Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 3 2020
Энди ЛОУРЕНС  31 августа 2020

Дата-центры без дизель-генераторов. В начале пути

Почти в каждом ЦОДе мечтают заменить генераторы более современными и экологичными системами. В ближайшие годы мы вряд ли станем свидетелями полного отказа от генераторов, но доля рабочей нагрузки, для которой они резервируют электропитание, будет сокращаться.

В 2012 г. Microsoft объявила о планах избавиться от дизель-генераторных установок (ДГУ) в своем парке ЦОДов в Куинси (шт. Вашингтон, США). Шесть лет спустя та же компания для схожей площадки запросила разрешение установить 72 дизель-генератора с планируемым сроком службы не менее десяти лет. Этот пример наглядно показывает, насколько важны ДГУ для средних и крупных ЦОДов. Немногие – очень немногие – могут сегодня хотя бы вообразить себе дата-центр без генератора.

Почти любой оператор и владелец дата-центра хотел бы убрать дизель-генераторы и заменить их более современными и экологически чистыми системами автономного электропитания. Генераторы грязны: они выделяют не только углекислый газ, но и твердые частицы, что означает регуляторные и эксплуатационные ограничения. Генераторы дорого стоят. Они простаивают большую часть времени и создают существенные эксплуатационные накладные расходы: их надо регулярно тестировать, гарантировать выполнение все более жестких нормативных требований, управлять процессами, связанными с обеспечением топлива – доставка, проверка качества, хранение, слив и пр.

Но при всех недостатках дизель-генераторов на сегодняшний день никакая другая технология не сочетает в себе так эффективно низкие эксплуатационные расходы, высокую плотность энергии, надежность, преимущества локального управления и практически неограниченной подачи электричества – пока поставляется топливо.

Преимущества и недостатки дизель-генераторов

 Преимущества Недостатки
 Высокая плотность мощности Высокий уровень выделений углекислого газа
 Надежный автономный источник электроэнергии Высокий уровень выделений твердых частиц
 Проверенная временем и множеством проектов технология Высокие капитальные расходы
 Распространенные системы, знакомые многим специалистам Жесткое регулирование, есть ограничения по эксплуатации
 Практически неограниченная подача электричества Работают только в аварийных ситуациях, подолгу простаивают
 Низкие/средние эксплуатационные расходы Требуют регулярных проверок и технического обслуживания
  
 Простая синхронизация при подключении в параллель. Необходимы топливохранилища большого объема на площадке 
  Требуют много места для размещения
  Низкая мобильность, сложно перемещать 
  Электричество доступно не мгновенно, необходим ИБП

Источник: Uptime Institute

Неужели все изменится? Не полностью, не сразу и не резко… но да, изменится. Мотивация к отказу от дизель-генераторов все сильнее, особенно у крупнейших операторов (большинство из них уже снизили насколько возможно выбросы углекислого газа, и генераторы остаются главным источником загрязнений). И сочетание новых технологий, таких как топливные элементы, литий-ионные аккумуляторные батареи и современное ПО управления, становится все более эффективным. Хотя полностью и повсеместно от ДГУ, конечно, не откажутся, но мы ожидаем, что уже с нынешнего года их доля будет сокращаться во все большем числе проектов по построению или модернизации ЦОДов.

Можно выделить четыре направления деятельности, касающиеся разработки новых технологий и их внедрения, которые приведут к тому, что в будущем роль дизель-генераторов в ЦОДах будет снижаться – или вообще сойдет на нет.

Топливные элементы и непрерывная генерация на площадке 

Возможность замены генераторов топливными элементами интенсивно изучалась (и в меньшей степени испытывалась) в течение последнего десятилетия. По крайней мере три поставщика – Bloom Energy (США), Doosan (Южная Корея) и SOLIDPower (Германия) – имеют инсталляции топливных элементов в ЦОДах. Из них наиболее известен успешный проект Bloom Energy с Equinix. Топливные элементы, возможно, являются единственной технологией (помимо генераторов), которая может обеспечить надежную непрерывную генерацию электричества непосредственно на площадке ЦОДа.

Использование топливных элементов для ЦОДов – вопрос спорный и горячо обсуждается. Некоторые, включая активистов из Санта-Клары (шт. Калифорния, США), утверждают, что топливные элементы, как и генераторы, не являются экологически чистыми, поскольку большинство из них используют газ на основе ископаемого топлива (или водород, для получения которого обычно требуется энергия на основе ископаемого топлива). Другие говорят, что использование магистрального или локально хранящегося газа создает риски для надежности и безопасности.

Этим аргументам можно противопоставить довольно высокую надежность систем газораспределения и тот факт, что проблемы безопасности при их эксплуатации возникают довольно редко. Но топливные элементы имеют два других существенных недостатка: во-первых, они стоят больше, чем генераторы, в пересчете на киловатт-час и в основном экономически оправдывают себя только при поддержке соответствующих проектов различными грантами; во-вторых, они требуют постоянной, устойчивой нагрузки (из-за архитектуры топливных элементов). Это приводит к усложнению конструкции и еще большему удорожанию проектов.

Дебаты, конечно, будут еще продолжаться. Но системы на базе топливных элементов, несмотря ни на что, активно разворачиваются: запланированный парк ЦОДов в Коннектикуте (информация о владельце/операторе в настоящее время является конфиденциальной) будет иметь 20-МВт установку на топливных элементах Doosan; Equinix заявляет об увеличении числа установок; Uptime Institute получает информацию и о схожих планах других компаний. Главные причины выбора топливных элементов не связаны с их стоимостью или надежностью, скорее, это возможность добиться резкого сокращения выбросов углекислого газа и других вредных веществ и построить систему, в которой оборудование не будет простаивать.

