الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2025-01-05 المنشأ:محرر الموقع
تواجه صناعة مراكز البيانات حاليًا أزمة بنية تحتية غير مسبوقة. ويبلغ متوسط طوابير نقل المرافق الآن من ثلاث إلى خمس سنوات، مما يخلق اختناقًا شديدًا أمام نشر المرافق الجديدة. وفي الوقت نفسه، يؤدي ظهور الذكاء الاصطناعي إلى دفع كثافة الحوسبة إلى حدود جديدة، حيث تتجاوز متطلبات طاقة الحامل في كثير من الأحيان 50 كيلو واط. وهذا الاختلاف بين قدرة الشبكة المتأخرة والطلب المتزايد على الطاقة يفرض إعادة تقييم استراتيجيات الطاقة. إننا نشهد تحولًا حاسمًا حيث ينتقل الغاز الطبيعي من دور احتياطي - ليحل محل مولدات الديزل - إلى مصدر أساسي للكهرباء عبر توليد الطاقة في الموقع.
لا تضع هذه المقالة إطارًا للمحادثة كمناقشة نظرية حول الجدوى، ولكن كتقييم استراتيجي لأصحاب المصلحة في البنية التحتية. يجب علينا تقييم مراكز البيانات المزودة بمحركات الغاز كحل عملي لقيود الشبكة. يزن هذا التحليل المزايا المهمة المتعلقة بسرعة الوصول إلى السوق مقابل الالتزامات البيئية والاجتماعية والحوكمة الضرورية، مما يوفر خارطة طريق لصانعي القرار الذين يتنقلون في هذا المشهد المعقد للطاقة.
النقل مقابل التوليد: إن الدافع الأساسي لاعتماد الغاز ليس الافتقار إلى الطاقة العالمية، بل القيود المفروضة على قدرة النقل المحلية (مشكلة الميل الأخير).
ملاءمة التكنولوجيا: غالبًا ما تتفوق محركات الاحتراق الداخلي الترددية (RICE) على توربينات مراكز البيانات بسبب أوقات البدء الأسرع وكفاءة التحميل الجزئي الأفضل.
الواقع التنظيمي: قد تتطلب استراتيجيات الغاز وراء العداد هياكل قانونية محددة (مثل إعفاءات هينشو) لتجاوز حالة المرافق الفيدرالية.
مقايضة الاستدامة: يوفر الغاز تخفيضًا في الكربون بنسبة تتراوح بين 50 و70% مقارنة بالشبكات التي تستخدم الفحم الثقيل، لكنه يظل أحد الأصول الانتقالية التي تتطلب خريطة طريق لمزج الهيدروجين أو احتجاز الكربون (CCUS) لتحقيق أهداف صافي الصفر.
والحجة الأكثر إقناعا بالنسبة للغاز الطبيعي اليوم هي الوقت. في مراكز البيانات الرئيسية مثل شمال فيرجينيا أو وادي السيليكون، يمكن أن يستغرق تأمين اتصال محطة فرعية جديدة للمرافق نصف عقد. ولا تستطيع شركات التكنولوجيا تحمل هذا الكمون. وعلى النقيض من ذلك، فإن نشر محركات الاحتراق الداخلي والغاز عادة ما يتبع جدولًا زمنيًا يتراوح من 18 إلى 24 شهرًا. ويعتمد هذا الجدول الزمني على سلسلة التوريد، ولكنه يتفوق باستمرار على طوابير نقل المرافق بالسنوات.
كما أن الموثوقية تقود هذا التحول. يتزايد عدم استقرار الشبكة بسبب الأحداث المناخية القاسية والبنية التحتية القديمة. يعتمد النقل الكهربائي التقليدي على الأسلاك العلوية، وهي عرضة للعواصف والرياح والحرائق. تعمل البنية التحتية للغاز الطبيعي بشكل مختلف. تعمل خطوط أنابيب نقل الضغط العالي تحت الأرض. وهي محمية من معظم الأحداث الجوية على مستوى السطح. ونتيجة لذلك، غالبًا ما تتجاوز موثوقية وقت التشغيل لخط أنابيب الغاز الرئيسي موثوقية محطة فرعية كهربائية إقليمية.
