تحويل مراكز بيانات من توليد الطاقة بالديزل إلى توليد الطاقة بالغاز

مارسيلو ألجراين، دكتوراه في الفلسفة
مدير فني هندسي أول
Caterpillar, Inc.‎ قسم الطاقة الكهربائية لدى شركة 

2016  أكتوبر

مقدمة

لا تزال احتياجات الطاقة في قطاع مراكز البيانات (DC) تنمو بوتيرة سريعة. وفي الماضي، كانت مواقع مراكز البيانات DC المفضلة بالقرب من مصادر الطاقة الرخيصة الموثوق فيها. واليوم، تزداد صعوبة الوصول إلى هذه المواقع، كما تتزايد الضغوط لإيجاد حلول بديلة من شأنها أن تكون أقل تحميلاً على الشبكة، وخصوصًا عندما يكون الطلب على الكهرباء مرتفعًا.

ورغم أن العديد من مراكز البيانات DC لديها ما يكفي من إمكانيات التوليد الذاتي من وحدات الديزل الاحتياطية الموجودة عندها، فإن قابلية تشغيل تلك الوحدات لتخفيف التحميل عن الشبكة ليست مجدية اقتصاديًا (بسبب ارتفاع تكلفة التشغيل نتيجة لارتفاع تكلفة الوقود) ولا ممكنة بها بسبب القيود الحالية التي يضعها المجلس المسئول عن وضع ضوابط التلوث والذي يضع حدودًا على عدد ساعات الاستخدام سنويًا. وتتمثل وظيفة وحدات الطوارئ العاملة بالديزل أساسًا في أنها مصدر طاقة احتياطي في مركز البيانات DC في حالات انقطاع التيار عن المرافق.  

من ناحية أخرى، فإن التوليد القائم على الغاز له تأثير أقل بكثير على البيئة، كما أن تكلفة الوقود منخفضة بدرجة كبيرة مقارنةً بتوليد الطاقة من الديزل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن بعض المرافق تقدم حوافز مالية للحد من الاستهلاك في أوقات زيادة التحميل على الشبكة. وفي ظل هذه الظروف، يصبح استخدام مجموعات مولدات الغاز للتوليد المشترك للطاقة خلال الفترات البعيدة عن مواقف الطوارئ أمرًا قابلاً للتطبيق من الناحية الاقتصادية والبيئية بالنسبة لمركز البيانات DC. ويعتمد الحجم المطلوب للتوليد المشترك للطاقة على سيناريوهات محددة، ولكنه قد لا يتعدى دعم الأحمال غير الحرجة لتوفير الطاقة لمنشأة مركز البيانات DC بأكملها.

وغني عن القول إنه بالنسبة للقطاع الذي يجب أن يتمتع بأعلى مستوى من المرونة، فإن فكرة التحول من طاقة الديزل إلى طاقة الغاز ستكون قفزة تقنية قد ينظر إليها البعض على أنها ثورية للغاية. وإذا كان الأمر على هذا النحو، فربما يكون من الأفضل اتباع نهج تطوري من خلال اتخاذ خطوات تدريجية.  

ويمكن تحقيق انتقال مراكز البيانات DC من طاقة الديزل إلى طاقة الغاز بعدد من الطرق. وفيما يلي توضيح لبعض الخيارات القليلة. ويراعى أنه حتى الحلول التي قد تبدو عمومًا غير جذابة، يمكن أن تكون هي الحل الصحيح في حالات خاصة. 

