Prąd stały dla centrów danych. Dlaczego to się opłaca?
Zasilanie centrów danych to karkołomne zadanie dla obecnych sieci energetycznych, przesyłających prąd przemienny i wielu ekspertów uważa, że rozwiązaniem może być przejście na stosowanie prądu stałego. Przemawia za tym między innymi o wiele łatwiejsza integracja z odnawialnymi źródłami energii, które generują właśnie prąd stały. Obecnie prąd z fotowoltaiki i wiatraków jest konwertowany na prąd przemienny przed wejściem do sieci przesyłowej, a w centrum danych z powrotem na prąd stały, zasilający komputery.
Czytaj też: Ogniwa słoneczne z wodorem. Niemcy rozwiązali jego zagadkę
Gdyby udało się stosować prąd stały na całej trasie od źródła do serwerów, architektura zasilania mogłaby zostać uproszczona. Moglibyśmy nie martwić się stratami występującymi przy konwersji, a sieci miałyby niższe koszty eksploatacyjne. To zaś oznacza niższe koszty stosowania modeli AI i innych usług chmurowych dla użytkowników końcowych. Przy tym wcale nie trzeba przebudowywać całej infrastruktury, by zwiększyć jej przepustowość. Czemu jeszcze tego nie zrobiliśmy? Świetne pytanie.
Główną przeszkodą w elastycznym wykorzystaniu prądu stałego była dotąd nieefektywność średnionapięciowych wyłączników (1 kV-36 kV). Zwane potocznie (i błędnie!) bezpiecznikami elementy są niezbędne dla bezpieczeństwa instalacji elektrycznej. To automatyczne wyłączniki odpowiadają za przerwanie obwodu w razie przeciążenia lub zwarcia. Jeśli zawiodą, sprzęt wart miliardy złotych może pójść z dymem. Dosłownie.
Różnica między prądem przemiennym a stałym ma tu kluczowe znaczenie. W przypadku prądu przemiennego zmiana kierunku przepływu prądu tworzy naturalne momenty zerowego natężenia prądu płynącego przez wyłącznik. W sieciach Europy, Azji, Afryki i w Australii dzieje się to 50 razy na minutę (częstotliwość 50 Hz), w Amerykach i Japonii 60 razy na sekundę. To właśnie w tych punktach tradycyjne wyłączniki mechaniczne mogą bezpiecznie przerwać obwód.
Prąd stały płynie jednak jednostajnie w jednym kierunku. System nie ma więc tej „okazji” do bezpiecznego rozłączenia obwodu. Bez tego tradycyjny wyłącznik mechaniczny działa zbyt wolno, by zatrzymać awarię przed nagromadzeniem niebezpiecznej energii cieplnej. To znacznie podnosi ryzyko pożarów, dyskwalifikując tradycyjne rozwiązania.
Czytaj też: Nowe panele słoneczne szturmują rynek. Zamontujesz je nawet tam, gdzie dotychczas było to zakazane
Nowy wyłącznik używa tyrystorów
Badacze z Oak Ridge National Laboratory opracowali rozwiązanie, które może odmienić dystrybucję energii elektrycznej. Stworzyli wyłączniki obwodów dla średniego napięcia, zdolne obsługiwać wysokie parametry prądu stałego przy niskich kosztach budowy.
Zespół z Oak Ridge postawił na starsze, ale sprawdzone i niedrogie elementy – tyrystory. Te półprzewodniki charakteryzują się wytrzymałością i dobrą wydajnością energetyczną, a ich cena nie przeraża potencjalnych klientów, zainteresowanych instalacjami prądu stałego.
Problemem tyrystorów był jednak brak możliwości ich bezpośredniego wyłączania. Naukowcy poradzili sobie z tym, projektując zewnętrzny obwód wymuszający szybkie zmniejszanie prądu. Prototypowy wyłącznik przerwał obwód w układzie prądu stałego o napięciu 1400 V w czasie krótszym niż 50 mikrosekund, czyli cztery do sześciu razy szybciej niż wcześniejsze konstrukcje oparte na tyrystorach. Wyłączniki mechaniczne zostały daleko w tyle – półprzewodnikowe wyłączniki reagują aż sto razy szybciej. Taka szybkość znacząco podnosi bezpieczeństwo i niezawodność systemów prądu stałego.
Badacze wykroczyli już poza testy pojedynczych urządzeń. Połączyli wyłączniki szeregowo, pomyślnie testując je przy napięciu 1800 V. Obecnie pracują nad zwiększeniem liczby elementów, by osiągnąć docelowe 10 000 V – poziom wymagany w przyszłych sieciach prądu stałego o wysokim zapotrzebowaniu, które mogłyby zasilić między innymi centra danych.
Czytaj też: Czyste szyby nie tylko na Wielkanoc. Naukowcy opracowali szkło, które samo się czyści
Do tej pory żaden komercyjny wyłącznik średnionapięciowy nie radził sobie bezpiecznie z napięciami powyżej 2000 V. Większość konstrukcji nie przekracza nawet połowy tej wartości. Wynalazek ma więc szansę realnie wpłynąć na przyszłość sieci energetycznych.
Warto dodać, że w Oak Ridge National Laboratory prowadzone są prace nie tylko nad wyłącznikami. Ośrodek pracuje nad projektami modułowego sprzętu średniego napięcia dla przyszłych potrzeb amerykańskiej sieci energetycznej. Zakres prac obejmuje transport, produkcję i obliczenia na dużą skalę, a finansowanie zapewnia Departament Energii USA.