Стремительный рост рынка дата-центров в США, связанный с активным внедрением ИИ, ведёт и к увеличению спроса на природный газ. Как сообщается в новом докладе S&P Global на основе модели роста спроса на электроэнергию для ЦОД, если 50 % прироста ёмкости объектов будет обеспечиваться газовыми генераторами и электростанциями, то национальной сети дополнительно потребуется до 50 ГВт.

В результате спрос на природный газ для поддержки работы ЦОД может вырасти до 85 млн м³/день, хотя показатели могут меняться в зависимости от объектов и доступности других источников энергии. Так, если доля природного газа в цепочках генерации энергии будет больше, чем прочих энергоносителей, спрос только дата-центров к 2030 году может подняться и до 170 млн м³/день.

Это противоречит целям по снижению углеродных выбросов, поставленным гиперскейлерам вроде Google, Microsoft и Amazon (AWS), которые, вероятно, те всё равно не смогут добиться. Хотя сжигание природного газа считается более экологичным, чем других видов ископаемого топлива, от CO₂ всё равно никуда не деться. Впрочем, в S&P считают, что природный газ будет служить скорее резервным источником в условиях использования возобновляемой энергетики, отличающейся нестабильными поставками электричества.

Источник изображения: Frantzou Fleurine/unsplash.com

Риски для таких проектов невелики, говорит S&P — газовые станции и генераторы могут использовать уже существующую инфраструктуру газопроводов, из-за чего проблемы с получением дополнительных разрешений на подключение будут минимальными, равно как и сопротивление местных жителей. Большинство подключений можно будет организовать в течение 12 месяцев — это гораздо меньше, чем в случае других проектов по генерации энергии. Это если не будет других проблем вроде нехватки ЛЭП и слабой экономики.

От более масштабного использования природного газа, вероятно, больше всего выиграют Северная Вирджиния и Техас (Даллас-Форт-Уорт), поскольку они ближе всего находятся к площадкам для его добычи — Marcellus и Permian Basin соответственно. Близость упрощает поставки топлива новым частным станциям, не зависящим от регулируемых властями коммунальных предприятий. Впрочем, развитие новых генерирующих мощностей в этих районах ещё слабо, хотя некоторые проекты уже есть. Также прогнозируется, что возобновляемая энергетика позволит к 2035 году вытеснить природный газ из энергосистемы PJM Interconnection, к которой относится и Вирджиния. В Техасе использование этого топлива останется устойчивым.

Рост спроса на электричество со стороны ЦОД должен способствовать и процветанию секторов транспортировки, хранения, переработки и т.п. Основными выгодоприобретателями станут компании вроде Enbridge, Kinder Morgan, TC Energy и Williams Cos. Операторы ЦОД уже местами переходят на природный газ для питания своих объектов. Летом в Wells Fargo прогнозировали, что бум ИИ ЦОД в США сыграет на руку поставщикам природного газа, а в марте EQT Corp и вовсе объявила, что газ сам по себе станет драйвером роста ЦОД.

В условиях острого дефицита электроэнергии на фоне бурного развития ИИ операторы ЦОД ищут дополнительные источники питания, которые не зависят от магистральных сетей. Вице-президент Schneider Electric Стивен Карлини (Steven Carlini), отвечающий за инновации и технологии для дата-центров, опубликовал статью в блоге компании, где назвал наиболее вероятные источники энергии для таких объектов в кратко-, средне- и долгосрочной перспективах.

Сегодня спрос на ёмкость ЦОД часто превышает предложение, особенно в регионах вроде Евросоюза, но девелоперы часто не могут найти достаточно энергии и земли для строительства новых объектов. Тем временем ИИ ЦОД требуют всё больших мощностей — согласно прогнозам экспертов, в США потребление электричества дата-центрами может превысить её поставки в ближайшие несколько лет, в том числе в связи с недостатком ЛЭП.

По словам Карлини, в краткосрочной перспективе дополнением к магистральным сетям могут стать газовые турбины, установленные непосредственно на территории ЦОД. Некоторые нефтегазовые компании уже ведут переговоры с операторами ЦОД, при этом к таким проектам пока не предъявляются столь же жёсткие требования, как к стандартным электросетям. В числе прочих опций — солнечная и ветряная энергия, топливные ячейки на том или ином газе. Например, Amazon (AWS) в прошлом году анонсировала планы перевести на топливные элементы некоторые объекты в Орегоне.

