Se supone que los centros de datos están disponibles todo el tiempo, pero a veces falla la red eléctrica. Las instalaciones cuentan tradicionalmente con un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS), que garantiza que se mantengan funcionando cuando la red no lo hace.
Por lo general, el UPS consta de generadores diésel que se encienden cuando es necesario y brindan suficiente energía para mantener el centro de datos en funcionamiento. El UPS también incluye interruptores y salas llenas de baterías que almacenan suficiente energía para mantener la instalación en funcionamiento mientras que el diésel esté funcionando y pueda soportarlo.
Todos los operadores de centros de datos se están comprometiendo a convertirse en carbono neutral. Usan energía renovable para sus necesidades regulares de energía y ahora están centrando su atención en reemplazar la energía fósil en sus sistemas de respaldo.
¿Por que hacerlo?
Vale la pena poner esto en contexto. En la mayoría de los países desarrollados, los cortes de energía son raros y de corta duración. Por lo tanto, los generadores diésel solo se encienden en raras ocasiones. Si no hay interrupciones, se utilizarán durante un total de unas pocas horas al año para probarlas.
Si el operador realiza una prueba de carga completa durante media hora, cada dos meses, eso equivale a una cantidad sólida de energía utilizada, con las emisiones asociadas. Pero es una pequeña fracción (menos de una milésima parte) de la energía utilizada por el centro de datos en su conjunto durante ese período.
Sin embargo, si el operador cambia su energía regular a una fuente renovable, entonces las emisiones de las pruebas de respaldo permanecerán obstinadamente estáticas y se convertirán en una proporción (ligeramente) mayor de las emisiones totales causadas por ese sitio.
Otro factor es que los diésel son impopulares y muy visibles. A diferencia de la energía de la red utilizada para alimentar la instalación, el generador se puede ver en el sitio, junto con su tanque de combustible, y el público notará cualquier ruido y emisiones.
Hace diez años, en 2012, Microsoft sufrió una campaña humillante contra su centro de datos de Quincy, encabezada por la exalcaldesa, la ambientalista Patty Martin. La campaña fue retomada por el New York Times , en lo que fue uno de los reproches más fuertes emitidos al desarrollo de centros de datos hasta esa fecha.
La campaña comenzó con las emisiones y generó una serie de quejas contra las instalaciones entonces poco conocidas. Algunas de las críticas del Times fueron fuera de lugar, pero esa burla pública parece haber afectado a Microsoft: su nombre ocupará un lugar destacado en adelante.
¿Sin diesel en absoluto?
¿Cuáles son las alternativas? Para Microsoft, el primer enfoque fue simplemente tratar de cortar el diésel. En lo que pudo haber sido una respuesta directa a la campaña de Quincy, Microsoft anunció en 2012 que operaría algunos centros de datos sin generadores diésel.
La empresa probó la idea en Boyton Virginia y Chicago, así como en Quincy. David Gauthier de Microsoft, quien fue director de administración de diseño y arquitectura del centro de datos, dijo: “Hay decenas de megavatios en este centro de datos y en otros centros de datos que administra Microsoft. No tienen generadores diesel detrás de ellos”.
Aproximadamente al mismo tiempo, en 2013, eBay instaló un centro de datos subsidiario de 6MW en Salt Lake City utilizando contenedores y lo alimentó con celdas de combustible como fuente principal . Las celdas de combustible funcionaban con biogás y la red eléctrica reemplazó a los generadores de respaldo.
El arquitecto del centro de datos de eBay en ese momento, Dean Nelson, dijo que el cambio valió la pena porque permitió otros cambios, como eliminar el costo del hardware de los generadores: “No se pueden justificar las celdas de combustible sin rediseñar el núcleo del sitio, ”, le dijo a este escritor en 2013.
Durante esa década, hubo optimismo de que múltiples centros de datos en la nube podrían usar la redundancia a nivel de software para brindar confiabilidad. Las cargas se ejecutarían en varios sitios, por lo que un corte de energía en un lugar no detendría la ejecución del software.
