Trendy w rozwoju zasilania obiektów Data Center (część 2.)

Zapotrzebowanie energetyczne: ewolucja i prognozy

Zapotrzebowanie energetyczne centrów danych stanowi jeden z kluczowych parametrów determinujących rozwój infrastruktury IT. Dynamiczny wzrost liczby usług cyfrowych, migracja do środowisk chmurowych oraz rosnąca gęstość upakowania serwerów powodują systematyczne zwiększanie mocy przyłączeniowej wymaganej przez Data Center. W początkowym okresie rozwoju centrów danych zapotrzebowanie energetyczne było zbliżone do potrzeb niewielkich serwerowni korporacyjnych, jednak w miarę rozwoju usług 24/7 oraz platform przetwarzania rozproszonego obiekty zaczęły osiągać moce rzędu kilku, a następnie kilkunastu megawatów, kończąc na obecnych trendach sięgających kilkudziesięciu megawatów, a nawet setek megawatów dla poszczególnych kampusów Data Center. Rysunek 1. przedstawia globalne zużycie energii elektrycznej przez centra danych, z podziałem na główne elementy infrastruktury (a), typ obiektu (tradycyjne, chmurowe i hyperscale) (b) oraz regiony geograficzne (c). 

Zestawienie ilustruje zarówno historyczny wzrost zapotrzebowania na energię, jak i zmianę struktury jej wykorzystania wynikającą z rozwoju usług chmurowych oraz ekspansji dużych operatorów hyperscale [1].

W kolejnych latach zapotrzebowanie energetyczne centrów danych zaczęło rosnąć szybciej niż tempo wzrostu liczby użytkowników sieci energetycznej, co wynika przede wszystkim z intensyfikacji obciążeń obliczeniowych oraz stosowania serwerów o coraz wyższej gęstości mocy. Organizacje branżowe wskazują, że mimo znacznej poprawy efektywności energetycznej infrastruktury krytycznej, całkowite zużycie energii przez Data Center nadal dynamicznie rośnie. Według analiz Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) oraz raportów Uptime Institute, udział centrów danych w globalnym zużyciu energii elektrycznej wynosi już ok. 2–3% i może sięgnąć poziomu 5–8% w najbliższej dekadzie [2].

Wzrost zapotrzebowania na energię wywołuje również konsekwencje systemowe, szczególnie w krajach o wysokiej koncentracji infrastruktury chmurowej. Raporty branżowe zwracają uwagę na konieczność rozbudowy infrastruktury elektroenergetycznej, budowę nowych stacji transformatorowych oraz wprowadzanie ograniczeń dla lokalizacji nowych Data Center w regionach o niewystarczającej dostępności mocy przyłączeniowej. W wielu państwach europejskich, m.in. w Irlandii i Holandii, wprowadzono regulacje, które uzależniają możliwość budowy nowych centrów danych od oceny ich wpływu na sieć elektroenergetyczną [2, 3].

Równolegle rośnie znaczenie efektywności energetycznej systemów Data Center. Parametr PUE (Power Usage Effectiveness) stał się jednym z kluczowych wskaźników porównawczych i jest wykorzystywany zarówno przez operatorów, jak i inwestorów do oceny efektywności infrastruktury. Obecne trendy obejmują stosowanie technologii odzysku ciepła, chłodzenia adiabatycznego oraz automatycznej optymalizacji pracy systemów zasilania i chłodzenia z wykorzystaniem algorytmów sztucznej inteligencji [3].

Prognozy rozwoju wskazują, że w kolejnych latach istotną rolę w ograniczaniu zużycia energii odegra integracja Data Center z lokalnymi źródłami odnawialnymi oraz budowa regionalnych mikrosieci energetycznych. W niektórych regionach, szczególnie w krajach skandynawskich, obserwuje się trend lokalizowania nowych centrów danych w pobliżu dużych farm wiatrowych lub elektrowni wodnych, co pozwala na ograniczenie emisji związanych z produkcją energii oraz zmniejszenie obciążeń infrastruktury przesyłowej [3].

