Es justo decir que se están explorando todas las vías para llevar energía a los centros de datos y distribuirla a su alrededor, combatiendo la resistencia y comprimiendo la energía en bastidores cada vez más densos.
Un equipo de investigadores ha ideado una solución extrema: conectar instalaciones con superconductores.
La superconductividad es un fenómeno, observado por primera vez en 1911, en el que algunos materiales tienen resistencia eléctrica cero. Como la resistencia es un factor limitante en la cantidad de corriente que puede transportar un cable, esto suena como un Santo Grial para los ingenieros eléctricos. Un cable superconductor no se calentará, no desperdiciará energía en resistencia y puede transportar mucha más corriente en un espacio estrecho que un conductor convencional.
El problema es que la superconductividad se descubrió por primera vez a temperaturas cercanas al cero absoluto (0°K o -273°C), lo que la hace completamente impracticable para su uso generalizado.
En los años siguientes, los científicos buscaron materiales útiles que fueran superconductores a temperaturas más altas. A pesar de años de investigación, no existen superconductores a "temperatura ambiente", pero desde 1986 se han descubierto "superconductores de alta temperatura".
En 1986, Johannes Bednorz y Karl Müller de IBM mostraron un compuesto de óxido de cobre que era superconductor a una temperatura de 35°K (una temperatura relativamente suave de -238,15°C/-396,7°F). Eso fue suficiente para ganarles el próximo Premio Nobel de Física y dar inicio a una carrera. El récord actual de superconductividad es una temperatura de alrededor de 140°K (-133,2°C/-207,7 ° F).
Esos 140°K siguen siendo unos fríos -130°C, pero es una temperatura superior al punto de ebullición de -200°C (-328°F) del nitrógeno líquido. Los superconductores prácticos tienen que ser súper fríos, o se “apagan” y pierden abruptamente su magia. Aun así, el nitrógeno líquido se puede comprar por unos 2 dólares el litro, por lo que los ingenieros intervinieron y produjeron alambres y cables superconductores.
Los electroimanes superconductores están bien establecidos: soportan una corriente mucho mayor que los dispositivos normales y se utilizan en experimentos científicos, como el Gran Colisionador de Hadrones del laboratorio europeo de física de partículas CERN, y en experimentos de fusión. También se utilizan en escáneres de resonancia magnética (MRI) más extendidos.
Pero los electroimanes tienen bobinas apretadas que pueden sumergirse por completo. Los cables superconductores reales deben mantenerse fríos mediante un flujo continuo de nitrógeno líquido dentro de una funda aislada a lo largo de su longitud.
Existe un equilibrio entre el costo de la refrigeración y los beneficios de una baja resistencia, y un pequeño número de empresas comerciales buscan nichos donde las sumas se inclinan a favor de los superconductores.
Haciendo sumas
"Con los superconductores, tenemos una alta capacidad de corriente", explica Ed Wylie de American Superconductor (AMSC). “El sistema de nitrógeno líquido tiene un costo. Forma parte de las pérdidas, que suelen ser iguales o ligeramente inferiores a las pérdidas eléctricas normales de las instalaciones tradicionales. En realidad, todo se reduce a la economía”.
"El costo del nitrógeno líquido en sí no es un problema importante", dice Wylie, señalando que se fabrica como un subproducto de procesos industriales destinados a producir oxígeno líquido, por lo que es increíblemente barato. También es muy seguro trabajar con él.
"Es algo así como el 78 por ciento del aire, no es combustible y es gratis", dice Wylie. “Se utiliza un exceso de nitrógeno en la industria procesadora de alimentos, por lo que existe una infraestructura. Con nitrógeno líquido y un equipo criostato adecuado, el cable puede realizar el trabajo de superconductividad”.
Y continúa: “El coste de la refrigeración forma parte de un cálculo más amplio para mostrar la economía de los superconductores. Es proyecto por proyecto. La gente se entusiasma porque son ingenieros eléctricos, pero no es una panacea universal”.
Funciona, pero sólo en aplicaciones específicas: “Es cuando todas estas cosas se juntan. A menos que las estrellas se alineen, siempre estará cerca de fallar. Lamentablemente, siempre se reduce a la realidad económica o comercial, me encantaría que estuviera en todas partes”.
