天然气管道提供电力解决方案

作者：Steve Richards，蓝宝石科技公司工程副总裁

受人工智能应用投资的推动，数据中心的需求正在蓬勃发展。随着数据中心需求的增长，这些服务器仓库的能源消耗也将随之增加。据麦肯锡公司预测，数据中心的年能耗将从2022年的17吉瓦增至2030年的35吉瓦。作为参考，35吉瓦的电量大约足以满足3000万户家庭的用电需求！国际能源署（IEA）指出，要实现2030年净零排放目标，数据排放量必须减半。鉴于数据中心需求的飞速增长，以及现有电网问题已给数据中心运营商造成经济和环境损失，除非我们投资于可靠的清洁能源解决方案，否则这些目标似乎难以实现。除了环境效益之外，解决数据中心可靠清洁能源的难题还有望降低数据中心故障给运营商及其客户带来的成本。

蓝宝石科技公司表示，其FreeSpin直列式涡轮膨胀机能够回收减压过程中浪费的能量，并将其用于产生零排放电力。（图片：蓝宝石科技公司）

数据中心宕机造成的损失已经非常巨大。据 Uptime Institute 统计，三分之二的宕机事故每次损失超过 10 万美元。Uptime Institute 指出，一些长期趋势正在影响电网的可靠性，而电网故障正是导致数据中心宕机的主要原因。这些趋势包括：间歇性可再生能源并入电网、基础设施老化、天气相关干扰更加频繁，以及地缘政治因素对传统化石燃料供应的冲击。由于宕机每分钟可能造成数千美元的损失，数据中心运营商依赖备用能源来维持服务器的正常运行。历史上，这些备用能源主要包括高排放的柴油发电机。根据工程公司 FEA 基于美国能源信息署 (EIA) 和环境保护署 (EPA) 数据进行的一项研究，一台典型的柴油发电机每发电一千瓦时，其二氧化碳排放量是美国电网平均排放量的两倍多。因此，随着数据中心能源需求的增加和美国电网可靠性的下降，如果不对为数据中心提供可靠、清洁的备用能源的解决方案进行改进，数据中心对环境造成的损失可能会呈指数级增长。

可用选项

好消息是，目前已有多种解决方案可以帮助数据中心应对可持续性和能源可靠性方面的挑战。锂离子电池就是其中一种数据中心备用能源解决方案。这些电池可以将可再生能源等清洁能源产生的能量存储在不同的地点或不同的时间，以便在断电期间供数据中心使用。虽然这项技术应用广泛，但成本仍然是一个挑战。根据彭博新能源财经的数据，截至2023年上半年，锂离子电池的平准化电力成本（LCOE）为155美元/兆瓦时。相比之下，天然气（92美元/兆瓦时）等传统能源以及太阳能（76美元/兆瓦时）和风能（50美元/兆瓦时）等可再生能源的成本都较高。

氢燃料电池是数据中心另一种潜在的备用能源，微软目前正在探索这种能源方案。氢燃料电池通过氢气和氧气之间的化学反应产生电力，从而实现零排放能源供应。然而，氢燃料电池的经济可行性仍存在很大疑问，而且根据大多数估计，目前氢燃料电池的成本甚至会高于锂离子电池。

天然气管网

为数据中心提供可靠、经济高效且清洁的备用能源的另一种解决方案，涉及一个看似不太可能的能源——天然气输配管网。然而，该方案并非直接使用天然气作为能源，而是利用天然气输配管网各阶段减压过程中产生的废能来发电。Sapphire Technologies 的 FreeSpin® 在线式涡轮膨胀机可以回收减压过程中浪费的能量，并将其用于发电，实现零排放。利用管道废能产生的清洁电力可以为数据中心供电。由于数据中心具有可移动的模块化负载，因此非常适合与通常位于偏远地区的减压站共址。Sapphire Technologies 已与 Tallgrass Energy 和 Evolve Energy 合作，在美国 Tallgrass Energy 长达 6,500 英里的天然气管道网络中安装了 72 台涡轮膨胀机发电机。所产生的清洁电力将供 Evolve Energy 的数据中心使用。数据中心将尽可能靠近减压站安装，以最大限度地减少铺设电缆的需求，从而进一步减少利用这种清洁能源所需的基础设施。

蓝宝石科技公司的FreeSpin直列式涡轮膨胀机（FIT）可从天然气输送各个阶段所需的压力降低中提取能量。天然气在管道中输送时，压力能量会在管道网络中的减压站被浪费掉。FIT由一个集成的高速涡轮机和一个高效发电机组成。它采用磁轴承，在一个密封的无润滑装置中运行。当加压气体流经FIT时，会带动径向涡轮旋转，并通过变速驱动器驱动永磁发电机。该驱动器可根据特定的功率需求进行编程，使其成为数据中心等设备的理想集成方案。此外，与替代方案相比，蓝宝石FreeSpin直列式涡轮膨胀机的平准化度电成本（LCOE）为45美元/兆瓦时，是数据中心运营商经济高效的备用电源。

FreeSpin 直列式涡轮膨胀机 (FIT) 还可用于利用天然气井口上游的废热能源生产清洁电力。除了利用天然气供应链中的废热能源生产清洁能源外，FIT 还具有“燃料灵活性”。该系统兼容氢气、压缩空气和二氧化碳等应用。

随着数据中心不断面临如何可靠地满足人工智能应用日益增长的电力需求这一挑战，我们需要创新性的解决方案来平衡能源可靠性和经济性与减排目标。虽然没有完美的解决方案，但利用传统能源基础设施中的废弃能源无疑是一个值得关注的方案。