Источник изображения: Oliver B/unsplash.com

В среднесрочной перспективе предполагается «оживить» закрытые электростанции. Например, Microsoft заключила соглашение с Constellation Energy о возобновлении работы АЭС Three Mile Island в Пенсильвании, а AWS купила кампус ЦОД рядом с атомной электростанцией в том же штате. АЭС Duane Arnold тоже не прочь вернуть в строй. Google также рассматривает атомную энергетику как один из перспективных источников электричества.

В долгосрочной перспективе Карлини предрекает успех малым модульным реакторам (SMR). Он назвал их безопасными, надёжными, эффективными и работающими на «восстановленных» ядерных отходах. Вместе с тем SMR всё ещё должны пройти многоэтапное тестирование и получить одобрение регуляторов, а пока ни одного коммерчески доступного реактора такого типа нет.

Источник изображения: IEEFA

По поводу целесообразности SMR для ЦОД тоже есть сомнения, отмечает The Register. Согласно докладу Institute for Energy Economics and Financial Analysis (IEEFA), миниатюрные реакторы всё ещё слишком дороги (и продолжают дорожать), слишком медленно создаются и слишком «рискованны», чтобы играть значительную роль в отказе от электростанций на ископаемом топливе. В институте считают, что на SMR деньги буквально выбрасываются, хотя их можно было бы с пользой потратить на возобновляемую энергетику.

Сам Карлини считает, что единого решения для всех случаев нет — в будущем дата-центры будут получать энергию из самых разных источников, а энергосети превратятся в комплексные экосистемы с подключением классических электростанций на ископаемом топливе, газовых турбин локального значения, локальных кластеров топливных элементов и локальных же источников солнечной и ветряной энергии. Столь сложные системы должны постоянно контролироваться для бесперебойного энергоснабжения, а системы контроля, по мнению Карлини, конечно же, обеспечит Schneider Electric.

Как следует из доклада агентства McKinsey, взрывной рост ИИ может стать причиной троекратного роста энергопотребления ЦОД в Европе. Эксперты отмечают, что за последние 20 лет ни одна другая технология не оказала такого влияния на необходимость ускоренного развития энергетической инфраструктуры в Европе. По оценкам агентства, энергопотребление европейских дата-центров вырастет к 2030 году с нынешних 62 ТВт∙ч до 150 ТВт∙ч. Это составит до 5 % энергопотребления всего региона, тогда как сейчас на ЦОД приходится около 2 %.

В McKinsey считают, что европейские объекты потребуют ещё 25 ГВт генерирующих мощностей для питания ресурсоёмких ИИ-ускорителей, причём большая часть придётся на «зелёную» энергию. Впрочем, способность индустрии ЦОД добиться нулевых выбросов в 2030–2040 гг. всё ещё под вопросом. По мнению бывшего главы Google Эрика Шмидта (Eric Schmidt), целей декарбонизации добиться всё равно не получится, поскольку общество пока просто «не организовано» для решения этого вопроса. При этом сам ИИ, по его мнению, и должен помочь решить эту проблему.

Источник изображений: McKinsey

В McKinsey отмечают, что кредиты на возобновляемую энергию остаются одним из самых популярных способов для операторов ЦОД компенсировать выбросы их объектов. Тем не менее, как отмечают в агентстве, в долгосрочной перспективе такие схемы будут оказывать минимальное влияние на выбросы в энергосистемах, также они редко способствуют развитию новых проектов или генерации чистой энергии.

Одним из способов снизить негативное влияние ИИ на выбросы CO₂ является размещение ЦОД рядом с электростанциями, непосредственно генерирующими чистую энергию. Лучше всего такой подход работает при обучении ИИ-моделей. Для запуска уже обученных моделей расположение ЦОД возле населённых пунктов предпочтительнее. В долгосрочной перспективе, отмечает McKinsey, возможны другие методы борьбы с загрязнениями окружающей среды — от захвата углекислоты до использования малых модульных реакторов (SMR) для генерации энергии на месте.

