W obliczu podwojenia zapotrzebowania na chłodzenie i energię w centrach danych do 2030 r., jaka jest droga rozwoju infrastruktury sztucznej inteligencji, która będzie odpowiedzialna ekologicznie?
Każdy wat mocy obliczeniowej generuje ciepło. Obecne obciążenia związane z obliczeniami o wysokiej wydajności (HPC) powodują wzrost gęstości mocy w szafach rackowych powyżej 140 kilowatów (kW) (patrz rysunek 1), a niektóre układy scalone przekraczają 1000 watów (W) mocy termicznej (TDP). Systemy chłodzenia pracują intensywniej, aby poradzić sobie z rosnącym obciążeniem termicznym, co powoduje wzrost zużycia energii. Wraz z przyspieszeniem wdrażania sztucznej inteligencji przewiduje się, że globalne zapotrzebowanie na energię w centrach danych podwoi się do 2030 roku.
Rysunek 1. Gęstość szaf rackowych wzrasta, co wskazuje na większą koncentrację serwerów lub sprzętu w określonej przestrzeni. Źródło – Omdia, dane dotyczące gęstości racków
Wyniki nie stanowią rekomendacji Vertiv. Wszelkie poleganie na tych wynikach odbywa się na własne ryzyko strony trzeciej.
Aby sprostać temu wyzwaniu w obliczu ograniczeń energetycznych i zmieniających się przepisów dotyczących emisji, operatorzy sięgają po hybrydowe rozwiązania energetyczne. Łącząc alternatywne źródła energii, czyli źródła nieoparte na paliwach kopalnych, z innymi rozproszonymi zasobami energii (DER), centra danych mogą zmniejszyć zależność od przeciążonych sieci energetycznych. Integracja energii alternatywnej z rozproszonymi źródłami energii (DER), takimi jak wodorowe ogniwa paliwowe, systemy magazynowania energii w bateriach (BESS) oraz interaktywne z siecią zasilacze awaryjne (UPS), może poprawić efektywność energetyczną i profil emisji dwutlenku węgla.
Chłodzenie centrum danych nie może zawieść
Niestabilność zasilania stanowi zagrożenie dla systemów chłodzenia centrów danych, a nawet krótkie przerwy w dostawie prądu mogą spowodować wyłączenie termiczne, które uszkodzi sprzęt i spowoduje kosztowne awarie. Według Uptime Institute jedna na pięć awarii kosztuje obecnie ponad 1 milion dolarów, a wiele innych przekracza 100 000 dolarów (patrz rysunek 2). W sytuacji, gdy sztuczna inteligencja wspiera kluczowe sektory, takie jak finanse, administracja publiczna i opieka zdrowotna, nawet krótkie awarie systemów chłodzenia niosą ze sobą ogromne ryzyko
Popyt przewyższa podaż
Jednak nawet w przypadku hybrydowych rozwiązań energetycznych operatorzy nadal borykają się z globalnymi ograniczeniami regulacyjnymi. W Europie obowiązują limity mocy produkcyjnych i stopniowe zatwierdzanie (np. w Irlandii) w celu zarządzania stabilnością sieci. Stany Zjednoczone priorytetowo traktują zachęty podatkowe i modernizację sieci energetycznej, wprowadzając jednocześnie bardziej rygorystyczne wymogi dotyczące efektywności energetycznej. Na gęściej zaludnionych obszarach miejskich, takich jak Singapur, wysokie standardy energetyczne dyktują kierunek projektowania. Dla operatorów wyzwanie jest jasne: dostosowanie się do zmieniających się przepisów przy jednoczesnym skalowaniu mocy obliczeniowej.
Rysunek 2. Ponad połowa (57%) respondentów ankiety przeprowadzonej przez Uptime Institute w 2025 r. zgłosiła, że ich ostatnia poważna awaria kosztowała ponad 100 000 dolarów, a 20% z nich przekroczyło 1 milion dolarów, co odzwierciedla koszty bezpośrednie, utracone możliwości i utratę reputacji. Źródło: Instytut Uptime
Zastosowania alternatywnych źródeł energii w centrach danych
Integracja energii alternatywnej polega na podłączeniu źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i bioenergia, do istniejących sieci energetycznych. Podejście to wymaga zarządzania zmienną wydajnością tych urządzeń w celu utrzymania stałych i niezawodnych dostaw energii elektrycznej. Integracja energii alternatywnej wykorzystuje technologie takie jak magazynowanie energii i inteligentne systemy sterowania w celu poprawy wydajności i odporności sieci energetycznej przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.