Cables de larga distancia
Un nicho podría estar en algunas aplicaciones de distribución de energía urbana. Además de corrientes más altas y pérdidas más bajas, los superconductores transportan corrientes más densas, por lo que pueden hacerse mucho más pequeños.
"La cantidad de energía que se intenta generar en un espacio podría ser la cuestión clave: si el cliente tiene un espacio limitado, una gran cantidad de energía para ir de A a B y un problema con el calor", dice Wylie.
"Si tienes que llevar una gran cantidad de energía a través de una ciudad y tienes un conducto, pero no hay espacio para cables convencionales que son demasiado voluminosos, o el requisito de no calentar el suelo a su alrededor, ese es el tipo de razones que hacen el trabajo”, afirma.
Otros factores incluyen el costo de los bienes raíces, la dificultad para obtener el permiso de construcción o la instalación de cables aéreos. “Tal vez no se puede construir una línea aérea en el centro de la ciudad, o se abren los conductos y no hay espacio para cables convencionales. Puede que haya espacio físico, pero ¿qué pasa con el espacio térmico?
La Corporación de Energía Eléctrica de Corea (KEPCO) hizo precisamente esto en una prueba semicomercial en 2019.
Necesitaba más capacidad en parte de su red de 154 kV, que normalmente contaría con un nuevo cable de 154 kV, a un costo de alrededor de 3 millones de dólares. En su lugar, tendió un cable superconductor de 23 kV a lo largo de 1 kilómetro de conducto entre las barras colectoras secundarias en dos subestaciones en Shingal y Heungdeok.
Se proyectaba que el proyecto del cable superconductor costaría 12 millones de dólares, pero KEPCO detectó que se podían lograr ahorros, incluida la eliminación de un transformador de 60 MVA y el uso de un conducto existente en lugar de cavar un nuevo túnel para cables.
AMSC construyó el primer proyecto de transmisión superconductora para la red de Long Island Power Authority (LIPA) en Nueva York. El Proyecto Holbrook alimenta una subestación eléctrica de Long Island a través de un cable superconductor en un túnel de 600 m y fue pagado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos en 2008.
La Unión Europea financia Best Paths, un proyecto para desarrollar un cable superconductor de CC que funcione a 320 kV y 10 kA. El proyecto prevé utilizar un sistema de dos cables para crear una conexión con una capacidad de 6,4 GW, o aproximadamente el doble de la producción de la nueva central nuclear Hinkley C del Reino Unido.
"Un sistema de cable convencional capaz de transportar este nivel de energía tendría una huella de instalación de siete metros de ancho", dijo en un comunicado el líder del proyecto de la UE, la empresa de fibra Nexans. "El cable superconductor concentra la misma potencia en un corredor de sólo 0,8 metros de ancho".
El proyecto, en el que participan socios como el CERN, utilizará un superconductor de dibromuro de magnesio (MgBr2).
También en Europa, la empresa de cable NKT lidera SuperLink, una oferta para construir un enlace subterráneo de 12 kilómetros en Munich, que sería el cable superconductor más largo del mundo. Se espera que tenga una potencia nominal de 500 MW, opere a 110 kV y conecte dos subestaciones utilizando los conductos existentes, mantenidos fríos por un sistema de refrigeración con enfriadores de respaldo redundantes.
"Consideramos que los cables eléctricos superconductores son parte del futuro para garantizar un acceso optimizado a la energía limpia en ciudades más grandes como Múnich", afirma Anders Jensen, director tecnológico de NKT, y añade que dichos cables "permiten ampliar la red eléctrica en zonas críticas sin tener que excavar la mitad de la ciudad”.
Japón también probó la idea, construyendo cables de 500 m y 1 km en 2016 para tomar energía de una planta solar en la ciudad de Ishikari, Hokkaido. El experimento funcionó y demostró que los cables no se deterioraban y podían funcionar de forma fiable.
A ese experimento le siguieron diseños de cables de 50 y 100 kilómetros, que potencialmente podrían llegar a grandes redes eléctricas.
Los cables originales de Ishikari en realidad nos llevan a un centro de datos. Terminaron en el Sakura Internet Ishikari Data Center, una innovadora instalación de distribución de DC que operó en la década de 2010.
