O consumo significativo de energia pelo sistema de resfriamento em Data Centers, correspondendo a cerca de 40% da fatura de eletricidade, é uma preocupação tanto em termos financeiros quanto ambientais. Em um contexto onde as redes elétricas enfrentam desafios, é fundamental pensar em caminhos para reduzir as emissões de carbono e cada watt economizado conta.

Uma solução de resfriamento mais sustentável é o resfriamento gratuito (free cooling), uma abordagem que utiliza fontes de resfriamento já disponíveis em vez de depender exclusivamente de chillers. Especialmente para racks de baixa densidade e instalações localizadas em climas mais frios, as temperaturas externas, especialmente durante os meses de inverno, podem ser suficientes para atender às necessidades de resfriamento, proporcionando benefícios econômicos e ambientais.

À medida que as densidades aumentam e as ondas de calor se prolongam, pesquisadores e operadores vêm explorando cada vez mais o uso de corpos naturais de água para o resfriamento em Data Centers. A Digital Realty, uma gigante do setor, adotou a refrigeração fluvial em seus Data Centers localizados em Marselha.

A implementação dessa solução de resfriamento levou dois anos e meio, envolvendo mais de três quilômetros de tubulações subterrâneas e 27 trocas de calor. O sistema utiliza água de um canal subterrâneo, La Galerie de la Mer, construído no século 19 para coletar água da chuva de antigas minas.

A temperatura natural da água permanece constante em 15°C ao longo do ano e é bombeada para os Data Centers, onde realiza a troca térmica para resfriá-los. Essa inovadora solução é empregada nos Data Centers MRS2 e MRS3 da Digital, e será estendida para as futuras instalações MRS4 e MRS5, atualmente em construção. O investimento total da Digital Realty nesse sistema foi de 15 milhões de euros (81 milhões de reais).

Ao ser questionado sobre o valor desse sistema de resfriamento fluvial, o diretor de tecnologia e engenharia de Data Center da Digital Realty, Lex Coors, destacou que a avaliação considera tanto os aspectos financeiros quanto os benefícios em termos de sustentabilidade.

“Em primeiro lugar, você olha para os preços atuais da energia, e as tendências e projetos para o que vai acontecer. Na época, a energia era realmente um item de baixo custo, mas estávamos vendo algum aumento e também alguma instabilidade nos preços”, explicou Coors.

“Vimos a disponibilidade de energia subindo e diminuindo, particularmente para energia sustentável solar e eólica. Também temos nosso programa de responsabilidade social corporativa, mas não investimos em coisas que não fazem sentido – seria ruim para nós e para o meio ambiente”.

Além dos custos energéticos, a Digital Realty observa uma tendência na Europa em direção à exigência de que os Data Centers atinjam um PUE (eficiência de uso de energia) de 1,2 ou melhor. O diretor de tecnologia e engenharia de Data Center, Lex Coors, destaca que essa pressão regulatória é perceptível tanto em Amsterdã, onde essa norma já está em vigor há anos, quanto na Alemanha, onde a legislação também busca um PUE de 1,2 ou superior.

“Não vou dizer que será abaixo de 1,2 em Marselha, porque está muito quente lá, mas definitivamente estamos vendo mais um empurrão para baixo no PUE, e agora também há a Diretiva de Eficiência Energética para a Comissão Europeia entrando em vigor”.

A Diretiva de Eficiência Energética foi adotada pela primeira vez em 2012, mas desde então foi atualizada em 2018 e 2023. A última atualização aumenta significativamente as ambições da UE em matéria de eficiência energética.

A mudança estabeleceu um novo princípio de “eficiência energética em primeiro lugar”, o que significa que a eficiência deve ser a prioridade em todas as decisões políticas e de investimento. “O pessoal financeiro da velha guarda dizia: por que você investiria 15 milhões de euros em um projeto como esse? Mas naquela época tínhamos pessoas na empresa que diziam: 'Também precisamos fazer a coisa certa. Vai compensar'. E sim, está se pagando em vários ângulos agora”.