W kontekście rosnącego wpływu centrów danych na krajowy system elektroenergetyczny istotne znaczenie mają również inicjatywy branżowe realizowane w ramach Stowarzyszenia Polish Data Center Association (PLDCA). Organizacja ta prowadzi działania mające na celu rozwój polskiego sektora centrów danych, reprezentowanie branży w relacjach ze społeczeństwem, administracją publiczną, regulatorami oraz międzynarodowymi instytucjami, a także upowszechnianie wiedzy na temat roli Data Center w gospodarce cyfrowej. Współautor artykułu aktywnie uczestniczy w pracach PLDCA, co pozwala na bieżące monitorowanie trendów technologicznych i zmian regulacyjnych dotyczących infrastruktury Data Center w Polsce. Jednym z obszarów analiz podejmowanych przez Stowarzyszenie są zagadnienia związane z efektywnością energetyczną, w tym wykorzystaniem ciepła odpadowego pochodzącego z systemów chłodzenia centrów danych, co stanowi istotny kierunek rozwoju w kontekście transformacji energetycznej i zwiększania udziału technologii niskoemisyjnych w gospodarce.

Wzrost zużycia energii w Data Center

Rosnące zapotrzebowanie na energię w centrach danych jest konsekwencją intensywnego wzrostu mocy obliczeniowej oraz rozwoju usług chmurowych, mediów strumieniowych i aplikacji opartych na sztucznej inteligencji. Wzrost wolumenu danych przetwarzanych w skali globalnej powoduje konieczność stosowania coraz bardziej wydajnych układów serwerowych oraz infrastruktury sieciowej, co bezpośrednio przekłada się na całkowite zużycie energii w obiektach Data Center [1, 2].

Istotnym czynnikiem determinującym wzrost zużycia energii jest zwiększająca się gęstość upakowania szaf serwerowych. W nowoczesnych obiektach wartości rzędu kilkunastu kilowatów na szafę stały się standardem, a wdrażanie infrastruktury przeznaczonej do obciążeń AI prowadzi do obciążeń przekraczających nawet 30-40 kW na pojedynczy rack [1, 2].

Raporty Uptime Institute oraz analizy branżowe wskazują, że całkowite zużycie energii elektrycznej przez centra danych wzrosło w ostatniej dekadzie o kilkadziesiąt procent, pomimo postępu technologicznego w zakresie efektywności energetycznej infrastruktury chłodzenia i zasilania. Oznacza to, że zyski wynikające z poprawy parametrów PUE są kompensowane przez gwałtowny wzrost zapotrzebowania na moc obliczeniową [2].

Z perspektywy projektowej, kluczowe jest uwzględnienie planowanego wzrostu obciążenia w całym okresie eksploatacji obiektu. Centra danych projektowane na horyzont 15–20 lat muszą zapewnić możliwość zwiększenia mocy infrastruktury krytycznej, co w praktyce oznacza konieczność stosowania modułowych systemów UPS, skalowalnych transformatorów oraz możliwości rozbudowy przyłącza energetycznego lub budowy specjalnych punktów zasilania [1, 2].

Współautor niniejszego artykułu, projektując obiekty dla międzynarodowych klientów z segmentu hyperscale, ma na co dzień styczność z najnowszymi wymaganiami dotyczącymi zasilania szaf rack zarówno o niskiej, jak i bardzo wysokiej gęstości mocy. Jeszcze około roku temu w dokumentacjach projektowych szafy serwerowe o niskiej gęstości mocy definiowano jako jednostki o obciążeniu do ok. 17,2 kW na szafę. Dla takich szaf zakładano maksymalnie 300 kW mocy całkowitej na pojedynczy rząd, przy średniej wartości 200 kW oraz typowej liczbie 24 szaf w rzędzie (22 szafy serwerowe oraz 2 szafy sieciowe). Szafy serwerowe o wysokiej gęstości mieściły się natomiast w przedziale 34-130 kW na jednostkę. W ich przypadku wymagano już zastosowania wielu obwodów o prądzie znamionowym 63 A na każdy tor zasilania w redundancji 2N (przy konieczności ograniczenia prądu zwarciowego do poziomu 10 kA na pojedynczą szafę). Dla takich rzędów przyjmowano maksymalnie 680 kW mocy całkowitej i średnio 500 kW na rząd, również przy założeniu 24 szaf rack (w tym 16 szaf serwerowych oraz 8 sieciowych). Szafy takie już wówczas wymagały zastosowania bezpośredniego chłodzenia cieczą (direct liquid cooling) ze względu na bardzo wysoką gęstość mocy.

