Em termos simples, um alimentador supercondutor de alta temperatura (HTS) é um cabo de média tensão construído com um condutor capaz de transportar uma corrente muito elevada, mas apenas se mantido suficientemente frio para permanecer em seu estado supercondutor. O condutor encontra-se no interior de um criostato — essencialmente um invólucro isolado e selado — e um sistema de refrigeração faz circular um fluido criogênico, frequentemente azoto líquido, para manter o cabo dentro de sua faixa de temperatura de operação.

É essa dinâmica que torna o HTS interessante e o distingue dos demais. Um alimentador de média tensão convencional é, em grande parte, passivo após a instalação. Um alimentador HTS não é. Seu comportamento elétrico depende de uma instalação térmica que deve funcionar continuamente, estar equipada com instrumentos de medição e responder corretamente quando algo ultrapassa os limites.

Para os leitores da área de data centers, o modelo mental mais simples é este: o HTS pode reduzir o número de alimentadores paralelos necessários para transportar um determinado volume de energia, mas o faz ao adicionar refrigeração, controles, alarmes e procedimentos de recuperação à cadeia elétrica. É por isso que o tema se enquadra tanto nas discussões sobre operações e FMEA quanto no estudo de ampacidade.

A Figura 1 ilustra bem essa ideia. O HTS não é um fio mágico. Trata-se de um sistema compacto de condutor e de isolamento, encapsulado em um invólucro criogênico.

Por que razão os centros de dados estão a prestar atenção

Os data centers reconsideram a HTS por uma razão prática: alguns projetos esgotaram as soluções civis mais simples. Os princípios físicos são conhecidos há décadas. Quando um campus precisa de mais de 50 a 100 MW, a resposta clássica é instalar mais cabos de média tensão em paralelo. Isso funciona até que o corredor fique cheio, a via não possa ser reaberta, a servidão seja fixa ou a janela de interrupção seja tão restrita que "basta adicionar mais um circuito" deixe de ser a opção de baixo risco.

É nesse contexto que a HTS começa a fazer sentido. Projetos de cabos patrocinados pelo DOE em Albany, Columbus e Long Island demonstraram que cabos de energia supercondutores podem operar em sistemas de rede elétrica em operação. No que diz respeito aos data centers, a questão em aberto já não é se a tecnologia consegue transportar energia. É se o modelo operacional se adequa a um campus de missão crítica que funciona 24 horas por dia, 7 dias por semana.

A Figura 2 mostra um campus de cdata center em construção. Em projetos dessa escala, os corredores subterrâneos de alimentação, a localização do pátio elétrico, os cruzamentos, a separação das redes de serviços públicos e a sequência das obras de engenharia civil determinam frequentemente o calendário muito antes da capacidade de corrente dos condutores.

O que muda em um alimentador de missão crítica

A expressão habitual para designar a supercondutividade — "resistência zero" — não é muito útil em uma revisão de projeto. O que importa em uma instalação é o envelope operacional. Desde que a margem de temperatura, o caudal do líquido de refrigeração e a corrente se mantenham dentro dos limites necessários, o alimentador comporta-se como um caminho de impedância muito baixa. Quando essas margens se esgotam, o problema passa rapidamente da física para as operações: detectar a condição, decidir se deve transferir ou reduzir a potência e desligar se a base de projeto indicar que o caminho já não é aceitável.

É também por isso que os elementos de maior risco raramente são os pontos de discussão mais simples. O condutor é importante, mas a confiabilidade no terreno tende a ser dominada pelas interfaces e pelos equipamentos auxiliares: terminações e juntas, o criostato e a integridade do seu vácuo, a instalação de refrigeração e as bombas, bem como os controles que determinam o que os operadores veem e quais ações de proteção são tomadas. Se um documento conceitual dedica todo o seu tempo à ampacidade dos cabos e muito pouco tempo à recuperabilidade, está abordando a parte mais fácil do problema.

A Figura 3 resume o alimentador HTS da forma como um proprietário ou agente de comissionamento provavelmente o analisaria: como um percurso elétrico ligado a uma instalação criogênica, à rejeição de calor, à instrumentação e à lógica de resposta.

O esquema de uma linha pode ainda parecer familiar — subestação de serviços públicos ou de campus, disjuntor, alimentador, quadro de distribuição de média tensão, transformadores — mas o percurso crítico mudou. Na prática, o HTS desloca parte da discussão sobre a disponibilidade da instalação passiva de cabos para o estado ativo do sistema. Os data centers já compreendem esse tipo de equilíbrio no que diz respeito às instalações de água refrigerada e aos equipamentos auxiliares dos geradores. O HTS insere-se nessa mesma categoria.

Como encarar a capacidade

Na tensão média (MV), a corrente transforma-se rapidamente em grandes blocos de potência. A 34,5 kV, cada 1 kA adicional de capacidade contínua do alimentador equivale a cerca de 60 MVA, ou cerca de 60 MW com fator de potência unitário. É por isso que os HTS continuam a surgir em estudos com restrições de espaço: aumentar os MW por alimentador pode reduzir o número de circuitos paralelos que têm de caber no mesmo percurso.

