediska nepředstavují palivové články a mikroturbíny ve srovnání se záložními y atraktivní variantu generování energie pro datová střediska. Existuje však řada situací nebo faktorů, které hovoří ve prospěch použití technologie ch článků či mikroturbín. Tyto faktory jsou popsány níže. Emise Místní nebo vnitropodnikové předpisy mohou omezovat emise výfukových plynů. Systémem místního generování energie, u kterého dochází k největším problémům s emisemi, je dieselový motor. Získání povolení k použití dieselového motoru je složité, místně specifické a v některých případech nepraktické či nemožné. Logickým argumentem ve prospěch záložního použití dieselového agregátu je, že třebaže jsou emise vysoké, provozní doba je krátká, takže celkové emise jsou nízké. V praxi však záložní dieselové systémy vytvářejí při spuštění značné množství viditelného dýmu, zejména jsou-li rychle zatíženy, jak tomu bývá v případě jejich použití coby záložního u. Jedním z důsledků bývá nesouhlas a následné stížnosti sousedů, které mohou vyústit v nežádoucí situace a jejich řešení prostřednictvím místních úřadů. Pro účely analýzy celkových nákladů na vlastnictví byly namísto rozšířenějších dieselových motorů využity záložní y na zemní plyn nebo propan. Cena těchto ů je až o 30 % vyšší než cena dieselových ů, značně však snižují problém s emisemi, zejména těmi viditelnými. Je-li cílem snížení množství emisí, pak z údajů vyplývá, že y na zemní plyn nebo propan jsou nákladově mnohem efektivnější než palivové články a mikroturbíny. 2 Informace týkající se stupně využití naleznete v dokumentu White Paper č. 37: Předcházení nákladům plynoucím z předimenzování infrastruktury datových středisek a síťových sálů. 6
Dostupnost Náklady související s prostoji jsou u mnoha datových středisek a síťových sálů velmi vysoké. Bylo navrženo, že celkovou dostupnost systému je možné zvýšit použitím ch článků a mikroturbín namísto záložních ů. Jedna z často citovaných statistik uvádí, že záložní se podaří spustit jen v 90 % případů, kdy je jeho spuštění nutné. K přesnému posouzení tohoto tvrzení by bylo nutné získat údaje o spolehlivosti ch článků a mikroturbín, o povaze režimů selhání a o době oprav. Tyto údaje zatím nejsou k dispozici. Je však známo, že dostupnost libovolného napájecího systému lze zlepšit investicí do zvýšení jeho odolnosti proti výpadkům, jako jsou architektura N+1 nebo architektura s duálním rozvodem. Dostupnost lze také zvýšit zdokonalením návrhu pro zajištění souběžné údržby, zdokonaleného sledování stavu a zlepšené údržby. Z důkazů dostupných v současné době vyplývá, že úspory celkových nákladů na vlastnictví při použití záložního u lze využít ke zvýšení dostupnosti systému a kompenzovat tak potenciální (a zatím neprokázané) výhody vyšší dostupnosti ch článků a mikroturbín. Eliminace dalších zařízení Z mnoha diskusí o ch článcích a mikroturbínách vyplývá, že tato technologie by mohla eliminovat další zařízení v napájecím systému a tím potenciálně snížit náklady a zvýšit dostupnost a účinnost. Často je diskutována eliminace systémů UPS a baterií. V případě režimu interaktivního s elektrickou sítí je systém UPS stále vyžadován k oddělení kritické zátěže od přímého napájení z elektrické sítě. V případě nepřetržitého provozního režimu je systém UPS stále vyžadován k oddělení kritické zátěže od účinků dalších zátěží, například klimatizace. A v případě záložního provozního režimu je systém UPS očividně nutný k napájení kritické zátěže do doby spuštění u. doba běhu systému UPS použitého v nepřetržitém režimu nebo v režimu interaktivním s elektrickou sítí by v principu mohla být kratší než záložní doba