文章来源：微软新闻 | 翻译：世界铂金投资协会
今年六月初的一个阴天，一对40英尺长的集装箱里装着的氢燃料电池开始加速运转，工程师们聚集在笔记本电脑周围，上面显示着这台史无前例的氢发电机电池的状态、健康状况和功率输出数据。
微软数据中心高级开发团队的首席基础设施工程师Mark Monroe惊呼道：“就是这样！它现在正以三兆瓦的功率运行。”建造燃料电池系统的Plug公司的工程师们发出了热烈的喝彩和欢呼，穿透了集装箱顶部风扇和蒸汽管道的白噪音。这是微软为备用柴油发动机寻找零碳排放替代品的最新里程碑，这种替代品可以在停电和其他服务中断的情况下依然维持运营。
微软数据中心研究主任Sean James说：“对于数据中心行业来说，我们刚刚见证的是一个历史性的时刻，我们有一台不产生排放物的发电机，这非常令人震惊。”
数据中心是云计算背后的物理基础设施。它可以储存宠物视频和度假照片，允许工作人员远程聚在一起进行虚拟会议，还可以让游戏玩家聚集在一起构建世界、线上赛车和攻克敌军。它们使世界各地的企业实现了数字化转型，使他们能够快速、安全地响应客户的需求并管理供应链物流。
从本质上讲，数据中心是最不显眼的仓库，里面装满了数以万计的计算机服务器和维持服务器每周7天、每天24小时运转所需的设备。这包括将服务器存储在一个较为舒适温度的机器中，以及即使在电网中断时也能保持不间断的电力供应。"使数据中心成为数据中心的原因是，即使电网中断，它也能运行。" James说，"停电的时候，服务器也能保持运行。这就是数据中心和堆满电脑的仓库之间的区别。"
微软数据中心高级开发团队的首席基础设施工程师Mark Monroe（左）和微软数据中心研究主任Sean James（右）在纽约莱瑟姆检查三兆瓦的氢燃料电池系统。图源：John Brecher。
新一代的发电机
微软致力于为数据中心客户提供“五九”服务可用性，这意味着数据中心99.999%的时间都在运行。要做到这一点，数据中心运营商在一定程度上依赖于所谓的不间断电源（或称UPS）中的电池，在停电时启动电池，并在备用发电机启动时向服务器供电。
为了确保发电机随时能准备就绪，微软定期对其进行测试，并进行所谓的负载测试，以确保来自服务器和其他数据中心设备的电力负荷能够可靠地转移到发电机上。
虽然备用发电机不常使用，但如果发生停电，它们可以维持数据中心的不间断供电，从而为客户提供服务，因此它们非常重要。
当备用发电机运行时，它们通常需要燃烧化石燃料，尽管微软一直倡导可持续燃料替代品。微软承诺到2030年实现零碳排放，作为该公司承诺的一部分，它将停止使用柴油。为了实现这一目标，微软正在探索短期和长期的替代方案。
例如，在2021年11月，微软在瑞典推出了可持续的数据中心区域，使用瑞典燃料供应商Preem的Evolution Diesel Plus作为发电机燃料。这种柴油含有至少50%的可再生原材料，与标准化石柴油混合燃料相比，其净二氧化碳排放的减少量几乎相当。。
微软首席环境官Lucas Joppa表示，从长远来看，质子交换膜（PEM）燃料电池技术可能是一种可行的零碳排放解决方案。质子交换膜燃料电池在化学反应中结合氢气和氧气，产生电力、热量和水，其过程没有燃烧，没有微粒物质，也没有碳排放。
在莱瑟姆进行的质子交换膜燃料电池测试证明了这项技术在三兆瓦规模上的可行性，这是数据中心第一次在备用发电机规模上进行测试。一旦绿氢可用且经济上可行，这种固定的备用电源可以在各行业得到应用，涵盖范围可以从数据中心到商业建筑和医院。
"三兆瓦的规模是非常有趣的，因为这就是我们现在使用的柴油发电机的规模。"乔帕说。
2013年，微软与加州大学欧文分校的国家燃料电池研究中心一起探索燃料电池技术，他们在那里测试了用固体氧化物燃料电池（即SOFC）为计算机服务器机架供电的想法，其中固体氧化物燃料电池以天然气为燃料。该技术显示了基荷电力的前景，尽管它目前的成本过高。
2018年，微软将质子交换膜燃料电池作为解决备用柴油发电机挑战的潜在方案。由于质子交换膜燃料电池可以像柴油机一样快速开启和关闭，并可以跟随负载上下移动，因此它通常被用于汽车行业。Monroe指出，这种快速反应和跟随负载移动的能力非常适合用于数据中心的备用电源。
"我们开始关注氢气的成本和可用性的预测，开始真正相信这可能是一个解决方案。因此，我们建立了一个愿景。他说："我们的目标范围从一个机架扩大到到一排机架，再到一个房间，最后到一个数据中心。”
