Az energiafaló adatközpontok már korábban is szembesültek – de az energiakrízis idején aztán különösen szembesülnek – energiaellátásuk egyre nagyobb nehézségeivel. Tekintettel a szigorodó környezetvédelmi előírásokra új, innovatív megoldást kell keresniük. Ilyen lehet a formálódó „zöld adatközpont” (Green Data Center: GDC) koncepció.
Az előző részben ismertettük a Green Data Center (GDC) koncepció alapjait. A továbbiakban sorra vesszük az egyes összetevők jellemzőit.
2. Adatközponti villamosenergia-rendszer mélységi tagolása
Akár a közcélú hálózattal együtt-, akár leválasztva, autonóm módon működő DC – mint minden más magas biztonsági igényű fogyasztó – villamosenergia-rendszere mélységében tagolt. Hagyományosan három, egymásra épülő rendszerből áll:
- Az alapellátást az adatközpont körüli – vagy GDC esetében a saját – nagy megbízhatóságú villamos hálózat ill. termelés biztosítja. A közcélú hálózat ill. a saját termelés redundáns módon, két-három külön betápláláson ill. termelő egységen keresztül látja el a DC-t.
- Az alapellátás kiesése esetén a szünetmentes tápellátás lép be. Az akkumulátorokban tárolt villamosenergia invertereken keresztül jut el a szerverekhez.
- Az alapellátás elhúzódó zavara esetén lép be a vészhelyzeti tápellátás. Ebben az esetben áramtermelő – korábban elterjedten dízel-meghajtású – generátorok indulnak.
A leválasztva, autonóm módon működő DC-villamosenergia-ellátás stabilitása, sérülékenysége alapvetően eltér egy, a közcélú hálózattal összekapcsoltétól. Miközben egy DC önálló villamosenergia rendszere számos tekintetben a közcélú villamos hálózat jellemzőit mutatja, aközben
méreténél, fizikai tulajdonságainál fogva
messze kevésbé reziliens,
ezért fokozottan védendő.
Így viszont bármely fatális – netán szándékolt – rendellenesség hatásai lényesen súlyosabbak lehetnek.
3. GDC villamosenergia-rendszer, technológiai alrendszerek és azok lehetséges sérülékenységei
3.1. Rendszertechnika 1.
Egy korszerű GDC villamosenergia rendszerének fő összetevői az alábbiak (a Ballard interpretációjában):
A GDC fő összetevő funkciói, rendszerei és ezek alapjellemzői az alábbiak:
3.2. Termelés
3.2.1. Alapellátás: naperőmű
A naperőműben fotovillamos panelek állítanak elő villamosenergiát.
Gazdaságos energiatermelési technológia, mert a létesítés jelentős egyszeri befektetése után a továbbiakban alacsony költséggel üzemeltethető.
Gazdaságos volta mellett robusztus energiatermelési forma is, mivel a napelem panelek a kibertérből nem támadhatók. Viszont a megtermelt energia felhasználása GDC esetében is azokon a villamosenergia-elosztó berendezéseken, azok digitális rendszerein (védelmein, automatikáin, irányítástechnikáján, segédüzemi betáplálásának felügyeleti elemein) keresztül zavarható meg, amelyek amúgy bármely más termelési technológiánál is biztosítják a villamosenergia elosztását.
3.2.2. Alapellátás: szélerőmű
A szélerőműben rotorok által meghajtott generátorok állítanak elő villamosenergiát.
Kevésbé robusztus, a kibertérből támadható energiatermelési forma. Egyes elemeinek sikeres támadása akár egy-egy szélturbina egység teljes fizikai megsemmisülését is okozhatja.
Február 24. óta a szélerőműves szektort Európa-szerte több támadás is érte. Ugyanakkor ezek (eddig) nem érintették a szélturbinák saját üzemi vagy üzemzavari automatikáit, védelmeit, fizikai biztonságát, max. „csak” a felügyeleti rendszereit (pl. VIASAT támadás).