Usando o que já é acessível – o abastecimento natural de água e a infraestrutura não utilizada da história – a Digital Realty calcula que seus Data Centers em Marselha funcionam de forma mais eficiente e economizam cerca de 18.400 MWh por ano, enquanto reduzem as emissões de CO2 em 795 toneladas – que Lex Coors confirmou que a empresa monitora cuidadosamente todos os meses.

De acordo com a Digital Realty, a solução acabará fazendo parte de um loop. Após resfriar os servidores da Digital, a água estará mais quente e um dia será fornecida à rede de aquecimento urbano Euromediterranée, na qual poderá ajudar a fornecer calor para 500.000 m² de escritórios e casas.

Isso é algo em “discussão”, mas ainda não é uma realidade prática, diz Coors.

“Esses programas demoram muito. Primeiro, começa com uma intenção, e há uma intenção entre a Digital Realty e as autoridades locais de ver o que podemos fazer com essa água quente. Para nós, é importante deixar a água quente o mais baixo [em temperatura] possível, porque quanto mais baixa for quando a água voltar para o mar, mais tempo poderemos usar a água do rio sem fazer soar alarmes do centro”, explicou Coors.

"É importante salientar tanto para nós quanto para a cidade que, embora o inverno em Marselha não seja excessivamente rigoroso, a demanda por água aquecida persiste. Essa necessidade abrange diferentes usos, seja para água de torneira, outros recursos ou até mesmo para o sistema de aquecimento. Embora as intenções estejam presentes e as discussões ocorram, é compreensível que a integração a um sistema tão amplo demande tempo".

A Digital Realty não está sozinha em sua busca por usar o abastecimento local de água sem impactar o ecossistema local.

A Nautilus, uma empresa talvez mais conhecida por seu “Data Center flutuante” em Stockton, Califórnia, projeta sistemas refrigerados a água para Data Centers localizados a até 1 km de um suprimento de água de fluxo livre.

O fornecimento de água pode provir de diversas fontes, que vão desde o oceano até um lago, um rio e até mesmo uma estação de tratamento de águas residuais. No entanto, é essencial adaptar o processo conforme a origem específica desse abastecimento de água.

“Não estamos apenas falando de eficiência energética”, disse Rob Pfleging, CEO e presidente da Nautilus, à DCD. “Também tratamos da preservação da vida selvagem aquática”.

No caso do Data Center de Stockton, localizado no rio San Joaquin, a Nautilus se uniu à Intake Screens Inc (ISI) para o tambor de admissão. O ISI descobriu que havia duas espécies ameaçadas de extinção no rio e, por isso, projetou o tambor de admissão com velocidades baixas o suficiente para um peixe poder nadar ao lado dele sem ser sugado para o sistema.

O próprio tambor também é projetado com materiais 100% inertes. Materiais como cobre e ligas podem contaminar o fluxo de água, então a ISI escolheu o aço inoxidável.

Da mesma forma, os tubos são de aço inoxidável e polietileno de alta densidade com pelo menos 3 mm de espessura de parede. Outra razão pela qual esses materiais são usados, é que eles são naturalmente “escorregadios”, dificultando que as coisas se fixem a eles e entupam o sistema.

Quando a água entra pelo tambor, é ionizada com uma carga negativa, o que significa que a microbiota na água não pode atrair e grudar uns nos outros e no sistema. O sistema também é acoplado a transdutores ultrassônicos que vibram levemente os tubos o suficiente para impedir a conexão da microbiota, o que significa que nenhum produto químico precisa ser usado e protege o ambiente aquático ao redor do Data Center.

No total, o batel só segura a água por 60 segundos e deixa o Data Center menos de quatro graus Fahrenheit mais quente do que chegou. Nenhuma água é evaporada e consumida.

A solução da Nautilus é de ciclo aberto e fechado. O loop que circula a água do rio é aberto para o rio, enquanto um segundo circuito fechado pega o calor dos servidores e o passa para o loop de água do rio.