systému UPS provozovaného v záložním režimu. Baterie by tedy mohla být menší. Snížením doby běhu baterie pro dané zatížení ale roste její namáhání a klesá spolehlivost systému. Zmenšení kapacity baterie tak, aby byla doba běhu zkrácena pod 5 minut, není při současné technologii výroby baterií praktické. Baterie by bylo možné eliminovat při použití systému UPS se setrvačníky v kombinaci se systémem generování energie v nepřetržitém režimu nebo v režimu interaktivním s elektrickou sítí. Z údajů však nevyplývá, zda by tento postup vedl ke snížení celkových nákladů na vlastnictví. Z údajů o výpadcích skutečných datových středisek navíc vyplývá, že záložní doba poskytovaná bateriemi může při abnormálních podmínkách výpadku poskytnout čas pro lidský zásah a zabránit tak prostojům. 7
Převod střídavého proudu na stejnosměrný Z některých diskusí o ch článcích a mikroturbínách vyplývá, že tato technologie by mohla vyloučit používání střídavého proudu v datových střediscích a síťových sálech. Základní představou je, že by byly kritické zátěže napájeny stejnosměrným proudem a nedocházelo by tolikrát k přeměně energie. Palivové články i mikroturbíny generují stejnosměrný proud, který by bylo potenciálně možné použít přímo. Tato představa není realistická ani praktická. Mnohá zařízení nezbytná k provozu datového střediska nebo síťového sálu vyžadují střídavý proud a je velmi nepravděpodobné, že by mohla být k dispozici ve stejnosměrných verzích. K těmto zařízením patří osvětlení, klimatizace, kancelářská zařízení a dokonce i osobní počítače. Navíc předpoklad, že je distribuce stejnosměrného proudu účinnější nebo má jiné výhody oproti distribuci střídavého proudu, je nepravdivý 3. Kombinace vytápění a napájení Všechny systémy generování energie vytvářejí větší množství tepla než elektrické energie. Pokud by bylo možné toto teplo využít a vyloučit tak potřebu jiné tepelné energie, dosáhlo by se značných úspor. Datová střediska a síťové sály však bohužel vytvářejí dostatečné množství tepla a žádné další nepotřebují. K dosažení úspor je proto nutné alternativní využití nepřetržité tepelné energie. Tuto podmínku splňuje jen málo míst. Z údajů v těchto konkrétních případech však vyplývá, že celkové náklady na vlastnictví systému generování energie interaktivního typu mohou být nižší než celkové náklady na vlastnictví záložního systému. Z údajů také vyplývá, že při kombinovaném využití tepla a generované elektrické energie jsou celkové náklady na vlastnictví při použití systému na zemní plyn nižší než při použití ch článků nebo mikroturbín. Kombinace chlazení a napájení Další možností využití odpadního tepla vytvářeného při generování elektrické energie je pohánění chladicího systému pomocí zařízení zvaného absorpční chladič. V tomto případě je odpadní teplo přeměněno na chladicí kapacitu, která je v datovém středisku potřebná. Vzhledem k tomu, že typické datové středisko může k provozu chladicího systému odebírat stejné množství energie jako k provozu kritické zátěže, poskytuje tento způsob dvojí výhodu ve snížení elektrického zatížení a současně zlepšení účinnosti systému generování energie. Teoreticky by tak pro datové středisko šlo podstatně snížit náklady na vlastnictví. Dosud nevyřešeným technickým problémem zůstává zajištění odolnosti kombinovaného chladicího a napájecího systému proti výpadkům beze ztráty uvedených výhod. 3 Problematika použití stejnosměrného proudu v datových střediscích je diskutována v dokumentu White Paper č. 63: Střídavý a stejnosměrný proud v datových střediscích a síťových sálech společnosti APC. 8
