Datacenters overzetten van dieselgestookte naar gasgestookte elektriciteitsopwekking

Datacenters overzetten van stroomwinning op diesel naar stroomwinning op gas

 

Marcelo Algrain, Ph.D.
Senior opzichter Techniek
Caterpillar, Inc. Electric Power Division

Oktober 2016


Introductie

De energiebehoeften van de datacenterbranche blijven in snel tempo groeien. In het verleden werden datacenters bij voorkeur in de buurt van goedkope, betrouwbare energiebronnen gebouwd. Tegenwoordig zijn dergelijke locaties moeilijker te vinden en wordt er meer druk gelegd op het vinden van alternatieve oplossingen die minder van het stroomnet vergen, met name wanneer er veel vraag naar elektriciteit is.

Hoewel veel datacenters zelf genoeg capaciteit uit hun noodstroomapparaten op diesel kunnen opwekken, is het gebruik van dergelijke apparaten om het stroomnet te ontlasten niet alleen economisch niet haalbaar (de bedrijfskosten zouden heel hoog zijn door de hoge brandstofkosten), maar zelfs verboden volgens de huidige beperkingen van de luchtkwaliteitsinstanties. Deze stellen een limiet aan het aantal verbruiksuren per jaar. De functie van dieselapparaten is puur optreden als noodstroomvoorziening voor het datacenter in geval van stroomuitval.  

Aan de andere kant heeft stroomopwekking op gas een veel lagere impact op het milieu en zijn de brandstofkosten vergeleken met stroomopwekking op diesel aanzienlijk verlaagd. Daarnaast bieden enkele nutsbedrijven financiële vergoedingen om het verbruik te verminderen als het stroomnet overbelast is. Onder deze voorwaarden kan het voor menig datacenter economisch en milieutechnisch rendabel zijn om sets van gasgeneratoren te gebruiken voor warmtekrachtkoppeling tijdens perioden waarin geen sprake is van noodstroom. De mate van benodigde warmtekrachtkoppeling hangt af van specifieke scenario's, maar dit kan variëren van slechts ondersteuning bij niet-kritieke ladingen tot stroomlevering aan de gehele datacenterfaciliteit.

Het is duidelijk dat overschakelen van stroomopwekking op diesel naar stroomopwekking op gas voor een branche die de hoogste flexibiliteit moet bieden, een technische sprong zal zijn die door enkelen als te radicaal wordt beschouwd. In dat geval kan men de voorkeur geven aan een meer evolutionaire, stapsgewijze benadering.  

Datacenters kunnen op verschillende manieren overstappen van stroomopwekking op diesel naar stroomopwekking op aardgas; enkele opties ziet u hieronder. Let op: zelfs oplossingen die over het algemeen niet erg aantrekkelijk lijken, kunnen in speciale gevallen wel de juiste oplossing zijn. 

 

Een elektriciteitscentrale voor pieken bouwen in samenwerking met het datacenter

De eerste optie levert datacenters de minste verstoring op. De piekcentrale wordt geactiveerd zodra de vraag naar elektriciteit van het datacenter moet worden ingekort. Of de centrale al dan niet extra functies voor ondersteuning van het stroomnet levert, wordt bepaald door de eigenaars. Als de centrale inderdaad ondersteuning aan het stroomnet moet bieden, moet aan respectievelijke landelijke codes voor het stroomnet worden voldaan, bijvoorbeeld IEEE 1547 in de Verenigde Staten. Aan de andere kant zullen de stroomnetcodes in de meeste gevallen niet van toepassing zijn als de piekcentrale slechts het datacenter moet ondersteunen en de lading op een nutsvoorziening moet verschuiven. Dit betekent een eenvoudigere installatie en aansluitingsproces, en lagere kapitaalkosten.

