По результатам моделирования, проведённого специалистами Wärtsilä, дата-центры, оснащённые двигателями внутреннего сгорания, могут расходовать на 99,97% меньше воды, чем объекты, где применяются комбинированные парогазовые циклы.
Евгения Васильева
Wärtsilä хочет, чтобы центры обработки данных использовали гибкие локальные генераторы, которые в перспективе могли бы поддерживать работу электросетей и помогать балансировать возобновляемые источники энергии. Источник: Корпорация Wärtsilä
Стремительное увеличение числа дата-центров, подстёгиваемое спросом на облачные сервисы и технологии искусственного интеллекта, выводит энергетическую инфраструктуру в число наиболее острых отраслевых проблем. Финский технологический концерн Wärtsilä полагает: справиться с этим спросом способны гибкие электростанции, работающие на двигателях внутреннего сгорания, — при условии одновременного сокращения издержек, водопотребления и занимаемых земельных площадей.
В новом исследовании компании подсчитано: если для энергоснабжения изолированных дата-центров суммарной мощностью 55 гигаватт (ГВт) применять гибкие двигатели вместо газовых турбин комбинированного цикла (CCGT), за 20 лет удастся сберечь 196 миллиардов евро (220 миллиардов долларов). В основе такого сценария — допущение, что к 2035 году мировая мощность автономных дата-центров достигнет 55 ГВт; цифра опирается на сторонние прогнозы и на оценку уже заявленных проектов.
Подобные выводы прозвучали на фоне того, что операторы дата-центров всё чаще склоняются к выработке электроэнергии на месте, вместо того чтобы дожидаться технологического присоединения к сети. Во многих регионах сетевая инфраструктура не поспевает за возведением новых объектов — поэтому независимая генерация становится для них всё более привлекательным решением.
Почему Wärtsilä делает ставку на двигатели внутреннего сгорания
В установках с комбинированным циклом электроэнергия сначала производится газовой турбиной, а затем тепло отходящих газов преобразуется в пар, который вращает вторую турбину. По сравнению с газовыми турбинами простого цикла это даёт более высокую топливную эффективность, из-за чего комбинированные установки и получили широкое распространение в крупномасштабной энергетике.
Wärtsilä предлагает иной путь. Основой электростанций становятся гибкие поршневые двигатели, которые способны сравнительно быстро запускаться, останавливаться и менять выдаваемую мощность — благодаря этому операторы могут оперативно откликаться на колебания спроса.
Для дата-центров, где требуется бесперебойное и надёжное электроснабжение, такая гибкость особенно ценна. Электростанции на двигателях допустимо дополнять системами накопления энергии — они покрывают спрос и служат резервом. По утверждению Wärtsilä, подобное сочетание позволяет получить нужную мощность при меньшем числе генерирующих агрегатов и с меньшей суммарной площадью инфраструктуры, нежели альтернативный комбинированный парогазовый цикл.
Согласно оценкам исследования, переход на двигатели даёт сокращение водопотребления на 99,97% и высвобождает территорию, где можно было бы разместить порядка 2200 футбольных полей. Приведённые цифры получены путём моделирования, выполненного компанией, а не измерений на работающих дата-центрах.
Откуда такая разница в водопотреблении?
Стоит отдельно остановиться на том, откуда берётся столь радикальная разница в водопотреблении. Комбинированный парогазовый цикл предполагает выработку пара для второй турбины, а пар требует воды — прежде всего для восполнения потерь в цикле охлаждения и конденсации. В засушливых регионах, где земля относительно дешева и где как раз любят размещать крупные энергоёмкие объекты, это превращается в серьёзное ограничение.
Поршневые двигатели обходятся без парового контура: тепло отводится воздухом или сравнительно небольшим количеством жидкости, которая циркулирует в замкнутом контуре. Отсюда и почти полное отсутствие безвозвратного расхода воды — цифра в 99,97% выглядит экстравагантно, но отражает именно разницу в технологической схеме, а не мелкую оптимизацию.
Второй фактор — занимаемая площадь. Установки комбинированного цикла требуют развитой инфраструктуры: котлов-утилизаторов, систем водоподготовки, градирен, протяжённых трубопроводов. Всё это занимает место и увеличивает капитальные затраты.
Модульные двигательные электростанции собираются из типовых блоков, вводятся очередями и наращиваются по мере роста нагрузки. Для дата-центров, которые строятся этапами и годами ждут подключения к сети, такая поэтапность важна не меньше, чем абсолютные показатели эффективности.
Заявленное высвобождение территории эквивалентно примерно 2200 футбольным полям — величина условная, но она показывает порядок: речь идёт о сотнях гектаров, которые в плотной городской или пригородной застройке найти непросто.
Дата-центры могут стать частью энергосистемы
Возможности предложения не сводятся к автономному снабжению дата-центров. Wärtsilä настаивает: после того как объекты подключат к сетям на постоянной основе, гибкие двигатели в перспективе помогут стабилизировать работу энергосистем.
