Brandstofcellen bieden uitstekende ‘groene’ kans

Blijven ‘fuel cells’ voor altijd een veelbelovende technologie die maar niet door wil breken? Of staan we nu toch echt aan de vooravond van een revolutie in de energievoorziening van datacenters? Bluecomp is er van overtuigd dat brandstofcellen de komende jaren daadwerkelijk breed in datacenters toegepast zullen gaan worden. 

Sinds de introductie van het Internet is er in datacenters niet wezenlijk veel veranderd. Natuurlijk zijn er vele verbeteringen zoals de infrastructuur voor connectiviteit (glasvezelverbinding). Echter essentiële veranderingen in bijvoorbeeld haar energieverbruik zijn ongunstig te noemen. Volgens de wet van Moore verdubbelt elke 16 maanden de rekenkracht van serverprocessoren en daarmee stijgt ook het energieverbruik. Dat als oorzaak heeft gevolgen voor het totale energieverbruik; immers verbruiken vele datacenters evenveel energie als een kleine, westerse stad. Naast de datacenters zelf hebben ook overheden door dat zo langer doorgaan uitgesloten is, ondanks dat Nederland ten opzichte van de ons omringende landen beduidend goedkopere stroom levert. Het huidige maar stijgende energieverbruik kan zelfs zo ver gaan dat datacenters in bepaalde gebieden niet kunnen en/of mogen uitbreiden. Met als gevolg dat zij hun heil in andere gebieden moeten zoeken voor voortzetting van hun bedrijfsactiviteiten. Dat heeft weer tot gevolg dat werkgelegenheid op die huidige locaties terugloopt of zelfs helemaal vervalt. Dat zou de als kenniseconomie profilerende overheid zich sterk moeten aantrekken, in ieder geval veel sterker dan tegenwoordig het geval lijkt.

HyPM-Rack

Grotere datacenters en computerfabrikanten realiseren zich die beperkingen maar al te goed en sommige zijn al druk doende om hun energieverbruik te verminderen en/of alternatieve energiebronnen aan te wenden. Juist in ons omringende landen zijn voorbeelden te over hoe men dat tracht te doen. Zo heeft Duitsland de laatste jaren zwaar ingezet op de opwekking van meer groene energie uit bijvoorbeeld zonnepanelen en windparken maar ook uit bio-vergisting. Die producties zijn zelfs zo omvangrijk, dat opslag van energie problematisch is geworden. Als tijdelijke oplossing heeft men daar gekozen voor afkoppeling bij overproductie en iedereen begrijpt dat dit geen werkelijke oplossing noch verbetering is. Daarom zijn er vernieuwingen in de maak die met innovatieve oplossingen komen als Power-to-Gas; hierbij wordt die overproductie van stroom door elektrolyse omgezet in waterstof en tijdelijk opgeslagen in de bestaande aardgas-infrastructuur. Indien weer stroom nodig is, wordt de waterstof uit deze opslag via brandstofcellen weer omgezet in stroom voor haar verbruikers. Ogenschijnlijk een omslachtige methode echter alles beter dan afkoppelen van groene energieproductie en voorlopig één van de meest kansrijke vormen van energieopslag.

Wat zijn brandstofcellen?

Vroeger werden deze gas-batterijen genoemd en misschien is dat ook een betere benaming voor wat brandstofcellen eigenlijk zijn; elektrochemische toestellen die chemische energie van een continu reactie direct omzetten in elektrische energie. De chemische energie hoeft dus niet eerst omgezet te worden in thermische en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden. Op deze wijze wekt een brandstofcel op een uiterst efficiënte manier energie op.

