استقرار کامل-هوش مصنوعی مولد در همه حوزهها باعث افزایش نمایی در قدرت محاسباتی جهانی شده است. با این حال، تنگنای قدرت نهفته در صنعت برق محاسباتی به یک محدودیت نامرئی تبدیل شده است که گسترش بخش را محدود می کند. امروزه، مراکز داده عظیم هوش مصنوعی با بار کامل در تمام طول سال-با پایههای مصرف انرژی بالا کار میکنند. با محدود شدن مجوزهای دسترسی به شبکه، ساخت خطوط انتقال، و محدودیتهای سهمیه برق منطقهای، سرعت گسترش شبکه سنتی بسیار عقبتر از رشد سریع قدرت محاسباتی هوش مصنوعی است. در نتیجه، مراکز داده هوش مصنوعی به طور فزایندهای به راهحلهای{6} تولید برق روی سایت روی میآورند. سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC)، با مزایای قابل توجهی که در بهرهوری منبع تغذیه، سرعت استقرار، قابلیت اطمینان و عملکرد زیست محیطی کم کربن دارند، از گزینههای «پشتیبان» به راهحلهای برق اولیه استاندارد شده برای مراکز داده در حال انتقال هستند.
در این زمینه، صفحه دیافراگم الکترولیت سرامیکی-که به عنوان "قلب" تبدیل انرژی در SOFC عمل میکند{1}}هم بزرگترین ذینفع جهش تجاری SOFC در سناریوی محاسباتی هوش مصنوعی و هم مهمترین مانع فنی در کل زنجیره صنعت را نشان میدهد. در این مقاله، ارزش اصلی دیافراگمهای الکترولیت سرامیکی را در میان این موج هوش مصنوعی بررسی میکنیم.
01 مزایای اصلی SOFC در سناریوهای محاسباتی هوش مصنوعی
متمایز از منابع انرژی پراکنده سنتی مانند توربینهای گاز، ژنراتورهای دیزل، ذخیره انرژی باتری لیتیومی و موتورهای احتراق داخلی گاز، SOFCها همه دستگاههای تولید برق الکتروشیمیایی حالت جامد هستند. آنها الکتریسیته را عمدتاً از طریق مهاجرت یون سوخت تولید می کنند که شامل هیچ فرآیند احتراق یا اجزای چرخان مکانیکی نمی شود. ویژگیهای عملیاتی، معیارهای بهرهوری انرژی و مدلهای تعمیر و نگهداری آنها بهطور ایدهآل برای پاسخگویی به نیازهای مراکز داده هوش مصنوعی برای عملکرد بیوقفه، ۲۴ ساعته، پایداری بالا، راندمان بالا و مصرف انرژی کربن پایین-در پاسخگویی به چالشهای تامین برق محاسباتی مناسب است.
مزیت بهره وری انرژی:SOFCها بازده خالص تولید برق بین 50 تا 60 درصد را با راندمان حرارت و توان ترکیبی (CHP) بیش از 90 درصد به دست میآورند. این امر بهطور قابلتوجهی هزینههای انرژی توان محاسباتی (PUE) مرکز داده هوش مصنوعی را کاهش میدهد. آنها برای تولید برق 24{7}ساعته پایدار مناسب هستند و کاملاً با نیازهای مداوم برق با بار بالای مراکز داده هوش مصنوعی مطابقت دارند.
مزیت استقرار:SOFCها دارای طراحی بسیار مدولار هستند که نیاز به کارهای عمرانی مرتبط با شبکه گسترده را بی نیاز می کند. آنها را می توان در فازهایی در کنار ساخت مرکز داده، با چرخه های ساخت و ساز کوتاه، مستقر کرد و به سرعت گلوگاه های "ارتباط متقابل شبکه دشوار و کند" را که مراکز داده هوش مصنوعی با آن مواجه هستند، حل کرد.
مزیت منبع تغذیه:سیستمهای SOFC دارای ساختارهای ساده، نیازمندیهای تعمیر و نگهداری کم و پایداری عملیاتی بالا هستند که به طور موثر عدم قطعیتها را در ارسال جانبی شبکه-کاهش میدهند. علاوه بر این، SOFCها میتوانند در هماهنگی با فوقخازنها و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، به سرعت به نوسانات بار آنی در طول آموزش و استنتاج هوش مصنوعی واکنش نشان دهند، در نتیجه از خرابیهای آموزشی مدل ناشی از قطع برق جلوگیری میکنند.
