Veri Merkezi Elektrik Jeneratörlerinin Dizelden Gaz Yakıtlı Çözümlere Dönüştürülmesi
Ph. D. Marcelo Algrain
Teknik İşlerden Sorumlu Kıdemli Yüksek Mühendis
Caterpillar, Inc. Elektrik Gücü Sistemleri Bölümü
Ekim 2016
Giriş
Veri merkezi sektörünün enerjiye olan gereksinimi yoğun tempoyla büyümeye devam etmektedir. Geçmişte, veri merkezleri için ucuz ve güvenilir güç kaynaklarına yakın yerler tercih edilirdi. Günümüzde ise bu tür yerlere yaklaşmak daha zor hale gelmiştir ve özellikle, elektriğe olan talebin yüksek olduğu durumlarda şebeke gücüne daha az bağımlı olacak alternatif çözümlerin bulunması yönündeki baskı tepe noktasına ulaşmıştır.
Çoğu veri merkezi kendi dizel yedek üniteleri dolayısıyla yeterli bağımsız üretim kapasitesine sahip olmasına rağmen, şebekenin yükünü hafifletmek adına bu ünitelerin işletilebilmesi ne ekonomik açıdan elverişli (yüksek yakıt maliyetine bağlı olarak işletme maliyetlerinin kısıtlayıcı olması dolayısıyla) ne de yıllık kullanım süresini sınırlandıran güncel çevre kurulu kısıtlamaları kapsamında izin verilebilir bir durumdur. Dizel yakıtlı acil durum güç ünitelerinin işlevi yalnızca, şebeke kesintileri sırasında veri merkezi için takviye güç sağlamaktır.
Diğer taraftan, gaza dayalı elektrik üretimi çok daha düşük çevresel etkiye sahiptir ve yakıt maliyeti, dizel yakıtlı elektrik üretimine kıyasla önemli ölçüde azaltılmıştır. Bunun yanı sıra, bazı elektrik üretim işletmeleri, şebekenin yoğun olduğu zamanlarda tüketimi azaltmaya yönelik finansal teşvikler sağlamaktadır. Bu koşullar altında, acil durumlar dışında kalan zamanlarda gaz yakıtlı jeneratör setlerinin kojenerasyon amaçlı kullanılması, veri merkezleri açısından hem ekonomik hem de çevresel anlamda uygulanabilir hale gelmektedir. Gereksinim duyulan kojenerasyon miktarı farklı senaryolara göre değişiklik gösterse de veri merkezinin tüm altyapısını taşımaya yetecek, kritik olmayan yükleri destekleyecek kadar az olabilir.
Koşullar karşısında en üst seviyede esneklik sağlamak zorunda olan bir sektör için dizel yakıtlı elektrik üretiminden gaz yakıtlı elektrik üretimine geçme fikrinin, kimileri açısından çok radikal olarak değerlendirilebilecek bir teknik sıçrama olduğuna hiç şüphe yoktur. Dolayısıyla, aşamalar halinde ilerleyen bir değişim yaklaşımı daha tercih edilir olabilir.
Veri merkezlerinin, dizel yakıtlı elektrik üretiminden gaz yakıtlı elektrik üretimine geçişi birtakım yollarla sağlanabilir. Aşağıda, bu konuyla ilgili birkaç seçeneğe ana hatlarıyla yer verilmiştir. Çözümler genel anlamda cezbedici olmasa bile bunların, özel durumlara yönelik doğru çözüm olabilecekleri unutulmamalıdır.
