Pour la première fois au monde, des piles à combustible à hydrogène ont alimenté les racks de serveurs d'un centre de données Microsoft pendant 48 heures consécutives. Cela pourrait stimuler le développement d'une économie d'énergie propre tant attendue, construite autour de l'élément le plus abondant de l'univers.
Cette réalisation est l'une des étapes vers le respect des engagements de l'entreprise de réduire ses émissions de dioxyde de carbone d'ici 2030 . Pour atteindre cet objectif et accélérer l'élimination des carburants fossiles à l'échelle mondiale, Microsoft vise également à éliminer sa dépendance au diesel d'ici 2030 .
Le diesel représente moins de 1% des émissions totales de Microsoft. Son utilisation est principalement limitée aux centres de données Azure où, comme la plupart des fournisseurs de cloud dans le monde, les générateurs diesel assurent un fonctionnement continu en cas de panne de courant et d'autres interruptions de service.
"Ils sont chers. Et pendant plus de 99% de leur vie, ils ramassent la poussière et ne font rien », a déclaré Mark Monroe, ingénieur en chef de l'infrastructure de l'équipe de développement de pointe du centre de données de Microsoft.
Lucas Hoppa, directeur de l'environnement de Microsoft, est le porte-parole de Microsoft pour le Conseil de l'hydrogène, une initiative mondiale de grandes entreprises du secteur de l'énergie, des transports et de l'industrie pour favoriser l'économie de l'hydrogène. Photo: Roderigo De Medeiros.
Ces dernières années, le coût des piles à hydrogène a chuté au point qu'elles sont devenues une alternative rentable aux générateurs diesel de secours.
«L'idée de les utiliser sur de l'hydrogène propre s'inscrit dans notre engagement global en matière de carbone», a déclaré Monroe.
De plus, a-t-il ajouté, le centre de données Azure, équipé de piles à combustible, d'un réservoir de stockage d'hydrogène et d'un électrolyseur qui convertit les molécules d'eau en hydrogène et oxygène, peut être intégré au réseau électrique pour fournir des services d'équilibrage de charge.
Par exemple, une cellule électrolytique peut être mise en marche pendant les périodes de production d'énergie éolienne ou solaire excédentaire pour stocker de l'énergie renouvelable sous forme d'hydrogène. Ensuite, pendant les périodes de forte demande, Microsoft pourrait lancer des piles à hydrogène pour produire de l'électricité pour le réseau. Les véhicules à hydrogène longue distance pourraient se rendre dans les centres de données pour faire le plein de leurs réservoirs.
«L'ensemble de cette infrastructure représente une opportunité pour Microsoft de jouer un rôle important dans ce qui conduira sans aucun doute le programme global d'optimisation énergétique que le monde mettra en œuvre dans les années à venir», a déclaré Lucas Hoppa, directeur de l'environnement de Microsoft.
Afin d'explorer plus avant comment Microsoft peut optimiser ses investissements dans les piles à hydrogène et les infrastructures associées, la société a nommé aujourd'hui Hopp comme son représentant au Conseil de l'hydrogène, une initiative mondiale d'entreprises de premier plan dans les secteurs de l'énergie, des transports et de l'industrie pour stimuler l'économie de l'hydrogène.
Les scientifiques ont déjà prouvé que les piles à combustible de l'élément le plus abondant de l'Univers, l'hydrogène, peuvent être utilisées pour produire de l'énergie sans gaz à effet de serre.
«Nous savons comment le faire», dit-il. «Mais le Conseil existe parce que nous ne savons pas toujours exactement comment augmenter la production d'hydrogène, son transport et son approvisionnement, puis sa consommation comme nous le souhaiterions. Il reste encore beaucoup de travail à faire. "
Mark Monroe, ingénieur en chef des infrastructures pour l'équipe de développement de centres de données avancés de Microsoft, dirige un projet visant à explorer le potentiel des piles à hydrogène pour alimenter les générateurs de secours des centres de données. Photo: Mark Monroe / Microsoft.
Remplacement diesel
Microsoft s'est engagé à fournir aux consommateurs du centre de données Azure un «cinq neuf» de disponibilité de service, ce qui signifie que le centre de données est en service 99,999% du temps. Les générateurs de secours démarrent pendant les pannes de courant ou d'autres interruptions de service.
«Nous n'utilisons pas de générateurs diesel très souvent», a déclaré Monroe. «Nous les exécutons une fois par mois pour nous assurer qu'ils fonctionnent. Nous effectuons des tests de charge une fois par an pour vérifier que nous pouvons leur transférer correctement la charge, mais en moyenne, ils couvrent les pannes de courant moins d'une fois par an. »
Selon Brian Jenus, directeur général de l'équipe Microsoft Energy and Sustainable Data Center Strategy, Microsoft explore des technologies de remplacement du diesel qui prendraient en charge ou amélioreraient la disponibilité des services, et voit la promesse des piles à hydrogène et des batteries.
«Le travail que fait l'équipe aujourd'hui consiste vraiment à essayer d'évaluer la faisabilité de différentes solutions», dit-il.
Les batteries fournissent déjà une alimentation de secours à court terme, comblant l'écart de 30 secondes entre la déconnexion du secteur et le temps nécessaire pour alimenter les générateurs diesel. Les batteries plus modernes ont une durée de vie plus longue.
"S'il y a une situation où les temps de fonctionnement requis sont si longs que les batteries ne sont plus efficaces, alors vous allez passer à quelque chose comme les piles à combustible", a déclaré Jenus.