مزیت انعطاف پذیری سوخت:SOFC ها نسبت به ناخالصی های سوخت حساس نیستند و می توانند از سوخت های مختلف از جمله گاز طبیعی، هیدروژن، بیوگاز و آمونیاک استفاده کنند و به طور انعطاف پذیر با شبکه های خط لوله گاز طبیعی موجود و زیرساخت های انرژی هیدروژن در آینده سازگار شوند.
مزیت کمتر-کربن:SOFCها مستقیماً از طریق واکنشهای الکتروشیمیایی و بدون فرآیندهای احتراق سنتی، الکتریسیته تولید میکنند و عملاً هیچ اکسید نیتروژن، اکسید گوگرد، یا ذرات معلق تولید نمیکنند، با سطوح نویز بسیار پایین-که کاملاً با اهداف کاهش کربن شرکت هماهنگ است.
02 ارزش اصلی صفحات دیافراگم الکترولیت سرامیکی در SOFC ها
یک ماژول پشته SOFC با اتصال و آب بندی ده ها تا صدها سلول منفرد به صورت سری مونتاژ می شود. ساختار تک سلولی از یک پیکربندی کلاسیک "ساندویچ" پیروی می کند: کاتد متخلخل و لایه های آند در دو طرف که یک صفحه دیافراگم الکترولیت سرامیکی متراکم را در وسط قرار می دهند. این صفحه دیافراگمی فوقالعاده نازک دو عملکرد اصلی-رسانش یونی و جداسازی فیزیکی را انجام میدهد:
(1) رسانایی یونی:الکترولیت سرامیکی به عنوان یک هادی یونی جامد عمل می کند (به عنوان مثال، هادی یون اکسیژن). در طول کار سلول در دماهای بالا (650-950 درجه)، اکسیژن در سمت کاتد، الکترونها را برای تشکیل یونهای اکسیژن به دست میآورد. این یونهای اکسیژن از طریق فضای خالی شبکه کریستالی الکترولیت سرامیکی از سمت کاتد به سمت آند مهاجرت میکنند و در واکنشهای الکتروشیمیایی با سوخت موجود در آند شرکت میکنند و در نتیجه مهاجرت یونی داخلی را تکمیل میکنند و مسیر جریان را تشکیل میدهند.
(2) جداسازی گاز:برای جلوگیری از اتصال کوتاه- یا احتراق سلول و اطمینان از واکنشهای الکتروشیمیایی ایمن، الکترولیت سرامیکی باید بسیار متراکم باقی بماند و عایق فیزیکی باشد که به شدت طرف آند (سمت سوخت، به عنوان مثال، هیدروژن) را از سمت کاتد (سمت هوا، به عنوان مثال، اکسیژن) جدا میکند و از اختلاط مستقیم گاز و هوا جلوگیری میکند.
برای انجام این دو عملکرد اصلی، الکترولیت SOFC باید از یک سو، یک رسانای یونی خالص (به عنوان مثال، یون اکسیژن یا هادی پروتون) با رسانایی الکترونیکی بسیار کم باشد و پایداری خود را در یک محدوده فشار جزئی اکسیژن گسترده حفظ کند، از اتصال کوتاه داخلی جلوگیری کند و ولتاژ مدار باز{2} بالا را تضمین کند. از سوی دیگر، الکترولیت باید متراکم و بدون منافذ باشد، دارای پایداری شیمیایی، خواص مکانیکی و خواص حرارتی عالی باشد تا از یکپارچگی ساختاری در طول کارکرد طولانی مدت سلول اطمینان حاصل شود.