Veri merkeziyle aynı yerde bir pik yük santrali inşa edin
Birinci seçenek, veri merkezleri açısından en az kargaşaya yol açacak seçenektir. Pik yük santrali, veri merkezinin elektrik talebinin azaltılması gereken zamanlarda devreye girer. Santralin, şebekeye yönelik ilave destek fonksiyonları sağlayıp sağlamayacağı, veri merkezi işletmecilerinin takdirine kalmıştır. Şebekeyi destekleyecek olması durumunda santralin, ABD'deki IEEE 1547 yönetmeliği gibi, ilgili ülkelerdeki şebeke yönetmeliklerine uygun olması gerekecektir. Öte yandan pik yük santralinin, yalnızca veri merkezini desteklemesi ve şebeke yükünü dengelemesi amaçlanıyorsa, şebeke yönetmelikleri çoğu durumda uygulanmayacaktır. Bu da tesis kurulumunu ve bağlantı onayı sürecini basitleştirerek sermaye maliyetini azaltacaktır.
Dizel üniteleri çift yakıtlı ünitelere dönüştürün
Dizel ünitelerin çift yakıtlı ünitelere (dizel ve gaz) dönüştürülmesi, teknik açıdan cazip bir çözümdür. Bu sayede, dizel motorun hızına ve gaz yakıtlı motorunkine yakın yakıt tasarrufuna sahip bir jeneratör seti elde edersiniz. Ne yazık ki, mevcut düzenleyici ortam, bu ünitelerin; dizel ana güç jeneratörleri için uygulanan yönetmelikleri karşılamasını ve hatırı sayılır maliyetler karşılığında kapsamlı egzoz gazı atık arıtma sistemlerine sahip olmasını zorunlu kılmaktadır.
Gaz yakıtlı ünitelerle kritik olmayan yükleri karşılayın
Kritik olmayan yüklerin gaz yakıtlı ünitelerle karşılanmasını içeren üçüncü seçenek, veri merkezinin şebekeye getirdiği yükün bir miktarının dengelenmesi bakımından kısmen etkili bir cevap olacaktır. Kritik olmayan yükler genellikle, veri merkezinin toplam yükünün çeyreğinden daha azını teşkil eder. Bu seçenek, şebeke üstündeki yükün yeterince düşürülmesini sağlıyorsa bu, kabul edilebilir bir çözüm olabilir. Buna ek olarak, veri merkezi, gaz yakıtlı ünitelerin ürettiği ısının birazını kombine ısı ve güç (CHP) çözümü olarak kullanabilirse bu, ısıl verimliliği daha da iyileştirecek bir çözüm teşkil edebilir.
Dizel üniteleri daha yüksek yük karşılama yeteneğine sahip gaz yakıtlı ünitelerle değiştirin
Dizel jeneratör setlerinin doğrudan, gaz yakıtlı jeneratör setleriyle değiştirilmesi ideal bir çözümdür. Gaz yakıtlı ünitelerin yük karşılama yetenekleri bakımından dizel muadillerinin gerisinde kaldığı algısı yaygın olmakla birlikte, gaz yakıtlı motor teknolojisindeki son gelişmeler, motor performansı konusunda sayısız ilerlemeyi beraberinde getirerek gaz yakıtlı motorların yük karşılama kapasitelerini hatırı sayılır oranda iyileştirmiştir.
Resim 1: Yük seti yükünde %75'lik kademe atlama için Geçici Voltaj ve Frekans Değişimi
Şekil 1, yük miktarında %75'lik kademe atlama için geçici voltaj (solda) ve frekans (sağda) değişimini göstermektedir. Mavi çizgi, konvansiyonel gaz yakıtlı jeneratör setini; kırmızı çizgi, yeni dinamik tepkili gaz yakıtlı jeneratör setini ve yeşil çizgi, dizel jeneratör setini göstermektedir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, yeni gaz yakıtlı motor teknolojisinin yük karşılama yetenekleri, bir dizel üniteden beklenecek performans seviyesine yaklaşmaya başlamıştır. Kaldı ki, kimi durumlarda dizel ünitelerin doğrudan, gaz yakıtlı ünitelerle değiştirilmesi oldukça isabetli olmaktadır. Ayrıca, yük değişim sıralamalarının optimize edilmesi, UPS hızlanma sürelerinin esnetilmesi ve blok yüklerinin boyutlarının düşürülmesi sayesinde, veri merkezi yük profilini yeni nesil gaz yakıtlı jeneratör setlerinin yük karşılama yeteneklerine uyumlu hale getirerek, gücünü gaz yakıtlı jeneratörlerden alan veri merkezleri olgusunu gerçeğe dönüştürebilir.