 

Dieseleenheden converteren naar eenheden op dubbele brandstof

Het converteren van dieseleenheden naar eenheden die op dubbele brandstof (diesel en gas) werken, is een technisch aantrekkelijke oplossing. Er is dan namelijk sprake van een generatorset die hetzelfde reactievermogen als een dieselmotor heeft, maar de lage brandstofkosten van een gasmotor. Helaas moeten de eenheden onder de huidige regelgeving wel aan de regels van een dieselmotor met primair vermogen voldoen en is er uitvoerige en dure uitlaatgasnabehandeling nodig. 

 

Niet-kritieke stroomladingen met gaseenheden

De derde optie om niet-kritieke ladingen met behulp van gaseenheden van energie te voorzien, betreft voor een deel het verschuiven van een deel van de belasting voor een datacenter naar een nutsvoorziening. Over het algemeen bestaat de totale datacenterbelasting voor minder dan een kwart uit niet-kritieke ladingen. Als dat genoeg ontlasting is, kan dit een acceptabele oplossing zijn. Daarnaast kan deze optie in gebruik worden genomen om het thermische rendement nog verder te verbeteren als het datacenter een deel van de opgewekte warmte van de gaseenheden als CHP-oplossing (combinatie van warmte en energie) zou kunnen gebruiken.

 

Dieseleenheden vervangen door gaseenheden die een hogere belasting aankunnen

Sets van dieselgeneratoren direct vervangen door sets van gasgeneratoren zou een ideale oplossing zijn. Hoewel er in het algemeen vanuit wordt gegaan dat gaseenheden minder goede prestaties leveren op het gebied van acceptabele ladingen vergeleken met hun dieseltegenhangers, hebben recente ontwikkelingen tot talloze doorbraken in motorprestaties geleid en kunnen gasgeneratoren aanzienlijk hogere ladingen aan. 

data center chart
data center chart

Figuur 1: spannings- en frequentietransiënt voor verandering van 75% in loadbankbelasting

In figuur 1 ziet u de spannings- (links) en frequentietransiënten (rechts) voor een verandering in de lading van 75%. De blauwe lijn komt overeen met een conventionele gasgeneratorset, de rode lijn met een nieuwe gasgeneratorset met dynamische respons en de groene lijn met een dieselgeneratorset. U ziet in figuur 1 dat de acceptabele lading van de nieuwe gasmotortechnologie het prestatieniveau nadert dat u van een dieseleenheid verwacht. Dit zelfs tot op het punt dat de directe vervanging van een dieseleenheid met een gaseenheid in sommige gevallen binnen handbereik ligt. Daarnaast kan het ladingsprofiel van een datacenter door optimalisatie van de ladingssequentie, verlenging van UPS-integratortijden en verkleining van blokladingen binnen de acceptabele lading van gasgeneratorsets van de nieuwe generatie vallen. En dan kunnen datacenters met energievoorziening op gas ineens werkelijkheid worden.

 

Een hybride stroomopwekkingssysteem gebruiken met een combinatie van gas- en dieseleenheden 

Tot slot is er een hybride oplossing waarbij een combinatie van gas- en dieseleenheden wordt gebruikt voor het verschuiven van de stroomvraag van datacenters tijdens overbelasting van het stroomnet, waarbij de prestaties van de dieselgeneratorsets in noodgevallen bewaard blijven. Dit is mogelijk dankzij het feit dat de lading in een datacenter in een stabiele toestand grotendeels maar in geringe mate varieert en er geen grote vraag is op de transiënte respons van de generatorsets. Er is vooral sprake van een uitdaging in het geval van een transitie van de ene naar de andere stroombron. Deze transities werden van oudsher zonder problemen door dieselgeneratorsets opgevangen. Conventionele gaseenheden kunnen de transiënte mogelijkheden van dieseleenheden daarentegen nog niet evenaren. Een hybride gas- en dieselsysteem zou echter wel aan de vereisten voor transiënte respons kunnen voldoen en mogelijkheden voor normale energieopwekking kunnen leveren om de lading op de nutsvoorzieningen in piekperioden te ontlasten.