3.2.3. Alapellátás: geotermikus energia
Még kevésbé elterjedt, de perspektivikus megújuló energiafajta. Nagy előnye, hogy nincs kitéve a nap- és szélenergia alapú termelés időjárás- ill. napszakfüggésének. Helyigénye is lényegesen kisebb a DC-léptékű teljesítményigényt megtermelni képes egyéb technológiákénál. Ráadásul a geotermikus kutak a hőelvétel mellett akár a hűtésben hasznosítható hőelnyelőként is igénybe vehetők.
Hátrányuk viszont a nagy létesítési költség, amely a szenes erőművekének nagyságrendjébe esik. Jelentős továbbá a vízigény. Mind a kutak fúrása, mind pedig üzemeltetése vízigényes tevékenység, amely hatással lehet a helyi vízháztartásra. A meleg víz kisebb-nagyobb mértékű korrozív hatása is növeli az üzemeltetési költséget.
Fontos fejlemény volt a Google tavalyi bejelentése, miszerint nevadai adatközpontjának energiaellátásához geotermikus energiát fog használni.
3.2.4. Alapellátás: vízenergia
Elsősorban vízerőmű – esetleg tengeri árapály erőmű – közelében jöhet szóba. Stabil, jól tervezhető energiaforrás. Szintén nagy előnye, hogy mentes a nap- és szélenergia időjárás ill. napszak függésétől. Hűtésre is kiváló, bár a „hulladékhőt” célszerűbb újra hasznosítani.
Ugyanakkor figyelembe veendő, hogy az egyre gyakoribb aszályos időszakok már a vízerőművek működését is korlátozhatják.
Robusztus technológia, kialakult „önvédelmi” megoldásokkal.
3.2.5. Alapellátás: közcélú hálózati kapcsolat
A GDC közcélú hálózati kapcsolatának kiépítése a helyi adottságok és beruházói döntés függvénye. A közcélú hálózati kapcsolat mellett és ellen szóló érvek:
- A közcélú hálózati kapcsolat előnye a robusztus villamos hálózati háttérrel a DC villamosenergia-ellátásának még nagyobb ellátásbiztonsága. További lehetőség a DC-ben jelentkező esetleges villamosenergia-felesleg értékesíthetősége a közcélú hálózatban. Ugyanakkor a korábban írtak alapján a hálózatra csatlakozás egyre nehezebben elérhető opció.
- A közcélú hálózati kapcsolat hátránya a lényegesen magasabb beruházási költség. Ennek oka egyrészt a kiépítendő DC oldali fogadóállomás, a távvezeték/földkábel, a hálózati oldali kiágazás, továbbá mindennek villamos védelme, automatikája, méréstechnikája, irányítástechnikája. Másrészt a beruházási költség amiatt is magasabb, mert egy esetleges külső kapcsolat ellenére/mellett a DC-ben ugyanúgy ki kell építeni azokat a kapacitásokat, amelyek a külső betáplálás esetleges tartós zavara esetén is biztosítják a DC zavartalan működtetését (max. csak rövidebb áthidalási idővel).
A közcélú hálózati kapcsolat közcélú adatkapcsolatokat is feltételez (irányítástechnika, méréstechnika), amelyek potenciális behatolási felületeket jelentenek. Teljesen önellátó GDC esetén ez a támadási felület kisebb.
Viszont ebben az esetben még inkább védendő a GDC villamosenergia-rendszere. Egyrészt azért, mert közcélú hálózati kapcsolat hiányában „baj” esetén ténylegesen csak magára „számíthat”. Másrészt azért, mert egy GDC villamos hálózata egy robusztus országos hálózathoz képest nagyságrendekkel kisebb, így kevésbé reziliens.
3.3. Tárolás
Jelentős megújuló hányad esetén kezelni kell az évszak-, napszak- időjárásfüggés miatti – részben tervezhető, részben tervezhetetlen – változó termelési állapotot. Míg az évszak- és napszak-függés kezelése jól tervezhető, az időjárás hatása a nap- és szélenergia-alapú termelés esetében jóval nehezebb. Egy adatközpont létesítésének kritikus tervezési mozzanata a létesítési helyszín időjárási adottságának – hangsúllyal szél- és napenergia alapú termelési potenciáljának – felmérése és helyes leképezése.