SMR очень интересны операторам ЦОД и гиперскейлерам вроде AWS и Google, хотя коммерческих моделей всё ещё нет. Рассматриваются и другие источники вроде водородных топливных элементов. Вместе с тем доля объектов, принадлежащих или управляемых гиперскейлерами, будет расти и далее, как и их энергопотребление.

Хотя энергопотребление ЦОД, как ожидается, вырастет, в другом докладе McKinsey, заявляется, что спрос на электроэнергию в Европе в целом окажется меньше, чем прогнозировалось ранее. Ранее ожидалось, что энергопотребление в регионе вырастет к 2030 году на 7 %, но, как считают в McKinsey, несмотря на существующие тренды, спрос замедлился, во многом из-за внедрения решений для достижения энергоэффективности, умеренно холодных зим и высокой стоимости энергии, ведущей к частичной деиндустриализации.

Швейцарский стартап Deep Atomic AG анонсировал компактный малый модульный реактор (SMR), оптимизированный под нужды дата-центров. По данным пресс-службы компании, модель MK60 представляет собой водо-водяной реактор на лёгкой воде под давлением, способный генерировать 60 МВт электрической энергии и до 180 МВт — тепловой.

MK60 обеспечивает стабильные и управляемые поставки энергии в режиме 24/7, независимо от погодных условий или нестабильности в магистральных сетях. Это ключевое преимущество для операторов ЦОД. Модульный дизайн MK60 позволяет быстро установить дополнительные реакторы, нарастив мощность до 1 ГВт и более. Избыточная тепловая энергия от реактора и дата-центра может быть использована для отопления зданий, нужд сельского хозяйства, опреснения воды и т.д.

Источник изображения: Deep Atomic

В отличие от многих конкурентов, предпочитающих строить SMR большего размера, MK60 значительно компактнее. Для размещения реактора с сопутствующим оборудованием требуется всего 80 м², так что он может обслуживать удалённые и периферийные объекты, не подключённые к основной энергосети. Небольшой размер также снижает капитальные затраты, говорит Deep Atomic.

Источник изображения: Deep Atomic

SMR привлекают всё больше внимания операторов дата-центров. AWS вложится в строительство четырёх SMR X-energy. Google заключила соглашение о покупке энергии от нескольких SMR Kairos Power. Equinix закупила PPA на 500 МВт у компании Oklo, поддерживаемой Сэмом Альтманом (Sam Altman), а Prometheus Hyperscale (Wyoming Hyperscale) решила приобрести у неё же 100 МВт. А Oracle заявила, что запитает гигаваттный ИИ ЦОД от малых модульных реакторов.

В Министерстве экономики Тайваня поднят вопрос о создании объектов возобновляемой энергетики. При этом, как сообщает DigiTimes, они будут расположены не на территории острова, а на соседних Филиппинах — энергии не хватает, в том числе для производства чипов, и не исключается передача электричества подводными кабелями или буквально транспортировка морем. Поставщики энергии отчасти приветствуют подобные инициативы, но предупреждают, что строительство потребует тщательного учёта будущих затрат и рисков.

Во-первых, прокладка кабелей и сопутствующей инфраструктуры для передачи энергии обойдётся дороже NT$100 млрд ($3,1 млрд). Более того, не вся «зелёная» энергия одинакова. По информации издания, цены из-за инфляции растут, а крупные покупатели, включая производителей полупроводников, не готовы покупать электричество дороже $0,19 за кВт∙ч. Тем временем ветроэнергия с Филиппин может стоить и $0,25 за кВт∙ч из-за потерь при передаче. Если покупатели откажутся от подобных поставок, под угрозой окажется как энергобезопасность острова, так и доходы инвесторов.

Немалую роль играют и риски последнего времени. Не так давно Филиппины поменяли политику субсидирования бизнеса, из-за чего некоторые зарубежные инвесторы буквально терпят убытки. Компании, рассматривающие возможности инвестиций в Филиппины, могут столкнуться с серьёзными рисками, если филиппинские власти не предоставят надёжных гарантий. Кроме того, филиппинские субсидии на возобновляемую энергетику зависят от компонентов из материкового Китая, поэтому не исключено, что тайваньским генерирующим компаниям доступ к солнечной и ветряной энергии будет ограничен.