De eenvoudigere uitvoering van een hybride diesel- en gasdatacenter is een parallelle-busconfiguratie met een combinatie van gas- en dieselgeneratorsets. Het komt erop neer dat gas- en dieselgeneratorsets worden aangesloten op een lading die een parallelle bus deelt. Omdat gaseenheden doorgaans een lagere lading kunnen accepteren dan dieseleenheden, kunt u er baat bij hebben de gaseenheden in de basisladingmodus uit te voeren en de dieseleenheden in de ladingvolgende modus. De verdeling van gas ten opzichte van diesel moet worden geselecteerd op basis van het gewenste normale opwekkingsniveau, terwijl via de dieselgeneratorsets voldoende elektrische busstijfheid wordt geleverd om de beoogde stroomkwaliteit tijdens noodgevallen te behouden. De verhouding tussen diesel en gas zal per geval afwijken, maar een redelijk uitgangspunt is een verdeling van 50/50.

Voor datacenters die modulaire ontwerpen gebruiken en waar één dieselgeneratorset de IT-lading via UPS'en van stroom voorziet, vergt de ontwikkeling van een hybride configuratie een uitgebreidere beslissing. Doorgaans beschikken modulaire systemen over enige mate van opwekkingsredundantie, N+1 of N+2 etc. De redundante generatorsets bieden een kans om een hybride systeem te ontwikkelen. In figuur 2 ziet u een vereenvoudigd diagram met één lijn van een modulair datacenter. Er zijn twee duidelijke mogelijkheden: 

  1. Gasgeneratorsets worden gebruikt voor redundantie en dieseleenheden worden gebruikt voor primaire stroomvoorziening
  2. Dieselgeneratorsets worden gebruikt voor redundantie en gaseenheden worden gebruikt voor primaire stroomvoorziening

In het eerste geval is de capaciteit om de lading van de nutsvoorziening te ontlasten 1/N of 2/N, afhankelijk van het redundantieniveau. Dit is een configuratie waarbij diesel dominant is. Het tweede geval betreft de configuratie waarbij gas dominant is, die mogelijk alle vereiste energie voor het datacenter levert. In welke mate deze gevallen gewenst zijn, hangt af van het beoogde niveau van eigen normale energieopwekking.

 

data center chart

Figuur 2: voorbeeld van modulaire datacenterconfiguratie

Ervan uitgaande dat gasgeneratorsets niet volledig in staat zijn de transiënte respons voor acceptabele lading van dieseleenheden te kunnen evenaren, bekijken we nu hoe het hybride systeem aan deze behoeften kan voldoen. In geval 1, waarbij de redundante eenheden gaseenheden zijn, kunnen deze generatorsets worden gebruikt om de lading op de nutsvoorzieningen onder normale omstandigheden te verlagen. De gasgeneratorsets werken in dit geval in de basisladingmodus. In het geval dat een nutsvoorziening uitvalt, worden de dieseleenheden gestart en wordt de energievoorziening naar de UPS'en als normaal hersteld, of de gaseenheden nu wel of niet zijn ingeschakeld. In het zeldzame geval dat een van de dieseleenheden niet wordt gestart, is de gaseenheid beschikbaar om de dieseleenheid te vervangen, maar de walk-in van de UPS in de gasgeneratorset moet dan worden verlaagd naar de acceptabele lading van de gaseenheid. Als er meer dan een gaseenheid beschikbaar is als vervanging voor een dieseleenheid die niet start, bijvoorbeeld het N+2-systeem, kan het ook binnen de acceptabele lading van de meerdere gaseenheden vallen om de UPS walk-in over te nemen.