تتطلب المرافق الحديثة الاستقلالية. يشير 'الجزيرة' إلى قدرة المنشأة على الانفصال تمامًا عن مرفق الكهرباء والعمل بشكل مكتفي ذاتيًا. تعد هذه القدرة أمرًا بالغ الأهمية أثناء فشل الشبكة أو فترات التقلبات الشديدة في الأسعار. تسمح مولدات الغاز الطبيعي لمراكز البيانات بالعمل كشبكات صغيرة. عندما تتقلب الشبكة أو تفشل، فإن محركات الغاز تتولى الحمولة الكاملة بسلاسة. ويعمل ذلك على حماية أحمال العمل الهامة من التقلبات الخارجية، مما يضمن وقت تشغيل بنسبة 99.999% بغض النظر عن حالة موفر الأداة المساعدة.
يعد اختيار الأجهزة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الكفاءة. يقدم سوق مراكز البيانات المزودة بمحركات الغاز عمومًا تقنيتين أساسيتين: محركات الاحتراق الداخلي الترددية (RICE) وتوربينات الغاز. يخدم كل منها ملفًا تشغيليًا مختلفًا.
تعمل تقنية RICE بشكل مشابه لمحرك سيارة كبير ولكن على نطاق واسع. تعتبر هذه المحركات هي الخيار المفضل للعديد من مراكز البيانات الحديثة. ميزتها الأساسية هي الكفاءة عند الأحمال الجزئية. تختلف أعباء عمل الذكاء الاصطناعي بشكل كبير؛ نادرًا ما تعمل الخوادم بنسبة 100% بشكل مستمر. تحافظ وحدات RICE على كفاءة عالية حتى عند التشغيل بسعة 50%. كما أنها تبدأ بسرعة، وغالبًا ما تصل إلى الحمولة الكاملة في دقائق. إنها تؤدي أداءً جيدًا على ارتفاعات عالية، حيث قد تواجه التقنيات الأخرى صعوبات. ومع ذلك، فهي تتطلب فترات صيانة أكثر تكرارًا ولها ملف تعريف ضوضاء مميز يتطلب التوهين.
تشبه توربينات الغاز المحركات النفاثة المثبتة على الأرض. إنها توفر كثافة طاقة مذهلة، مما يعني أنها تولد كميات هائلة من الكهرباء في مساحة صغيرة نسبيًا. وهي تتطلب عادةً صيانة أقل تكرارًا من المحركات الترددية. ومع ذلك، فإن الجوانب السلبية مهمة بالنسبة لمراكز البيانات. تتميز التوربينات الصناعية القياسية بأوقات بدء بطيئة. نماذج المشتقات الهوائية أسرع ولكنها باهظة الثمن. ومن الأهمية بمكان أن تنخفض كفاءة التوربينات بشكل حاد عند الأحمال الجزئية. إذا كانت منشأتك تعمل بحمل يبلغ 60%، فإن التوربين يهدر وقودًا أكثر بكثير من وحدة الأرز. كما أنها حساسة لدرجات الحرارة المحيطة المرتفعة، وتفقد إنتاجها في الأيام الحارة.
| تتميز | بالمحركات الترددية (RICE) | والتوربينات الغازية |
|---|---|---|
| وقت البدء | سريع (دقائق) | بطيء (ساعات) إلى متوسط (مشتقات هوائية) |
| كفاءة التحميل الجزئي | عالي (ممتاز لأحمال العمل المتغيرة) | منخفض (تنخفض الكفاءة بشكل ملحوظ) |
| صيانة | تردد أعلى | تردد أقل |
| البصمة | أكبر | مدمج (كثافة طاقة عالية) |
| حساسية درجة الحرارة المحيطة | قليل | عالي (ينخفض الأداء بسبب الحرارة) |
يمكن للمشغلين تحقيق أقصى قدر من الكفاءة من خلال تطبيق أنظمة الحرارة والطاقة المشتركة (CHP). يهدر الجيل القياسي الحرارة من خلال العادم. تلتقط أنظمة CHP هذه الطاقة الحرارية. في سياق مركز البيانات، تعمل هذه الحرارة على تشغيل مبردات الامتصاص. تقوم هذه المبردات بتحويل الحرارة المهدرة إلى ماء مبرد، والذي يقوم بعد ذلك بتبريد الخوادم. تعمل هذه العملية على إعادة تدوير الطاقة بشكل فعال، مما قد يؤدي إلى زيادة كفاءة النظام الإجمالية إلى ما يزيد عن 80%. وهذا يحول مركز التكلفة (الوقود) إلى أصل مزدوج المنفعة يوفر الإلكترونات والتبريد.
يؤدي الانتقال إلى الغاز إلى تغيير كيفية اختيار المطورين للعقارات. كان الشعار التقليدي هو أين الألياف والقوة؟ الإستراتيجية الجديدة هي الحفر والاتصال. يبحث المطورون الآن عن مواقع قريبة من خطوط نقل الغاز عالي الضغط.