DC بناء محطة ذروية لتوليد الطاقة بجانب مركز البيانات 

يتميز الخيار الأول بأنه الأقل تشويهًا بالنسبة لمركز البيانات DC. حيث يتم إرسال المحطة الذروية عندما يتعين تقليل الطلب على الكهرباء في مركز البيانات DC. ويحدد المالكون ما إذا كانت المحطة سوف تقوم بوظائف دعم إضافية للشبكة أم لا. وإذا كان من المقرر أن تقوم المحطة بدعم الشبكة، فسوف يتعين أن تلتزم بقوانين الشبكات في البلدان المعنية، على سبيل المثال، IEEE 1547 في الولايات المتحدة. ومن ناحية أخرى، فإذا كان الغرض من المحطة الذروية هو مجرد دعم مركز البيانات DC ومعادلة الحمل الواقع على المنشأة، فلن تنطبق قوانين الشبكات في معظم الحالات، مما يعمل على تبسيط التركيب، وعملية اعتماد الوصلات، وخفض تكلفة رأس المال.

تحويل وحدات الديزل إلى وحدات مزدوجة الوقود

يُعَد تحويل وحدات الديزل إلى وقود مزدوج (ديزل وغاز) حلاً جذابًا من الناحية التقنية. حيث ينتج عن ذلك مجموعة مولدات تتميز باستجابة محرك الديزل، وفي نفس الوقت تكون تكلفة الوقود فيها مقاربة لما هي عليه في محرك الغاز. وللأسف، فإنه في البيئة الحالية لوضع الضوابط، سوف تحتاج الوحدات إلى الالتزام باللوائح الخاصة بمحرك الديزل الأساسي لتوليد الطاقة وسوف تتطلب معالجة لاحقة شاملة للعادم بتكلفة كبيرة. 

توفير الطاقة للأحمال غير الحرجة باستخدام وحدات الغاز

الخيار الثالث لتوفير الطاقة للأحمال غير الحرجة باستخدام وحدات الغاز يقدم إجابة جزئية لمعادلة بعض العبء الذي يحدثه مركز البيانات DC على المنشأة. وعمومًا، فإن الأحمال غير الحرجة تمثل أقل من ربع الحمل الإجمالي لمركز البيانات DC. وعندما يكون ذلك بمثابة تخفيف كافٍ، فربما يكون هذا حلاً مقبولاً. وبالإضافة إلى ذلك، فإذا كان مركز البيانات DC يمكنه استخدام بعض الحرارة المتولدة من وحدات الغاز باعتبار ذلك حلاً مشتركًا يجمع بين الحرارة والطاقة (CHP)، فيمكن إنشاؤه لزيادة تحسين الكفاءة الحرارية.

استخدام وحدات الغاز بدلاً من وحدات الديزل التي تتميز بقدرات لاستيعاب الأحمال العالية

الاستخدام المباشر لمجموعات مولدات الغاز بدلاً من مجموعات مولدات الديزل هو الحل الأمثل. وفي حين أن هناك اعتقادًا سائدًا بأن قدرات وحدات الغاز على استيعاب الأحمال منخفضة مقارنةً بوحدات الديزل المكافئة لها، فإن أحدث التطورات في تكنولوجيا محركات الغاز أدت إلى العديد من الإنجازات في أداء المحركات وتحسين قدرتها على استيعاب الأحمال بشكل كبير. 

الشكل 1: الفولتية والتردد العابران لتغير خطوي بمعدل 75 بالمائة في حمل مجموعة التحميل

يبيِّن الشكل 1 الفولتية (الجانب الأيسر)، والتردد (الجانب الأيمن) العابرين لتغير خطوي بمعدل 75 بالمائة في الحمل. ويماثل الخط الأزرق مجموعة مولدات غاز تقليدية، في حين يماثل الخط الأحمر مجموعة مولدات غاز جديدة ديناميكية الاستجابة، ويماثل الخط الأخضر مجموعة مولدات ديزل. وكما هو مبين في الشكل 1، فإن قدرات استيعاب الأحمال في التكنولوجيا الجديدة لمحرك الغاز تبدأ في الاقتراب من مستوى الأداء المتوقع من وحدة الديزل - لدرجة أنه في بعض الحالات يمكن استخدام وحدة الغاز كبديل مباشر لوحدة الديزل. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين تسلسل التحميل، وتمديد أوقات منحدر UPS ، والحد من حجم الأحمال الكتلية يمكن أن يجعل شكل قطاع أحمال مركز البيانات DC في نطاق قدرات استيعاب الأحمال في الجيل التالي من مجموعات مولدات الغاز، مما يجعل مراكز البيانات DC التي تعمل بالغاز واقعًا.