En 2017, Andy Lawrence de Uptime Institute predijo que "durante la próxima década, para un número considerable pero aún no determinado de operadores, la resiliencia y la redundancia a nivel de centro de datos individual se complementarán o reemplazarán, en su totalidad o en parte, por resiliencia a nivel de TI. Esto no es necesariamente una táctica o estrategia de resiliencia, sino un movimiento inevitable, como resultado del hecho de que las propias aplicaciones se están volviendo más distribuidas".
Sin embargo, en cinco años no hemos visto a los operadores deshacerse de sus UPS.
Se entiende que eBay cambió a enfoques de UPS más convencionales después de que Nelson se fuera en 2016. Dos años después, Microsoft también dio marcha atrás en su entusiasmo inicial por las instalaciones sin generadores. Admitiendo efectivamente el fracaso, emitió una sola solicitud de 72 generadores diesel en Quincy.
La idea no morirá
Pero en 2021, el concepto resurgió. Después de su compromiso de 2020 de ser carbono negativo para 2030, Microsoft necesitaba una hoja de ruta para eliminar su consumo de diésel, junto con otras fuentes de emisiones.
“Encontrar soluciones para reducir la dependencia de los combustibles diésel tradicionales representa una contribución sustancial a las vías tecnológicas necesarias para una descarbonización profunda”, dijo la compañía al revisar la idea de cambiar su enfoque de UPS.
Esta vez, está atacando el problema con una variedad de alternativas al combustible diésel de petróleo.
“Como empresa, estamos explorando todas las opciones posibles”, dice Casey Miller, gerente sénior de programas de Microsoft. "A medio y largo plazo, existen diferentes tecnologías competidoras: estamos buscando tecnologías que puedan tener una huella de carbono aún más baja".
Echemos un vistazo a cuáles son.
Microrred de biometano
En San José, Microsoft está utilizando gas natural renovable en lugar de diésel para alimentar su respaldo. Enchanted Rock está instalando una microrred de 100 MW en un centro de datos de Azure que se está construyendo en un sitio que Microsoft compró en 2017, con 224 generadores de gas natural, cada uno con una capacidad de 0,45 MW
Los generadores son alimentados por un suministro de gas natural. Enchanted Rock obtendrá biogás neto cero capturado de desechos de alimentos en descomposición y operaciones agrícolas, y lo inyectará en las tuberías aguas arriba de la instalación para compensar cualquier gas fósil quemado por Microsoft en caso de una interrupción.
Además de reducir los gases de efecto invernadero, el proyecto ayuda a la instalación a cumplir con las estrictas reglas de aire limpio de California. El senador demócrata de California, Ben Hueso, dijo: “Tengo la esperanza de que algún día todos los centros de datos reemplacen sus sistemas de energía de respaldo con gas natural renovable, limpio y con emisiones de carbono negativas. El anuncio de hoy sentará un precedente que creo que todos los aproximadamente 240 centros de datos de California deberían seguir”.
Pilas de combustible e hidrógeno
Las celdas de combustible son un fuerte competidor para reemplazar los generadores diesel en el respaldo de los centros de datos. Pueden ser alimentados por varios gases, incluido el metano del gas natural o biogás, o hidrógeno, que se puede producir sin emisiones.
La celda de combustible “quema” efectivamente el combustible gaseoso, combinándolo químicamente con oxígeno. Si se usa metano, entonces se libera dióxido de carbono a la atmósfera, que cuenta como verde si el metano proviene de una fuente biológica reciente.
Si se usa hidrógeno, el único subproducto es agua.
Los esfuerzos de Microsoft con las celdas de combustible se remontan a 2013, cuando la empresa probó las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Estos funcionan con alta eficiencia y pueden entregar una gran carga de forma continua, pero como no responden bien a las cargas variables, resultaron no ser la mejor solución para los sistemas de respaldo que deben iniciarse rápidamente.
