在決議一個數據中心的建造方位時，保證其與電網的牢靠銜接一般是企業有必要考慮的頭等大事。但這也約束了再生動力豐厚卻方位偏僻的數據中心的建造和運營。

微軟公司期望另辟蹊徑，多年來致力開發和研討更好的處理辦法。在曩昔五年中，微軟公司一向在研制不同的數據中心供電辦法，例如在機架層面運用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池。這將為數據中心建造與運營供給了方位、牢靠性和動力功率方面的優勢，但也帶來了全新的應戰。

上一年，在懷俄明州Dry Creek水收回設備和加州大學歐文分校的美國國家燃料電池研討中心進行了實驗后，微軟公司在燃料電池商業化方面邁出了迄今為止的最大一步。

微軟公司云基礎設備和運營總經理 Christian Belady（左）與微軟公司云核算基礎設備與運營高檔研討項目經理 Sean James（右）在西雅圖的先進動力實驗室

2017年9月，微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司協作推出了"世界上第一個天然氣驅動的燃料電池供電數據中心"的規劃。

"咱們在西雅圖的先進動力實驗室（The Advanced Energy Lab）中布置了 20 個機架。"微軟公司云核算基礎設備與運營高檔研討項目經理 Sean James說，"這個項目如此具有顛覆性的原因是，它怎么從根本上簡化了服務器供電的進程，以及使數據中心的能效簡直翻了一番，一起降低了本錢，并進步了牢靠性。"

該項目規劃稱之為"Stark和簡略數據中心"，將燃料電池布置在服務器機架。燃料電池由陽極、陰極和它們之間的電解質層組成。

在氫氣燃料的質子交流膜燃料電池（PEMFC）的狀況下，氫分子在陽極分解成質子和電子，由催化劑激活。質子可直接穿過質子交流膜抵達陰極，而電子只能經過外電路才干抵達陰極。 當電子經過外電路流向陰極時就發生了直流電。

不同的燃料電池運用不同的電解質和電荷轉移離子，但最有期望用于數據中心的兩種燃料電池似乎是質子交流膜燃料電池 （PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），后者直接運用天然氣作為燃料。

固體氧化物燃料電池具有更高的功率、更大的容量，合適連續發電，但運轉在更高的溫度，將發生二氧化碳，并對負載改動不靈敏。

質子交流膜 （PEMFC）燃料電池依然是當然最環保潔凈的燃料電池體系，只出產廢水，但由于氫氣的發生和貯存比較困難，很難廣泛運用。可是，這種狀況可能會在未來發生改動。

固體氧化物燃料電池是替代電網的一種快速和可行的計劃，依然能夠供給一些環境優勢。微軟公司估計可削減49％的二氧化碳排放量，削減91％的氮氧化物，削減68％的一氧化碳，削減93％的揮發性有機化合物。

微軟公司正在實驗在研討燃料電池供電的數據中心的辦法：在機架設備的直流供電方面，該公司解釋說，它現已一起對Hydrogenics HyPM 10kW的質子交流膜燃料電池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2.5kW的固體氧化物燃料電池（SOFC）進行測驗。

Hydrogenics燃料電池體系在規劃時考慮到了數據中心和電信設備的運用特色，而現在固體氧化物燃料電池（SOFC）體系尚不存在相似的產品，其首要針對住宅和商業修建范疇，旨在用于熱電聯產。

該文件指出："估計為數據中心的機架內發電而規劃的固體氧化物燃料電池（SOFC）體系將發生更多的電力和更少的熱量，而這些將被數據中心中現有的空氣和空氣通風體系冷卻。"

該辦法進步動力功率的關鍵是削減輸電損耗。由于電能沿著導線傳輸時會損耗一部分，而在這些損耗存在于規范數據中心、發電廠、變電站、變壓器和交直流改換中。

跟著燃料電池布置在服務器機架，一種稱為分布式燃料電池（DFC）的辦法現已選用，其電力損耗僅限于電池自身的電源改換。

微軟公司稱，由于在發電、輸電和配電進程的電力損耗，發電廠供給的電能只要不到35％是數據中心耗費的。當考慮到數據中心的現場冷卻、照明和動力貯存相關的動力耗費時，發電廠供給的電能只要17.5％用于服務器運轉。

在一篇名為"數據中心的燃料電池：從服務器發生的電能"的研討報告中，微軟公司指出，在運用天然氣燃料電池辦法時，假設服務器的冷卻負荷與傳統燃料電池和數據中心的的作業負荷成份額，那么服務器耗費的電能高達29.5%.假如能夠將燃料電池廢熱用于冷卻進程，還能夠取得進一步的收益。

動力功率并不是運用天然氣燃料電池供電的數據中心具有招引力的僅有要素。牢靠性也可能是一個首要的招引力，由于天然氣的電網基礎設備一般埋在地下，而且不受惡劣氣候的影響。美國天然氣供電的電網牢靠性超越99.999％，而市電電網的牢靠性僅為99.9％或更低。

這意味著數據中心運營商能夠不再選用作為備用電源的柴油發電機組和電池，以及不再選用數據中心內的配電體系，這些設備的本錢占數據中心出資本錢的四分之一以上。

可是，應戰依然存在，這種技能仍處于研討階段。當然，盡管數據中心運營商不再需求憂慮與電網的牢靠銜接，但假如選用固體氧化物燃料電池（SOFC）辦法，則需求接近天然氣供應地點來免除這些憂慮。

但也許最大的問題是快速改動的負載。數據中心的服務器可能在一會兒就能徹底改動他們的動力需求，電網能夠輕松應對。

可是，關于燃料電池來說，假如有一段時間燃料電池運送的電壓或容量缺乏，將會導致服務器關閉或損壞，這可能導致數據中心無法運用。微軟在研討報告中表明，能夠有用處理燃料電池供電數據中心的電源浪涌。