Aktualne wymagania projektowe, stosowane obecnie przy planowaniu dużych obiektów hyperscale, każą przyjmować średnio 600 kW mocy IT na pojedynczy rząd szaf już na etapie wstępnego określania ich liczby. Szafy serwerowe o niskiej gęstości mocy obejmują obecnie jednostki o mocy od 34 kW do 54 kW, natomiast szafy sieciowe i pamięci masowej – od 14 kW do 34 kW. Zasilanie szaf o niskiej gęstości realizowane jest za pomocą podwójnych obwodów trójfazowych, co zapewnia redundancyjność oraz ciągłość zasilania. Maksymalna moc pojedynczego rzędu niskiej gęstości wynosi obecnie 845 kW. Szafy wysokiej gęstości (przeznaczone głównie dla infrastruktury GPU) projektuje się natomiast na moc od 1,1 MW do nawet 2,2 MW na jedną szafę, przy wykorzystaniu wielu obwodów trójfazowych o prądach znamionowych rzędu 100 A, 200 A lub 400 A (przy konieczności ograniczenia prądu zwarciowego poniżej poziomu 10 kA dla obwodów o mniejszych prądach oraz 20 kA dla największych obciążeń). Maksymalna moc projektowa pojedynczego rzędu takiej gęstości sięga 4,8 MW, przy założeniu 24 szaf rack (w tym 16 szaf serwerowych oraz 8 sieciowych).

Tak duże obciążenia powodują konieczność stosowania wielu kaset zasilających o prądach od 100 do 400 A na każdy tor zasilania oraz starannego planowania układu szynoprzewodów w komorach serwerowych zarówno ze względu na selektywność zabezpieczeń, jak i możliwość przyszłej rozbudowy infrastruktury. Jednocześnie wymuszają stosowanie zaawansowanych systemów bezpośredniego chłodzenia cieczą o przepływach sięgających 2 litrów na minutę na każdy kilowat mocy IT oraz redundancji układów dystrybucji chłodu (N+1), przy czym pojedynczy system technologiczny chłodzenia cieczą nie powinien obsługiwać więcej niż 20 MW mocy IT.

W konsekwencji obserwowanych trendów, branża rozważa obecnie także rozwiązania wykraczające poza klasyczne zasilanie szaf napięciem 400-415 V AC. W literaturze oraz wytycznych producentów infrastruktury IT pojawiają się koncepcje zasilania szaf o wysokiej gęstości mocy napięciem stałym rzędu 800 V DC (lub 400 V DC), co może pozwolić na efektywne przesyłanie bardzo dużych mocy przy niższych prądach niż w dotychczasowych architekturach wykorzystujących napięcia rzędu 48-54 V DC. Zastosowanie wyższego poziomu napięcia w magistralach DC może oznaczać mniejsze straty cieplne oraz mniejsze przekroje torów prądowych wynikające głównie z podniesienia napięcia, a nie z samego faktu wykorzystania prądu stałego. Jednocześnie uproszczona architektura zasilaczy serwerowych, pozbawiona części przekształtników koniecznych przy zasilaniu AC, umożliwia zwiększenie gęstości mocy modułów, zmniejszenie ich gabarytów oraz podniesienie sprawności energetycznej. Obecnie rozwiązania takie są rozwijane i testowane przede wszystkim z myślą o szafach AI i GPU o bardzo wysokiej gęstości mocy, w których tradycyjne systemy dystrybucji energii zasilanej prądem przemiennym zaczynają osiągać swoje granice techniczne.

Podsumowując, wzrost zapotrzebowania na energię w centrach danych wynika nie tylko z rosnącej liczby przetwarzanych danych, ale przede wszystkim z gwałtownego zwiększania gęstości mocy serwerów oraz ekspansji infrastruktury przeznaczonej do obciążeń AI i GPU. O ile jeszcze kilka lat temu pojedyncza szafa serwerowa wymagała kilku do kilkunastu kilowatów mocy, o tyle obecnie wartości rzędu kilkudziesięciu, a w najbliższych latach nawet powyżej jednego megawata na szafę stają się realnym scenariuszem projektowym. Tendencja ta bezpośrednio zwiększa zużycie energii przez obiekty Data Center oraz wymusza stosowanie rozwiązań infrastrukturalnych o większej skali, obejmujących zarówno systemy zasilania, jak i chłodzenia. Rysunek 2. przedstawia prognozy dotyczące dalszego wzrostu zapotrzebowania centrów danych na zasoby sieciowe oraz energię elektryczną, ilustrując rosnący globalny ruch IP (a) oraz przewidywane zużycie energii w zależności od przyjętych scenariuszy rozwojowych i założeń dotyczących efektywności energetycznej (b). 