Para 2018, la compañía cambió a celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) que pueden arrancar rápidamente según lo requieran las aplicaciones de respaldo.
En 2020, Microsoft demostró un sistema PEM de 250 kW que proporcionó energía continua durante 48 horas a un banco de 10 bastidores de servidores en un laboratorio de energía de Microsoft en Seattle.
Durante dos años, dirigida por el ingeniero principal Mark Monroe, la empresa intensificó eso con el objetivo de crear un sistema de pila de combustible completo que pudiera ser compatible con un generador diésel.
En 2022, mostró un sistema de generación de energía de 3MW alimentado por hidrógeno, construido por su socio Plug Power y que opera en la sede de Plug's Latham, Nueva York.
Plug creó algunas celdas de combustible más grandes (125kW), lo que permitió que el proyecto encajara en una unidad del tamaño de dos contenedores, pero, como prototipo, es mucho más costoso que pedir un generador diesel. Aún así, el sistema pasó las pruebas de aceptación para un sistema de respaldo del centro de datos, alimentando una carga simulada del centro de datos (un conjunto de calentadores o "bancos de carga") durante una interrupción total en la red eléctrica.
El director de investigación de centros de datos de Microsoft, Sean James, describió esto como “un momento de alunizaje. Tenemos un generador que no produce emisiones. Es alucinante”.
El siguiente paso es producir el prototipo. Plug planea hacer una versión comercial más pequeña. Microsoft probará esto en un centro de datos real, posiblemente en un área urbana donde los generadores diesel están prohibidos.
Esta prueba se centrará tanto en la practicidad de almacenar y usar hidrógeno, que es un problema tan grande como las propias celdas de combustible.
Las celdas de combustible de hidrógeno son tan verdes como el combustible que consumen, y el hidrógeno puede tener una variedad de colores.
El hidrógeno "verde" se produce electrolizando agua utilizando electricidad renovable. Todavía no está ampliamente disponible, por lo que Microsoft está alimentando su prototipo con hidrógeno producido como subproducto en la producción industrial de cloro e hidróxido de sodio.
Microsoft describe esto como hidrógeno "azul": hidrógeno que produce algunas emisiones, pero que puede limpiarse.
Entonces, Microsoft quiere crear una cadena de suministro de hidrógeno y unidades de respaldo de celdas de combustible que pueda comprar en cantidad.
“Tenemos el compromiso de estar completamente libres de diesel, y esa cadena de suministro tiene que ser sólida”, dice James. "Tenemos que hablar sobre la escala en toda la industria del hidrógeno".
La opción vegetariana
Una forma más básica y sencilla de reducir las emisiones de diesel es reemplazar el combustible, no los generadores. Los diésel pueden quemar aceites vegetales, que liberan gases de efecto invernadero que las plantas acaban de capturar, lo que los convierte en un recurso "renovable".
El petróleo, en comparación, libera gases de efecto invernadero almacenados hace millones de años, que deberían dejarse en el suelo para evitar la crisis climática.
Sin embargo, a los combustibles de origen vegetal de primera generación no les fue bien. El biodiésel (EN14214) se produce a partir de plantas como la colza cultivadas con este propósito.
“Los biodiesel eran simplemente una pesadilla”, comenta Lex Coors, CTO de Digital Realty de Interxion. “Estaban obstruyendo los sistemas, necesitamos pulidores de combustible y necesitábamos reemplazar el combustible cada dos o tres años, independientemente del hecho de que teníamos todos los pulidores en su lugar”.
Los fabricantes de motores odiaban los biodiesel. “Incluso tuvimos que prohibir el uso de este tipo de combustible en nuestros motores, porque era realmente un desastre”, dice Jacky Pluchon, vicepresidente de soluciones de energía de EMEA del fabricante de motores Kohler. “Quiero decir, esos motores no fueron construidos para ese tipo de combustible”.
Por el contrario, HVO (aceite vegetal hidrotratado - EN15940) es un combustible de segunda generación, producido a partir de materias primas como residuos y desechos.