Kisebb tároló kapacitás is elégséges olyan országokban, ahol magas a napsütéses órák száma. Ugyanakkor a sarkokhoz közelebbi GDC telephelyeken egyre nagyobb tároló kapacitásokra van szükség, amely lényegesen megdrágítja a GDC-k létesítését és üzemeltetését.
Az időbeli termelési hullámzások kiegyenlítése két tárolási technológia kombinációjával lehetséges:
- A rövidebb – néhány másodperces vagy perces – külső betáplálási, vagy saját termelési kiesések, valamint a napszakok miatti naponta ciklikusan változó termelési ingadozás áthidalására akkumulátortelepek hivatottak. Ezek alapesetben 10 mp-től 15 percig terjedő – DC esetében akár hosszabb – időt képesek áthidalni, az 1. rész 1. pontja szerinti teljesítményigényhez igazodó hatalmas – az áthidalandó időhöz illeszkedő méretű – akkukapacitást igényelve.
- A borult, szélcsendes időben tartósan – akár hetekig – visszaeső megújuló alapú villamosenergia-termelés minimálisra csökkenésével kiseső energia pótlása leginkább hidrogén-alapú termelő technológiával lehetséges. GDC esetén adottak az ún. zöld – azaz teljes egészében megújuló alapú villamosenergiával végzett hidrolízises – hidrogén előállításának feltételei. Napos és/vagy szeles időben a megtermelt villamosenergia egy része hidrogén előállítására szolgál. A megfelelő tartályban tárolt hidrogénből szükség esetén üzemanyagcellában nyerhető vissza villamosenergia.
A tárolandó kapacitás méretezésének „szűk keresztmetszete” a leghosszabb, téli megújuló alapú energiatermelési szünet áthidalhatósága. A túl kicsi kapacitás fennakadást okozhat a DC működésében, viszont a túl nagy kapacitás tőkeigénye (CAPEX) jóval nagyobb. Az utóbbi esetben megoldást jelenthet az esetleges felesleg kereskedelmi értékesítése.
A termelés méretezésénél és a védelem kialakításánál a szerver rackek folyamatos villamosenergia-ellátásával azonos prioritással kell biztosítani a hűtés villamosenergia-ellátását is. A kis rack-sűrűségű (max. 5 kW/állvány) kialakítás akár néhány perces termikus toleranciájához képest 10-20, de laboratóriumi körülmények között akár 30-100 kW hő is disszipálódhat, amely hűtés hiányában másodpercek alatt is termikus túlterhelődést okozhat.
A hatalmas DC villamosenergia-tároló kapacitás kiépítésének gazdaságosságát javíthatja, ha ez a kapacitás szerződéses keretek között, szabályozási eszközként, tartalékként a közcélú hálózatnak is rendelkezésére áll. Ez persze kizárólag abban az esetben jöhet szóba, ha a DC villamosenergia-rendszere és a közcélú hálózat összeköttetésben van és megvannak a kétirányú energiaforgalom feltételei.
A hálózati kapcsolat léte, vagy nem léte nehéz döntés, mivel a DC beruházójának a gazdaságosság és a szigetüzemből fakadó nagyobb biztonság között kell választania.
A Google már gyakorlati lépéseket is tett nagy mennyiségű megújuló alapú villamosenergia tárolására. Las Vegasban épülő új adatközpontja számára 350 MW naperőművi teljesítményre kötött szerződést, amelyhez 250-280 MW teljesítmény leadására képes tároló kapacitást is vásárolt.
3.3.1. Szünetmentes tápellátás: akkumulátor
A mai korszerű akkutechnológia kapacitásukban jól skálázható energiatárolók létesítését teszi lehetővé. Ám ezek egy DC tárolási igényének nagyságrendjében igen drága megoldások. 70 MW-os DC teljesítményigényt alapul véve 24 órás zavartalan villamosenergia-ellátáshoz 1.680 (!) MWh tárolási kapacitás szükséges.
Ebben a helyzetben fokozott jelentősége van a mai korszerű tárolómegoldások szerves részét képező digitális akkumulátor-felügyeleti rendszereknek, amelyek mind rendszerükben, mind cellánként hivatottak az akkumulátortelepek monitorozására, az akkuterhelések optimalizálása és a meghibásodások előrejelzése céljából.