Prognozy na rysunku 2. obejmują horyzont do 2025 r., dlatego należy je traktować jako ilustrację kierunku zmian. W praktyce po 2020 r. dodatkowym czynnikiem wzrostu jest rozwój obciążeń AI/GPU, co wzmacnia presję na moc przyłączeniową oraz skalowanie infrastruktury krytycznej. Zestawienie pokazuje, że nawet przy znaczących usprawnieniach technologicznych prognozowany wzrost ruchu sieciowego może w kolejnych latach prowadzić do dalszego zwiększenia zapotrzebowania na energię elektryczną. W kolejnych latach to właśnie rosnąca gęstość mocy serwerów, a nie sama liczba urządzeń, będzie stanowiła główny czynnik wpływający na zapotrzebowanie energetyczne centrów danych, co znajduje odzwierciedlenie w prognozach rozwoju sektora przedstawionych w dalszej części niniejszego artykułu [1].

Prognozy globalne i europejskie

Prognozy zapotrzebowania energetycznego dla sektora Data Center wskazują na dalszy, istotny wzrost w skali globalnej. Raporty Uptime Institute oraz innych organizacji branżowych pokazują, że udział centrów danych w całkowitym zużyciu energii elektrycznej na świecie może wzrosnąć z obecnych 2–3% do poziomu rzędu 5–8% w perspektywie najbliższych dziesięciu lat. Trend ten jest szczególnie widoczny w krajach o wysokiej koncentracji usług cyfrowych, takich jak Stany Zjednoczone, Irlandia, Holandia czy Singapur, gdzie infrastruktura Data Center staje się jednym z kluczowych odbiorców energii w krajowych systemach elektroenergetycznych [2, 3].

W Europie prognozy są równie wymagające. Szacuje się, że do 2030 roku zużycie energii przez centra danych może co najmniej się podwoić w porównaniu z rokiem 2018, co stanowi istotne wyzwanie dla operatorów systemów elektroenergetycznych. W niektórych państwach, takich jak Irlandia czy Holandia, wprowadzono już regulacje ograniczające tempo budowy nowych obiektów, uzależniając wydanie pozwoleń od dostępności mocy przyłączeniowej i wpływu inwestycji na lokalną infrastrukturę przesyłową. Jednocześnie państwa Europy Środkowo-Wschodniej, w tym Polska, postrzegają rozwój Data Center jako element przyciągania inwestycji w sektorze nowoczesnych usług, co wymaga przyspieszonej modernizacji sieci oraz budowy nowych źródeł zasilania dla dużych kampusów centrów danych [2, 3].

Na prognozy zużycia energii wpływa również kierunek rozwoju technologii IT. Rosnące znaczenie zastosowań sztucznej inteligencji, przetwarzania brzegowego, usług 5G oraz technologii blockchain powoduje zwiększoną intensywność obliczeniową, a w konsekwencji wyższe zapotrzebowanie na moc IT i energię elektryczną. Równolegle wprowadzane są rozwiązania mające ograniczyć dynamikę wzrostu, takie jak zaawansowane systemy zarządzania obciążeniem, optymalizacja pracy układów chłodzenia oraz większa integracja z lokalnymi odnawialnymi źródłami energii i magazynami energii [2, 3].

Skutki dla sieci elektroenergetycznych

Wzrost zapotrzebowania na moc w centrach danych wywiera bezpośredni wpływ na funkcjonowanie systemów elektroenergetycznych. Obiekty klasy hyperscale oraz duże ośrodki kolokacyjne wymagają przyłączy o mocy rzędu kilkudziesięciu megawatów, co sprawia, że są odbiorcami porównywalnymi pod względem poboru energii z dużymi zakładami przemysłowymi. W efekcie operatorzy systemów przesyłowych i dystrybucyjnych muszą uwzględniać nowe inwestycje Data Center jako istotny element długofalowych planów rozbudowy sieci oraz zapewnienia stabilności dostaw energii [1, 2].