إن القرب من البنية التحتية للغاز هو المعيار الذهبي الجديد. غالبًا ما يكون مد الألياف إلى موقع غني بالغاز أسهل من توصيل طاقة الجهد العالي إلى موقع غني بالألياف. تقوم فرق اختيار الموقع الآن بإعطاء الأولوية لقطع الأراضي الواقعة على بعد أميال قليلة من خطوط أنابيب الغاز الطبيعي بين الولايات. وهذا يقلل من تكلفة وتعقيد بناء الأنبوب الجانبي الذي يربط الخط الرئيسي بالمنشأة.
يمثل التبريد الحراري عائقًا خفيًا. محطات الغاز تولد الحرارة. تبريدها يتطلب الماء. وفي المناطق المعرضة للجفاف، تكون حقوق المياه مثيرة للجدل مثلها مثل توفر الطاقة. يجب عليك تقييم كثافة استخدام المياه في محطة توليد الغاز المقترحة. تتميز أبراج التبريد بالتبخير بالكفاءة ولكنها تستهلك ملايين الجالونات سنويًا. تعمل أنظمة الحلقة المغلقة على توفير المياه ولكنها تزيد من أحمال الطاقة الطفيلية (المراوح). هذه المقايضة بين الحفاظ على المياه وكفاءة الطاقة تخلق رابطة معقدة بين المياه والطاقة والتي تختلف باختلاف المناخ والتنظيم المحلي.
ينطوي تأمين إمدادات الغاز على عقبتين رئيسيتين: الاتصال المادي واليقين التعاقدي.
الخطوط الجانبية: يجب على المطورين التفاوض بشأن إنشاء خطوط تحفيزية مخصصة أو خطوط جانبية. تربط هذه المنشأة بخط الأنابيب الرئيسي بين الولايات. تتضمن هذه العملية الحصول على حقوق الارتفاق وتصاريح البناء، والتي يمكن أن تستغرق من 12 إلى 18 شهرًا.
الشركة مقابل العقود المتقطعة: هذا قرار تشغيلي حاسم. تعتبر التعريفات المتقطعة أرخص، ولكن يمكن للمرافق خفض العرض الخاص بك خلال ذروة الطلب في فصل الشتاء (على سبيل المثال، الدوامة القطبية) لإعطاء الأولوية للتدفئة السكنية. تتطلب مراكز البيانات عقود نقل ثابتة. هذه ضمان العرض بغض النظر عن الطلب على الشبكة على نطاق أوسع. تعمل عقود الشركة على زيادة نفقات التشغيل (OpEx) بشكل كبير ولكنها غير قابلة للتفاوض من أجل الموثوقية المهمة.
يجب على المشغلين تحليل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) بدقة. توليد الغاز ليس دائما أرخص من الشبكة، ولكنه يوفر استقرار الأسعار.
الإنفاق الرأسمالي (CapEx) لتوليد الغاز كبير. أنت تقوم فعليًا ببناء محطة مرافق في الموقع. تشمل التكاليف شراء المحرك، والمرفقات الصوتية، والأعمال المدنية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تفرض لوائح جودة الهواء أنظمة التخفيض التحفيزي الانتقائي (SCR). تعمل أجهزة الغسل هذه على إزالة انبعاثات أكاسيد النيتروجين من العادم. في الولايات القضائية الصارمة، يمكن لأنظمة التحكم في الانبعاثات إضافة 15-20% إلى النفقات الرأسمالية للمشروع.
تدور النفقات التشغيلية (OpEx) حول Spark Spread. يحدد هذا المصطلح المراجحة الاقتصادية بين سعر الغاز الطبيعي (الوقود) وسعر السوق للكهرباء. فإذا كان الغاز رخيصا وكانت طاقة الشبكة باهظة الثمن، فإن انتشار الشرارة يكون إيجابيا، والتوليد الذاتي يوفر المال.
تعد إدارة رسوم الطلب وسيلة مالية أخرى. تفرض المرافق رسومًا ضخمة بناءً على ساعة ذروة استخدام المنشأة كل شهر. من خلال تشغيل محركات الغاز خلال فترات الذروة هذه - وهي ممارسة تسمى Peak Shaving - يمكن لمراكز البيانات خفض فواتير الخدمات بشكل كبير، مما يوفر في بعض الأحيان الملايين سنويًا من رسوم الطلب وحدها.