Sorprendentemente, HVO obtiene un doble golpe. No solo se fabrica a partir de un producto de desecho, lo que lo convierte en parte de una economía circular, sino que también se puede utilizar directamente en los generadores diésel existentes.
La mayoría de los fabricantes de motores están en el proceso de certificar sus motores para quemar HVO y dicen que no hay impacto en el rendimiento. De hecho, el rendimiento mejora.
“Hemos probado muchos de nuestros generadores, y continuamos haciéndolo, cuando se los vendemos a nuestros clientes, y el resultado es realmente bueno”, dice Pluchon. “De hecho, este tipo de combustible sintético es incluso mejor para el motor, porque no crea ninguna impureza dentro del motor. Técnicamente hablando, es realmente una gran solución. Fue una muy buena sorpresa para nosotros cuando probamos esos generadores, porque hemos probado otros tipos de biocombustibles en el pasado, y el rendimiento no fue el mismo".
También es más estable y más fácil de almacenar que el combustible diesel de petróleo, y se puede mezclar con combustible normal: “Puede conservar el combustible HVO cinco o seis años”, dice Pluchon. “Ese no es el caso con el diesel normal. Debe tener un sistema de pulido de combustible dentro de sus tanques, o debe cambiarlo regularmente”.
Los operadores de centros de datos como Digital Realty de Coors quieren usar HVO100 (100 por ciento HVO) como combustible sostenible: "En una emergencia, si no hay HVO100 disponible, puede mezclarlo en cualquier porcentaje con combustible diesel normal".
Coors respalda las afirmaciones de Pluchon: “Las capacidades son las mismas, no tenemos pérdida de capacidad. La única desventaja es el costo.”
HVO cuesta alrededor del doble del precio del diesel convencional, pero Coors se encoge de hombros: “El tiempo que necesitaremos para ganar el diesel es quizás una hora al año. Eso no dañará nuestro opex en absoluto”.
Baterías grandes
Otra opción es reestructurar todo el sistema UPS, con baterías mucho más grandes, que puedan respaldar el centro de datos a largo plazo.
Hay un inconveniente obvio en este enfoque, ya que las baterías solo almacenan energía, no la convierten de una forma portátil como lo hacen los generadores diésel.
Si una interrupción dura más de unas pocas horas, como puede ocurrir con incidentes como inundaciones e incendios forestales, entonces los centros de datos pueden potencialmente continuar durante largos períodos sin energía de la red, si pueden reponer sus tanques de diésel.
Solo puede reemplazar un generador con una batería grande si está bastante seguro de que ninguna interrupción durará más que la vida útil de la energía almacenada en esa batería.
A pesar de esto, Google continúa reemplazando parte de la capacidad diésel con baterías en su centro de datos de St. Ghislain, Bélgica.
El gigante de las búsquedas está reemplazando un generador diésel con una batería que puede generar 2,75 MW de potencia y almacenar 5,5 MWh de energía. El beneficio positivo es que esta batería se puede conectar bidireccionalmente a la red y apoyar la red cuando sea necesario.
La instalación utiliza baterías Gridstack de Fluence y está siendo conectada por Centrica, utilizando el software FlexPond de Centrica para almacenar y descargar energía, de modo que pueda respaldar el centro de datos durante cortes de energía y apagones, y también proporcionar hasta la mitad de la energía almacenada para la red a corto plazo, para mejorar la estabilidad de la red.
Las baterías usan baterías LFP (fosfato de hierro y litio) fabricadas por el fabricante de baterías chino Contemporary Amperex Technology Co. Tiene una densidad de energía más baja que las químicas de iones de litio más habituales, pero tiene un mejor ciclo de trabajo y un mejor historial de seguridad, al tiempo que utiliza materias primas menos tóxicas.
La instalación solo respalda una pequeña proporción de las necesidades de energía en una sola de las muchas instalaciones de Google, pero podría ser una importante prueba de concepto.