Источник изображения: Lin Jhih-Han / Unsplash

Важна и сложность технического обслуживание возможной инфраструктуры — ремонт подводных кабелей из-за инцидентов разной природы может увеличить расходы, а также привести к перебоям с поставками энергии. Например, подводные кабели станут приоритетными целями в условиях вероятного геополитического кризиса. Подводные ВОЛС острова уже пострадали в прошлом году.

Офшорная энергетика острова сегодня в тупике из-за цен, а развитие солнечной ограничено из-за недостатка земли и строгих требований властей к сосуществованию солнечных электростанций и сельскохозяйственных угодий. Лидеры энергоотрасли Тайваня уверены, что заброшенные и недоиспользованные земли острова можно было бы применять для развития солнечной энергетики. Эффективная координация действий между правительственными ведомствами могла бы снизить затраты и риски — тогда не пришлось бы прибегать к инвестициям в зарубежные «зелёные» проекты с высокими рисками.

Источник изображения: Jesse De Meulenaere/unsplash.com

От некоторых масштабных проектов передачи энергии по морскому дну уже пришлось отказаться. Например, в прошлом году Atlassian закрыла проект поставки «зелёного» электричества из Австралии в Сингапур — он тоже столкнулся с проблемами экономической целесообразности, хотя Сингапуру новые мощности не помешали бы. На самом Тайване дефицит электроэнергии мешает, в частности, развитию ИИ ЦОД.

Как заявило Международное энергетическое агентство (IEA) в ежегодном отчёте «Перспективы мировой энергетики» (World Energy Outlook), глобальный спрос на электроэнергию стремительно растёт. По данным агентства, в следующие 10 лет ежегодный прирост будет сравним с энергопотреблением целой Японии. Это повлияет на показатели сокращения выбросов, а спрос в 2035 году будет на 6 % выше, чем прогнозировалось ранее.

Что касается ЦОД, потребление будет стремительно расти из-за роста рынка ИИ и цифровизации в целом, однако на этот сектор по-прежнему будет приходиться лишь небольшая часть от общемировых энергетических затрат. Впрочем, пока прогнозы носят очень приблизительный характер, с учётом непредсказуемости проблем в цепочках поставок, увеличения энергоэффективности, политических факторов и т.п.

Долгое время рост энергопотребления сдерживался переносом нагрузок со старых корпоративных площадок в гораздо более эффективные облака. Однако этот козырь уже использован, а рост ИИ-нагрузок приведёт к взлёту энергопотребления на невиданный ранее уровень. Так, по оценкам IEA, энергопотребление дата-центров в 2022 году составило 230–340 ТВт∙ч, т.е. около 1 %–1,3 % от общемирового без учёта расходов на сети передачи данных и майнинг.

Источник изображений: IEA

Впрочем, в любом случае на долю ЦОД не будет приходиться основная доля потребления. Например, базовый сценарий предполагает, что на ЦОД будет приходиться менее 10 %% от общего роста спроса. Примерно такой же рост покажет индустрия опреснения воды, а у электромобилей запросы будут минимум втрое выше. Агентство упомянуло об агрессивных инвестициях операторов ЦОД в возобновляемые источники энергии. Другими словами, устойчивое развитие сектора вполне осуществимо.

Однако ограниченные возможности генерации и лимиты энергосетей могут оказать более серьёзное влияние «на местах», поскольку подходящих площадок для ЦОД всё меньше. Как правило, дата-центры концентрируются в одном регионе. В результате в Вирджинии (США) или Ирландии энергии недостаточно, а в Сингапуре и Амстердаме даже введены временные моратории. Дальше будет сложнее, поскольку ЦОД ёмкостью от 1 ГВт скоро станут вполне распространённым явлением.

В случае с США, по оценкам IEA, ситуация с размещением ЦОД хуже, чем с заводами, электростанциями и складами. Чтобы корректно оценить перспективы роста спроса на ЦОД, политикам, бизнесу и другим структурам следует теснее сотрудничать. В частности, в IEA отмечают участившиеся случаи аномальной жары, которые негативно влияют на энергопотребление систем охлаждения и энергоэффективность объектов в целом. Всего, по оценкам IEA, в мире насчитывается около 11 тыс. дата-центров.