Echter, er zijn diverse soorten brandstofcellen en de benamingen zijn gebaseerd op het materiaal van gebruikt elektrolyt. Als men kijkt naar de bedrijfstemperatuur kunnen brandstofcellen in twee groepen worden onderverdeeld: Hoge- en Lage temperatuur-brandstofcellen. Het bekendste voorbeeld van Lage temperatuur-brandstofcellen is de PEM FC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell. De bekendste voorbeelden van Hoge temperatuur-brandstofcellen zijn de MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell (gesmolten carbonaat-brandstofcel) en SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (vaste-oxide-brandstofcel). Grootste verschillen zijn het toepassingsgebied, gebruikt elektrolyt en natuurlijk de bedrijfstemperatuur. Bij PEM FC is dat 50-220 °C en bij MCFC/SOFC varieert dat van 650 tot wel meer dan 1000 °C.

Mede vanwege haar temperatuureigenschappen worden PEM FC’s veelal gebruikt in automotive, Telecom, grootschalige energieopwekking en warmte-krachtkoppeling (WKK) terwijl MCFC/SOFC vanwege hun bedrijfstemperatuur juist niet worden gebruikt in automotive en Telecom maar wel in andere genoemde toepassingen. Ook door de bedrijfstemperaturen verschillen de opstarttijden aanzienlijk; van enkele seconden voor PEM FC tot enkele uren voor MCFC/SOFC. Ander groot verschil zijn de gebruikte brandstoffen; voor PEM FC is dat waterstof, eventueel door middel van reformers ook uit biogas of aardgas te winnen. MCFC/SOFC kunnen werken op biogas, aardgas maar ook op synthesegas; een mengsel van voornamelijk koolmonoxide en waterstof dat vrijkomt bij kolenvergassing van steenkool. Dit is nog altijd te verkiezen boven kolenverbranding wat minder efficiënt is en bovendien meer schadelijke uitstoot geeft.

Andere grote verschillen zijn de kostprijs en de levensduur. Het gaat voor dit artikel te ver om hier een volledig vergelijkend overzicht te maken echter kan men stellen dat PEM FC voordeliger zijn maar niet zo lang meegaan als MCFC/SOFC. Komt bij dat door toename van geproduceerde PEM FC door populariteit van waterstofauto’s de kostprijs sterk dalende is terwijl de levensduur toeneemt; de ontwikkelingsbedrijven slagen er in de kostprijs van brandstofcellen elk jaar ongeveer te halveren.

Als grootste voordeel hebben PEM FC brandstofcellen een schone uitstoot; namelijk water en soms door toegepaste reformers een geringe hoeveelheid CO₂, terwijl MCFC/SOFC altijd een flinke uitstoot van CO₂ hebben. Ander groot voordeel van brandstofcellen is dat zij DC stroom produceren. Hier kom ik later op terug.

Wat betekenen brandstofcellen voor datacenters?

Recent zijn een aantal grote Amerikaanse datacenters van onder ander eBay, Adobe, Google, AT&T, CocaCola en Wal-Mart, voorzien van de Bloom Box op basis van SOFC technologie, gemaakt door techno-startup Bloom Energy in Californië. Deze apparatuur werkt op aardgas en wordt mede vanwege haar bedrijfstemperatuur in de buitenlucht geplaatst om datacenters continu van energie te voorzien. Het ogenschijnlijke succes is voornamelijk te danken aan het business-model (pay electrons used, not equipment) en de aldaar lokaal voordelige beschikbaarheid van aardgas, al dan niet afkomstig vanuit fracking. Juist deze laatste productiemethode is - vooral in Europa - omstreden omdat bij de winning van schaliegas het grondwater wordt verontreinigd met schadelijke chemicaliën en daarmee extra milieubelastend is. Het aanvankelijke succes lijkt dan ook meer een Amerikaans economisch-politieke keuze dan een werkelijke technologische vooruitgang.