A DC energiaigényét tárolni képes akkumulátortelepek eleve igen drágák. Azok, amelyek több órás energiamennyiség tárolására képesek gyakorlatilag megfizethetetlenek, illetve nagy a helyigényük, ami tovább növeli a költséget.
Az alapellátás és az akkumulátor-felügyeleti rendszer egyidejű sikeres támadása szélső esetben a DC működés leállását okozhatja, mert a vészhelyzeti ellátás általában nem képes olyan gyorsan meginduló villamosenergia-termelésre, hogy kiválthassa az alapesetben az akkumulátorok által biztosított megszakításmentes tápellátást. De ha a vészhelyzeti termelés mégis át tudja hidalni a kiesést, ebben az esetben akkor is vészesen lecsökken az ellátásbiztonság, hiszen a tápellátás rendundancia nélkülivé válik, azaz bármely további – technológiai vagy támadás miatti – működési zavar a DC teljes leállását okozhatja.
Ugyanakkor az akkumulátor-alapú, kifejezetten DC-specifikus szünetmentes tápellátásnak korlátjai is vannak (rövid időtartam, magas költség, nagy helyigény, nagy ökológiai lábnyom).
3.3.2. Vészhelyzeti tápellátás
A vészhelyzeti tápellátás az alapellátás kiesésekor a folyamatos ellátást biztosítani hivatott szünetmentes – de rövidebb áthidalási idejű – tápellátás helyébe lép, amennyiben az alapellátás zavara tartósnak bizonyul. A vészhelyzeti tápellátásra több technológia is alkalmas lehet.
3.3.2.1. Zöld hidrogén és üzemanyagcella
A zöld hidrogén és üzemanyagcella a DC vészhelyzeti tápellátás manapság legtöbb esélyt hordozó technológiája lehet.
A zöld hidrogén termelésen, tároláson és üzemanyagcellában történő villamosenergia előállításon alapuló vészhelyzeti tápellátás sémája:
A termelés egyes kritikus elemei röviden:
3.3.2.2. Zöld hidrogén
A hidrogén az előállítás módjától függetlenül is kiemelkedően előnyös energiahordozó. Az elterjedt tüzelőanyagok között tömegarányosan a hidrogén energiatartalma a legnagyobb (háromszorszorosa a dízel üzemanyagnak és az LNG-nek).
A zöld hidrogén előállítása a DC-ben termelt megújuló alapú villamos energiával működő vízelektrolízissel történik, melynek során a vízből a katódon hidrogén, az anódon oxigén keletkezik. Magas tőke- (CAPEX) és üzemeltetési költségei (OPEX) miatt jelenleg nagyon drága, a fosszilis alapú termeléssel nem versenyképes eljárás. Ugyanakkor a DC, mint nagyértékű és az energiabiztonságra szinte „bármilyen áron” rászoruló létesítménynél ez a szempont hátrébb szorul. Kisebb (MW alatti) teljesítményigény esetén a jelenlegi technológiai fejlettségi szinten 1 kg hidrogén előállítása mintegy 53 kWh villamos energiát igényel.
A hidrogén elvileg földalatti üregekben, leművelt földgáz mezőkben, természetes körülmények között, akár nagy mennyiségben is tárolható. Ennek ellenére az ipari felhasználású hidrogént jellemzően 50 literes, 200 baros palackokban, illetve 50-1000 bar nyomású tartályokban tárolják. A hidrogén csak cseppfolyós formában, -252,9 °C-on, 1 baros nyomáson, speciális, vákum szigetelt tartálykocsiban történhet. E jellemzők miatt a hidrogén leginkább a termelés helyéhez közel kerül felhasználásra.
A zöld hidrogén technológia még intenzív fejlődési szakaszban van. Érzékeny, nagy nyomású, nagy és kifejezetten drága gépeket tartalmazó technológiáról lévén szó, ezek felügyeleti rendszerének sikeres támadása óriási károkat és az adatközpont működésének zavarát okozhatja.