Jednym z głównych wyzwań jest konieczność zapewnienia odpowiedniej niezawodności zasilania. Ze względu na krytyczny charakter usług hostowanych w centrach danych wszelkie przerwy w dostawie energii muszą być minimalizowane, co w praktyce oznacza konieczność budowy nowych stacji elektroenergetycznych, rozbudowy linii wysokiego napięcia oraz stosowania zaawansowanej automatyki zabezpieczeniowej. W wielu przypadkach centra danych wykorzystują własne źródła energii rezerwowej w postaci agregatów prądotwórczych oraz magazynów energii, tworząc lokalne układy umożliwiające zasilanie obiektu również w przypadku zakłóceń po stronie sieci publicznej [1, 2, 3].

Kolejnym aspektem jest wpływ centrów danych na profil obciążenia sieci elektroenergetycznych. Są to odbiorcy charakteryzujący się wysokim, stabilnym i całodobowym poborem mocy, co w skali lokalnej może prowadzić do przeciążeń infrastruktury dystrybucyjnej oraz konieczności modernizacji transformatorów, rozdzielnic średniego napięcia oraz linii kablowych. W niektórych regionach, na przykład w Irlandii czy Holandii, konieczność modernizacji sieci była jednym z czynników prowadzących do wprowadzenia ograniczeń w lokalizacji nowych centrów danych [2, 3].

W kontekście europejskiej polityki klimatycznej coraz większego znaczenia nabiera integracja Data Center z odnawialnymi źródłami energii oraz lokalnymi magazynami energii. Operatorzy centrów danych dążą do ograniczania emisji CO2 poprzez kontrakty PPA (Power Purchase Agreement), tj. długoterminowe umowy zakupu energii elektrycznej, często powiązane z wytwarzaniem w źródłach OZE, obejmujące energię z farm wiatrowych i fotowoltaicznych, natomiast operatorzy systemów elektroenergetycznych muszą uwzględniać zwiększony udział źródeł niestabilnych przy jednoczesnym, dynamicznie rosnącym zapotrzebowaniu na moc ze strony infrastruktury krytycznej [2, 3].

Trendy architektoniczne

Rozwój centrów danych w ostatniej dekadzie jest ściśle powiązany z ewolucją architektury tych obiektów i dostosowaniem ich do rosnących wymagań w zakresie mocy IT, niezawodności oraz efektywności energetycznej. W odpowiedzi na zwiększone zapotrzebowanie na usługi cyfrowe wykształciły się trzy dominujące podejścia architektoniczne: duże obiekty typu hyperscale, elastyczne rozwiązania modułowe oraz lokalne centra obliczeniowe typu edge. Każdy z tych modeli odpowiada na inne potrzeby użytkowników, jednak wspólnym ich celem pozostaje możliwość skalowania zasobów obliczeniowych i ograniczania energochłonności infrastruktury [1].

Zmieniające się wymagania odbiorców usług cyfrowych oraz rozwój technologii chmurowych powodują, że architektura Data Center musi obejmować nie tylko warstwę fizyczną, lecz także systemy sterowania i zarządzania, które integrują takie obszary, jak zasilanie gwarantowane, chłodzenie oraz bezpieczeństwo fizyczne. Współczesne obiekty rozwijane są z myślą o ciągłej rozbudowie, przy czym moduły infrastruktury mogą zostać dodane bez przerywania działania pozostałej części centrum danych [1].

Istotnym kierunkiem rozwoju architektury jest projektowanie obiektów z uwzględnieniem krytycznych wymagań energetycznych i potrzeb wynikających z wysokiej gęstości IT. Nowoczesne obiekty hyperscale przekraczają moce przyłączeniowe rzędu kilkudziesięciu megawatów (w przypadku największych kampusów Data Center w niedalekiej perspektywie nawet rzędu gigawatów), co wymusza projektowanie przyłączy wysokiego napięcia, własnych stacji energetycznych oraz modułowych systemów UPS zdolnych do liniowego skalowania mocy. Tak duże zapotrzebowanie na energię powoduje, że architektura Data Center staje się elementem infrastruktury elektroenergetycznej o znaczeniu strategicznym [2].