In de tweede hybride configuratie, waar de redundante generatorset een dieselgenerator is en de primaire voorzieningen gasgeneratoren zijn, is er genoeg normale opwekkingscapaciteit om het elektriciteitsverbruik van het hele datacenter op te vangen, zonder dat er lading op nutsvoorzieningen wordt geplaatst. U kunt er echter nog steeds baat bij hebben om de verbinding met de nutsvoorziening te behouden om de elektriciteitsbron te verstevigen en extra redundantie toe te voegen. De opstartvolgorde treedt bij voorkeur op terwijl er verbinding met de nutsvoorziening is, zodat de gasgeneratorset kan oplopen naar een niveau waarbij de IT-lading volledig door de gaseenheid wordt geregeld en er geen stroom door de bijbehorende zekering van de nutsvoorziening loopt. In het geval de gasgeneratorset moet worden gestart omdat er geen nutsvoorziening beschikbaar is, levert de redundante dieselgeneratorset de benodigde stijfheid van de elektrische bus om de IT-lading naar de gaseenheid over te brengen. Dit proces moet sequentieel worden herhaald totdat alle gaseenheden zijn geactiveerd vanuit een black start. Dit proces zorgt voor een langere UPS-runtime, met name op de laatste eenheid die via een walk-in wordt toegevoegd. Voor UPS'en die op een batterij werken en de mogelijkheid hebben voor een ontladingstijd van enkele minuten, is dit echter geen beperking, omdat de UPS-runtime op alle eenheden sowieso op zou raken door het indexeren van de prioriteit van de walk-in van de generatorset. Door deze laatste methode kan het datacenter het verbruik van de nutsvoorziening in het geval van overbelasting van het stroomnet beperken tot bijna nul en kunnen datacentereigenaars profiteren van de eventuele economische voordelen die nutsvoorzieningen bieden.

 

Conclusie

Samengevat: in deze whitepaper zijn meerdere opties uiteengezet voor het omzetten van energieopwekking op diesel naar energieopwekking op gas. Deze migratie kan bijdragen aan een volledige conversie. De mate van ontlasting van het stroomnet in perioden waarin er een grote vraag naar elektriciteit is en de economische voordelen van het beperken van het externe elektriciteitsverbruik van datacenters door middel van warmtekrachtkoppeling zullen grotendeels bepalen hoe ver hiermee wordt gegaan. Huidige trends tonen aan dat overbelasting van het stroomnet zal blijven toenemen naarmate verouderde energiecentrales uit bedrijf worden genomen en de penetratie van vernieuwbare en variabele opwekkingsbronnen toeneemt. Om de opkomende volatiliteit in de elektrische-energiemarkt weg te nemen, biedt gaswinning een veerkrachtige, milieuvriendelijke en economisch rendabele oplossing voor datacenterfaciliteiten. De prijs van aardgas is momenteel historisch laag en er is sprake van een ruime aanvoer. Uit een onderzoek1 in opdracht van het Amerikaanse Ministerie van Defensie blijkt dat het aardgassysteem over het algemeen robuust genoeg is om een uitval van het elektriciteitsnet van twee weken tot drie maanden te kunnen opvangen. Historisch gezien kent het aardgasdistributiesysteem zeer weinig uitval, met sterke toeleveringscontracten met een betrouwbaarheid van meer dan 99,999%. Aardgas is kortom een levensvatbare optie om een datacenter van stroom te voorzien.

1Bronnen: Ministerie van Defensie: Interdependence of the Electricity Generation System and the Natural Gas System and Implications for Energy Security (Onderlinge afhankelijkheid van het elektriciteitsopwekkingssyteem en het aardgassysteem en implicaties voor het veiligstellen van energie) - 2013

 

Over Caterpillar

Al 90 jaar maakt Caterpillar Inc. duurzame ontwikkeling mogelijk en zet zich in voor een positieve verandering op elk continent. Caterpillar helpt klanten middelen voor infrastructuur, energie en natuurlijke bronnen te ontwikkelen. In 2015 kende Caterpillar verkoopcijfers en een opbrengst van 47,01 miljard dollar. Daarmee is het bedrijf 's werelds grootste fabrikant van bouw- en mijnbouwapparatuur, diesel- en aardgasmotoren, industriële gasturbines en dieselelektrische locomotieven. Het bedrijf richt zich met name op hun drie productsegmenten (Mijnbouwindustrie, Bouwsector en Energiesystemen) en biedt daarnaast financieringsservices en aanverwante services via hun segment Financiële producten.

Ga voor meer informatie naar caterpillar.com

Electric Power Solutions Center: cat.com/powergeneration.

Electric Power Social Media: Social Media