От ветряных мельниц до атомных станций, или Насколько «зелеными» могут стать ЦОДы

Альтернативные источники энергии (АИЭ) — это ресурсы, которые в отличие от ископаемого топлива (нефти, газа, угля, урановой руды) неисчерпаемы и не наносят серьезного вреда окружающей среде. К ним относятся вода, ветер, солнце и т.д. 

Наши предки строили ветряные и водяные мельницы задолго до появления парового двигателя, однако все эти конструкции были маломощными, и со временем получаемой с их помощью энергии хватать перестало. После того, как люди научились добывать и сжигать ископаемое топливо, применение ветровых и других «зеленых» установок резко сократилось. Но во второй половине прошлого века интерес к ним начал активно возрождаться. 

«Зеленая» энергетика находится на мировой повестке уже несколько десятилетий, что вполне закономерно: парниковый эффект, загрязнение воздуха, увеличение количества заболеваний человечество явно не радуют. Как подсчитали исследователи, работающие в электронном проекте Our World in Data, годовой объем выбросов парниковых газов еще в 2010 г. превысил 50 млрд т (в 2021 г. – 54,59 млрд т). Причем, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2021 г. 36,3 млрд т (70%) выбросов СО2 генерировалось в результате получения энергии из ископаемого топлива. Ученые всего мира уже много лет ищут альтернативу углю, нефти и газу, тем более что лет через сто полезные ископаемые на нашей планете и вовсе закончатся. А вот солнце не погаснет, ветер не утихнет, океан не высохнет. Вопрос только в том, как с помощью современных технологий научиться использовать эти ресурсы максимально эффективно. 

Существует множество видов альтернативной энергии, включая энергию приливов и отливов, грозовую и криоэнергию, но основными считаются следующие пять: помимо энергии солнца, ветра и движущейся воды к ним относятся энергия земных недр (геотермальная) и биоэнергия. Каждый из этих видов имеет свои достоинства и недостатки. 

Солнечная энергия. Это один из самых мощных видов альтернативной энергии и самый дешевый. С помощью солнечных батарей свет преобразуется в электричество и используется для отопления домов, освещения улиц и т.п. Эффективность такого рода устройств напрямую зависит от климатической зоны, поэтому этот вид энергии не слишком выгоден для тех городов и стран, где солнце в течение года светит мало, например, для Москвы, где в среднем всего 72 солнечных дня в году. 

Энергия ветра. Ветер – самый старый источник энергии, известный человечеству. На смену ветряным мельницам уже давно пришли ветрогенераторы, которые используются как минимум половиной земного шара (лидером по количеству ветроэлектростанций является Китай). Проблема лишь в том, что сильные ветры дуют далеко не всегда и не везде, а значит, такого рода энергия доступна в ограниченном объеме. 

Энергия движущейся воды. В отличие от ветра вода – достаточно предсказуемый ресурс, с ее помощью энергия вырабатывается стабильно. В России примерно 98% всей энергии из возобновляемых источников генерируется гидроэлектростанциями. В Норвегии же практически вся электроэнергия для промышленности и городов поступает от ГЭС. К минусам этого вида генерации относятся затраты на строительство и сложность конструкций: любой просчет влечет за собой риски затопления прилегающих территорий, а из-за резких скачков уровня воды страдают флора и фауна водоемов. 

Геотермальная энергия. Это энергия земных недр, благодаря ей нагреваются подземные источники. Пробурив скважины, люди извлекают горячий пар и воду и используют их для обогрева помещений или же преобразуют в электроэнергию. Это отличный вариант выработки электричества в вулканических районах, однако найти место для строительства – задача нетривиальная, особенно с учетом сейсмической активности.

Биоэнергия. Биоэнергетика основана на использовании растительной и животной биомассы. Это крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс, который можно производить практически в любой стране. Однако эти нетрадиционные источники энергии имеют относительно низкую теплотворную способность, а также несут риски экологического дисбаланса. Например, производство биомассы из древесины может привести к уменьшению площади лесов и, как следствие, загрязнению атмосферы.

Теоретически к списку альтернативных источников энергии можно добавить и атом, так как атомная энергия соответствует основным критериям «зелености»: ее генерация не ведет образованию парниковых газов. В некоторых странах этот вопрос уже решен положительно. В 2022 г. Еврокомиссия приняла в «зеленый клуб» и атомную энергетику. Основной критерий «членства» − соответствие требованиям перехода к безуглеродной экономике и климатически нейтральным способам генерации энергии. 

Однако «зеленый» статус мирного атома официально утвержден далеко не во всех странах. За Европой последовали пока только Китай, Россия и Бангладеш. Проблема – в утилизации радиоактивных отходов и надежности атомных электростанций. Атомная энергетика не создает парниковых газов, но ее использование пока нельзя назвать безопасным. По-настоящему экологически чистым источником энергии мог бы стать термоядерный реактор, но до его промышленной эксплуатации еще далеко.

Использование альтернативной энергии растет во всем мире. Начиная с 2012 г. более 50% всех ежегодно вводимых в строй энергомощностей приходится на возобновляемые источники. За 20 лет инвестиции в создание «зеленых» энергоносителей выросли практически в 10 раз (с $33 млрд до более чем $300 млрд) и продолжают увеличиваться. По прогнозам МЭА, к 2027 г. «зеленые» энергоресурсы вырастут на 2400 ГВт (это примерно равно мощности всей электроэнергетики Китая), а их доля в мировом энергобалансе достигнет 38%! Основные лидеры этого тренда – страны Европы, Китай, Америка, Канада. Так, в Китае уже в 2021 г. из всех введенных энергетических мощностей 76% были «зелеными». В США альтернативная энергетика составляет 21% общего энергобаланса, тогда как на долю АЭС приходится 20%. 