Выработка на ветряных и солнечных станциях зависит от погоды и времени суток. Именно поэтому энергосистемам требуются ресурсы, способные оперативно корректировать подачу электричества вслед за изменениями в выработке возобновляемых источников. Частично закрыть эту потребность могли бы гибкие двигатели в связке с накопителями энергии.
В результате роль инфраструктуры дата-центров способна измениться. Объекты с собственной генерацией, подключённые к сети, потенциально смогут поддерживать энергосистему в целом — а не оставаться лишь крупными потребителями электроэнергии.
По расчётам Wärtsilä, применение таких технологий вместе с возобновляемыми источниками позволит избежать дополнительных затрат на балансирующие мощности — до 200 миллиардов евро на горизонте 20 лет. Правда, как отмечают представители компании, это зависит от того, насколько рынок электроэнергии и энергосистема будут поощрять гибкость, которую способны обеспечить подобные объекты.
Не менее существенен вопрос экономики. Сопоставление на горизонте 20 лет даёт сотни миллиардов евро разницы, однако львиная доля этой суммы определяется не ценой топлива, а капитальными затратами, стоимостью подключения и режимом работы. Комбинированный цикл выгоднее там, где объект работает с высокой загрузкой и стабильной базовой нагрузкой.
Дата-центр с его неравномерным профилем потребления — не идеальный потребитель для такой генерации: турбины плохо переносят частые пуски и глубокие разгрузки, а именно в таком режиме им пришлось бы работать при автономном снабжении. Двигатели, напротив, рассчитаны на переменный режим, и их экономическая привлекательность во многом проистекает из этой способности работать в широком диапазоне мощностей без потери ресурса.
Рекуперация отработанного тепла может принести дополнительную пользу
Есть и ещё один резерв — повторное использование тепла, которое производят дата-центры. Серверы выделяют немало тепла, и обычно его отводят системами охлаждения. Однако вместо простого сброса в окружающую среду часть предприятий могла бы улавливать это тепло и направлять его в соседние дома и на предприятия через сети централизованного теплоснабжения.
В исследовании Wärtsilä ссылается на данные Международного энергетического агентства: утилизируемое тепло дата-центров способно покрыть примерно 10% потребностей Европы в отоплении, что в перспективе даст чистый экономический эффект до 180 миллиардов евро за 20 лет.
Более существенный довод состоит в том, что рост числа дата-центров не должен оборачиваться дополнительной нагрузкой на электросети и местные ресурсы без ощутимой отдачи для общества. Когда имеются подходящая инфраструктура и рыночные стимулы, локальная генерация, хранение энергии и рекуперация тепла помогут встроить такие объекты в энергетические системы будущего.
Вместе с тем прогнозируемая экономия по-прежнему опирается на допущения, заложенные в сценарий Wärtsilä, — в том числе на масштабы распространения автономных дата-центров и на экономическую эффективность конкурирующих энерготехнологий. Исследование описывает возможную траекторию развития, а не доказывает, что дата-центры с двигателями внутреннего сгорания непременно обеспечат подобные выгоды в больших масштабах.
Наконец, рекуперация тепла заслуживает более пристального взгляда. Утилизация тепла серверов через сети централизованного теплоснабжения технически возможна, но требует низкотемпературных источников и соответствующей инфраструктуры в непосредственной близости.
В Европе с её развитыми системами отопления это реалистично; во многих других регионах таких сетей попросту нет. Оценка в 10% потребностей Европы в отоплении — это верхняя граница, зависящая от плотности застройки и сезонности спроса. Тем не менее сочетание локальной генерации, накопителей и утилизации тепла показывает направление, в котором дата-центр перестаёт быть чистым потребителем ресурсов и становится элементом энергосистемы с несколькими полезными функциями.
Минусы и ограничения
Тем не менее, у двигательных установок есть и свои ограничения, которые в исследовании отражены слабее. Поршневые агрегаты требуют регулярного обслуживания, а их удельные выбросы на единицу выработки обычно выше, чем у крупных турбин комбинированного цикла, что важно для регионов с жёсткими экологическими нормативами.
Масштабирование до гигаваттных объёмов означает десятки и сотни агрегатов — это и логистика, и обслуживание, и вопросы акустики. Кроме того, экономия от гибкости реализуется только при наличии соответствующих рынков: если тарифы и правила не поощряют быстрый отклик, преимущество остаётся невостребованным. Именно поэтому Wärtsilä неоднократно оговаривается, что итог зависит от рыночного дизайна.
Итог исследования стоит воспринимать как обоснованную гипотезу, а не как прогноз. Модель Wärtsilä корректно указывает на узкие места традиционного подхода — воду, землю, инерционность подключения — и предлагает технологию, которая эти узкие места обходит.
Насколько масштабно реализуется сценарий, будет определяться не инженерными расчётами, а тем, как быстро операторы дата-центров согласятся строить собственную генерацию и насколько энергетические рынки сумеют оплатить гибкость, которую они способны предложить.