Mientras tanto, Microsoft está utilizando baterías Saft en algunos UPS, para una prueba que se está realizando con un socio que evidentemente está desesperado por la credibilidad ambiental: la compañía petrolera Total. No hace falta decir que las emisiones ahorradas en esta prueba no tendrán ningún significado en comparación con las producidas por Total en su conjunto.
Menos pruebas
Vale la pena mencionar que hay otra forma de reducir las emisiones de los motores diésel, y es hacerlos funcionar menos.
Teniendo en cuenta que los centros de datos en su mayoría encienden sus generadores solo durante las pruebas, hace una gran diferencia si se prueban menos.
Kohler se está moviendo hacia los diésel en los que se puede confiar sin que se enciendan completamente en las pruebas, y lo está haciendo debido a la presión de la industria del centro de datos.
“Requerirá un mantenimiento diferente al que se hace tradicionalmente, pero así es como podemos mejorar, y creo que todos seguirán esa dirección”, dice Pluchon. “Los centros de datos fueron la industria que impulsó eso. No vino de ninguna otra industria en este momento."
A Coors le gusta la perspectiva: “Kohler es una de las primeras empresas que apoyó de todo corazón mi sugerencia de ir a cero horas de funcionamiento con diésel. Ahora vemos que otras empresas también comienzan a cambiar, porque esa es la única forma de avanzar. Si no necesitas un diesel, no lo arranques. Solo enciéndelo cuando lo necesites”.
Escisión positiva
Todas estas opciones son más caras que los generadores diesel, o menos disponibles. En el caso del hidrógeno, necesitan una infraestructura de producción y distribución completamente nueva.
Pero los defensores argumentan que el sector de datos tiene márgenes altos y puede darse el lujo de usar opciones más caras. De hecho, tiene la responsabilidad de hacerlo, porque estimulará un mercado creciente para ellos.
Hablando de HVO, Miller dice: “Una influencia potencial que podemos tener, como industria, es impulsar la legislación en esa dirección y atraer más atención a la adopción. Tener un estándar diesel renovable real sería de gran ayuda. Ese es probablemente el primer paso, asegurarse de que haya un objetivo que deba alcanzar con lo que sea que esté diseñando para sus generadores también”.
“Nosotros creamos la demanda, y eso será seguido por industrias más grandes”, dice Coors.
Por supuesto, eso plantea una pregunta. Si la demanda aumenta, ¿hay realmente suficiente materia prima de desechos grasos para sustentar una industria en expansión basada en HVO?
“La fuente de los desechos puede ser una pregunta”, admite Pluchon. “Todavía se está investigando si hay fuentes como las algas en el futuro. Sin embargo, por ahora, desafortunadamente producimos muchos desechos en este planeta. Con el tipo de recursos que hay, tendrá mucho para los próximos años”.
Incluso las apuestas a largo plazo, como el hidrógeno, también podrían dar sus frutos.
Si los centros de datos estimulan un mercado para la distribución de hidrógeno, entonces un mercado subsidiario tiene que evolucionar por razones muy prácticas que señaló Monroe en un podcast de DCD. El pequeño tamaño de las moléculas de hidrógeno significa que hay una descarga gradual inevitable, por lo que no se puede almacenar para siempre.
Pero eso podría ser un efecto positivo. Las celdas de combustible de hidrógeno serían una buena fuente de energía para los automóviles, pero nunca ha habido una fuente distribuida disponible de hidrógeno verde.
El hidrógeno que se filtra lentamente de las plantas de almacenamiento de energía de los centros de datos podría ofrecerse como combustible para automóviles alimentados por celdas de combustible de hidrógeno, y podría evolucionar una economía de hidrógeno total.
"Una vez que el hidrógeno verde esté disponible y sea económicamente viable, este tipo de energía de respaldo estacionaria podría implementarse en todas las industrias, desde centros de datos hasta edificios comerciales y hospitales", dice Monroe.