Gaz yakıtlı ve dizel üniteleri birleştiren hibrit jeneratör sistemi kullanın
Son olarak, şebekenin yoğun olduğu zamanlarda veri merkezinin şebekeye yüklediği talebi dengelerken diğer taraftan, acil durumlarda dizel jeneratör setinin performansını koruyan gaz yakıtlı ve dizel üniteleri bir araya getiren bir hibrit çözüm bulunmaktadır. Bunu mümkün hale getiren, genel itibariyle bir veri merkezindeki durağan kararlılıktaki yükün yavaş değişimli olması ve jeneratör seti geçici tepkisine olan taleplerin ağır olmamasıdır. Bu noktada, bir güç kaynağından diğerine geçişte sorunlarla karşılaşılmaktadır. Dizel jeneratör setleri tarih boyunca bu geçişlerle sorunsuz şekilde başa çıkmayı başarmıştır. Konvansiyonel gaz yakıtlı üniteler ise tam aksine, dizel ünitelerin geçiş yeteneklerini henüz karşılayabilmiş değildir. Bunun yanı sıra, gaz ve dizel yakıtlı hibrit sistem, talebin pik yaptığı zamanlarda şebekenin yükünü hafifletmek için geçici cevap üretme gereksinimlerini karşılamakta ve acil olmayan durumlara yönelik güç üretme yetenekleri sağlayabilmektedir.
Veri merkezlerine uygulanan dizel ve gaz yakıtlı hibrit sistemlerin daha basit bir türü, gaz ve dizel yakıtlı jeneratör setlerinin birleşiminden meydana gelen paralel bara konfigürasyonudur. Temel anlamda, gaz ve dizel yakıtlı jeneratör setleri, yükü paylaşan bir paralel baraya bağlanır. Gaz yakıtlı üniteler tipik olarak, dizel ünitelerden daha düşük yük karşılama yeteneğine sahip oldukları için, gaz yakıtlı ünitelerin asgari yük modunda ve dizel ünitelerin yük izleme modunda devreye alınması faydalı olacaktır. Bara üstündeki yeterli elektriksel kararlılık, acil durumlar için hedeflenen güç kalitesini idame ettirecek dizel jeneratör setleri aracılığıyla sağlanırken, kullanılacak gaz ve dizel yakıtlı ünitelerin birbirine oranının tayininde, acil olmayan durumlar için istenen güç üretim düzeyine bağlı olarak seçim yapılmalıdır. Dizel ve gaz yakıtlı üniteler arasındaki oran durumdan duruma farklılık gösterecek olmakla birlikte, 50/50'lik bir paylaşım, kabul edilebilir bir başlangıç noktası olacaktır.
Bilgi işlem altyapısı yükünün UPS'ler aracılığıyla tek bir jeneratör seti üzerinden beslendiği modüler tasarımlardan yararlanan veri merkezlerine yönelik bir hibrit konfigürasyon geliştirmek, daha büyük çaplı ödünleşimleri gerektirir. Tipik olarak, modüler sistemler belirli ölçüde, N+1 veya N+2 gibi güç üretim yedekliliğine sahiptir. Yedek jeneratör setleri, hibrit kullanım açısından fırsat sunmaktadır. Şekil 2, modüler tasarım kullanılan bir veri merkezinin sadeleştirilmiş tek hat şemasını göstermektedir. Birbirinden ayrı iki fırsattan söz etmek mümkündür:
1. Gaz yakıtlı jeneratör setleri yedek amaçlı kullanıma ayrılırken, dizel üniteler ana güç ünitesi olarak kullanılır
2. Dizel jeneratör setleri yedek amaçlı kullanıma ayrılırken, gaz yakıtlı üniteler ana güç ünitesi olarak kullanılır
Birinci durumda, şebeke yükünü hafifletme kapasitesi, yedeklilik düzeyine bağlı olarak 1/N veya 2/N'dir. Bu ise dizel ağırlıklı bir konfigürasyon ortaya çıkarır. İkinci durumda ise potansiyel olarak veri merkezi için gerekli tüm gücü sağlayan gaz yakıt ağırlıklı bir konfigürasyon ortaya çıkarır. Bu iki durumdan hangisinin tercih edileceği, acil olmayan durumlar için hedeflenen bağımsız güç üretimi seviyesine bağlı olarak belirlenir.