Výkon kombinovaného chlazení a napájení s použitím absorpčního chladiče se zvyšuje s rostoucí teplotou odpadního tepla. Z tohoto důvodu nejsou technologie ch článků, jako například PEM, vhodné k použití s absorpčními chladiči, protože mají nízkou provozní teplotu. Charakteristiky odpadního tepla mikroturbín jsou pro kombinaci chlazení a generování energie vhodnější. Úplná nezávislost na elektrické rozvodné síti V literatuře se příležitostně uvádí, že by palivové články a mikroturbíny mohly umožnit úplné odpojení datového střediska od elektrické rozvodné sítě. Nebylo by pak nutné hradit poplatky za záložní výkon a jiné, plynoucí z používání elektrické sítě. Datové středisko by bylo možné umístit do lokality, kde ani nelze získat přístup ke střídavé elektrické napájecí síti. Nezávislost na elektrické rozvodné síti odkrývá zcela novou oblast technických problémů, jako je například studený start systému generování elektrické energie a ztráta možnosti použít elektrické rozvodné sítě jako záložního zdroje energie. Zařízení je navíc stále závislé na dodávkách paliva potrubím nebo cisternami a může být tedy ohroženo stávkami nebo jiným přerušením zásobování. Dodávka plynu může být přerušena v krizových situacích, například při poklesu tlaku plynu v období vysoké poptávky, která může nastat například z důvodu neobvykle chladného počasí. Z údajů vyplývá, že pokud by cílem bylo úplné odpojení od elektrické rozvodné sítě, konvenční motorový by stále poskytoval výhodu nižších celkových nákladů na vlastnictví oproti m článkům a mikroturbínám. 9
Závěr Místní generování energie pro případy dlouhodobých výpadků zůstává požadavkem pro zajištění vysoké dostupnosti datových středisek a síťových sálů. Konvenční přístup spočívající v použití záložních motorových napájecích ů má v blízké budoucnosti ekonomickou výhodu oproti m článkům a mikroturbínám. Je-li nutné snížit emise, je oproti použití technologie ch článků nebo mikroturbín výhodnější přejít od dieselových ů ke ům na zemní plyn nebo propan. Technologické inovace, které podstatně sníží cenu ch článků a technologie konverze, by mohly umožnit nahrazení motorových ů mi články, avšak cesty vedoucí k dosažení takového snížení nákladů dosud nebyly představeny. Kombinace režimu interaktivního s elektrickou sítí se současným chlazením a generováním energie by mohla představovat v oblasti celkových nákladů na vlastnictví značnou výhodu mikroturbín před konvenčními přístupy. Je však nutné překonat řadu technických překážek a dosáhnout cenově efektivních metod k zajištění odolnosti proti výpadkům. Nejlepší investicí vedoucí k maximalizaci dostupnosti napájecího systému je z hlediska uživatele zlepšení architektury odolnosti proti výpadkům s použitím aktuální technologie využívající motory. K těmto investicím patří zavedení architektury s duálním rozvodem napájení, zavedení architektury N+1, zlepšení integrace a testování systému, zlepšení přístrojového vybavení a zdokonalení monitoringu. 10
Příloha 1: Údaje o celkových nákladech na vlastnictví Tato příloha obsahuje údaje, které byly použity k vytvoření obrázku 1 v tomto dokumentu, a stručně objasňuje použitý model. Model vychází z přímých a opakovaných nákladů včetně nákladů na energii, které nasčítá po dobu životnosti systému a potom je vyjádří v dolarech na jeden watt výkonu systému. Jsou použity následující předpoklady: Jako záložní je uvažován vodíkový článek, zatímco u palivového článku v nepřetržitém režimu se předpokládá, že je vybaven konverzním systémem a používá zemní plyn. Je uvažován s pohonem na zemní plyn nebo propan, nikoli dieselový. Náklady na dieselové zařízení by byly přibližně o 25 % nižší. U všech systémů, které nejsou provozovány v