Повномасштабне-розгортання генеративного штучного інтелекту в усіх сферах призвело до експоненційного зростання глобальної обчислювальної потужності. Однак приховане вузьке місце в галузі обчислювальної потужності стало невидимим обмеженням, що обмежує розширення сектора. Сьогодні величезні центри обробки даних штучного інтелекту працюють із повним навантаженням-цілий рік зі стабільно високим енергоспоживанням. Обмежені погодженнями на доступ до мережі, будівництвом ліній електропередач та обмеженнями регіональних квот на електроенергію, темпи розширення традиційної мережі значно відстають від швидкого зростання обчислювальної потужності ШІ. Отже, центри обробки даних штучного інтелекту все частіше звертаються до-рішень для виробництва електроенергії на місці. Твердооксидні паливні елементи (SOFC) із суттєвими перевагами в ефективності електропостачання, швидкості розгортання, надійності та низьких-вуглецевих екологічних характеристиках переходять від «резервних» варіантів до стандартизованих рішень основного живлення для центрів обробки даних.
У цьому контексті пластина діафрагми з керамічним електролітом-, яка служить «серцем» перетворення енергії в SOFC-, представляє як найбільшу вигоду від комерційного зростання SOFC у сценарії обчислень зі штучним інтелектом, так і найважчий технічний бар’єр у всьому ланцюжку галузі. У цій статті ми розглядаємо основну цінність керамічних електролітних діафрагм серед цієї хвилі ШІ.
01 Основні переваги SOFC у сценаріях обчислень AI
На відміну від традиційних розподілених джерел енергії, таких як газові турбіни, дизель-генератори, накопичувачі енергії на літієвих батареях і газові двигуни внутрішнього згоряння, SOFC є-твердотільними-електрохімічними пристроями для генерування енергії. Вони виробляють електроенергію в основному за рахунок міграції паливних іонів без участі процесів горіння чи механічних обертових компонентів. Їх робочі характеристики, показники енергоефективності та моделі обслуговування ідеально відповідають вимогам центрів обробки даних зі штучним інтелектом щодо безперебійної, цілодобової роботи, високої стабільності, високої ефективності та низького -споживання вуглецевої енергії-, що точно відповідає вимогам комп’ютерного живлення.
Перевага енергоефективності:SOFC досягають чистої ефективності виробництва електроенергії на рівні 50–60%, а ефективність комбінованого виробництва тепла та електроенергії (CHP) перевищує 90%. Це значно знижує PUE (ефективність енергоспоживання) центру обробки даних штучного інтелекту та витрати на енергію на-одиницю обчислювальної потужності. Вони підходять для стабільного 24-годинного виробництва електроенергії, ідеально відповідаючи безперервним високим навантаженням на електроенергію центрів обробки даних ШІ.
Перевага розгортання:SOFC мають високомодульну конструкцію, що усуває потребу у масштабних будівельних роботах,-пов’язаних з мережею. Їх можна розгортати поетапно разом із будівництвом центру обробки даних із короткими циклами будівництва, швидко вирішуючи вузькі місця «складного та повільного мережевого з’єднання», з якими стикаються центри обробки даних ШІ.
Перевага джерела живлення:Системи SOFC мають просту структуру, низькі вимоги до технічного обслуговування та високу робочу стабільність, що ефективно зменшує невизначеності в -системі диспетчеризації. Крім того, SOFC можуть працювати в координації з ультраконденсаторами та системами зберігання енергії, швидко реагуючи на миттєві коливання навантаження під час навчання ШІ та висновків, тим самим запобігаючи збоям у навчанні моделі, спричиненим перебоями в електроживленні.
Перевага гнучкості палива:SOFC нечутливі до паливних домішок і можуть використовувати різні види палива, включаючи природний газ, водень, біогаз і аміак, гнучко адаптуючись до існуючих мереж газопроводів і майбутньої інфраструктури водневої енергетики.
Низький-вуглецевий перевага:SOFC виробляють електроенергію безпосередньо за допомогою електрохімічних реакцій без традиційних процесів горіння, практично не виробляючи оксидів азоту, оксидів сірки чи твердих часток, з надзвичайно низьким рівнем шуму-, що ідеально відповідає корпоративним цілям щодо зменшення вуглецю.
02 Основна цінність керамічних електролітних діафрагмових пластин у SOFC
Модуль стека SOFC збирається шляхом послідовного з’єднання та герметизації від десятків до сотень окремих комірок. Структура одно-елементу має класичну «сендвічну» конфігурацію: пористі катодний і анодний шари з обох боків поміщають щільну пластину діафрагми з керамічного електроліту посередині. Ця ультра-пластинка діафрагми виконує дві основні функції-іонну провідність і фізичну ізоляцію:
(1) Іонна провідність:Керамічний електроліт служить твердим іонним провідником (наприклад, провідником іонів кисню). Під час роботи елемента при високих температурах (650–950 градусів) кисень на стороні катода отримує електрони, утворюючи іони кисню. Ці іони кисню мігрують через вакансії кристалічної решітки керамічного електроліту від сторони катода до сторони анода, беручи участь в електрохімічних реакціях з паливом на аноді, таким чином завершуючи внутрішню іонну міграцію та утворюючи шлях струму.