Preuve de concept
Les germes de l'idée d'utiliser des piles à combustible à hydrogène pour l'alimentation de secours ont été semés au printemps 2018, lorsque des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables à Golden, au Colorado, ont alimenté un rack d'ordinateurs à l'aide d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons à hydrogène, ou PEM. Monroe et ses collègues ont assisté à une démonstration du système.
Power Innovations a construit un système de pile à combustible de 250 kilowatts pour aider Microsoft à explorer le potentiel de l'utilisation de piles à hydrogène pour la production d'énergie de secours dans les centres de données. Pour preuve de concept, le système a alimenté un certain nombre de serveurs de centre de données pendant 48 heures consécutives. Photo: Innovations énergétiques.
«Nous avons été intrigués parce que nous savions qu'ils utilisaient une pile à combustible automobile», a déclaré Monroe. - Une pile à combustible automobile a le même temps de réponse qu'un générateur diesel. Il peut s'allumer rapidement. Il peut être prêt pour une charge complète en quelques secondes. Vous pouvez le couvrir, le laisser partir, le laisser inactif. "
Le processus de combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène dans les piles à combustible PEM entraîne la production de vapeur d'eau et d'électricité. Les entreprises automobiles développent des technologies pour propulser des voitures, des camions et d'autres véhicules. Après la démonstration, Microsoft a commencé à penser à utiliser des piles à combustible pour alimenter ses centres de données.
L'équipe de Monroe a acheté un système de pile à combustible de 250 kilowatts, ce qui est suffisant pour alimenter une rangée complète (environ 10 racks) de serveurs de centre de données. Les tests ont commencé chez Power Innovations, un développeur de systèmes, à l'extérieur de Salt Lake City en septembre 2019. Le système a réussi un test de résistance de 24 heures en décembre et un test de 48 heures en juin.
«C'est le plus grand système de sauvegarde informatique que nous connaissons fonctionne à l'hydrogène et a passé le plus long test continu», a déclaré Monroe.
La prochaine étape pour l'équipe consiste à acquérir et à tester un système de pile à combustible de 3 MW aussi grand que les générateurs diesel de secours des centres de données Azure.
Recherche sur les piles à combustible
Même avant cette démo de 2018, Microsoft cherchait des moyens d'utiliser les piles à combustible. La société a commencé à explorer la technologie des piles à combustible en 2013 avec le National Fuel Cell Research Center de l'Université de Californie à Irvine, où ils ont testé l'idée d'alimenter les racks de serveurs avec des piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, fonctionnant au gaz naturel.
«Ils ont la capacité de produire leur propre hydrogène à partir du gaz naturel qu'ils produisent», a expliqué Monroe. "Ils prennent du gaz naturel, un peu d'eau, le chauffent à 600 degrés C, qui est la température du charbon chaud."
C'est assez chaud pour un processus appelé conversion de méthane à la vapeur, qui génère un flux d'atomes d'hydrogène pour produire de l'électricité.
Microsoft continue d'explorer le potentiel de la technologie des piles à combustible SOFC pour fournir une charge de base qui peut libérer les centres de données du réseau électrique, ce qui les rend 8 à 10 fois plus écoénergétiques. Cependant, cette technologie est actuellement trop chère pour une adoption généralisée.
«Le processus SOFC produit également du dioxyde de carbone, ce qui est une autre raison pour laquelle Microsoft se penche sur les piles à combustible PEM», a déclaré Monroe.
De plus, depuis la démonstration au Laboratoire national des énergies renouvelables, les coûts estimés des systèmes de pile à combustible PEM pour la production d'électricité de secours dans les centres de données ont baissé de plus de 75%. Si la tendance se poursuit, dans un an ou deux, le coût en capital des générateurs à pile à combustible pourrait être compétitif par rapport aux générateurs diesel.
Il a ajouté que l'augmentation de la production de piles à combustible pour répondre à la demande de l'industrie des centres de données pourrait potentiellement conduire à de nouvelles économies de coûts.
«Nous nous considérons comme le catalyseur de toute cette économie de l'hydrogène», a déclaré Monroe.
Économie d'hydrogène
Du point de vue de Microsoft, les autres éléments de cette économie incluent l'infrastructure d'achat, de stockage et de maintenance de suffisamment d'hydrogène respectueux de l'environnement pour alimenter les générateurs de secours pendant 12 à 48 heures, ce qui est la norme de l'industrie pour une disponibilité de service de cinq à neuf. ...
Par exemple, pour 48 heures d'alimentation de secours, chaque centre de données aura besoin de jusqu'à 100 000 kilogrammes d'hydrogène pour alimenter les générateurs de secours en cas de panne de courant prolongée, a expliqué Monroe.
«D'autres conversations au sein de l'entreprise sur la manière de sécuriser cette infrastructure ont conduit à des discussions sur le rôle de Microsoft dans la conduite de l'économie de l'hydrogène», a déclaré Jenus.
«Et si vous pouviez prendre tous ces actifs dans le centre de données et les intégrer dans le réseau d'une manière qui accélère davantage la décarbonation du réseau plus largement, plutôt que simplement comme une solution ponctuelle pour le centre de données lui-même? il a dit. "C'est là que je pense que se trouvent les vraies découvertes."
Image d'en-tête: Microsoft a utilisé de l'hydrogène stocké dans des réservoirs sur des remorques garées à l'extérieur d'un laboratoire près de Salt Lake City, dans l'Utah, pour alimenter des piles à hydrogène qui alimentent un certain nombre de serveurs de centres de données pendant 48 heures consécutives. Photo: Innovations énergétiques .