Россия пока не может похвастаться большими успехами в этой области: доля альтернативных источников энергии в Единой энергетической системе России не превышает 1,5%. Наличие больших запасов полезных ископаемых, отсутствие законодательных стимулов и достаточного количества инвестиций не способствуют борьбе за экологию. 

Темпы роста альтернативной энергетики более чем впечатляющие, но говорить о замещении исчерпаемых видов на неисчерпаемые пока рано. В обозримом будущем у последних просто не хватит мощности, чтобы удовлетворить потребность человечества в электроэнергии, которая в 2023–2025 гг. будет расти ежегодно на 3% (прогноз МЭА). К тому же, как показал недавний опыт, чрезмерная зависимость от экологически чистой энергии может привести к коллапсу: в 2021 г. облачная и безветренная погода в Европе застопорила работу ветряных генераторов и солнечных батарей, что привело к ряду блэкаутов и повышению цен на газ.

Существенным препятствием к быстрому росту экологически чистой энергии является также ее цена. Достижение углеродной нейтральности, планируемое рядом стран уже к 2050 г., по прогнозу McKinsey, обойдется примерно в $275 трлн. Кроме того, большие вопросы вызывает утилизация отходов работы АИЭ (солнечных батарей, аккумуляторов для электромобилей и т. д.). Методика ее оценки и совокупный вред для экологии пока не рассчитаны.

Менять один источник энергии на другой − не самая разумная стратегия. Объемы добычи полезных ископаемых по всему миру продолжают расти. Сегодня доля тепловых электростанций всех типов в мировом производстве электроэнергии составляет 65%, на атомную энергетику приходится 11%. Оставшиеся 24% — это все возобновляемые источники вместе взятые, на которые можно полагаться только как на дополнительный ресурс. 

Проблемами экологии и использования «чистых» технологий озабочены не только государственные, но и коммерческие организации, в частности дата-центры, которые потребляют около 3% электроэнергии планеты, а по уровню негативного воздействия на природу сопоставимы с авиаперелетами.

При этом в силу цифровизации экономики и увеличения числа интернет-пользователей спрос на услуги дата-центров продолжает повышаться. Только в нашей стране рынок услуг ЦОДов вырос в прошлом году на 28,1% до 89,1 млрд руб., а планы на 2023–2024 гг. предусматривают запуск 32 тыс. новых стойко-мест (по данным iKS-Consulting). Новая реальность стимулирует провайдеров услуг ЦОДов к поиску инновационных решений для повышения собственной энергоэффективности и достижения климатической нейтральности. 

Одно из решений — использование возобновляемых источников энергии. Пионерами в этой сфере являются такие ИТ-гиганты как Google, Microsoft, Apple и другие крупные мировые корпорации. Вот только несколько примеров дата-центров, имеющих самый популярный в мировой практике сертификат энергоэффективности The Leadership in Energy & Environmental Design (LEED): 

Повысить энергоэффективность ЦОДа можно также за счет обновления систем охлаждения, на которые приходится около 40% всей энергии, потребляемой дата-центрами. Наиболее продвинутой в этом плане считается технология естественного охлаждения (фрикулинг), которая использует наружный воздух для охлаждения серверных. 

Негативное воздействие на природу исключает атомная энергетика. Поэтому корпорация Microsoft намерена уже в ближайшем будущем использовать для питания своих ЦОДов микрореакторы, а для начала − диверсифицировать источники электроэнергии, закупая «чистую» – атомную – энергию на внешнем рынке. В России пионером применения атомной энергетики в ЦОДах является «Росатом». Многие специалисты полагают, что размещение дата-центров рядом с источниками атомной энергии – это наиболее перспективный путь для индустрии. Кроме того, подключение дата-центров к разным очередям АЭС или ГЭС обеспечивает полноценную первую категорию электроснабжения, что позволит отказаться от резервирования источников электроснабжения с помощью дизель-генераторов. 

Операторы ЦОДов при проектировании учитывают множество факторов, включая расходы на энергию, энергоэффективность и экологическую нагрузку. Особое внимание уделяется схемам резервирования, которые позволяют минимизировать риски простоев и потери данных, а также обеспечивать резервные источники, системы охлаждения и сетевое оборудование.

Оптимальная схема для каждой площадки в разных странах своя – она может включать различные источники энергии: и солнечные панели, и ветрогенераторы, и малые модульные реакторы. Однако даже самый надежный источник не сможет предотвратить сбой сервисов, если схема резервирования не гарантирует быстрое и автоматическое переключение на резерв (например, дизельные генераторы и ИБП).

Тренд к энергоэффективности в индустрии ЦОДов прослеживается четко, но без серьезной финансовой поддержки ни один дата-центр не сможет использовать возобновляемые источники энергии в качестве основного источника энергоснабжения. И не только потому, что это дорого, а потому что ненадежно. Дата-центр, который отвечает за сохранность и доступность данных перед своими заказчиками, не может полагаться на погоду. Ни одно SLA не сможет обеспечить солнечную и ветреную погоду 365 дней в году, а значит, полагаться на природу в такой индустрии никак нельзя. Поэтому схема резервирования – более критический фактор для обеспечения надежной работы сервисов и минимизации возможных сбоев, нежели набор и типы используемых источников энергии. 

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!