Resim 2: Modüler Veri Merkezi Konfigürasyonu Örneği
Gaz yakıtlı jeneratör setlerinin, dizel ünitelerin yük karşılama geçici tepkisine eşdeğer yeteneğe tam anlamıyla sahip olmadığı varsayımından hareketle, bu ihtiyaçların hibrit sistem ile nasıl karşılanacağını inceleyelim. Yedek ünitelerin gaz yakıtlı olduğu 1. durumda, bu jeneratör setleri acil olmayan durumlarda şebeke üstündeki yükü hafifletmek için kullanılabilir. Gaz yakıtlı jeneratör setleri asgari yük modunda devreye alınır. Şebeke akımının kesintiye uğraması halinde, dizel üniteler devreye girerek, gaz yakıtlı ünitelerin devreye girip girmediği fark etmeksizin, alışıldığı üzere UPS'lere yeniden güç verir. Nadiren de olsa, dizel ünitelerden birinin devreye girmemesi durumunda, gaz yakıtlı ünite dizel üniteyi ikame eder, ancak gaz yakıtlı jeneratör setine yük devretme hızının, gaz yakıtlı ünitenin yük karşılama yeteneğine uygun olarak düşürülmesi gerekir. Alternatif olarak, devreye girmemiş olan dizel üniteyi ikame etmesi gereken N+2'lik bir sistem gibi birden fazla gaz yakıtlı ünite bulunması durumunda, gaz yakıtlı ünitelerin UPS'e yük devretme karakteristiği, bu ünitelerin yük karşılama yeteneklerine uygun olabilir.
Yedek jeneratör setinin dizel ve ana jeneratör setlerinin gaz yakıtlı olduğu ikinci hibrit konfigürasyonunda, şebekeye hiç yük bindirmeden tüm veri merkezinin elektrik tüketimini karşılamak için yeterli acil durum dışı güç üretme kapasitesi mevcuttur. Yine de, elektrik kaynağını güçlendirmek ve ilave yedeklilik sağlamak bakımından, şebekeye bağlı kalınması yararlı olacaktır. Tercihen, devreye alma sırası şebekeye bağlıyken gerçekleşerek gaz yakıtlı jeneratör seti, bilgi işlem altyapısının yükünün tamamen gaz ünitesi tarafından taşınabildiği ve ilişkili şebeke devre kesiciden hiç akım geçmediği bir seviyeye yükselebilir. Şebeke akımının olmadığı ve yerine, gaz yakıtlı jeneratör setinin devreye alınması gerektiğinde, dizel jeneratör seti; bilgi işlem altyapısı yükünü gaz yakıtlı üniteye devretmek için ihtiyaç duyulan bara üstü elektriksel kararlılığı sağlayacaktır. Bu işlemin, tüm gaz yakıtlı üniteler devreye girinceye ve kör başlangıç durumundan faal duruma geçinceye dek sıralı olarak tekrarlanması gerekir. Bu işlem, yük devredilecek olan son ünite başta olmak üzere, UPS'in çalışma süresini uzatacaktır. Bununla birlikte, jeneratör seti yük devretme önceliğini endekslemek, tüm ünitelerde UPS'lerin çalışma süresini de denkleştireceğinden ötürü, bu, dakikalarca deşarj olma yeteneğine sahip akülü UPS'ler açısından bir sınırlama teşkil etmeyecektir. Bu son yaklaşım, şebekenin yoğun olduğu zamanlarda veri merkezinin şebeke üstündeki yükünün sıfıra yakın seviyede azaltılmasını sağlayacak ve veri merkezi işletmecilerinin; elektrik işletmeleri tarafından sağlanabilecek mali teşviklerden yararlanmasına olanak tanıyacaktır.