處理這種容量缺乏的辦法有兩種。一種是以容量上限供電，但這會約束服務器的功能，并導致燃料電池和數據中心的利用率缺乏。另一種辦法是運用電池和超級電容器等儲能設備（ESD）來補償負載浪涌時的缺乏。

可是，關于應對最壞狀況的預備需求支付很高的經濟代價。為此，微軟公司供給了SizeCap處理計劃，這個計劃能夠和諧電池和超級電容器等儲能設備（ESD）的規劃和功率上限，能夠完結經濟高效，并處理數據中心的電力缺少問題。微軟公司期望在這兩種辦法之間找到折衷的計劃。

關于SizeCap和燃料電池全體計劃的進一步研討是必要的，但電池的本錢依然非常高。可是，微軟公司期望該辦法很快會被廣泛選用。假如呈現這種狀況，電網對數據中心的影響可能會成為曩昔。

氫氣燃料電池年代的曙光

盡管固體氧化物燃料電池（SOFCs）的支撐者以為全球遍布的天然氣基礎設備的巨大網絡是其布置最大的優勢之一，可是也有一些以為燃料電池的未來在于氫氣為燃料的質子交流膜燃料電池（PEMFC）。

美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）核算科學中心主任Steve Hammond博士表明，"我確實看到固體氧化物燃料電池（SOFCs）是一個利基商場，而且價格恰當貴重。它們最合適于根本負載功率和可變負載或負載。"

一起，質子交流膜燃料電池（PEMFC）在轎車職業推進的功率和本錢方面取得了重大進展。Hammond說，"我以為人們能夠在數據中心范疇充分考慮運用這一技能。"

盡管氫氣燃料電池和鋰離子電池驅動轎車之間的競賽劇烈，制造商現已在這項技能上投入了很多資金，并促使燃料電池的價格大幅下降。

轎車廠商正在采納措施將這項技能用于數據中心。戴姆勒公司上一年年末透露，它已與惠普企業（HPE）以及梅賽德斯奔跑、NREL協作開發持續電源處理計劃的原型和依靠氫氣的固定式電源體系。

"轎車燃料電池體系的成熟度現在不容置疑。他們現已為日常運用做好了預備，并為交通職業供給了一個可行的挑選。"戴姆勒公司燃料電池主管兼戴姆勒子公司NuCellSys首席執行官Christian Mohrdieck教授表明，"可是，動力、工業和住宅部門以外的流動性部門的氫氣燃料電池的時機多種多樣，需求擬定新的戰略。而規劃經濟和模塊化是其重要的應戰。"

自2017年11月起，美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）一向在測驗戴姆勒公司的燃料體系，并將其安裝在動力體系集成設備（ESIF）數據中心。據稱，它是世界上功率最高的數據中心之一，2016年的年平均動力運用功率（PUE）為1.04.

"這個體系仍處于基礎研討階段，咱們研討的重點是能否安全地做到這一點？這是否有含義？是否有一條通往經濟可行性的路途，以及需求進一步的研制是什么？" Hammond說，"咱們有一個原型，我信賴戴姆勒公司能夠為咱們供給一個實際的出產版別，咱們將能夠在年中運轉。"

"這將代表一個早期的過程，該技能將會改動轎車技能。咱們正在做的作業是對轎車燃料電池進行改造，現在還沒有500-100kW的專用數據中心燃料電池。"Hammond說。

他彌補道，"我以為，假如它會對云核算空間發生影響，那么就需求在數據中心的行級機架上完結。咱們曾與微軟公司協作，并對一個50兆瓦數據中心在離網的狀況進行了技能經濟剖析。他們需求100個小時的備份時間。咱們對其在美國的兩個不同數據中心進行了剖析，核算需求多少風力和太陽能來支撐，以及怎么存儲5000兆瓦時當量的氫氣。微軟公司對此很感興趣，他們正在致力于研討，而且在某些時分這將具有經濟含義，但其效益并不能直接表現。"

經濟含義并不是云核算供給商被氫燃料電池招引的僅有原因，也有可能是為了大幅削減碳排放。可是，這些削減的程度取決于氫氣的出產辦法。

在依靠化石燃料的進程中，氫氣的出產總是需求耗費更多的能量，而這種動力能夠從天然氣中收回，大約95％的氫燃料是運用天然氣生成的。制備氫氣的辦法首要是水蒸氣重整甲烷，而甲烷重整進程中將排出二氧化碳和一氧化碳等副產物。

要做到真實的綠色環保，有必要經過電解出產氫氣，在電解中經過水別離氫氣和氧氣原子，而且電力有必要來自可再生動力。

"關于咱們來說，咱們能夠做到這一點，咱們在數據中心園里有太陽能發電體系。"Hammond說。，"也能夠經過購買電力協議，為電解設備供電，而且具有儲氫基礎設備。所以咱們想表明，盡可能安全地采納恰當的安全機制和失效機制來證明其有用性，但我最憂慮的是選用氫氣可肥讓人感到憂慮。"

1937年在興登堡的一場毀滅性的飛艇災禍不只標志著飛艇年代的完畢，也讓人們不再信賴氫氣的運用。

他說，"在美國動力部國家可再生動力實驗室（NREL）在氫氣傳感器和加氣站技能方面做了很多作業。咱們一向安全地運用氫氣。可是，關于數據中心技能人員來說，需求做同樣的作業，依然需求從根本上從頭考慮數據中心設備，以及怎么出產和存儲電能的人員進行多年的研討。"

在曩昔的三年中，Hammond一向在研討這個概念，但沒有取得直接贊助。"我以為這種技能在5到10年內將對數據中心商場發生影響。"他說。

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