De acordo com Pfleging, esses loops nunca vão se tocar: “Somos únicos porque estamos fazendo resfriamento de loop aberto e circuito fechado. Há um trocador de calor de quadro de placa. As duas correntes líquidas nunca se tocam – elas estão apenas transferindo energia através de algumas placas de metal”, disse Pfleging.

"Neste sistema de circuito fechado, direcionamos a água fria ao redor do data hall. Não utilizamos bombas sob pressão positiva, como aquelas com pressão positiva de 50 ou 60 libras por polegada quadrada; na verdade, movemos a água pelo data hall usando um vácuo leve. Optamos por puxá-la através do data hall, em vez de empurrá-la."

Segundo Pfleging, essa pressão mais baixa faz com que o sistema não vaze. Mesmo que os canos fossem rompidos, em vez de vazar água, eles sugariam o ar. É menos desgastante para o próprio sistema, pois o bombeamento contínuo pode causar o entupimento de válvulas e também impede o crescimento de micróbios no sistema – muitos dos quais precisam de oxigênio para se desenvolver.

De acordo com Pfleging, o resfriamento livre da Nautilus pode ser usado com qualquer outro método de resfriamento no Data Center. “Não nos importamos com o seu método particular. Estamos apenas sendo mais baratos e mais eficiente em termos energéticos de rejeição de calor de milha final. Então, apoiamos todos eles [resfriamento em linha, troca de calor da porta traseira, resfriamento por imersão], mas, mais importante, tornamos todos melhores”, explicou Pfleging.

Ele também destacou que um dos benefícios de seu sistema é a ausência da necessidade de propilenoglicol e anticongelante para evitar o crescimento de micróbios no sistema.

"Como não precisamos adicionar esse tipo de substância à água, isso resulta em um aumento da eficiência. Quando você introduz, por exemplo, 20% de propilenoglicol na água, isso reduz a eficiência de resfriamento em cerca de 5% a 6%. Portanto, somos ainda mais eficientes do que o padrão direto para o chip."

No entanto, a solução de resfriamento livre por água não é universalmente aplicável. A água em si precisa estar em movimento e suficientemente fria para proporcionar resfriamento eficaz. Pfleging afirmou: "Se você quisesse instalar um Data Center ao lado do Nilo, não seria viável, porque essa água é praticamente uma banheira de hidromassagem".

O calor em uma determinada região não é sempre um obstáculo para a implementação desse tipo de solução. Como explicou Pfleging, durante uma onda de calor, as temperaturas da água aumentam muito mais lentamente do que as temperaturas do ar. Mesmo durante uma onda de calor na Califórnia, o Data Center da Nautilus conseguiu operar com um PUE de 1,15.

"Somos pragmáticos. Não somos a solução ideal 100% do tempo, em todos os lugares do planeta. Não colocaríamos isso no meio do deserto; preferimos instalá-lo razoavelmente perto de um grande corpo de água que atenda ao nosso perfil de temperatura."

Os Data Centers da Nautilus variam em tamanho, desde suas instalações em Stockton até outro projeto em andamento no Maine, além do Start Campus em Portugal, que está previsto para atingir até 120MW e contratou a Nautilus para o resfriamento em setembro de 2023. Isso levanta a questão: a natureza pode proporcionar resfriamento suficiente?

Geralmente, os Data Centers estarão localizados próximos a áreas de alta densidade populacional suficiente para atender à demanda da cidade ou região. Ao longo dos séculos, os assentamentos se desenvolveram, e a única característica comum a todos esses locais é a necessidade de acesso à água.

Pfleging argumenta que cerca de 80% da população mundial vive a menos de um quilômetro de distância da água, a maior distância que a empresa está disposta a transportar água para um Data Center refrigerado a água. "São raras as ocasiões em que alguém nos diz: ' Eu gostaria de estar aqui', e nós dizemos que não, simplesmente não podemos fazer isso”.

Por essa razão, parece que o resfriamento livre pode não ser uma solução totalmente abrangente para o problema do resfriamento, mas certamente desempenha um papel extremamente relevante e alcançável, ao alcance da natureza ao ar livre.