Kolejnym trendem architektonicznym jest szerokie stosowanie rozwiązań modułowych i prefabrykowanych (w tym kontenerowych), które pozwalają skrócić czas realizacji inwestycji, zwiększają powtarzalność procesów projektowych oraz umożliwiają szybkie reagowanie na zmieniające się potrzeby rynku. Modułowość wykorzystywana jest zarówno w budowie kampusów hyperscale (w formie powtarzalnych modułów budynkowych), jak i mniejszych obiektów kolokacyjnych, co umożliwia skalowanie infrastruktury w zależności od stopnia wykorzystania powierzchni oraz mocy IT [1].

Wraz z rozwojem usług cyfrowych pojawia się również potrzeba lokalizacji mniejszych obiektów obliczeniowych blisko użytkowników końcowych i źródeł danych. Architektura edge umożliwia przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym, ograniczenie opóźnień i zmniejszenie obciążenia sieci szkieletowej. Większość obiektów edge budowana jest w oparciu o moduły prefabrykowane lub kontenerowe, jednakże nie stanowią one osobnej kategorii modułowej, lecz odrębny model lokalizacji i funkcjonalności Data Center. Obiekty te stanowią uzupełnienie dużych centrów hyperscale, szczególnie w aplikacjach wynikających z rozwoju internetu, sieci 5G oraz autonomizacji infrastruktury technicznej miast [1].

W literaturze oraz analizach branżowych pojawia się także koncepcja architektury hybrydowej, w której jeden globalny dostawca usług łączy duże obiekty hyperscale rozmieszczone w strategicznych lokalizacjach z siecią lokalnych ośrodków edge. Takie podejście pozwala na optymalizację kosztów, redukcję opóźnień transmisji i minimalizację obciążenia globalnych zasobów obliczeniowych [1, 2].

Należy podkreślić, że trendy architektoniczne są obecnie silnie determinowane przez rozwój aplikacji opartych na sztucznej inteligencji i wysokiej gęstości obciążeń GPU. Rosnące zapotrzebowanie na moc IT wymusza modyfikację istniejącej infrastruktury oraz stopniowe zastępowanie tradycyjnych układów chłodzenia powietrzem technologiami związanymi z chłodzeniem cieczą oraz integracją rozwiązań o podwyższonej sprawności energetycznej. Tendencje te znajdują odzwierciedlenie zarówno w rozwiązaniach dostawców globalnych, jak i w rekomendacjach organizacji branżowych, w tym Stowarzyszenia Polish Data Center Association. Tabela 1. zawiera porównanie głównych typów architektury Data Center. 

Data Center typu hyperscale

Centra danych typu hyperscale powstały jako odpowiedź na szybki wzrost zapotrzebowania na moc obliczeniową oraz przestrzeń serwerową generowaną przez globalnych dostawców usług cyfrowych. Obiekty tego rodzaju osiągają moce przyłączeniowe rzędu kilkudziesięciu megawatów, a w skrajnych przypadkach nawet powyżej 100 MW, co powoduje, że należą do największych odbiorców energii elektrycznej w sektorze infrastruktury IT i stawiane są w jednej kategorii z dużymi zakładami przemysłowymi pod względem wymagań energetycznych [1, 4].

Architektura hyperscale zakłada budowę kampusów składających się z powtarzalnych modułów obiektowych, które mogą być uruchamiane etapowo w zależności od potrzeb użytkownika i strategii komercyjnej operatora. Każdy budynek kampusu wyposażony jest w niezależne systemy zasilania, chłodzenia oraz bezpieczeństwa, projektowane w układach modułowych umożliwiających liniowe skalowanie mocy. Koordynacja pracy poszczególnych modułów realizowana jest poprzez nadrzędny system zarządzania infrastrukturą obiektu (np. BMS – Building Management System, DCIM – Data Center Infrastructure Management, IDCM – Intelligent Data Center Management) [1, 4].

Ze względu na bardzo wysokie zapotrzebowanie energetyczne, obiekty hyperscale wymagają przyłączy wysokiego napięcia, a w wielu przypadkach również budowy przeznaczonych specjalnie dla nich stacji elektroenergetycznych. Układy zasilania w takich centrach projektowane są w pełnej redundancji, najczęściej w konfiguracji 2N lub N+1, co oznacza zastosowanie wielu torów zasilających, modułowych systemów UPS (o jednostkowej mocy rzędu kilku megawatów) oraz zespołów agregatów prądotwórczych o dużej mocy jednostkowej [11].