استخدام نظام توليد هجين يجمع بين وحدات الغاز والديزل 

وأخيرًا، فهناك حل هجين يتم فيه الجمع بين وحدات الغاز ووحدات الديزل لمعادلة طلب مركز بيانات DC على المرفق أثناء أوقات زيادة التحميل على الشبكة مع الاحتفاظ بأداء مجموعة مولدات الديزل أثناء حالات الطوارئ. وهذا الأمر ممكن نظرًا إلى أن حمل الحالة الثابت في مركز بيانات DC بوجه عام بطيء التغير وأن معدلات الطلب على الاستجابة العابرة لمجموعة المولدات ليست شديدة. ويظهر التحدي عندما يكون هناك تحويل من مصدر طاقة إلى آخر. ومن المعروف عن مجموعات مولدات الديزل أنها قادرة على التعامل مع هذه التحويلات بدون حوادث. وعلى العكس من ذلك، فإن وحدات الغاز التقليدية لاتزال غير قادرة على مواكبة القدرات العابرة لوحدات الديزل. ومع ذلك، فإن نظام الغاز والديزل الهجين سوف يكون قادرًا على تلبية متطلبات الاستجابة العابرة وتوفير قدرات التوليد غير الطارئة لتخفيف الحمل عن المرفق في أوقات ذروة الطلب.

التكوين المبسط لمركز البيانات DC الهجين الذي يجمع بين الغاز والديزل عبارة عن تهيئة نواقل متوازنة مع تشكيلة مختلطة من مجموعات مولدات الغاز والديزل. ويتم بصفة أساسية توصيل مجموعات مولدات الغاز والديزل للمشاركة في الحمل عن طريق النواقل المتوازية. ونظرًا لأن قدرات استيعاب الأحمال في وحدات الغاز أقل منها في وحدات الديزل، فسيكون من المفيد تشغيل الوحدات الغازية في وضع الحمل الأساسي وتشغيل وحدات الديزل في وضع متابعة الأحمال. ويجب أن يتم تحديد مقادير الغاز مقابل الديزل استنادًا إلى مستوى التوليد في الحالات غير الطارئة المطلوبة مع توفير الصلابة الكافية للنواقل الكهربائية من خلال مجموعات مولدات الديزل للحفاظ على جودة الطاقة المستهدفة أثناء ظروف الطوارئ. وفي حين أن النسبة بين الديزل والغاز تختلف من حالة إلى أخرى، فإن نقطة البداية المعقولة هي التقسيم بنسبة 50/50.

بالنسبة لمراكز البيانات DC التي تستخدم تصميمات تركيبية تقوم فيها مجموعة مولدات فردية بتوفير الطاقة لحمل تكنولوجيا المعلومات IT من خلال وحدات UPS، فإن تطوير تهيئة هجينة يتطلب مبادلة أكثر شمولاً. وعادةً ما تحتوي الأنظمة التركيبية على مستوى معين من فائض التوليد، N+1 أو N+2، وما إلى ذلك. وتمثل مجموعة (مجموعات) المولدات الفائضة فرصة للتهجين. ويبيِّن الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا مبسطًا أحادي الخط لمركز بيانات DC تركيبي. وتتاح فرصتان متميزتان: 

1. يتم استخدام مجموعات مولدات الغاز للفائض ويتم استخدام وحدات الديزل كوحدات أساسية

2. يتم استخدام مجموعات مولدات الديزل للفائض ويتم استخدام وحدات الغاز كوحدات أساسية

في الحالة الأولى، تكون قدرة تخفيف الحمل الواقع على المرفق هي 1/N أو 2/N اعتمادًا على مستوى الفائض. وتكون هذه تهيئة ديزل مهيمنة. والحالة الثانية عبارة عن تهيئة غاز مهيمنة يُحتَمل أن توفر كل القدرة اللازمة لمركز البيانات DC. وتعتمد الرغبة في كل حالة على مستوى التوليد الذاتي المستهدف خارج حالات الطوارئ.

