Microsoft testet Rechenzentrumbetrieb mit Wasserstoffzellen

Ein Experiment, das mit der Landung eines Menschen auf dem Mond vergleichbar ist: So bezeichnet Sean James, dem Leiter der Rechenzentrumsforschung von Microsoft, einen Versuch, den das Unternehmen Ende Juni letzten Jahres durchführte. Wasserstoff-Brennstoffzellen in zwei Containern fungierten dabei als groß angelegter Notstromgenerator – ein potenzieller kohlenstofffreier Ersatz für die Diesel-betriebenen Äquivalente, die bei großen Ausfällen in Rechenzentren den Betrieb aufrechterhalten.

Die Rechenzentren von Microsoft arbeiten nach einem sogenannten „Five Nines“-Verfügbarkeitsschema, d. h. sie sind zu 99,999 % der Zeit betriebsbereit. Um eine solch hohe Disponibilität zu gewährleisten, sind sie auf Generatoren angewiesen, die die durchgängige Stromversorgung sicherstellen.

Wenn sie in Betrieb sind, verbrennen diese Generatoren in der Regel fossile Brennstoffe. Im Rahmen der Initiativen zur Abschaffung von Dieselkraftstoff begann Microsoft daher, kurz- und langfristige nachhaltige Alternativen zu prüfen.

Vor dem aktuellen Erfolg kündigte Microsoft im November 2021 an, dass die nachhaltigen Rechenzentren in Schweden auf Biodiesel des schwedischen Anbieters Preem setzen. Er besteht zu etwa 50 % aus erneuerbaren Rohstoffen und weist eine fast gleichwertige Reduktion der Netto-Kohlendioxidemissionen im Vergleich zu fossilen Dieselmischungen auf.

Doch zurück zu den Wasserstoffbrennzellen: Im Jahr 2018 begann eine Microsoft-Initiative damit, die Protonenaustauschmembran(PEM)-Technologie als alternative Lösung für Dieselgeneratoren zu untersuchen. Laut Lucas Joppa, Chief Environmental Officer von Microsoft, soll diese Entwicklung Kohlenstoffemissionen vermeiden. PEM-Brennstoffzellen verbinden Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion, die Strom, Wärme und Wasser erzeugt – ganz ohne Verbrennung, Partikel und Kohlenstoffemissionen.

Diese Zellen werden häufig in der Automobilindustrie eingesetzt, da sie sich wie Dieselmotoren schnell starten und stoppen lassen. Aufgrund ihrer Flexibilität ist eine solch schnelle Reaktionsfähigkeit ideal für den Antrieb von Notstromgeneratoren in Rechenzentren.

Ebenfalls 2018 arbeitete Microsoft mit Ingenieuren des National Renewable Energy Laboratory in Golden im US-Bundesstaat Colorado zusammen. Ziel war es, eine Computeranlage mit einem 65-Kilowatt-EMP-Brennstoffzellengenerator zu betreiben. Im Jahr 2020 beauftragte das Team Power Innovations die Erprobung einer Notstrom-Lösung: Mit dieser können zehn Serverschränke in einem Rechenzentrum 48 Stunden am Stück mit einem 250-Kilowatt-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem betrieben werden.

Nachdem dieser Versuch geglückt war und ein Proof of Concept erstellt wurde, machte sich das Team daran, die Möglichkeiten eines Drei-Megawatt-Systems zu testen. Es ist groß genug, um einen Dieselgenerator in einem Rechenzentrum zu ersetzen (der etwa 10.000 Computerserver oder 600 Haushalte mit Strom versorgen könnte). Allerdings musste dabei eine wesentliche Hürde überwunden werden – der Bau eines viel größeren PEM-Brennstoffzellensystems, das mehr als zehnmal so groß ist wie das im Rahmen des Proof of Concept getestete.

Der endgültige Entwurf sieht 125 Kilowatt-Brennstoffzellen vor, von denen 18 in jedem Container montiert sind. Damit handelt es sich um die größten, die der Brennstoffzellen-Entwickler Plug jemals hergestellt hat. Ein Novum ist auch die Drei-Megawatt-Anlage – die größte technische Lösung dieser Art von Plug. „Dieses Projekt ist das Interessanteste, was ich je gemacht habe. Ich weiß nicht, wie ich das in meiner Karriere noch übertreffen kann. Es gibt so viele Teile dieses großartigen Puzzles – zu sehen, wie sie sich alle zusammenfügen und gut und beständig funktionieren, ist extrem beeindruckend“, sagt Hannah Baldwin, Elektroingenieurin in der Plug-Gruppe.

An jenem Junitag in Latham und in den folgenden Wochen unterzog das Team von Spink das Drei-Megawatt-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem den gleichen Tests, die Microsoft zur Qualifizierung von Dieselgeneratoren verwendet. Ziel war es, zu beweisen, dass die Anlage zuverlässig läuft – einschließlich simulierter Stromausfälle und stundenlanger Laufzeiten.

Tests haben gezeigt, dass das neue System, auch bei simulierten Stromausfällen und stundenlangem Betrieb, beständig und verlässlich in der Lage ist, auf dem gleichen Niveau wie Dieselgeneratoren zu arbeiten.

„Bei diesem Projekt handelt es sich um die Fortsetzung einer Reise, die wir 2018 begonnen haben. Und als wir 2020 die Arbeit mit kleineren Versuchen ankündigten, prognostizierten wir bereits, dass es irgendwann in Zukunft zu einem Drei-Megawatt-Test kommt. Die Zukunft ist da“, betont Mark Monroe, Principal Infrastructure Engineer im Microsoft-Entwicklungsteam für fortschrittliche Rechenzentren.

Microsoft wird eines der Brennstoffzellensysteme der zweiten Generation in einem Forschungsdatenzentrum installieren. Dort steht es für Praxisarbeiten zur Verfügung: Ingenieure lernen, wie sich mit der neuen Technologie arbeiten lässt und wie man sie einsetzt – einschließlich der Entwicklung von wasserstoffbezogenen Sicherheitsprotokollen.

So kostenintensiv sind Wasserstoff-Technologien

Wasserstoff gilt als „sauberer“ Energielieferant – allerdings kommt Wasserstoff in der Natur nur in Form von Verbindungen mit anderen Elementen vor. Die Abspaltung galt lange Zeit als kostspielige Herausforderung. Ganz zu schweigen davon, dass die Ressourcen, die für die Speicherung, den Transport und die Gewinnung von Energie erforderlich sind, ihre Nutzbarkeit einschränken. In den letzten zehn Jahren hat sich jedoch einiges geändert, so Darin Painter, Vice President of Sales and Product Management bei Plug.

Dem Geschäftsführer zufolge wurde dieser Wandel durch Fortschritte im Wasserstoff-Ökosystem und das wachsende Interesse und Engagement für Nachhaltigkeit vorangetrieben. Diese Weiterentwicklung hat auch mit den zuhauf vorhandenen Wind- und Sonnenenergiequellen zu tun, die die kostengünstige Erzeugung von sogenanntem grünem Wasserstoff mit Elektrolyseuren ermöglichen. Diese Maschinen funktionieren wie eine umgekehrte Brennstoffzelle: Sie nutzen Energie, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Wenn die für den Betrieb der Elektrolyseure verwendete Energie aus erneuerbaren Quellen stammt, gilt der erzeugte Wasserstoff als grün.