3.3.2.2.1. Üzemanyagcella
Az üzemanyagcellában elektrokémiai folyamat zajlik, amelyben hidrogén és oxigén bevitelével elektromos energia és víz keletkezik. Továbbra is a 70 MW-os DC teljesítményigényt alapul véve, ezt a villamosenergia-igényt, 24 órán keresztül, üzemanyagcellában, nagyságrendileg 820 m3 hidrogén képes megtermelni.
A hidrogén üzemanyagcellákkal történő villamosenergia-termelés hatásfoka kiemelkedő: akár 65% is lehet, szemben a hagyományos, kazános erőműben történő termelés 33-35%-os hatásfokával.
Üzemanyagcellával történő villamosenergia-termelés esetén akár 98%-os (elméleti) hatásfok is elérhető.
Bár értelemszerűen az üzemanyagcella működését is digitális rendszer felügyeli, ám nincs arra vonatkozó adat, hogy működésének megzavarása rövid távú és súlyos fennakadást okozna a működésében. Ugyanakkor a szándékoltan az üzemi tartományon kívüli működés hosszú távon súlyosan károsíthatja az elektrolizáló rudakat.
3.3.2.3. Dízel generátor
Bár GDC-ben való alkalmazása kizárt, ám „vész-vészhelyzeti” villamosenergia-termelőként talán mégis előfordulhat.
Alapesetben 24-48 órás folyamatos működésre méretezik. Egy 50-100 MW-os dízel tartalék kapacitás roppant beruházást kíván, miközben a működés jelentős légszennyezéssel jár.
A dízel-generátorok alkalmazása környezetvédelmi szempontból egyébként is egyre inkább kerülendő lenne, mivel pl. az NOx kibocsátásuk 50-60-szorosa ugyanannyi, „hagyományos” hőerőműben megtermelt villamosenergia-mennyiség esetén.
Dízel üzemanyagból rendszerint 24-48 órára elégséges mennyiséget tartalékolnak. Egy nagy DC – a példa kedvéért 100 MW nagyságrendbe eső teljesítményt leadni képes – dízel tartalék képzése mind CAPEX, mind OPEX tekintetében hatalmas költséget jelent. Alternatív megoldás lehet az üzemanyagcella. Ugyanakkor 100 MW teljesítményt 24 órán keresztül leadni képes üzemanyagcellák működéséhez szintén jelentős üzemanyag mennyiségre, mintegy 1170 m3 hidrogénre van szükség. Ezzel együtt a hidrogén kiválthatja a dízel-generátorokat. Sőt a hidrogén és az üzemanyagcella a GDC-k villamosenergia-ellátásában egyfajta paradigmaváltást is megalapozhat. Ezt az alapozná meg, hogy az üzemanyagcellák által termelt egyenáramú (DC) villamosenergia közvetlenül táplálhatja a technológia berendezések jelentős részét, kiváltva ezzel a váltóáramra (AC) történő átalakítást végző invertereket. Ezzel azok CAPEX és OPEX terhe is megtakarítható, miközben az esetleges meghibásodásukból fakadó kockázat is kiesik.
3.4. Villamosenergia-elosztó rendszer
Egy DC villamosenergia-elosztó rendszere „csak” annyiban különbözik más üzemi rendszerektől, hogy kialakítása az átlagosnál robusztusabb, nagyobb benne a strukturális redundancia.
Ezzel együtt vannak olyan rendszerkomponensek, amelyek kiemelt támadási célpontok lehetnek.
Egy DC villamosenergia-elosztó rendszere nem feltétlenül csak váltakozóáramú lehet. Az egyenáramú rendszer kétségtelen előnye, hogy a többlet hibaforrást jelentő inverter előző pont szerinti elhagyhatósága.
3.4.1. Transzformátor
A kisebb, ún. száraztranszformátorok esetében nincs kockázat.
Viszont a nagyobb, olajszigetelésű és -hűtésű transzformátoroknak több gyenge pontja is van, leginkább a hűtésük. Az ilyen transzformátorokat magas áruk, nehéz pótolhatóságuk miatt számos rendszer felügyeli és vezérli. Ezek mindegyike digitális, azaz támadási célpont lehet.
A cikksorozat harmadik, egyben befejező része az ún. a mikrogridet, a GDC-k villamosenergia-ellátásának legalkalmasabb rendszertechnikai keretét mutatja be.
