データセンターの冷却と電力需要が2030年までに倍増する中、AIインフラストラクチャにとって環境的に責任ある道はどのようなものでしょうか？
すべてのワット電力コンピューティングは熱を生成します。今日の高性能コンピューティング（HPC）ワークロードは、ラック密度を140キロワット（kW）（図1を参照）を超えて押し上げており、熱設計電力（TDP）が1000ワット（W）を超えるチップもあります。冷却システムは、急増する熱負荷を管理するためにより懸命に働き、エネルギー消費を促進しています。また、AIの導入が加速する中、世界のデータセンターの電力需要は2030年までに倍増すると予測されています。
図1. ラック密度が増加しており、定義されたスペース内のサーバーまたは機器の集中度が高いことを示しています。ソース – Omdia、ラック密度データ
結果はVertivの支持ではありません。これらの結果に依拠することは、第三者自身のリスクです。
電力の制約と進化する排出規制の中でこの課題に対応するため、事業者はハイブリッドエネルギーソリューションに目を向けています。代替エネルギー、または非化石ベースのソースを他の分散型エネルギーリソース（DER）と組み合わせることで、データセンターは負荷のかかるグリッドへの依存を減らすことができます。水素燃料電池、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）、グリッドインタラクティブ無停電電源装置（UPS）などのDERとの代替エネルギー統合により、エネルギー効率と炭素プロファイルを改善できます。
データセンターの冷却は失敗しない
電力の不安定性はデータセンターの冷却システムを脅かし、短時間の中断でも熱シャットダウンを引き起こし、ハードウェアを損傷し、コストのかかる停止を引き起こす可能性があります。アップタイム研究所によると、現在、停止の5分の1は100万ドル以上かかり、他の多くの停止は10万ドル以上です（図2を参照）。AIが金融、政府、医療などの重要なセクターをサポートしているため、短時間の冷却障害でも大きなリスクが伴います。
需要が供給を上回っている
しかし、ハイブリッド・エネルギー・ソリューションであっても、事業者は依然として世界的な規制の圧迫に直面しています。欧州は、グリッドの安定性を管理するために、キャパシティキャップと段階的な承認（アイルランドなど）を強制しています。米国は税制優遇措置とグリッドの近代化を優先し、より厳格な効率性を義務付けています。シンガポールのような密度の高い都市市場では、高いエネルギー基準がデザインを左右します。事業者にとっての課題は明らかです。進化するルールを満たしながら、コンピューティングを拡張することです。
図2. アップタイム・インスティテュートの2025年調査の回答者の半数以上（57%）が、直近の重大な停止コストが10万ドルを超え、20%が100万ドルを超えており、直接コスト、機会コスト、評判コストを反映しています。出典：アップタイム・インスティテュート
データセンターの代替エネルギーアプリケーション
代替エネルギー統合には、太陽光、風力、バイオエネルギーなどのエネルギー源を既存の電力網に接続することが含まれます。このアプローチでは、安定した信頼性の高い電力供給を維持するために可変出力を管理する必要があります。代替エネルギー統合は、エネルギー貯蔵やスマート制御などの技術を使用して、グリッドの効率と回復力を向上させ、環境への影響を低減します。
電力購入契約（PPA）
電力購入契約（PPA）により、データセンターは発電機から直接太陽光または風力エネルギーを契約できます。オペレーターは、固定容量契約を確保することで、データセンターの継続的な冷却作業のために、予測可能で環境に配慮した電力を維持できます。さらに、PPAは、揮発性グリッド電力への依存を減らし、価格変動から保護することができます。
常時オンのBESS付きマイクログリッド
オペレーターは、データセンターの冷却などの重要なシステムの電力を安定させるために、太陽光発電や風力発電をBESSと統合することで、常時オンのマイクログリッドを導入できます。バッテリーは余剰電力を蓄え、オンデマンドで解放するため、断続的な発電による中断を排除します。これにより、リアルタイム生成が低下した場合でも、中断のない冷却が維持されます。オハイオ州デラウェアのVertivカスタマーエクスペリエンスセンターでは、1メガワット（MW）AC太陽光発電（PV）アレイと1-MW BESSを常時オンのマイクログリッドに実装しました（図3を参照）。
図3. VertivのDynaFlexバッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）は、リチウム鉄（LFP）バッテリーを使用して、ユーティリティ規模の常時オン電源を供給します。VertivのDynaFlexエネルギー管理システム（EMS）と統合すると、これらのシステムは、需要管理やグリッドへの余分なエネルギーの収益化を含む、高度なエネルギー管理を可能にします。この統合により、太陽光や風力などのさまざまなエネルギー源間のシームレスな移行が維持され、効率と信頼性が最大化されます。