در حال حاضر، بر اساس دمای عملیاتی و مکانیزمهای هدایت یونی، مواد دیافراگمی تجاری و تحقیق و توسعه به دو نوع اصلی-اکسیژن{1}در دمای بالا-یون{3}رسانا و متوسط{4}}اکسیژن درجه حرارت-هدایت یونی{6} و نیازهای یونی قابل مصرف و انرژی مورد نیاز برای انتقال انرژی{6} مختلف طبقهبندی میشوند. مراکز داده هوش مصنوعی
01-مواد سیستم دمای بالا
ماده الکترولیت سرامیکی نماینده برای سیستم دمای بالا YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) است. YSZ به عنوان بالغترین و پرکاربردترین ماده دیافراگمی تجاری در سطح جهان، ساختار فلوریتی دارد که معمولاً با دوپینگ با اکسیدهای ظرفیت پایین (مثلاً Y2O3) برای حفظ فاز مکعبی و افزایش رسانایی یون اکسیژن تثبیت میشود. مزایای برجسته ای از جمله استحکام مکانیکی بالا، سفتی گاز{7} عالی، پایداری شیمیایی قوی، و مقاومت در برابر خوردگی گوگرد را ارائه می دهد که آن را برای شرایط عرضه گاز طبیعی درازمدت مناسب می کند. معمولاً در مراکز ابررایانهای نوع مرکز بزرگ و پارکهای محاسباتی در مقیاس GW که با بار کامل در تمام طول سال کار میکنند استفاده میشود. با این حال، رسانایی آن در دماهای پایین به طور قابل توجهی کاهش مییابد، که نیازمند عملکرد دمای بالا در 800-1000 درجه است، که منجر به مصرف انرژی بالا{17}روشن/خاموش و کنترل دما به چالش میشود.
02 مواد سیستم دمای متوسط-
صفحههای دیافراگم الکترولیت دمای متوسط در 600 تا 800 درجه کار میکنند که نشاندهنده جهت جریان اصلی تحقیق و توسعه برای سایتهای محاسباتی توزیعشده است. در حال حاضر، دو ماده اولیه وجود دارد: مواد پروسکیتی GDC (Gadolinia-Doped Ceria) سریا-و مواد پروسکیتی LSGM (استرانسیوم- و منیزیم{7}}Doped Lanthanum Gallate).
(1) اکسیدهای مبتنی بر GDC Ceria{1}:اینها با دوپینگ CeO2 با Gd2O3 (GDC) برای بهبود هدایت به دست می آیند. در مقایسه با دیافراگمهای الکترولیتی مبتنی بر زیرکونیا، آنها رسانایی یونی بالاتری را در دماهای متوسط ارائه میکنند، و اجازه میدهند سلول در دماهای پایینتر با هزینههای کمتری برای پشتیبانی از تجهیزات کنترل دما کار کند، و آنها را برای محاسبات لبههای کوچک-تا{3}مناسب میسازد. با این حال، تحت فشار جزئی اکسیژن کم، Ce4+ به راحتی به Ce3+ کاهش مییابد، و هدایت الکترونیکی را معرفی میکند که عملکرد سلول را کاهش میدهد و اغلب نیاز به افزودن یک لایه مانع دارد.
(2) مواد پروسکایت لانتانوم گالات LSGM:LSGM با ساختار مکعبی پروسکایت، غلظتهای بالایی از فضای خالی اکسیژن و اعوجاج شبکه را از طریق دوپینگ مشترک با Sr و Mg معرفی میکند و در نتیجه مسیرهای مهاجرت یون اکسیژن را گسترش میدهد. این در حال حاضر بهترین مواد دیافراگمی با دمای متوسط-با عملکرد متوسط{3}} است که رسانایی یونی بالا و پایداری شیمیایی متعادل با سازگاری چند سوختی ارائه میدهد. با این حال، به دلیل هزینههای بالای مواد خام و تمایل به تفکیک عناصر در طی- تف جوشی در دمای بالا، تشکیل دیافراگم در مقیاس بزرگ بسیار چالش برانگیز است و هنوز به تولید انبوه نرسیده است و محدود به آزمایشهای آزمایشگاهی در مقیاس کوچک است.
03 پروتون جدید{1}}رسانای مواد سرامیکی
این مواد که توسط BaZrO3 و BaCeO3 دوپ شده (سری زیرکونات/سرات باریم) ارائه میشوند، برای تولید برق به رسانایی پروتون متکی هستند، با دمای عملیاتی به 400-600 درجه کاهش مییابد. آنها تلفات بسیار کم سیستم و مقاومت در برابر پیری مواد را ارائه می دهند که آنها را برای اتاق های محاسباتی کم انرژی در مناطق شهری مناسب می کند. در حال حاضر، آنها در مرحله تحقیق و توسعه آزمایشگاهی باقی میمانند، با-سفت شدن گاز و-پایداری طولانیمدت هنوز تأیید نشده است، و هیچ مورد استقرار تجاری در برنامههای قدرت محاسباتی گزارش نشده است.