2018年，微软与科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室的工程师合作，用一台65千瓦的质子交换膜燃料电池发电机为一个计算机机架供电。然后，在2020年，该团队聘请犹他州盐湖城的Power Innovations公司，建造并测试了一个系统，该系统可以用250千瓦的氢燃料电池系统连续48小时为10个机架（一排）的数据中心服务器供电。
在这次成功的概念验证演示之后，该团队着手证明三兆瓦系统的可行性，其规模足以取代数据中心的柴油发电机。
Monroe指出，问题在于没有人制造出这么大的质子交换膜燃料电池系统——3兆瓦的功率规模比公司在犹他州测试的系统大10倍还多。3兆瓦的能量足以为大约1万台计算机服务器或600个家庭供电。
建造一个三兆瓦燃料电池系统的挑战引起了总部设在莱瑟姆的Plug公司工程师的共鸣，该公司是燃料电池和绿色氢气技术商业开发的先驱。如今，该公司提供整个绿氢生态系统的解决方案，包括氢气的生产和运输到存储、处理和分配。
Plug的工程总监Scott Spink说："在白板上画出来并相信我们能做到是一个很大的乐趣。这个项目的真正挑战是，我们没有依靠一种成熟的技术，燃料电池系统的每一块都是由一个处于最前沿的团队完成的。”
125千瓦的燃料电池（其中每个集装箱里装18个电池）是该公司有史以来制造的最大的燃料电池，而3兆瓦的燃料电池系统是Plug公司最大的应用。因为该系统比以前制造的任何东西都要大，所以相应的部件，从压缩机和热交换器到电网规模的逆变器和输送氢气的管道，也是如此。
该系统是在该公司总部后面停车场旁的一个混凝土平台上零散地组装起来的，用于研发和制造其ProGen系列燃料电池。裸露的电线和管子杂乱无章，散热器风扇的盖子悬在容器上，使该系统看起来就像第一次迭代的原型。
Spink召集的建造该系统的工程师们并没有被这杂乱的外观所困扰。
Plug公司大功率固定设备组的新一代电气工程师Hannah Baldwin被聘请来参与这个项目，她说道："这是我做过的最酷的事情，我不知道在我的职业生涯中将如何超越这个时刻，只是有太多的拼图需要组合起来。看到它们全部组合在一起，并且运作得很好，很稳定，我很有成就感。"
Hannah Baldwin，Plug公司大功率固定装置组的电气工程师，她在纽约莱瑟姆的三兆瓦氢燃料电池系统中检查一个燃料电池的健康状况。图来：John Brecher。
备用电源
在燃料电池发电机达到三兆瓦的里程碑后，微软的James开始了测试，以证明它在现实环境中可以运行。
"我问了两个问题。"他说，"第一个问题已经得到了回答，即这项技术整合在一起能否产生我所需要的功率？第二个问题是，它能像柴油机一样工作吗？柴油机可以非常迅速地产生大量的动力。这就是关键所在。所以，我们要开始模拟数据中心的工作周期，其中之一就是停电。”
当电力供应中断时，不间断电源（UPS）中的电池可以让数据中心运行几分钟，这足以让柴油或氢气发电机升温。理论上，备用发电机一旦启动，只要有燃料供应，就可以让数据中心无限期地运行。
从6月在莱瑟姆的那一天开始，在接下来的几个星期里，Spink的团队对3兆瓦规模的氢燃料电池系统进行了测试，测试的目的是让柴油发电机合格，以证明它可以稳定地运行，包括模拟停电和长时间运行。
Monroe说："我很高兴，这是我们早在2018年就开始的项目的延续。而在2020年，当我们宣布正在进行的小型测试时，我们提到了一个事实，即我们将在未来的某个时候运行一个3兆瓦的测试。那个未来就是现在。"
随着原型测试的完成和概念的验证，Plug公司正专注于推出一款优化的商用大功率固定式燃料电池系统，该系统比Latham市停车场附近平台上的那个占地面积更小，更精简，也更美观。
微软将在一个研究数据中心安装一个这样的第二代燃料电池系统，工程师将在那里学习如何使用和部署新技术，包括制定氢气安全协议。James指出，在实际数据中心首次部署的日期尚不清楚，但可能会在空气质量标准禁止使用柴油发电机的新数据中心。
他说：“当兴奋劲过去后，我就反过来思考，我们成功了一次，但在哪里可以把规模扩大到1000个？"我们已经承诺完全不使用柴油，而且这个供应链必须是健全的，因此我们必须讨论整个氢气行业的规模。”