(2) Газова ізоляція:Щоб запобігти короткому-замиканню чи згорянню елемента та забезпечити безпечні електрохімічні реакції, керамічний електроліт має залишатися високої щільності, забезпечуючи фізичну ізоляцію, яка суворо відокремлює анод (сторону палива, наприклад, водень) від сторони катода (сторону повітря, наприклад, кисень), запобігаючи прямому змішуванню паливного газу та повітря.
Щоб виконувати ці дві основні функції, електроліт SOFC має, з одного боку, бути чистим іонним провідником (наприклад, провідником іонів кисню або протонів) з надзвичайно низькою електронною провідністю та підтримувати стабільність у широкому діапазоні парціального тиску кисню, запобігаючи внутрішнім коротким замиканням і забезпечуючи високу напругу-розімкнутого ланцюга. З іншого боку, електроліт має бути щільним і без пор-з чудовою хімічною стабільністю, механічними властивостями та термічними властивостями, щоб забезпечити структурну цілісність під час тривалої-роботи елемента.
Наразі на основі робочої температури та механізмів іонної провідності комерційні та науково-дослідні матеріали для діафрагм класифікуються на два основні типи: -високотемпературна-киснева-іонна-провідність і середньо{4}}киснева-іонна-провідність-підходять для різних масштабів і вимог до енергоспоживання даних AI центри.
01 Високо{1}}температурні матеріали системи
Типовим керамічним електролітним матеріалом для високо-температурної системи є YSZ (ітрій-стабілізований діоксид цирконію). Будучи найбільш комерційно зрілим і широко використовуваним матеріалом діафрагми в усьому світі, YSZ має структуру флюориту, зазвичай стабілізовану легуванням оксидами з низькою -валентністю (наприклад, Y₂O₃) для підтримки кубічної фази та підвищення провідності іонів кисню. Він пропонує надзвичайні переваги, включаючи високу механічну міцність, чудову -непроникність газу, високу хімічну стабільність і стійкість до сірчаної корозії, що робить його придатним для-тривалих умов постачання природного газу. Він зазвичай використовується у великих центрах-суперкомп’ютерного типу та обчислювальних парках масштабу GW-, що працюють із повним навантаженням-цілий рік. Однак його провідність значно падає за низьких температур, що вимагає високо{14}}роботи при 800–1000 градусів, що призводить до високого споживання енергії під час запуску/вимкнення та складного контролю температури.
02 Середньо{1}}температурні матеріали системи
Середньо{0}}температурні електролітичні діафрагмові пластини працюють при 600–800 градусах, що представляє основний напрям досліджень і розробок для розподілених обчислювальних сайтів. Наразі існує два основні матеріали: GDC (Gadolinia-Doped Cerium) на основі оксидів церії-та LSGM (Strontion- and Magnesium-Doped Lanthanum Gallate) перовскітні матеріали.
(1) Оксиди на основі-церію GDC:Їх отримують легуванням CeO₂ Gd₂O3 (GDC) для покращення провідності. Порівняно з електролітними діафрагмами на основі-цирконію, вони пропонують вищу іонну провідність за проміжних температур, що дозволяє працювати елементам за нижчих температур із меншими витратами на підтримку обладнання для контролю температури, що робить їх придатними для малих-–-середніх комп’ютерів机房. Однак під низьким парціальним тиском кисню Ce⁴⁺ легко відновлюється до Ce³⁺, утворюючи електронну провідність, яка погіршує продуктивність клітини, що часто вимагає додавання бар’єрного шару.
(2) Перовскітові матеріали лантану галат LSGM:Завдяки структурі кубічного перовскіту LSGM створює високі концентрації кисневих вакансій і спотворення решітки через ко-легування Sr і Mg, розширюючи таким чином шляхи міграції іонів кисню. Наразі це найкращий-продуктивний-матеріал діафрагми середньої температури, який пропонує високу іонну провідність і збалансовану хімічну стабільність із -пристосовністю до кількох видів палива. Однак через високу вартість сировини та тенденцію до сегрегації елементів під час високо-температурного спікання, широкомасштабне-формування діафрагми є надзвичайно складним, і воно ще не досягло масового виробництва, залишаючись обмеженим-маломасштабними лабораторними випробуваннями.
03 Нові протон{1}}керамічні матеріали
Представлені легованими BaZrO₃ та BaCeO₃ (серія цирконат/церат барію), ці матеріали покладаються на протонну провідність для виробництва електроенергії, робочі температури знижуються до 400–600 градусів. Вони пропонують надзвичайно низькі втрати в системі та стійкість до старіння матеріалу, що робить їх придатними для-обчислювальних кімнат із низьким енергоспоживанням у міських районах. Наразі вони залишаються на стадії лабораторних досліджень і розробок, газонепроникність і довгострокову-стабільність ще не підтверджені, а про випадки комерційного застосування в обчислювальних потужностях не повідомлялося.