كثيرا ما يتساءل النقاد: لماذا لا نستخدم البطاريات فقط؟ إنه سؤال صحيح. ومع ذلك، فإن البطاريات ومحركات الغاز تحل مشاكل مختلفة. تعتبر بطاريات الليثيوم أيون (BESS) ممتازة للتوصيل قصير الأمد. يتم حلها لمدة دقائق أو ساعات (عادةً مدة 4 ساعات). لا يمكنهم الحفاظ على المنشأة أثناء انقطاع الشبكة لعدة أيام أو فشل النقل لمدة أسبوع. ويحل توليد الغاز لأيام أو أسابيع أو لفترات غير محددة. إن الهندسة المعمارية الأكثر مرونة تضعها في إطار متكامل. تتعامل البطاريات مع الأحمال العابرة الفورية وتنظيم التردد؛ يعالج الغاز مرونة طويلة الأمد.
إن نشر البنية التحتية للوقود الأحفوري يخلق تعارضًا مع أهداف الاستدامة للشركات. وقد تعهدت معظم شركات التوسع الكبير بصافي الصفر بحلول عام 2030. والتوفيق بين مراكز البيانات ومحركات الغاز مع هذه الالتزامات يخلق مفارقة الاستدامة.
والحقيقة المباشرة هي أن مركز البيانات لا يمكن أن يصل إلى صافي الصفر إذا لم يكن من الممكن بناؤه. يعمل الغاز كعامل تمكين للمنشأة في الوجود اليوم. وتركز الاستراتيجية على التخفيض أولا، ثم الإزالة. عادةً ما يُصدر توليد الغاز كربونًا أقل بنسبة 50-70٪ من شبكة المرافق التي تستخدم الفحم الثقيل. وعلى الرغم من أنها لا تخلو من الكربون، إلا أنها تمثل تراجعًا عن كثافة الكربون الحالية للشبكة في العديد من المناطق (مثل الغرب الأوسط أو آسيا).
السماح هو عنق الزجاجة الأساسي للتوليد في الموقع.
تصريح الهواء: يعد الحصول على تصاريح لمصادر الانبعاثات الرئيسية في المناطق التي لا يمكن الوصول إليها (المناطق ذات نوعية الهواء الرديئة) أمرًا صعبًا للغاية. في مناطق مثل شمال فيرجينيا أو كاليفورنيا، قد تطلب الهيئات التنظيمية تعويضات باهظة الثمن أو تضع حدًا أقصى لساعات التشغيل الإجمالية.
إعفاء هينشو: هذا فارق قانوني بالغ الأهمية. إذا قامت منشأة ما ببناء خط أنابيب خاص متصل بخط بين الولايات، فإنها تخاطر بأن تصبح خاضعة للتنظيم كمرفق فيدرالي من قبل FERC. يسمح إعفاء هينشو بالتنظيم على مستوى الولاية بدلاً من الإشراف الفيدرالي، بشرط أن يتم استهلاك الغاز داخل الولاية التي يتم استلامه فيها. إن هيكلة الأصل بشكل صحيح للتأهل لهذا الإعفاء يتجنب متطلبات الإبلاغ الفيدرالية المرهقة.
للتخفيف من مخاطر التقادم على المدى الطويل، يجب أن تكون المحركات الجديدة جاهزة للاستخدام في H2. تقدم الشركات المصنعة الرائدة الآن محركات قادرة على مزج 20% إلى 100% من الهيدروجين مع الغاز الطبيعي. وهذا يوفر خريطة طريق واضحة لإزالة الكربون مع توفر الهيدروجين الأخضر. علاوة على ذلك، يمكن للمشغلين شراء شهادات الغاز الطبيعي المتجدد (RNG). RNG هو الغاز الحيوي الذي يتم التقاطه من مدافن النفايات أو المزارع. ومن خلال شراء هذه الشهادات، يمكن للشركات تحييد البصمة الكربونية لاستخدامها للغاز الأحفوري على الورق، والحفاظ على الامتثال للمعايير البيئية والاجتماعية والحوكمة.
ليس كل موقع مناسبًا للإنشاء في الموقع. يجب على أصحاب المصلحة استخدام قائمة مرجعية صارمة للانتقال/عدم الاستمرار لتقييم الجدوى.