الشكل 2: مثال لتهيئة تركيبية للتيار المستمر DC

في ظل الافتراض بأن مجموعات مولدات الغاز ليست قادرة بالشكل الكامل على مضاهاة الاستجابة العابرة لاستيعاب الأحمال المعروفة لوحدات الديزل، دعونا نستعرض كيف سيتم تلبية تلك الاحتياجات من قِبل النظام الهجين. في الحالة 1، حيث الوحدات الزائدة عن الحاجة هي وحدات الغاز، يمكن استخدام مجموعات المولدات هذه لتقليل الحمل على المرفق في غير ظروف الطوارئ. وتعمل مجموعات مولدات الغاز في وضع الحمل الأساسي. وفي حالة فقدان المرفق، يبدأ تشغيل وحدات الديزل وتعمل على استعادة القدرة إلى وحدات UPS كالعادة، سواء كانت وحدات الغاز تعمل أم لا. وإذا حدث في حالات نادرة وتعطل بدء تشغيل إحدى وحدات الديزل، فإن وحدة الغاز تكون متاحة لتحل محل وحدة الديزل، غير أنه يجب إبطاء دخول وحدة UPS في مجموعة مولدات الغاز بما يتناسب مع قدرة وحدة الغاز على استيعاب الأحمال. وبدلاً من ذلك، فإذا كانت هناك أكثر من وحدة غاز واحدة لتحل محل وحدة الديزل التي فشلت في بدء التشغيل، على سبيل المثال، نظام N+2، فمن الممكن أن تكون في حدود قدرات استيعاب الحمل لزوج وحدات الغاز لتتولى عملية دخول وحدة UPS.

في التهيئة الهجينة الثانية، والتي فيها مجموعة المولدات الزائدة عن الحاجة من نوع الديزل وبينما الوحدات التحضيرية من نوع الغاز، هناك ما يكفي من القدرة لتوليد الطاقة في غير حالات الطوارئ لتلبية حاجة استهلاك الكهرباء بمركز البيانات DC مع عدم وجود حمل على المنشأة. ورغم ذلك، فسيكون من المفيد استمرار الاتصال بالمرفق لتعزيز المصدر الكهربائي وضمان زيادة الفائض. ويفضل أن يحدث تسلسل لبدء التشغيل أثناء الاتصال بالمرفق، بحيث يمكن لمجموعة مولدات الغاز أن ترتفع لتصل إلى المستوى الذي يتم فيه توفير حمل تكنولوجيا المعلومات IT بشكل كامل من خلال وحدة الغاز وعدم تدفق تيار من خلال قاطع تيار المرفق المعني. إذا كانت هناك حاجة إلى أن يبدأ تشغيل مجموعة مولدات الغاز في غيار المرفق، فإن مجموعة مولدات الديزل الزائدة عن الحاجة سوف توفر التعزيز اللازم للناقل الكهربائي لنقل حمل تكنولوجيا المعلومات IT إلى وحدة الغاز. وسوف يلزم تكرار هذه العملية بالتتابع حتى يرتفع معدل كل وحدات الغاز ويتم تشغيلها من حالة إعادة تشغيل نظام الكهرباء. وتقوم هذه العملية الوقت بتمديد وقت تشغيل وحدة UPS بشكل خاص على الوحدة الأخيرة التي سيتم الدخول إليها. ولكن بالنسبة لوحدات UPS للبطارية التي تستغرق دقائق متعددة من قدرة وقت التفريغ، فإنه لن يكون هناك قيد لأن تسجيل أولوية دخول مجموعة المولدات سيكون خارج وقت تشغيل وحدة UPS على كل الوحدات. هذا النهج الأخير يتيح لمركز البيانات DC تقليل استهلاك المرفق إلى مستويات قريبة من الصفر في أوقات زيادة التحميل على الشبكة، مما يتيح لمالكي مراكز البيانات DC الاستفادة من الحوافز الاقتصادية التي قد يقدمها المرفق.