Идея использования возобновляемых источников энергии на местах в качестве основной системы энергоснабжения ЦОДов пока не получила особой поддержки. Но эксперты Uptime Institute видят набирающую обороты тенденцию: размещение дата-центров рядом с местными источниками энергии, такими как гидроэнергия (или, в теории, биогаз). В Европе рассматриваются по меньшей мере два таких проекта. Такие ЦОДы будут опираться на два отдельных, но локальных источника энергии, что обеспечит теоретическую возможность обслуживания без отключения полезной нагрузки (concurrent maintainability) в случае отказа одного из них. Локальное накопление энергии с использованием батарей и других технологий обеспечит дополнительную безопасность в части энергоснабжения.

Edge-ЦОДы

Средние и крупные дата-центры предъявляют высокие требования к электропитанию, и в большинстве случаев им нужна высокая доступность систем энергоснабжения. Но это не всегда верно для небольших ЦОДов, скажем, с энергопотреблением ниже 500 кВт, которых, как ожидается, в ближайшее десятилетие будет становится все больше. Таким ЦОДам проще обеспечить дублирование ИТ-нагрузки и данных в аналогичных ЦОДах, расположенных поблизости, их проще включить в распределенные системы восстановления, и в любом случае они вызовут меньше проблем, если пострадают от перебоев в подаче электричества.

Но главное здесь то, что такие ЦОДы могут развертывать аккумуляторные батареи (или небольшие топливные элементы) для достижения достаточного времени автономии, перераспределяя трафик и нагрузки по сети при угрозе превышения емкости автономных ресурсов электроэнергии. Например, смонтированная в контейнере система литий-ионных аккумуляторов емкостью 500 кВт*ч может выполнять все функции источника бесперебойного питания, подавать энергию обратно в центральную электросеть и обеспечивать несколько часов работы небольшого ЦОДа (скажем, на 250 кВт) в случае отключения электропитания. По мере совершенствования технологии и снижения цен такие развертывания станут обычным делом. Кроме того, при использовании вместе с небольшим генератором эти системы могут обеспечивать электроэнергию в течение длительного времени.

Отказоустойчивость в облачной среде

Когда представители Microsoft, Equinix и других компаний говорят о снижении зависимости от генераторов, они в основном имеют в виду широкое использование альтернативных источников энергии. Но «Святой Грааль» для операторов гипермасштабируемых ЦОДов и даже меньших кластеров дата-центров – это репликация и управление нагрузкой для быстрой переконфигурации сети ЦОДов, если один из ее элементов начинает испытывать проблемы с электроснабжением.

Такие архитектуры доказывают свою эффективность, но они дороги, сложны и далеко не всегда обеспечивают безотказное предоставление сервисов конечным пользователям. Даже при полной репликации потеря всего ЦОДа не может не вызвать проблем с производительностью. По этой причине все крупные операторы продолжают строить дата-центры с возможностью обслуживания без отключения полезной нагрузки и автономными системами электропитания на площадке.

Изменится ли такое положение дел по мере совершенствования ПО и дальнейшего развития закона Мура? Исходя из текущего состояния отрасли ЦОДов и планируемых новых проектов, ответ будет категорический: «пока нет». Но в 2019 г. по крайней мере один крупный оператор провел испытания, чтобы определить отказоустойчивость своих ЦОДов с использованием описываемых технологий. Вероятная цель будет заключаться не в полном отказе от генераторов, а в сокращении той части рабочей нагрузки, которая потребует резервирования электропитания с помощью ДГУ.

Литий-ионные АКБ и «умная» энергия

Для проектировщиков дата-центров одним из наиболее важных достижений последних лет является «созревание» – технически и экономически – технологии литий-ионных аккумуляторов. С 2010 по 2018 гг. стоимость таких аккумуляторов (в $ за кВт*ч) упала на 85%, по данным Bloomberg NEF (New Energy Finance). Большинство аналитиков ожидают, что цены продолжат неуклонно снижаться в течение следующих пяти лет, причем основной причиной этого будет крупномасштабное производство. Таким образом, создается возможность внедрения новых решений для накопления электроэнергии – в том числе в качестве замены генераторов.

Хотя массовое внедрение литий-ионных аккумуляторов в ЦОДы только начинается, все больше участников рынка – крупных операторов, производителей и стартапов – рассматривают возможность использования литий-ионных хранилищ энергии в сочетании с различными технологиями ее генерации, чтобы уменьшить свою зависимость от традиционных дизель-генераторов. Не стоит рассматривать прямую замену генераторов на литий-ионные накопители, это вряд ли будет экономически выгодно (по крайней мере, в ближайшее время). Скорее речь может идти об использовании таких накопителей в различных схемах совместно с ИБП. Например, реализуя перенос нагрузки и закрытие приложений в соответствии с уровнем их критичности, можно значительно увеличить время автономной работы от ИБП, а значит, позже запускать генераторы (или вовсе от них отказаться). Вероятно, уже в текущем году мы узнаем о пилотных проектах с использованием таких схем.

Вместе с тем уже появились альтернативные технологии, которые могли бы конкурировать с литий-ионными батареями в ЦОДах. Это, например, натрий-ионные батареи на основе электродов, модифицированных берлинской лазурью (Prussian blue). Так что технический прогресс не стоит на месте, и традиционным дизель-генераторам будет все труднее сохранять свое «место под солнцем» на стремительно развивающемся рынке ЦОДов.

Энди Лоуренс, исполнительный директор по исследованиям, Uptime Institute
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!