هل تأخر الربط البيني للشبكة أكبر من 24 شهراً؟
هل تقع المنشأة على بعد 5 أميال من خط نقل الغاز عالي الضغط الرئيسي؟
هل تسمح منطقة جودة الهواء المحلية بتصاريح الاحتراق ذات التصنيف المستمر؟
هل المنظمة مستعدة لإدارة أصول توليد الطاقة داخليًا، أو مستعدة للدخول في شراكة مع مزود الطاقة كخدمة؟
إذا كانت الإجابة بنعم، فهناك ثلاثة نماذج للتنفيذ:
الطاقة الرئيسية: محطة الغاز هي المصدر الأساسي للكهرباء. تعمل الشبكة كنسخة احتياطية، أو لا يوجد اتصال بالشبكة على الإطلاق. وهذا أمر شائع في المواقع النائية أو المناطق ذات الشبكات الفاشلة.
طاقة الجسر: يتم نشر توليد الغاز مؤقتًا. يقوم بتشغيل المنشأة لمدة 3-5 سنوات التي يستغرقها إنشاء محطة فرعية. بمجرد وصول الشبكة، تعود وحدات الغاز إلى حالة النسخ الاحتياطي.
الهجين: تستخدم المنشأة الغاز للتعامل مع طاقة الحمل الأساسي (الطلب المستمر) أثناء استخدام الشبكة أو البطاريات لإدارة فترات الذروة والتقلب. يؤدي هذا إلى تحسين التكلفة الأقل للطاقة (LCOE).
إن الغاز الطبيعي ليس الوجهة النهائية للطاقة الخضراء، ولكنه الجسر الذي لا غنى عنه لعصر الذكاء الاصطناعي. إنه يمثل الحل الوحيد القابل للتطوير والقابل للتوزيع والقادر على سد الفجوة بين الطلب المتزايد على الحوسبة والبنية التحتية للشبكة المتأخرة. بالنسبة لمشغلي مراكز البيانات، لم يعد السؤال يتعلق فقط بكفاءة الخادم، بل يتعلق باستقلالية الطاقة. ويعتمد النجاح بدرجة أقل على تقنية المحرك المحددة بقدر ما يعتمد على التنفيذ الاستراتيجي لعقود توريد الوقود والسماح بالهواء المعقد. ومن خلال التعامل مع توليد الغاز كأحد أصول البنية التحتية المتطورة بدلاً من كونه نسخة احتياطية بسيطة، يمكن لأصحاب المصلحة تأمين سرعة الوصول إلى السوق والمرونة في عالم مقيد بشكل متزايد.
ج: نعم. يُعرف هذا باسم تطبيق Prime Power. في هذا السيناريو، توفر محركات الغاز الموجودة في الموقع 100% من الكهرباء المطلوبة للعمليات اليومية. تعمل المنشأة كشبكة صغيرة على شكل جزيرة. ومع ذلك، يتطلب هذا تكرار N+1 أو N+2 في تكوين المحرك لضمان إمكانية إجراء الصيانة دون توقف، حيث لا توجد شبكة مرافق يمكن الرجوع إليها.
ج: تم تصميم مولدات الديزل للاستخدام في حالات الطوارئ على المدى القصير (تصنيف الاستعداد) وعادةً ما يكون لها حدود على ساعات التشغيل السنوية بسبب الانبعاثات. تم تصميم محركات الغاز ذات الطاقة الأولية للتشغيل المستمر (24/7/365). إنها تتميز بأنظمة تبريد قوية، ومستويات انبعاثات أقل، وهي مصممة لتحمل الضغط الحراري الناتج عن التشغيل المستمر، في حين أن وحدات الديزل تتحلل بسرعة تحت الحمل المستمر.
ج: يمكن أن يؤدي استخدام الغاز الطبيعي إلى تحسين PUE إذا تم استخدام الحرارة والطاقة المشتركة (CHP). باستخدام الحرارة المهدورة للتبريد بالامتصاص، يتم تقليل الحمل الكهربائي على المبردات الميكانيكية. يؤدي هذا إلى تقليل إجمالي استهلاك الطاقة الكهربائية للمنشأة مقارنة بحمل تكنولوجيا المعلومات، مما يؤدي إلى درجة PUE أقل (أفضل) مقارنة بالإعدادات التقليدية التي تعمل بالشبكة والمبردات الكهربائية.
ج: معظم محركات الاحتراق الداخلي الترددية الحديثة (RICE) جاهزة للهيدروجين. يمكن للنماذج الحالية في كثير من الأحيان التعامل مع خلطات تصل إلى 20-25% هيدروجين من حيث الحجم مع الحد الأدنى من التعديل. عادةً ما يتطلب التشغيل باستخدام الهيدروجين بنسبة 100% مجموعات تحديثية أو تكوينات محددة للمحرك، لكن الشركات المصنعة تعمل بنشاط على تطوير هذه القدرات لضمان استمرارية الأصول على المدى الطويل في مستقبل خالٍ من الكربون.
