No cenário em rápida evolução dos data centers, uma transformação fundamental surgiu na vanguarda – a urgência da recuperação de calor residual. À medida que o mercado de data centers experimenta um crescimento exponencial, impulsionado pelas crescentes demandas de Computação de Alto Desempenho (HPC) para alimentar os avanços da IA e as necessidades de computação famintas por energia, as densidades dentro das instalações estão aumentando drasticamente. Esse aumento, ao mesmo tempo em que impulsiona a inovação tecnológica, está igualmente levando a uma geração sem precedentes de calor dentro dessas instalações.
Os volumes crescentes de calor que emanam dos data centers não são mais apenas uma consequência, mas um recurso que exige uma utilização inteligente. Esse excedente de calor, com seu potencial para várias aplicações, incitou uma mudança de paradigma no sentido de aproveitá-lo para uso benéfico. A recuperação de calor residual está deixando de ser uma opção para se tornar um componente indispensável na estrutura operacional dos data centers.
Além disso, a trajetória global em direção à sustentabilidade e à conformidade regulatória aumentou significativamente a urgência por práticas eficientes de recuperação de calor. Notavelmente, países como a Alemanha adotaram uma postura pioneira ao promulgar leis rigorosas (Lei de Eficiência Energética) que obrigam a recuperação de calor residual dentro de data centers. Estas medidas legislativas sublinham a necessidade premente de adoptar práticas sustentáveis, posicionando a recuperação de calor residual como um pré-requisito para a obtenção de autorizações.
Neste artigo, investigamos a crescente importância da recuperação de calor residual dentro de data centers e como a Engie e a RED Engineering Design reúnem a experiência necessária para aproveitar seu potencial.
A importância dos data centers para beneficiar as comunidades locais
À medida que o processamento de dados se intensifica por rack, a dissipação de quase todo o poder de processamento de TI à medida que o calor se dissipa apresenta problemas cada vez mais desafiadores. Isso levou os fabricantes de equipamentos de TI a buscar novas soluções, já que os conceitos de projeto existentes perdem rapidamente a eficácia.
Independentemente de um data center empregar água do condensador, água gelada e fluxo de ar em massa para rejeição de calor, a quantidade total de calor rejeitado permanece constante. No entanto, surgem variações na temperatura em que esse calor pode ser eficientemente colhido para abastecer sistemas de aquecimento urbano e quaisquer consumidores diretos, juntamente com o consumo de energia e água necessários para a rejeição de calor.
Simultaneamente, o surgimento de redes urbanas de aquecimento e resfriamento urbano ganhou força como uma via primária para alcançar provisões de aquecimento e resfriamento de baixo custo e baixo carbono em todos os setores residencial, comercial e industrial.
A evolução em usinas de geração de calor, tecnologias de bombas de calor, materiais de tubulação e sistemas de controle automatizados viu uma transição dos antigos sistemas de aquecimento urbano baseados em vapor para redes de água quente de alta pressão e alta temperatura e, mais recentemente, para sistemas de água quente de baixa temperatura, alinhando suas temperaturas operacionais perto dos sistemas de aquecimento e água quente do edifício.
A mais recente (5ª) geração de redes de aquecimento urbano opera a temperaturas muito mais baixas e depende de grandes volumes de calor de baixo grau, com a rede principal transportando um fluxo de baixa temperatura para subestações ativas e distribuídas que atualizam a temperatura para o nível necessário usando tecnologias de bomba de calor.
Esses sistemas são mais capazes de aproveitar o calor que está sendo rejeitado do data center, bem como o armazenamento térmico abaixo do solo e a geração de energia térmica renovável. O resultado final é uma rede que tem uma pegada de emissão de carbono significativamente menor para o sistema como um todo, que é capaz de fornecer calor confiável, de custo baixo/estável para os consumidores.
Há, portanto, uma sinergia evidente entre as grandes quantidades de calor residual de baixa qualidade que estão sendo rejeitadas dos data centers e os novos sistemas de aquecimento urbano de baixa temperatura que estão sendo cada vez mais instalados em áreas urbanas e locais industriais.