záložním režimu, je uvažován poplatek rozvodné společnosti za záložní výkon. Jedná se o roční poplatek, který si rozvodná společnost účtuje za poskytnutí dodávky elektrické energie, kterou lze použít jako zálohu. Jeho výše je vyjádřena jako část základní sazby vztažená k jednotce výkonu systému. Poplatek za elektrickou energii představuje průměrnou sazbu při nepřetržitém provozu a zahrnuje poplatky související s použitím ve špičkách. Tento poplatek bývá vyšší než základní sazba. Tento model byl vytvořen s použitím nákladů pro systémy o výkonu kolem 250 kw. Náklady USD/W budou nižší u systémů s podstatně vyšším výkonem a mohou být vyšší u systémů s podstatně nižším výkonem. 11
Tabulka 1: Údaje použité k výpočtu celkových nákladů na vlastnictví Parametry návrhu Životnost systému roky 10 Procentuální zátěž % 35% Jmenovitá kapacita kw 250 Nákladov parametry Nepřetržitý článek (H) Nepřetržitý článek článek Nepřetržitá Investiční/přímé náklady Inženýring USD/W 0.2 0.2 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 Jednotky u (3 roky) USD/W 0.4 0.4 0.4 2 2 2 0.8 0.8 0.8 Invertor ss./stř. USD/W 0 0 0 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Pomocná zařízení USD/W 0.3 0.3 0.3 0.4 1.4 1.4 0.3 0.3 0.3 Skladování paliva USD/W 0.1 0.1 0.1 0.7 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 Instalace USD/W 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.15 0.15 0.15 Náklady na údržbu Náklady na údržbu USD/W/ rok 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 Sazby a poplatky Instalace el. Sítě USD/kW 0 0 0 0 0 0 0 0 0 výkon % sazby 0% 10% 10% 0% 10% 10% 0% 10% 10% Sazba za elektřinu USD/kWh $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 Sazba za palivo USD/kWh $0.017 $0.017 $0.017 $0.200 $0.017 $0.017 $0.017 $0.017 $0.017 Sazba za zpětné dodávky USD/kWh $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 $0.070 Výkon Ztráta generování bez zátěže % 25% 25% 25% 10% 10% 10% 20% 20% 20% Účinnost generování s plnou zátěží % 30% 30% 30% 40% 35% 35% 28% 28% 28% % doby použití el. Sítě % 100.0% 0.1% 0.1% 99.9% 0.1% 0.1% 99.9% 0.1% 0.1% TCO po dobu životnosti Nepřetržitý článek (H) Nepřetržitý článek článek Nepřetržitá Přímé náklady USD/W $1.10 $1.10 $1.10 $4.00 $4.40 $4.40 $2.05 $2.05 $2.05 Roční poplatky USD/W $0.40 $0.96 $0.96 $0.40 $0.96 $0.96 $0.40 $0.96 $0.96 Čistá energie USD/W $1.96 $1.81 $0.90 $1.97 $1.45 $0.25 $1.96 $1.88 $1.22 Total $$ kusd $865 $967 $739 $1,593 $1,702 $1,402 $1,102 $1,222 $1,057 Mezivýpočty Energie zátěže kwh 7,000,000 Jednorázové náklady kusd $275 $275 $275 $1,000 $1,100 $1,100 $513 $513 $513 Poplatky za zálohu kusd/ životnost $0 $140 $140 $0 $140 $140 $0 $140 $140 Další roční náklady kusd/ životnost $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 Součet ročních nákladů kusd $100 $240 $240 $100 $240 $240 $100 $240 $240 Fixní ztráty u kwh 0 4,995,000 4,995,000 2,000 1,998,000 1,998,000 4,000 3,996,000 3,996,000 Proporcionální ztráty u kwh 0 14,568,750 41,625,000 9,800 12,287,700 35,107,714 16,600 16,583,400 47,381,143 Výstupní energie u kwh 0 6,993,000 19,980,000 7,000 6,993,000 19,980,000 7,000 6,993,000 19,980,000 Požadovaná energie z el.sítě kwh 7,000,000 7,000 7,000 6,993,000 7,000 7,000 6,993,000 7,000 7,000 Požadovaná energie paliva kwh 0 26,556,750 66,600,000 18,800 21,278,700 57,085,714 27,600 27,572,400 71,357,143 Prodaná energie z el. Sítě kwh 12,980,000 12,980,000 12,980,000 Náklady na energii kusd/ životnost $490 $452 $1,133 $493 $362 $971 $490 $469 $1,214 Prodaná energie z el. Sítě kusd/ životnost $909 $909 $909 Náklady na čistou energii kusd/ životnost $490 $452 $224 $493 $362 $62 $490 $469 $305 12