Umowy zakupu energii (PPA)
Umowy zakupu energii (PPA) umożliwiają centrom danych bezpośrednie zawieranie umów na dostawy energii słonecznej lub wiatrowej od producentów. Operatorzy mogą zapewnić przewidywalne, przyjazne dla środowiska dostawy energii elektrycznej do ciągłego chłodzenia centrów danych, zawierając umowy o stałej mocy. Ponadto umowy PPA mogą zmniejszyć zależność od niestabilnej energii sieciowej i chronić przed wahaniami cen.
Mikrosieci zawsze dostępne dzięki BESS
Operatorzy mogą wdrażać stale działające mikrosieci poprzez integrację energii słonecznej lub wiatrowej z systemami magazynowania energii (BESS) w celu stabilizacji zasilania krytycznych systemów, takich jak chłodzenie centrów danych. Akumulatory magazynują nadwyżkę mocy i uwalniają ją na żądanie, eliminując zakłócenia spowodowane przerywanym wytwarzaniem. Zapewnia to nieprzerwane chłodzenie nawet w przypadku spadku produkcji w czasie rzeczywistym. W Vertiv Customer Experience Center w Delaware w stanie Ohio firma Vertiv zainstalowała układ fotowoltaiczny o mocy 1 megawata (MW) oraz system magazynowania energii BESS o mocy 1 MW, w ramach stale działającej mikrosieci (patrz rysunek 3).
Rysunek 3 Systemy magazynowania energii w akumulatorach Vertiv™ DynaFlex (BESS) wykorzystują akumulatory litowo-żelazowe (LFP) do dostarczania zasilania o stałej wartości użytkowej. Po zintegrowaniu z systemami zarządzania energią Vertiv™ DynaFlex (EMS) systemy te umożliwiają zaawansowane zarządzanie energią, w tym zarządzanie zapotrzebowaniem i możliwość zarabiania na nadwyżkach energii oddawanych do sieci. Integracja ta zapewnia płynne przejścia między różnymi źródłami energii, w tym energią słoneczną lub wiatrową, w celu maksymalizacji wydajności i niezawodności.
BESS z sieciowymi zasilaczami bezprzerwowymi (UPS)
Gdy w centrum danych spada ilość energii słonecznej lub wiatrowej, interaktywny zasilacz UPS bezproblemowo przełącza się na BESS, aby rozładować zmagazynowaną energię. Jednocześnie te zasilacze UPS stabilizują częstotliwość sieci poprzez szybkie dostosowanie cykli ładowania/rozładowania w celu skompensowania przerwy w dostawie energii. Ta podwójna funkcja przechowywania i równoważenia sieci umożliwia centrom danych maksymalizację alternatywnego zużycia energii przy jednoczesnym zachowaniu czasu pracy, nawet przy zmiennej produkcji energii.
Wodorowe ogniwa paliwowe jako rezerwowe źródło zasilania i zasilania
Szybko uruchamiane ogniwa paliwowe z membraną polimerową (PEM) zainstalowane w UPS zmniejszają zależność od generatorów dieslowskich i zapewniają chłodzenie podczas przerw w dostawie prądu. Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym (SOFC) mogą zastąpić zasilanie z sieci, zapewniając stabilną moc podstawową dla wysokowydajnych systemów chłodzenia (patrz rysunek 4). W Vertiv Customer Experience Center systemy ogniw paliwowych zostały pomyślnie zintegrowane z UPS, aby zademonstrować tę aplikację w rzeczywistych warunkach pracy.
Rysunek 4. Po zintegrowaniu z ogniwami paliwowymi Vertiv™ Liebert® EXL S1 może zachować ciągłość podczas nagłych wahań mocy i obsługuje obciążenia krytyczne. Operatorzy mogą podłączyć te urządzenia do sieci za pomocą trybu Vertiv Dynamic Grid Support Mode, dostarczając energię z ogniwa paliwowego i świadcząc usługi sieciowe, takie jak regulacja częstotliwości i wyrównywanie tzw. pików.