Lokalizacja centrów danych typu hyperscale wybierana jest z uwzględnieniem uwarunkowań energetycznych i telekomunikacyjnych. Obiekty sytuowane są w pobliżu głównych węzłów sieci przesyłowych i teletransmisyjnych, co zapewnia im dostęp do niezawodnych źródeł zasilania i łączności oraz umożliwia minimalizację opóźnień transmisji danych. Coraz częściej lokalizacje te uzależnia się również od dostępności energii odnawialnej, możliwości odzysku ciepła oraz wymagań strategii zrównoważonego rozwoju [1].

Na fotografii 1. przedstawiono przykład budynku centrum przetwarzania danych będącego częścią większego kampusu typu hyperscale. Obiekty tego rodzaju realizowane są jako powtarzalne moduły infrastrukturalne, które mogą być uruchamiane etapowo i integrowane w ramach jednego kampusu.

Data Center modułowe i prefabrykowane

Data Center modułowe i prefabrykowane powstały jako odpowiedź na potrzebę skrócenia czasu realizacji inwestycji infrastrukturalnych oraz umożliwienia etapowej rozbudowy systemów technicznych obiektu. W odróżnieniu od dużych centrów typu hyperscale, których budowa wymaga wieloletnich przygotowań i znacznych nakładów inwestycyjnych, rozwiązania modułowe pozwalają na stopniowe zwiększanie mocy obliczeniowej i elastyczne skalowanie infrastruktury energetycznej oraz chłodniczej w miarę wzrostu obciążeń IT [1].

Centra modułowe buduje się w oparciu o powtarzalne sekcje techniczne i prefabrykowane komponenty wyposażone w podstawowe systemy zasilania, chłodzenia i bezpieczeństwa. Modułowość dotyczy najczęściej infrastruktury serwerowni oraz zaplecza technicznego (np. pomieszczeń transformatorowych, stref UPS lub modułów agregatowych), co pozwala na powtarzalność rozwiązań projektowych oraz redukcję czasu realizacji inwestycji. Poszczególne moduły mogą być uruchamiane etapowo oraz integrowane w większe struktury, tworząc elastyczne rozwiązania umożliwiające skalowanie obiektu w horyzoncie jego eksploatacji [1].

Pod względem elektroenergetycznym infrastruktura modułowa opiera się najczęściej na skalowalnych systemach UPS, kontenerowych rozdzielniach niskiego i średniego napięcia oraz prefabrykowanych stacjach transformatorowych, które można instalować etapowo wraz ze wzrostem obciążeń IT. Rozwiązanie to pozwala ograniczać ryzyko przewymiarowania na wczesnym etapie inwestycji oraz utrzymywać elastyczność kosztową, przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganej redundancji zasilania [1].

W praktyce projektowej modułowość nie musi dotyczyć całego budynku wraz z infrastrukturą szaf serwerowych. Współautor niniejszego artykułu realizował projekty, w których moduły obejmowały wyłącznie część energetyczną, w tym modułowe kontenerowe stacje SN i nn, oraz kontenerowe agregaty prądotwórcze, instalowane etapowo w celu rozbudowy poszczególnych torów zasilania, bez konieczności przerywania pracy pozostałej infrastruktury obiektu [1].

W kontekście systemów chłodzenia rozwiązania prefabrykowane mogą obejmować również modułowe centrale chłodnicze, moduły drycoolerów lub prefabrykowane sekcje free coolingu, instalowane w zależności od przyjętej architektury energetycznej i klimatycznej obiektu. Podejście takie umożliwia etapową rozbudowę chłodzenia równolegle ze wzrostem obciążenia IT, jednocześnie skracając czas realizacji inwestycji oraz ograniczając zakres robót budowlanych i instalacyjnych [1].