خاتمة

خلاصة القول، فلقد أبرز هذا التقرير الخيارات المتعددة لتحويل مركز البيانات DC من توليد الطاقة بالديزل إلى توليد الطاقة بالغاز. وقد يتم هذا الانتقال تدريجيًا وصولاً إلى درجة التحويل الكامل. ويكون الدافع وراء قرار مدى التحول مرتبطًا في المقام الأول بمدى التخفيف المطلوب عن الشبكة في أوقات زيادة الطلب على الكهرباء وبالحوافز الاقتصادية لتقليل استهلاك الكهرباء الخارجي لمركز بيانات من خلال استخدام التوليد المشترك للطاقة. وتشير الاتجاهات الحالية إلى أن هناك ازدياد مستمر في التحميل على الشبكة لأنه يتم إخراج محطات الطاقة التقليدية من الخدمة مع زيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة وتنوع مصادر التوليد. ولمواجهة التقلبات الناشئة في سوق الطاقة الكهربائية، فإن مبدأ توليد الطاقة بالغاز يوفر حلاً سليمًا ومرنًا من الناحية البيئية والاقتصادية لمنشآت مراكز البيانات DC. حيث يتميز الغاز الطبيعي بتكلفة منخفضة وإمدادات وفيرة. هناك دراسة تمت بتكليف من وزارة الدفاع الأمريكية1 أثبتت أن نظام الغاز الطبيعي يتميز عمومًا بمتانة كافية للتعامل مع انقطاعات التيار في شبكة الكهرباء لمدة تتراوح من أسبوعين إلى ثلاثة أشهر. وخلال الوقت الماضي، كان هناك عدد قليل جدًا من الانقطاعات في نظام توزيع الغاز الطبيعي، مع عقود إمداد حازمة أظهرت موثوقية بدرجة أعلى من 99.999%. وباختصار، فإن الغاز الطبيعي هو خيار قابل للتطبيق لإمداد مركز البيانات بالطاقة.

1المصادر: وزارة الدفاع: الترابط بين نظام توليد الكهرباء وشبكة الغاز الطبيعي وانعكاساته على أمن الطاقة- 2013

نبذة عن شركة Caterpillar

‏‫على مدار 90 عامًا، لاتزال شركة Caterpillar Inc.‎ تجعل التقدم المستدام ممكنًا وتدفع باتجاه التغيير الإيجابي في كل قارة.‬ ويلجأ العملاء إلى شركة Caterpillar لتساعدهم على تطوير أصول البنية التحتية، والطاقة، والموارد الطبيعية. ومع وصول المبيعات والإيرادات في عام 2015 إلى 47.01 مليار دولار، فإن شركة Caterpillar هي الشركة المُصنعة الرائدة في العالم في تصنيع معدات التشييد والتعدين، ومحركات الديزل والغاز الطبيعي، وتوربينات الغاز الصناعية وقاطرات الديزل الكهربائية. وتعمل الشركة بشكل أساسي عبر ثلاثة قطاعات للمنتجات - وهي صناعات الموارد، وصناعات التشييد، وأنظمة الطاقة - كما توفر أيضًا التمويل والخدمات ذات الصلة من خلال قطاع المنتجات المالية.‬

لمزيد من المعلومات، تفضل بزيارة موقع الإنترنت caterpillar.com. 

Electric Power Solutions Center: cat.com/powergeneration.

Electric Power Social Media: Social Media