三兆瓦的氢燃料电池系统由一对40英尺长的运输集装箱组成，每个集装箱都有18个质子交换膜燃料电池。每个集装箱的顶部有一个散热器风扇的盖子。图源：John Brecher。
氢能经济
氢是宇宙中最轻、含量最丰富的元素，它清洁能源的潜力长期受到关注。一个挑战是，虽然像太阳这样的恒星主要由氢组成，但在地球上，氢只与其他元素以化合物的形式存在，比如水或碳氢化合物，如天然气和石油。
从这些天然化合物中分离氢，储存氢，运输氢，并大规模地从氢中提取能量所需的高昂成本和技术限制了它的使用。据Plug公司销售和产品管理副总裁Darin Painter说，在过去十年中，这种情况已经开始改变。
他说，这种变化是由整个氢气生态系统的进步以及人们对可持续发展日益增长的兴趣和承诺推动的。
例如，充足且便宜的风能和太阳能正在通过被称为电解槽的机器生产所谓的“绿氢”。这些机器的运作方式就像一个反向的燃料电池，它们利用能量将水分子分解成氢气和氧气。如果用于运行电解槽的能源来自可再生能源，那么生产的氢气就被认为是绿氢。
莱瑟姆试验中使用的氢是一种低碳的“蓝氢”，是工业生产氯和氢氧化钠的副产品。Painter说，Plug正在扩大美国和欧洲工厂中绿氢的生产规模，以满足日益增长的需求。微软计划在生产数据中心中使用绿氢。
在氢气生态系统的另一端，技术进步带来了密度更大且效率更高的燃料电池组，这些燃料电池组将氢气和氧气结合起来，产生电力、热量和水。
Painter说："所有这些操作都必须建立在你能够达到一个可行解决方案的规模之上。如果我们在10年或15年前就尝试建立这个3兆瓦的系统，当时我们不可能成功。"
Monroe和他的同事在2018年氢燃料电池项目开始时进行了计算，看到了这种计算方式的变化。Monroe说，在每瓦的基础上，氢燃料电池产生的电力很有可能与柴油发电机等其他来源的电力竞争。
为了加速清洁能源解决方案的突破，美国能源部在2021年6月宣布了第一项能源地球计划——氢计划，其目标是在10年内将清洁氢气的成本降低80%，达到1美元/公斤。Monroe指出，一公斤氢气的能量含量与一加仑的汽油的能量含量大致相同。
他补充说，现在需要的是一种催化剂，以扩大绿氢和燃料电池的生产规模，这将降低成本，并增加技术的采用。
Joppa说，微软和数据中心行业的其他参与者处于独特的地位，可以成为这种催化因素，他除了担任首席环境官外，还是微软氢能委员会的代表，这是一个由领先的能源、运输和工业公司组成的全球倡议，旨在促进氢在清洁能源转型中的作用。
Joppa指出，微软对燃料电池和绿氢的业务和可持续性需求向市场发出了需求信号。他还补充说，如果微软投资氢技术，并且技术成功的话，其他公司也会更有兴趣投资氢技术。
"所以，如果我们有信心使用这些技术来确保我们数据中心服务的连续性，这将大大提振我们的信心。"Joppa说。
质子交换膜燃料电池在化学反应中结合氢气和氧气，产生电力、热量和水。虽然大部分的水以液体形式排出，但有一部分以蒸汽形式排出。图源：John Brecher。
城市规模的解决方案
James指出，一个强大的绿氢经济也可以帮助城市过渡到使用100%的可再生能源。这是因为风能和太阳能发电厂产生的多余能量可以用来运行电解槽，实际上是将这些多余的能量储存在氢气中。然后，在没有光照和风力的情况下，这种绿氢可以为燃料电池提供动力，而不产生任何碳排放。
他说："我们想通过不需要光照的清洁能源为我们供电。你将如何做到这一点？这对能量储存要求很高，而氢气是一个很好的方法。"
James设想，未来的数据中心将配备氢燃料电池、储氢罐和电解槽，利用多余的可再生能源将水分子转换成氢。在能源需求旺盛的时期，或者光照、风力不足的时候，微软可以加大燃料电池的功率，将数据中心的负荷从电网中移除，释放电网电力供其他人使用。
将这一愿景变为现实所面临的挑战是迫使这位下一代电气工程师Baldwin坚持在氢经济领域工作的原因，她承认，在她参与燃料电池项目之前，这一职业道路并不是她的首选。
她说："很高兴我可以从事能够改变世界的工作，而氢气有很大的潜力成为一个巨大的规则改变者。很多人想到可再生能源时想到的都是风力涡轮机和太阳能电池板，而不一定想到氢气。但未来，这种情况肯定会有所改变。"（来源：微软新闻）翻译：世界铂金投资协会
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