Korzyści płynące z integracji alternatywnych źródeł energii w chłodzeniu centrów danych
Stabilność sieci energetycznej
Integracja energii alternatywnej z innymi rozproszonymi źródłami energii pomaga zmniejszyć szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną i amortyzuje lokalne wahania, zwiększając niezawodność zasilania systemów chłodzenia centrów danych. Według Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych integracja energii słonecznej z centrami danych z systemami magazynowania energii (BESS) może obniżyć szczytowe obciążenie sieci nawet o 20% w obszarach o wysokim zapotrzebowaniu. Gdy energia wytwarzana na miejscu przekracza zapotrzebowanie na chłodzenie i IT, systemy mogą eksportować nadwyżkę energii z powrotem do sieci, wspierając regulację częstotliwości i napięcia sieci w okresach niestabilności.
Redukcja emisji dwutlenku węgla
Centra danych mogą zastąpić wykorzystanie generatorów spalinowych wodorowymi ogniwami paliwowymi w celu zmniejszenia emisji z zakresu 1. Ogniwa paliwowe PEM wytwarzają energię elektryczną poprzez konwersję elektrochemiczną, emitując wyłącznie wodę. W przeciwieństwie do generatorów dieslowskich, ogniwa paliwowe mogą pracować w sposób ciągły, emitując niemal zerową ilość dwutlenku węgla, gdy są zasilane wodorem pochodzącym ze źródeł alternatywnych Wykorzystanie energii słonecznej lub wiatrowej w centrach danych do produkcji wodoru poprzez elektrolizę na poziomie generacji i wytwarzania rezerwy jest bardziej efektywne pod względem emisji dwutlenku węgla (patrz rysunek 5).
Rysunek 5. Etapy 2 i 3 to krótko- i średnioterminowe cele dotyczące niezależności energetycznej centrów danych: ograniczenie uruchamiania generatorów dieslowskich z mikrosieci energetycznej i zastąpienie ich ogniwami paliwowymi PEM i SOFC jako źródłami zasilania awaryjnego i podstawowego.
Efektywność energetyczna
Ogniwa paliwowe i BESS oferują wyższą wydajność konwersji niż tradycyjne systemy rezerwowe. Podczas gdy generatory dieslowskie osiągają zazwyczaj sprawność na poziomie 30–35%, ogniwa paliwowe PEM i SOFC mogą osiągnąć sprawność 50–60% w optymalnych warunkach. Ponadto DER umożliwiają operatorom magazynowanie energii pozyskanej poza godzinami szczytu lub na miejscu oraz bezpośrednie przydzielanie jej do obciążeń chłodniczych centrów danych. Ogranicza to niepotrzebne straty związane z konwersją i optymalizuje dystrybucję energii w centrach danych HPC.
Efektywność kosztowa
Chłodzenie centrów danych pochłania około 40% energii obiektu, a obciążenia związane ze sztuczną inteligencją powodują wzrost tej wartości. Ceny energii elektrycznej wzrosły o 17,2% w Stanach Zjednoczonych, 35,1% w Niemczech i 10,5% w Japonii od 2018 r., co sprawia, że zarządzanie temperaturą staje się coraz większym wyzwaniem kosztowym. Alternatywne systemy energetyczne skracają czas pracy generatora, zużycie paliwa i potrzeby konserwacyjne, odblokowując długoterminową efektywność kosztową przy jednoczesnym wspieraniu ciągłych operacji.
Niezawodność operacyjna
DER mogą wydłużyć czas pracy, umożliwiając niezależność sieci i redukując uruchamianie agregatów prądotwórczych. Mikrosieci z panelami fotowoltaicznymi, ogniwami paliwowymi i systemami magazynowania energii (BESS) mogą działać w trybie wyspowym, dostarczając stałą moc do systemów chłodzenia nawet podczas awarii sieci. Systemy UPS pełnią w takich konfiguracjach rolę centrów energetycznych, płynnie przełączając się między źródłami, zarządzając wahaniami częstotliwości i zapewniając milisekundowe przełączanie awaryjne dla krytycznej infrastruktury chłodzenia centrum danych (patrz rysunek 6).
Rysunek 6. Dynamiczny lub hybrydowy ekosystem energetyczny może zmniejszyć podatność centrum danych na niestabilność sieci energetycznej poprzez połączenie wielu źródeł energii oraz usprawnienie mechanizmów magazynowania, dystrybucji i awaryjnych.
Wykorzystaj zalety chłodzenia dzięki dynamicznej mocy
Dowiedz się, jak Twoja firma może wyprzedzić konkurencję dzięki przyszłościowym strategiom energetycznym. Odwiedź witrynę Vertiv™ Dynamic Power już dziś.
