Публикация в журнале "Турбины и Дизели" № 1, 2025

Мировое энергетическое агентство (МЭА) дало прогноз, что спрос электроэнергии для центров обработки данных может увеличиться с 480 ТВт ч в 2022 году до 1000 ТВт.ч в 2026-м. В ноябре 2024 года на конференции «FI Day. Blockchain: на пороге финансовой эры» руководители ПАО «Сбербанк» и АО «Т-Банк» обратили внимание на проблемы с поиском территорий для строительства центров обработки данных (ЦОД), которые необходимы в том числе и для развития искусственного интеллекта (ИИ), а также на нехватку свободных мощностей существующих ЦОД.

Если раньше Сбербанк строил дата-центры мощностью 40 МВт и это считалось «очень много», то теперь банк даже не рассматривает для строительства площадки мощностью менее 200 МВт. Оптимальной считается мощность 300...400 МВт. Председатель правления Т-Банка С. В. Близнюк подтвердил наличие сложностей с мощностями для ЦОД, отметив, что проблемно построить даже два дата-центра по 50 МВт. Найти точки, где доступны такие объемы электрической мощности и адекватные тарифы, по его словам, является сложной задачей.

Поскольку центры обработки данных с искусственным интеллектом становятся все более энергоемкими, ведется поиск более надежных и гибких решени для их энергоснабжения. Во время первой волны роста ЦОД крупные корпорации, такие как Google, создав оборудование для обработки и хранения данных, подключались к сети и устанавливали систему резервирования объектов из нескольких уровней — аккумуляторных или динамических блоков ИБП, а также резервных электрогенераторов, обычно работающих на дизельном топливе. Позже стали устанавливаться газопоршневые установки или микротурбины.

Новая волна сооружения ЦОД будет нуждаться в гораздо более качественном резервном питании для надежного энергоснабжения. Это обусловлено тем, что сами центры обработки данных представляют собой огромную дополнительную нагрузку на энергосистему. Для сравнения: электрическая мощность, потребляемая крупными машиностроительными предприятиями, не превышает 200 МВт. Городу с населением 100 тыс. человек достаточно 300 МВт.ч электрической энергии.

Рис. 1. Газотурбинная установка LM2500XPRESS

В Западном Техасе (США) в настоящее время проводится эксперимент по внедрению таких технологий. Для установки в ЦОД компания GE Vernova поставляет 10 авиапроизводных турбин LM2500XPRESS
(рис. 1) на природном газе. Это высокотехнологичные модульные турбины, простые в установке, экономичные и мощные. Одна газотурбинная установка электрической мощностью около 35 МВт может заменить 8—10 ДГУ, широко применяемых для резервирования ЦОД.

Благодаря переходу на электроснабжение ЦОД от ДГУ к ГТУ можно сэкономить на распределительном устройстве, трансформаторах, общей занимаемой площади, капитальных вложениях, а также сократить выбросы вредных веществ в атмосферу. Использование нескольких газотурбинных установок такой мощности, работающих в базовом режиме, может обеспечить мощность, необходимую для выполнения вычислений с использованием искусственного интеллекта, как полностью в автономном режиме, так и выдавать в сеть избытки электроэнергии.

Авиапроизводные ГТУ имеют высоки КПД и могут работать как на газе, так и на жидком топливе, а в модели LM2500XPRESS можно сжигать смесь природного газа и водорода с объемной концентрацией водорода до 75%, что обеспечивает гибкость в использовании топлива в будущем.

ЦОД, в котором будут установлены ГТУ, расположен в регионе, где наблюдается стремительный рост использования ВИЭ. Штат Техас входит в пятерку крупнейших мировых производителей, использующих энергию ветра, а сейчас произошел всплеск внедрения солнечной энергии. Согласно прошлогоднему прогнозу Управления энергетической информации США (EIA), к 2035 году суммарная выработка энергии, получаемой с помощью ветра и солнца, в Техасе удвоится.

Это означает, что меняется сама энергосистема, становясь более сложной, с возможными перебоями в подаче электроэнергии, что вызывает опасения по поводу энергетической безопасности потребителей. Действительно, за последние несколько лет в энергосистеме штата произошло несколько серьезных отключений электроэнергии из-за изменения погодных условий.

Поскольку сила ветра и активность солнца непостоянна, поставщики электроэнергии не могут гарантировать надежного энергоснабжения потребителей. Поэтому, с одной стороны, с целью снижения выбросов в атмосферу парниковых газов и вредных веществ ЦОД должны подключаться к новому парку быстрорастущих, но метеозависимых ВИЭ, а с другой — получить надежное и бесперебойное электроснабжение.