¿Podrían los superconductores encontrar otro nicho dentro de un edificio así?
En el centro de datos
Los centros de datos ciertamente tienen demandas extremas de distribución eléctrica, con altas demandas de energía en espacios pequeños. En 2022, un equipo con sede en China y Cambridge, Reino Unido, diseñó un centro de datos basado en superconductores.
“En el futuro, será un desafío aumentar la densidad de potencia para un sistema de distribución de 48 V utilizando cables/barras colectoras de cobre, particularmente para un centro de datos de clase MW, ya que la corriente eléctrica en el sistema de distribución de CC de bajo voltaje es bastante grande.", dicen los autores, liderados por Xiaoyuan Chen de la Universidad Normal de Sichuan y Byang Shen de Cambridge, en un estudio sobre distribución de energía, en un artículo publicado en la revista Energy.
"Un centro de datos de clase de 10 MW con distribución de energía ultradensa de alta eficiencia: diseño y evaluación económica de redes de barras colectoras de CC superconductoras".
“Como los cables/barras colectoras de cobre tienen una cierta resistencia, las corrientes enormes provocan enormes pérdidas óhmicas, lo que indirectamente producirá una cantidad considerable de emisiones de GEI. Para transportar grandes corrientes, es necesario aumentar el tamaño de los cables/barras colectoras de cobre, lo que provocará otros problemas, como espacio insuficiente para la instalación de cables en los centros de datos, los altos costos de grandes cantidades de materiales de cables y el sistema voluminoso.”, contiuan.
No son los primeros en observar superconductores de alta temperatura (HTS) en centros de datos. Google tiene una patente no declarada anteriormente en China (202011180110.2) para un teórico centro de datos superconductor.
Pero el grupo de Chen y Shen se propuso diseñar un centro de datos de 10 MW construido alrededor de cables y conectores HTS, y compartir sus hallazgos. Nos comunicamos con el equipo y aún no hemos recibido respuesta.
El grupo dice que: "Los cables superconductores son muy adecuados para sectores de edificios de baja tensión y alta corriente, como los centros de datos", citando las ventajas: cero pérdida de energía, capacidad de transporte de corriente ultraalta y tamaño compacto.
Su artículo incluye diseños de disposición para barras colectoras HTS y ofrece un análisis económico de los efectos del cambio a barras colectoras superconductoras exóticas.
Las barras colectoras convencionales tienen una capacidad limitada para transportar grandes corrientes debido a una "enorme pérdida óhmica", dicen los investigadores, mientras que las barras colectoras de CC HTS podrían tener "una capacidad de transporte de corriente ultraalta y un tamaño compacto".
Las barras colectoras superconductoras serían costosas y en esta etapa son “conceptuales”, informó el grupo, pero el documento produjo diseños reales basados en barras colectoras HTS DC y modeló la economía, compensando los costos de refrigeración con los beneficios.
Se espera que el diseño se amortice en unos 17 años.
Las barras colectoras están diseñadas alrededor de una cinta superconductora de 12 mm de Sunam de Corea del Sur, que puede transportar 960 A de corriente. Se proporcionan tres diseños de barras colectoras, que utilizan múltiples cintas para transportar 10 kA, 20 kA y 100 kA de corriente. Cada uno de estos diseños está rodeado por una tubería criogénica que contiene nitrógeno líquido.
El diseño toma un rack básico de 10kW, dispuesto en filas de 10, en un espacio total de 1.700 metros cuadrados. Las filas se agrupan en bloques separados por pasillos calientes, pasillos fríos, pasillos de “caminata” y pasillos de transporte de equipos.
La energía proviene de la sala de distribución en barras colectoras de Grado 1 (100 kA) y pasa a barras colectoras de Grado 2 (20 kA) que la llevan a través de las filas, y luego a las barras colectoras de Grado 1 (10 kA) que se extienden por encima de cada fila.
Adjuntos a la barra colectora de cada fila hay cinco adaptadores de corriente, cada uno de los cuales toma energía y la entrega a través de dos tomas de corriente a dos bastidores.
El nitrógeno líquido sale a lo largo de la red ramificada de barras colectoras y luego regresa a lo largo de un circuito de retorno paralelo.
¿Cuánto cuesta?