W ramach projektów realizowanych na rynku polskim coraz częściej stosuje się rozwiązania łączące prefabrykowane budynki technologiczne z modułową infrastrukturą energetyczną. Na fotografii 2. przedstawiono przykład obiektu, w którym część serwerowa i klimatyzacyjna została wykonana jako prefabrykowany budynek o układzie powtarzalnych komór, natomiast zespoły zasilania obejmujące kontenerowe stacje średniego i niskiego napięcia, rozdzielnice oraz moduły UPS zlokalizowano w wydzielonych jednostkach kontenerowych. 

Integralną częścią układu są również kontenerowe agregaty prądotwórcze tworzące kompletną konfigurację zasilania gwarantowanego i rezerwowego. Takie podejście znacznie skraca czas realizacji inwestycji, umożliwia etapowanie wdrożenia oraz pozwala na prefabrykację, testowanie i uruchamianie modułów energetycznych poza placem budowy.

Edge Data Center

Rozwój technologii 5G, internetu rzeczy (IoT) oraz aplikacji czasu rzeczywistego spowodował powstanie koncepcji Edge Data Center. Są to niewielkie obiekty lokalizowane blisko użytkownika końcowego lub źródła generowania danych. Ich podstawowym zadaniem jest minimalizacja opóźnień transmisji oraz odciążenie centralnych ośrodków obliczeniowych, co ma szczególne znaczenie dla usług wymagających przetwarzania danych w czasie rzeczywistym [1].

Edge Data Center charakteryzują się zazwyczaj mocą przyłączeniową od kilkuset kilowatów do kilku megawatów. Wyposażone są w podstawowe systemy zasilania gwarantowanego, klimatyzacji precyzyjnej oraz zabezpieczeń fizycznych. Architektura tych obiektów jest najczęściej modułowa, co umożliwia szybkie wdrożenie oraz skalowanie infrastruktury w zależności od zapotrzebowania [1].

W obszarze zasilania kluczowe jest zapewnienie kompromisu między niezawodnością a kosztami. Ze względu na mniejszą skalę inwestycji standardowe konfiguracje redundancji ograniczają się najczęściej do układów N+1 zarówno po stronie UPS, jak i agregatów prądotwórczych. Ważnym elementem koncepcji edge jest także możliwość integracji z lokalnymi źródłami odnawialnymi, co pozwala ograniczyć koszty energii oraz poprawić niezależność obiektu [1].

Edge Data Center pełnią coraz większą rolę w obsłudze aplikacji krytycznych dla przemysłu, transportu i usług miejskich. Ich lokalizacja umożliwia realizację obliczeń blisko miejsca generowania danych, co jest niezbędne m.in. w systemach autonomicznego transportu, inteligentnych sieci elektroenergetycznych oraz rozwiązaniach smart city [1].

W praktyce edge data center funkcjonują bardzo często w postaci jednostek kontenerowych, instalowanych jako obiekty stałe lub w formie mobilnej infrastruktury, możliwej do przemieszczenia w zależności od potrzeb użytkownika. Rozwiązania tego typu stosowane są między innymi w projektach infrastruktury krytycznej, gdzie liczy się szybkie wdrożenie i możliwość natychmiastowego uruchomienia usług w miejscu o ograniczonej dostępności odpowiedniej infrastruktury energetycznej i teleinformatycznej [1].

Na rysunku 3. przedstawiono przykład mobilnego kontenera serwerowego wykorzystywanego w projektach dla klientów lokalnych oraz międzynarodowych, stanowiącego jednocześnie obszar specjalizacji współautora niniejszego artykułu w zakresie projektowania obiektów infrastruktury krytycznej na rynku polskim.

Tematyka trendów w rozwoju zasilania obiektów Data Center będzie kontynuowana w części 3. artykułu. 

Literatura

1. H. Geng, Data Center Handbook: Plan, Design, Build, and Operations of a Smart Data Center, 2nd ed., Wiley, 2021.
2. Uptime Institute, Annual Outages Analysis (seria, wydania z lat 2019–2024), New York, Uptime Institute Global.
3. Uptime Institute, The Gathering Storm: Climate Change and Data Center Resiliency, New York, Uptime Institute Global, 2022.
4. Schneider Electric, Data Center Power and Cooling Handbook, Riyadh, Schneider Electric, 2022.
5. M. Kordeczka, Trendy w rozwoju zasilania obiektów Data Center, praca dyplomowa magisterska, Wydział Elektryczny, Politechnika Warszawska, Warszawa 2026.