グリッドインタラクティブ無停電電源装置（UPS）付きBESS
データセンターの太陽光発電または風力発電が落ちると、グリッドインタラクティブUPSはシームレスにBESSに切り替えて貯蔵エネルギーを放電します。同時に、これらのUPSは、充電/放電サイクルを迅速に調整してエネルギーの断続性を補正することで、グリッド周波数を安定させます。このストレージとグリッドバランシングの2つの機能により、データセンターは変動エネルギー生産でも稼働時間を維持しながら代替エネルギー使用量を最大化できます。
バックアップ電源およびユーティリティ電源としての水素燃料電池
UPSに設置された高速ポリマー電解質膜（PEM）燃料電池は、ディーゼル発電機への依存を減らし、停電時の冷却を維持します。固体酸化物燃料電池（SOFC）はグリッド入力に取って代わることができ、高効率の冷却環境において安定したベースロード電力を提供します（図4を参照）。Vertiv Customer Experience Centerでは、燃料電池システムをUPSとうまく統合し、実際の動作条件でこのアプリケーションを実証することができました。
図4 燃料電池と統合すると、Vertiv−(* Liebert® EXL S1は、急激な電力変動時に連続性を維持し、重要な負荷をサポートします。オペレータは、Vertivダイナミックグリッドサポートモードを使用してこれらのユニットをグリッドに接続し、燃料電池からエネルギーを供給し、周波数調整やピークシェービングなどのグリッドサービスを提供できます。
データセンター冷却における代替エネルギー統合のメリット
グリッドの安定性
他のDERとの代替エネルギー統合は、ユーティリティのピーク需要を削減し、ローカルの変動を吸収し、データセンター冷却システムの電力信頼性を向上させます。米国エネルギー省によると、データセンターの太陽光発電をBESSに統合することで、需要の高いゾーンでピークグリッド負荷を最大20%削減できます。オンサイト発電が冷却やITニーズを上回る場合、システムは余剰電力をグリッドに輸出し、不安定な時期にグリッド周波数と電圧調整をサポートできます。
炭素削減
データセンターは、ディーゼル発電機の使用を水素燃料電池に置き換えて、スコープ1の排出量を削減できます。PEM燃料電池は電気化学変換によって電気を発生させ、水のみを放出します。ディーゼル発電機とは異なり、これらの燃料電池は、代替源からの水素によって駆動される場合、炭素衝撃がほぼゼロで連続的に動作することができる。データセンターの太陽光発電または風力発電を統合して、発電およびバックアップレベルで電気分解を介して水素を生成すると、炭素効率が向上します（図5を参照）。
図5. フェーズ2および3は、データセンターのエネルギー独立性に関する短期的または中期的な目標です。マイクログリッド施設からのディーゼル発電機の始動を削減し、バックアップ電源としてPEMおよびSOFC燃料電池に置き換えます。
エネルギー効率
燃料電池とBESSは、従来のバックアップシステムよりも高い変換効率を提供します。ディーゼル発電機は、通常30～35%の効率で作動しますが、PEMおよびSOFC燃料電池は、最適な条件下で50～60%の効率に達することができます。さらに、DER により、オフピークまたはオンサイトの代替電源を保存し、データセンターの冷却負荷に直接割り当てることができます。これにより、不必要な変換損失が削減され、HPCデータセンター全体のエネルギー配分が最適化されます。
コスト効率
データセンターの冷却は施設のエネルギーの約40%を消費し、AIワークロードはこの数字を増やしています。2018年以来、電力価格は米国で17.2%、ドイツで35.1%、日本で10.5%上昇しており、熱管理はコスト面で大きな課題となっています。代替エネルギーシステムは、発電機の稼働時間、燃料の使用、メンテナンスの必要性を削減し、継続的な運用をサポートしながら長期的なコスト効率を実現します。
運用上の信頼性
DERは、グリッドの独立性を可能にし、ディーゼル発電機の始動を減らすことで、稼働時間を向上させることができます。PVパネル、燃料電池、BESSを備えたマイクログリッドはアイランドモードで動作し、グリッド障害時でも冷却システムに一貫した電力を供給します。UPSシステムは、このようなセットアップでエネルギーハブとして機能し、ソース間のシームレスな切り替え、周波数変動の管理、重要なデータセンター冷却インフラストラクチャのミリ秒単位の高速フェイルオーバーを実現します（図6を参照）。
図6 動的またはハイブリッドな電力エネルギーエコシステムは、複数のエネルギー源を組み合わせ、ストレージ、配電、および緊急時対応メカニズムを合理化することで、不安定なグリッドに対するデータセンターの脆弱性を軽減できます。
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