Uma sinergia palpável emerge entre as quantidades abundantes de calor residual de menor grau expelido dos data centers e a crescente prevalência de sistemas de aquecimento urbano de baixa temperatura em locais urbanos e industriais.
Além disso, os consumidores diretos próximos podem se beneficiar do calor residual gerado pelos data centers. Edifícios com altas demandas de energia consistentes se alinham bem com o perfil constante de calor residual de data centers típicos ao longo do ano.
As considerações climáticas influenciam fortemente a demanda de energia para aquecimento de ambientes, enquanto instalações como cozinhas, piscinas e estufas com demandas sustentadas de calor podem aproveitar o calor residual disponível. Indústrias que exigem calor substancial, muitas vezes operando continuamente, também são as principais candidatas a utilizar esse calor excedente, potencialmente armazenando-o quando viável.
Como recuperar o calor residual?
Supondo que a carga de TI permaneça constante durante todo o ano, as flutuações no uso de energia ao longo das estações, refletindo a diferença entre PUE (Eficiência de Uso de Energia) máximo e mínimo, decorrerão principalmente de demandas de resfriamento variadas influenciadas por condições climáticas externas. Como resultado, o perfil de rejeição de calor previsto estabelecerá uma linha de base alta com flutuações relativamente pequenas, dependendo do sistema de resfriamento implementado.
A natureza do sistema de resfriamento dentro de um data center dita a extração potencial de calor residual. Para chillers refrigerados a água, o calor residual pode ser recuperado do circuito de água do condensador; para chillers refrigerados a ar, pode ser recuperado do circuito de água gelada; Ou, em sistemas de resfriamento de ar em massa, o calor residual pode ser acessado através de um trocador de calor integrado ao sistema de ventilação de exaustão.
Em meio à rápida evolução da IA e, em geral, à crescente demanda por Computação de Alto Desempenho, surge uma nova fronteira na recuperação de calor residual. À medida que racks de servidor refrigerados a líquido ou sistemas de resfriamento de imersão fazem sua incursão no mercado, eles trazem consigo um potencial de calor residual de grau mais alto.
Embora o hardware predominante para servidores HPC dependa do resfriamento a ar, o advento das tecnologias de resfriamento líquido significa uma mudança fundamental na expulsão eficiente de calor de CPUs e GPUs. Isso simplifica o fator de forma dos servidores, encurtando o caminho do fluxo de ar, facilitando configurações de TI mais densas, atendendo às demandas de computação cada vez maiores.
Em um desenvolvimento notável no início de 2023, a Nvidia lançou versões diretas para chip (D2C) refrigeradas a líquido de suas renomadas GPUs, visando especificamente o crescente mercado de IA. Além disso, o resfriamento por imersão está gradualmente chegando a cenários selecionados. Este aumento nas tecnologias de refrigeração líquida anuncia a adoção há muito esperada para acomodar densidades de rack que variam de 25kW até 150kW por gabinete.
Com base nisso, a temperatura do calor residual recuperável no circuito de água de retorno varia de 40 a 60°C. Essa faixa de temperatura não apenas aumenta a eficiência dos sistemas de bomba de calor, mas também amplia o escopo para atender a uma base maior de consumidores em comparação com cenários de calor residual de grau inferior.
Não é uma utopia
Já existem iniciativas de recuperação de calor residual. Um exemplo notável envolve o data center da Equinix, programado para se conectar com a rede de aquecimento Plaine Commune Energie, uma subsidiária 100% da Engie Solutions. Esta colaboração visa infundir a rede de aquecimento com um cabaz energético mais verde, visando um mínimo de 75% de energia renovável e recuperada.
A Plaine Commune Energie é a segunda maior rede de aquecimento dentro da área de Paris, estendendo-se por uma extensão de 70 quilômetros. Atendendo a cinco cidades metropolitanas, incluindo Saint-Denis, esta rede atende aproximadamente 60.500 famílias e estende seu alcance ao novo centro aquático olímpico em Saint-Denis.