Google и Kairos Power заключили соглашение о закупке энергии с малых модульных реакторов (SMR), разрабатываемых Kairos. Первый SMR должен заработать к 2030 году, а последующие реакторы — до 2035 года. Всего речь идёт о шести-семи реакторах суммарной мощностью до 500 МВт. Проект касается только Соединённых Штатов. Он обеспечит Google безуглеродной и относительно экобезопасной энергией.

Kairos разрабатывает SMR с охлаждением расплавами солей и гранулированным в керамические шарики топливом. Генерируемое тепло передаётся в паровую турбину для выработки электроэнергии. В июле Kairos Power уже начала строить демонстрационный реактор в Теннесси. Подробная информация о сделке, её стоимости и местоположении реактора не разглашается.

Похожие проекты реализуют и другие компании. В марте 2024 года AWS купила за $650 млн кампус ЦОД Talen Energy рядом с принадлежащей последней АЭС Susquehanna Steam Electric Station. Сообщалось, что АЭС обеспечит кампусу до 960 МВт. В мае AWS получила добро на перезонирование участка площадью около 650 га для строительства 15 зданий ЦОД. В минувшем сентябре Microsoft объявила о покупке возвращаемой к жизни атомной электростанции Three Mile Island мощностью 837 МВт.

Источник изображения: Kairos Power

Oracle также сообщила, что намерена построить кампус ЦОД на 1 ГВт с питанием от трёх SMR. Наконец, Equinix готова приобрести 500 МВт атомной энергии в виде PPA-соглашений у Oklo, у неё же Wyoming Hyperscale получит 100 МВт. При этом пока SMR остаются непроверенной технологией, внедрение которой неизбежно вызовет внимание и, возможно, противодействие регуляторов.

Недавнее исследование показало, что небольшие ветряные турбины при установке на системы охлаждения дата-центров могут генерировать достаточно электроэнергии, чтобы это было экономически выгодно. По информации Dcatacenter Dynamics, соответствующие эксперименты провели на действующем ЦОД в Колумбии.

Источник изображения: Tesup

Согласно публикации в журнале Scientific Reports, исследование, проведённое Дистанционным университетом Мадрида (Universidad a Distancia de Madrid) совместно с колумбийской компанией Grupo ZFB, показало эффективность подхода. Исследователи использовали «ветер» от систем охлаждения колумбийского ЦОД. Объект имеет три чиллера с восемью блоками вентиляторов в каждом. Вентиляторы вращаются со скоростью до 900 об./мин., а их номинальная мощность составляет 2,4 кВт. Поток воздуха от них является достаточно стабильным и мощным для попутной генерации электричества. Впрочем, обычный ветер тоже принимает участие в выработке энергии.

Источник изображения: Isabel C. Gil-García, Ana Fernández-Guillamón, Álvaro H. Montes-Torres / Scientific Reports

Для эксперимента выбрали вертикальные ветряные турбины Tesup V7 — за их компактность и лёгкую конструкцию. Шесть малых турбин установили над вентиляторами. Два из трёх чиллеров работают постоянно, что, согласно подсчётам, позволяет генерировать 513,82 МВт∙ч в год. С учётом запланированных и незапланированных простоев получается 467,6 МВт∙ч ежегодно, что само по себе позволяет избежать выбросов 300 т CO₂ в год. Сами вентиляторы при номинальной мощности потребляют 336,39 МВт∙ч, так что в чистом остатке получается 131,2 МВт∙ч, которые можно направить на нужды другого инженерного оборудования ЦОД.

Источник изображения: Isabel C. Gil-García, Ana Fernández-Guillamón, Álvaro H. Montes-Torres / Scientific Reports

Данное исследование — часть более масштабных изменений в секторе ЦОД. Операторы пытаются нарастить эффективность дата-центров. Так, многие из них начали активно инвестировать в системы использования «мусорного» тепла, передавая, его, например, в районные системы отопления или для обогрева бассейнов. Использование малых ветряных турбин может стать ещё одним способом оптимизации работы дата-центров для улучшения общей эффективности и достижения целей по обеспечению нулевых выбросов. Экономическая выгода будет зависеть от стоимости турбин и затрат на их обслуживание, а также срока эксплуатации. Но предварительные расчёты показывают, что данный подход оправдан.