Sonuç
Özetlemek gerekirse, bu ayrıntılı rapor bir veri merkezinin güç sisteminin, dizelden gaz yakıtlı elektrik üretimine dönüştürülmesine ilişkin farklı seçeneklere ana hatlarıyla yer vermiştir. Bu geçiş, aşamalı veya tam dönüşüm şeklinde gerçekleşebilir. Geçişin hangi düzeyde olması gerektiği başlıca, elektriğe olan talebin yoğun olduğu zamanlarda şebekenin yükünü hafifletme ve kojenerasyon kullanımıyla veri merkezinin harici elektrik tüketimini azaltmaya yönelik ekonomik teşvikler nispetinde karara bağlanacaktır. Güncel eğilimler, eski nesil elektrik santrallerinin hizmet dışı bırakılarak yenilebilir kaynakların ve değişken enerji kaynaklarının penetrasyonu arttıkça, şebeke yoğunluğunun yükselmeye devam edeceğine işaret etmektedir. Elektrik enerjisi piyasasında oluşan dalgalanmaya karşılık verebilmek açısından, gaz yakıtlı elektrik üretim sistemleri, veri merkezleri için çevresel ve ekonomik açıdan somut ve istikrarlı bir çözüm getirmektedir. Doğal gaz maliyeti tarihin en düşük seviyelerindedir ve doğal gaz tedariki konusunda bolluk yaşanmaktadır. ABD Savunma Bakanlığı tarafından gerçekleştirilen bir çalışma1, doğal gaz sisteminin genel anlamda; elektrik şebekesinde oluşabilecek iki hafta ila üç aylık kesintilerle başa çıkabilecek kadar dirençli olduğu sonucunu ortaya koymuştur. %99,999'dan daha yüksek güvenilirlik seviyeleri öne süren katı teslimat sözleşmelerine sahip doğal gaz dağıtım sisteminde, tarih boyunca çok az aksaklık meydana gelmiştir. Kısacası, bir veri merkezinin yakıt ihtiyacı açısından doğalgaz son derece elverişli bir seçenektir.
1Kaynaklar: ABD Savunma Bakanlığı: Interdependence of the Electricity Generation System and the Natural Gas System and Implications for Energy Security, 2013 (Elektrik Üretim Sistemi ile Doğal Gaz Sisteminin Birbirine Bağımlılığı ve Enerji Güvenliğine İlişkin İzlenimler, 2013)
Caterpillar hakkında
Caterpillar Inc. 90 yıldan bu yana her kıtada, sürdürülebilir ilerlemeyi mümkün kılmakta ve olumlu değişime yön vermektedir. Müşteriler; altyapı, enerji ve tabii kaynak varlıkları konularında kendilerini kalkındırması için Caterpillar'dan yardım istemektedir. 2015 yılı satışlarıyla ve 47,01 milyar ABD Doları geliriyle Caterpillar, dünyanın lider yapı ve madencilik ekipmanları, dizel ve doğal gaz yakıtlı motor, endüstriyel gaz türbinleri ve dizel-elektrikli lokomotif üreticisidir. Kuruluş, Enerji Endüstrisi, İnşaat Endüstrisi ve Güç Sistemleri olmak üzere, başlıca üç ürün segmentinde hizmet vermekte olup aynı zamanda, Finansal Ürünler segmenti kanalıyla finansman ve finansmana ilişkin hizmetler sağlamaktadır.
Daha fazla bilgi için caterpillar.com.
Electric Power Solutions Center: cat.com/powergeneration.
Electric Power Social Media: Social Media