Como era de esperar, los investigadores descubrieron que las barras colectoras HTS serían mucho más caras que las barras colectoras convencionales, que pueden fabricarse con cobre ordinario sin la complejidad criogénica de los sistemas HTS.
La inversión de capital inicial para barras colectoras superconductoras en un centro de datos de 10 MW depende del voltaje utilizado. A 400 V, el coste es de unos 5.000 dólares y aumenta a 22.700 dólares a 50 V, según el informe. Eso es mucho más que el costo de las barras colectoras de cobre convencionales, que cuestan entre 350 y 3.000 dólares.
Sin embargo, la diferencia de precio podría reducirse si se utilizara un sistema de mayor corriente, y los ahorros en costos operativos podrían inclinar la balanza a favor de los superconductores.
"En comparación con las barras colectoras de cobre convencionales, las barras colectoras HTS tienen la desventaja de un alto coste de inversión de capital", afirman los investigadores. “Por ejemplo, para el esquema de 400 V/25 kA, el costo de inversión de capital de las barras colectoras HTS es aproximadamente 15 veces mayor que el de las barras colectoras de cobre convencionales. Sin embargo, cuando el nivel actual aumenta de 25 kA a 100 kA, el costo de inversión de capital de las barras colectoras HTS disminuye a ocho veces el de las barras colectoras de cobre”.
"Aunque las barras colectoras HTS tienen altos costos de inversión de capital en la etapa de desarrollo inicial, tienen ventajas significativas en el costo operativo anual y el área transversal.", afirman.
El costo operativo anual de una barra colectora HTS de 400 V/25 kA sería aproximadamente el 18,5 por ciento del de las barras colectoras convencionales, mientras que el área de la sección transversal sería el 38,2 por ciento de un sistema convencional. Aumente la corriente a 100 kA y las barras colectoras HTS podrían funcionar por el 10,9 por ciento del costo convencional y ocupar aproximadamente una quinta parte del área de la sección transversal.
Verificación de la realidad
Este es un artículo académico y es bastante fácil predecir la reacción de los operadores de centros de datos ante la sugerencia de agregar tuberías criogénicas a su infraestructura de M&E existente.
El nitrógeno líquido representaría otra disciplina de ingeniería requerida dentro del centro de datos, lo que significa que se necesitarían nuevas habilidades. Aumentaría la complejidad del sistema.
También introducirá otro punto potencial de falla en una instalación que debe cumplir con las demandas de confiabilidad. Si el flujo de nitrógeno líquido se detiene, entonces la energía deja de fluir y la instalación deja de funcionar.
Por lo tanto, no sucederá a menos que haya un beneficio adicional realmente bueno. El grupo de Chen y Shen sugiere una posibilidad: actualizaciones.
Si las densidades de energía aumentan dentro de un centro de datos específico, se debe entregar más energía a los racks. Señalan: "Las áreas máximas permitidas para la instalación de barras colectoras no se pueden ampliar, porque los tamaños de los canales de las barras colectoras existentes son fijos". Reemplazar las barras colectoras de cobre estándar con un sistema HTS podría permitir que se entregue suficiente corriente adicional a la sala de equipos, en el mismo espacio.
Sin resistencia, las barras colectoras no consumirán energía al calentarse, lo que, según el periódico, ahorraría energía. Tampoco representarían un riesgo de incendio: están enfriados artificialmente, por lo que habrá menos riesgo de incendio. Incluso si hay una interrupción en el enfriamiento, los conductores no se calentarán repentinamente: el superconductor se apagará y toda la corriente se detendrá.
Wylie está de acuerdo en que los superconductores podrían encontrar usos dentro de un centro de datos: “Si tienes una estructura de bus importante dentro de un edificio, se podría utilizar un superconductor. A partir de una descripción de alto nivel de la topología, podríamos determinar si una solución superconductora funcionaría”.
Y a nivel personal, estaría muy contento de que esto sucediera. Se unió a AMSC hace ocho años procedente de la industria de centros de datos y, en ese momento, AMSC había trabajado en la posibilidad de utilizar superconductores dentro de las instalaciones.
“Fue una de las áreas por las que pregunté”, nos dijo. "Lo habían mirado brevemente y no salió".
Quizás esto esté a punto de cambiar.