ABB Robotics объявила о сотрудничестве с американским стартапом Molg для разработки роботизированных микрозаводов, способных восстанавливать и перерабатывать неисправное оборудование ЦОД. По данным Datacenter Dynamics, микрозаводы Molg автономно собирают и разбирают сложные электронные устройства вроде серверов, ноутбуков и промышленной электроники.

Поскольку многие из таких устройств содержат редкоземельные элементы, автоматизация их переработки обеспечит определённые экономические преимущества — материалы можно будет применять в новых устройствах. Микрозаводы предназначены для гиперскейлеров, управляющих крупными сетями дата-центров, и компаний, занятыми утилизацией различных IT-активов (IT Asset Disposition-компании).

Интерес к новым разработкам подогревается значительным прогрессом вычислительной техники. В результате появилась насущная необходимость обновлять оборудование на объектах гиперскейлерах более регулярно, что ведёт к появлению электронных отходов в больших объёмах.

Источник изображений: Molg

По словам представителя Molg, инвестиции ABB позволят ускорить работу по созданию более экоустойчивого, «циклического» производственного процесса для электроники, благодаря чему обеспечен круговорот в индустрии ценных материалов и повышается надёжность цепочки поставок.

«Циркулярный» подход к ЦОД стал весьма популярным. К 2030 году масса мировых электронных отходов должна достичь 75 млн тонн. Микрозаводы для их утилизации должны сыграть важную роль в сокращении таких отходов — также они поддержат более эффективные и устойчивые операции в секторе ЦОД.

В результате развития экоустойчивых подходов к переработке гиперскейлеры нарастили инвестиции в компании, занимающиеся утилизацией. Так, Microsoft инвестировала в Cyclic Materials — подконтрольный REE стартап, специализирующийся на переработке жёстких дисков. Seagate также пришла к восстановлению и очистке б/у HDD. Lenovo готова продавать восстановленные ПК и серверы. Amazon создала целую фабрику по восстановлению и переработке собственного серверного оборудования. А Meta✴ и вовсе экспериментирует с технологиями утилизации строительных отходов с помощью грибов.

Американская криптомайнинговая компания MARA (Marathon Digital Holdings) объединила усилия с компанией NGON. По данным Datacenter Dynamics, партнёры запустили микро-ЦОД на 25 МВт с питанием от попутного (факельного) газа с нефтяных скважин в Техасе и Северной Дакоте. Объекты планируется окончательно ввести в эксплуатацию к январю 2025 года.

ЦОД будут питаться только за счёт излишков газа, сопутствующего нефти на месторождениях. В противном случае они были бы просто сожжены. Это поможет местным энергокомпаниям более эффективно снизить выбросы метана. Эффективность утилизации метана при сжигании в факелах составляет 92 %, а в газовых генераторах — до 99 %. Всё это позволит значительно снизить операционные расходы, в то же время повысив экоустойчивость нефтедобычи. Дополнительно появится возможность генерации углеродных кредитов в реестре Verra.

Источник изображения: MARA

MARA располагет 760 МВт майнинговых мощностей. Часть работает на возобновляемых источниках энергии, но в основном электричество поступает из американских магистральных электросетей, на 80 % зависящих от ископаемого топлива. Компания намерена перейти на более экологичные меотды работы. В 2023 году был запущен пилотный проект с переработкой метана со свалок в Юте с установкой по добыче биткоинов на 280 кВт. В Финляндии MARA подключила свой ЦОД к районной системе центрального отопления.

Источник изображения: MARA

Операторы ЦОД, использующие электричество, получаемое в ходе сжигания попутного газа, подчёркивают, что процесс полезен окружающей среде, поскольку применяется «мусорная» энергия, которая тратилась бы впустую. При этом энергетические установки позволяют утилизировать больше метана, являющегося одним из самых опасных парниковых газов. При сгорании метана выделяется CO₂ — тоже парниковый газ, причём значительно более устойчивый. Тем не менее, для окружающей среды он считается намного менее опасным. Аналогичные проекты уже активно реализуются по всему миру. Такие решения есть, например, у Crusoe, CryptoBlox, White Rock и др.