В прошлом году Германия приняла решение о строительстве пиковой электростанции Biblis Grid Stability на базе энергоблоков LM2500XPRESS. Она полностью предназначена для устранения кратковременных перебоев в электроснабжении, поскольку страна продолжает подниматься на все более высокие уровни внедрения возобновляемых источников энергии.

Энергоснабжение современных ЦОД включает основное питание, резервное питание и центры, оснащенные системой аккумуляторного накопления энергии (СНЭ), что гарантирует высокую надежность электропитания объекта. Оснащение электростанции системой накопления энергии позволяет обеспечить в случае необходимости кратковременные увеличения мощности, выдаваемой в сеть.

Компания «Импекс-1» предлагает поставку энергетических ГТУ единичной мощностью 7, 15, 25, 30, 50 и 110 МВт, которые могут сжигать не только трубопроводный газ и СПГ, но и попутный нефтяной газ (ПНГ), а также технологические и другие горючие газы. Предлагается поэтапное освоение производства узлов и деталей ГТУ единичной мощностью 30 МВт на территории России. Эти ГТУ разработаны на базе газовых турбин LM2500.

Для заказчиков имеется возможность заключить договор на долгосрочное обслуживание, который предусматривает предоставление подменных газотурбинных двигателей на время ремонта с проведением пусконаладочных работ (среднее время ремонта 5—7 месяцев в зависимости от сложности). Организуется проведение ремонтов авиапроизводных газотурбинных двигателей и их компонентов с вывозом на специализированное, аттестованное ремонтное предприятие в Китае.

В последующем проведение ремонтов возможно на специализированном предприятии в России, оснащенном специальным оборудованием и испытательным стендом для испытаний оборудования после ремонта.

Рис. 2. Газотурбинный двигатель ГТД-30

На рис. 2 показан газотурбинный двигатель ГТД-30 (LM2500). (В дальнейшем будет использоваться написание моделей по ГОСТ.) ГТД-30 может работать на природном газе, попутном нефтяном газе, дизельном топливе, водородосодержащем газе. Двигатель можно использовать как в составе газоперекачивающих агрегатов, так и в составе генераторных установок (рис. 3, 4), и это дополнительно подтверждает экономическую обоснованность его серийного производства в стране.

Рис. 3. Газотурбинный энергоблок на базе ГТД-30

Рис. 4. Агрегат поставляется заказчику в мобильном исполнении

ГТУ мощностью 30 МВт может поставляться заказчику и в мобильном исполнении. Для доставки на площадку одной установки ГТД-30 потребуется всего три трейлера. Для размещения мобильной установки требуется территория площадью около 380 м2, на монтаж ГТУ и ввод достаточно 72 часов. Время запуска на холостой ход составит 3 минуты, время выхода на полную нагрузку не более 10 минут.

На рис. 5 показана мобильная установка ГТД-30М в сборе.

Высокая температура выхлопных газов позволяет использовать ГТД-30 в составе парогазовой установки. В составе ПГУ для энергоснабжения ЦОД рекомендуется применять котлы-утилизаторы с дожиганием,
что позволит поддерживать постоянную нагрузку при изменении климатических условий, таких как температура, давление и влажность окружающего воздуха.

Выбор в пользу варианта ПГУ при сравнении с вариантом газотурбинной электростанции простого или открытого цикла для условий конкретной площадки можно сделать, используя критерий, который называется «Паритет капитала» и определяется по формуле:
«Паритет капитала» = «паритет мощности» + «паритет топлива» + «паритет сервиса», где «паритет мощности» соответствует удельным капитальным вложениям (р./кВт); «паритет топлива» — удельная дисконтированная стоимость топлива в течение расчетного периода времени (р./кВт); «паритет сервиса» — удельная дисконтированная стоимость технического обслуживания оборудования электростанции в течение расчетного периода времени (р./кВт).

В случае если «Паритет капитала» парогазовой электростанции будет меньше, чем у ГТЭС простого цикла, предпочтение следует отдать варианту с ПГУ.

Организация серийного производства надежных авиапроизводных ГТУ в кооперации с китайскими партнерами позволит решить проблему нехватки в России газотурбинных энергоблоков малой и средней мощности, сформировать мобильный резерв электростанций, потребность в которых измеряется десятками единиц в год.