Er zijn echter ook meer interessante ontwikkelingen gaande op basis van eerder genoemde PEM FC technologie. Meer interessant omdat deze brandstofcellen werkzaam zijn met een veel lagere bedrijfstemperatuur maar ook omdat deze technologie steeds voordeliger in prijs wordt. Door die lagere bedrijfstemperatuur kunnen de PEM FC zowel buiten als binnen de datacenters geplaatst worden, zowel als continu- als noodstroomvoorziening. Deze worden - ook in Nederland - nu al geleverd door onder andere CommScope. Echter vanwege de prijsperceptie van deze innovaties nog mondjesmaat als continu-stroomvoorziening maar in sterk groeiende mate als noodstroomvoorziening ter vervanging van zware dieselmotoren. Immers hebben waterstof PEM brandstofcellen een lagere Total Cost of Ownership dan conventionele diesel generatoren. Mede door wetgeving en financiële ondersteuning van overheden wordt er steeds meer de voorkeur aan gegeven schone technologie toe te passen in plaats van archaïsche apparatuur van ongeveer een eeuw geleden, die bovendien uitsluitend op fossiele brandstoffen kunnen werken. Juist door toename van alternatieve energiebronnen zullen conventionele aanbieders van ‘vuile’ energie hun productie steeds voordeliger aanbieden en is hier een taak voor overheden om verdere uitstoot van schadelijke stoffen te beperken. Zeker in dicht bevolkte en/of verstedelijkte gebieden te verscherpen en enigszins acceptabele normen voor kwalitatieve leef- en werkomgeving te handhaven.

Een interessante ontwikkeling is eind vorig jaar ingezet door het R&D-team van Sean James bij Microsoft - die bovendien in het Open Compute Project (OCP) worden gepubliceerd - namelijk  plaatsing van de brandstofcel in het server-rack! De brandstofcellen produceren DC-stroom terwijl ook een server werkt op DC-stroom. Door deze directe koppeling tussen brandstofcellen en servers zijn geen AC/DC omvormers meer nodig wat een enorme verbetering van efficiency is. Bovendien is zware infrastructuur voor elektriciteit in het datacenter niet meer nodig maar is enkel een gasleiding nodig om de brandstofcellen in het server-rack van gas te voorzien. Het is enkel koudwatervrees van perceptie op brandbaar gas in het server-rack, die deze wezenlijke innovatie als toepassing tegenhouden. Deze negatieve perceptie wordt verder verminderd door innovatieve vloeistofkoeling toe te passen wat zo mogelijke escalaties in vroeg stadium al voorkomt.

Bijkomend voordeel is dat brandstofcellen in het server-rack ‘hot swapable’ zijn wat tevens betekent dat noodstoomvoorzieningen technisch gezien volstrekt overbodig zijn geworden. De plaatsing van brandstofcellen als noodstoomvoorziening lijkt hiermee een opstapfase te zijn geworden naar het veel efficiënter Fuel Cell inside the Server. Door inzetten van al verkrijgbare brandstofcellen als noodstoomvoorziening doet het datacenter echter ervaringen op die de perceptie van betrokkenen verder zal beïnvloeden om deze technologie in vroeg stadium al te adapteren; immers zal het datacenter geen excessief stroom meer verbruiken van conventionele leveranciers maar stroom kunnen betrekken van waterstof uit regeneratieve bronnen als zonnepanelen, windparken tot biovergistingsinstallaties om de brandstofcellen te voeden. Ook aardgas is mogelijk waardoor zogenaamde multi-fuel een verhoogde bedrijfszekerheid garandeert. Hierdoor is het voor datacenters mogelijk om uit te breiden op locaties waar dat tegenwoordig onmogelijk is geworden. Bovendien tevens hun maatschappelijke relevatie te vergroten in de zin van behoud van hoogwaardige werkgelegenheid en/of bevordering agricultuur door levering van de benodigde warmte en CO₂.

Dat met introductie van DC/DC gekoppelde brandstofcellen in het server-rack een revolutie in het datacenter zal voltrekken, is hiermee voldoende ingegeven. Voorlopig zijn persoonlijke perceptie, ogenschijnlijk hoge aanschafprijs en voldoende aanlevering van brandstoffen enige voorwaarden voor het voltrekken van de evolutionaire verandering in Nederlandse datacenters, omdat wij met deze buitenlandse technologie nu eenmaal niet voorop lopen. Het is immers taak van innovatieve, visionaire datacenters in Nederland om haar concurrerende positie te behouden en waar mogelijk uit te breiden.

Alexander Paul is directeur van Bluecomp