O plano de recuperação de calor residual proposto envolve a captura de calor a 28°C, aproveitando 6,6 MW gerados a partir do processo de resfriamento do data center por meio da utilização de bombas de calor. Espera-se que esta iniciativa produza mais 10.800 MWh de calor, garantindo uma produção sustentada durante uma duração mínima de 15 anos. Tais colaborações exemplificam esforços concertados para canalizar calor residual em soluções de energia sustentável, prometendo benefícios duradouros para as comunidades e infraestruturas locais.
Um projeto eficiente de recuperação de calor residual precisa de experiência em redes de aquecimento e resfriamento urbano
Com um extenso histórico em todo o mundo, a Engie se destaca como uma autoridade experiente no campo do financiamento, projeto e operação de sistemas de aquecimento e resfriamento urbanos. Em parceria com a RED Engineering Design para obter experiência em instalações críticas, a Engie e a RED Engineering Design emergem como o parceiro ideal para aproveitar e distribuir calor residual de forma eficiente para os consumidores locais, aproveitando anos de experiência.
De fato, a Engie já realizou diversos projetos de recuperação de calor residual em diversas indústrias, desde a fabricação de pneus até o processamento de alimentos.
Embora a exportação de calor residual opere como um projeto distinto, ela corre em paralelo com o desenvolvimento do data center. A Engie e a RED Engineering Design desenvolveram meticulosamente ferramentas internas, fortalecendo sua experiência e agilizando o desenvolvimento de projetos.
A identificação de potenciais consumidores de calor antes de planear o regime de exportação de calor residual é fundamental, uma vez que o seu envolvimento irá apoiar exclusivamente o rendimento e a rentabilidade do sistema. Isso requer um exercício abrangente de mapeamento de calor, utilizando essas ferramentas internas para identificar bairros e zonas industriais onde a distribuição de calor promete resultados benéficos e economicamente viáveis, utilizando perfis de demanda de aquecimento ao longo do ano.
As ferramentas de modelagem da Engie fornecerão perfis projetados diariamente para cada consumidor de calor identificado ao longo do ano. Ao agregar esses perfis para cada consumidor na rede, eles são calibrados em relação ao perfil de rejeição de calor do data center para otimizar a coleta de energia. Simultaneamente, a RED Engineering Design se envolve na modelagem do perfil de exportação de calor do data center.
Antes de comprometer qualquer investimento, a Engie realiza uma modelagem técnico-econômica meticulosa para definir os riscos e benefícios do esquema de recuperação de calor residual. Esses empreendimentos podem exigir investimentos substanciais, considerando as despesas incorridas em instalações de rede abaixo do solo, construção de novos centros de energia para exportação simplificada de calor residual e modificações nos sistemas de data center e nos pontos de decolagem de calor do consumidor.
Essencialmente, essa modelagem avalia a distância entre os data centers e os consumidores, calculando o tamanho da rede de aquecimento e, portanto, o custo de capital geral, o que, por sua vez, pode afetar a localização do data center em termos de mitigação dos custos gerais.
A realização de todos esses processos permite que eles construam parcerias de longo prazo com as principais partes interessadas, como autoridades locais e clientes industriais. Essas colaborações, com interfaces técnicas e contratuais bem definidas, mitigam efetivamente os riscos operacionais e financeiros para os operadores de data center.
Conclusão
Na busca de pegadas de carbono líquidas zero, os esquemas de recuperação de calor residual dos data centers emergem como um pilar nas estratégias de sustentabilidade da comunidade. A Engie e a RED Engineering Design estão na vanguarda para ajudar os operadores de data centers a alavancar esse recurso energético inexplorado por meio de suporte abrangente que abrange financiamento, projeto, instalação e operação dos equipamentos de energia envolvidos.
À medida que a paisagem testemunha um crescente influxo de data centers de Computação de Alto Desempenho, marcado pela adoção de sistemas de resfriamento cada vez mais eficientes, o consequente aumento das temperaturas de saída intensifica a relevância da recuperação do calor residual. A evolução das redes de aquecimento urbano, projetadas para funcionar eficientemente em limiares de temperatura mais baixos, anuncia uma conjuntura crucial entre esses ativos.