Mas a capacidade do cabo não é a mesma coisa que a capacidade útil do edifício. Em projetos reais, o estrangulamento surge frequentemente primeiro no barramento do quadro de distribuição, na corrente nominal contínua do disjuntor, na interface primária do transformador ou na área ocupada e facilidade de manutenção das terminações. Uma baixa impedância do alimentador também pode alterar o tempo de resposta em caso de falha e a coordenação dos relés. Assim, embora a HTS possa reduzir o número de cabos, não elimina a necessidade de múltiplas vias de manutenção.

Um edifício de 100 MW alimentado a 34,5 kV necessita de cerca de 1,67 kA de corrente de alimentação com fator de potência unitário. Esse valor explica por que os projetos convencionais de média tensão podem rapidamente transformar-se em múltiplos conjuntos de cabos paralelos. O HTS pode reduzir esse número de paralelos. O que não deve acontecer é a equipe de projeto ser levada a concentrar todo o edifício em um único caminho difícil de isolar ou manter.

Onde o caso de utilização é mais forte

O caso de utilização mais convincente a curto prazo é o da obra de reabilitação. As áreas industriais abandonadas e os locais urbanos são onde as condições subterrâneas, o controle de tráfego, as servidões e as janelas de interrupção transformam circuitos de média tensão adicionais num grande projeto, em vez de uma extensão de rotina. Nesses trabalhos, o valor da HTS é concreto: mais MW fornecidos sem ter de voltar a abrir o local.

Mesmo assim, as questões de engenharia civil e de exequibilidade da construção continuam prioritárias. O raio de curvatura, o diâmetro exterior do crióstato, a geometria de tração, as câmaras de emenda, a área de ocupação das terminações e a duração da transição podem inviabilizar um conceito antes mesmo de os cálculos elétricos o fazerem. É por isso que os estudos sobre HTS necessitam de uma análise de exequibilidade da construção numa fase inicial, e não apenas depois de o esquema unifilar já ter sido aprovado.

Os campus totalmente novos são um caso à parte. O conceito de HTS mais simples no papel é, normalmente, um tronco ou espinha dorsal que serve vários edifícios. O problema é que o desenho fica mais simples, ao mesmo tempo em que o domínio de falhas em modo comum aumenta. Um tronco de campus pode ser viável, mas apenas se a diversidade de percursos, a seccionalização, a estratégia de comutação e a redundância de refrigeração forem ponderadas com a mesma seriedade que a ampacidade dos cabos.

A Figura 4 apresenta uma forma de enquadrar essa discussão. Nem todos os campus devem ser construídos desta forma. O teste consiste em verificar se o conceito de tronco se sustenta como uma questão de resiliência, e não apenas como uma otimização do número de cabos.

As duas questões que determinam a viabilidade

Nas análises dos proprietários, a conversa torna-se normalmente muito prática muito rapidamente. Duas questões determinam se o HTS sobrevive a essa conversa.

Em primeiro lugar, o que acontece se houver perda de refrigeração no pico de carga? Nenhum projeto crítico para a missão deve partir do princípio de que o alimentador se transforma simplesmente em cobre e continua a suportar a mesma carga. A perda de refrigeração tem de desencadear uma resposta definida: alarme, transferência automática, redução da potência, desconexão de carga, desligamento ou alguma combinação dessas ações com base nos pressupostos de projeto. O comportamento de resfriamento repentino pode influenciar a corrente, mas não substitui uma filosofia de proteção.

Em segundo lugar, qual é o MTTR realista para a falha mais provável? Essa resposta depende de qual a falha a equipe considera mais provável: um problema com a bomba ou com os controles, uma avaria em um sensor, uma fuga criogênica, degradação do vácuo ou um problema de terminação. Depende também de saber se a seção avariada pode ser isolada sem perder todo o percurso, se há peças sobressalentes no local e em que medida a sequência de recuperação requer o envolvimento do fornecedor. É aqui que muitos conceitos entusiásticos se tornam mais moderados.

Essas duas questões também obrigam a equipe de projeto a definir o que é realmente crítico. Se for necessário manter o bom funcionamento do resfriamento para preservar a capacidade do alimentador, a instalação criogênica e os respectivos controles também se tornam cargas críticas. Isso afeta a redundância, o apoio de geradores, o encaminhamento de alarmes e a dotação de pessoal para as operações.

Proteção, segurança e colocação em serviço

A HTS não elimina o trabalho de proteção convencional; acrescenta. Como a impedância do alimentador é muito baixa, os níveis de falha e as margens de coordenação podem variar. Condições anormais de temperatura, pressão e caudal não devem figurar apenas na lista de alarmes do BMS. Em uma instalação de missão crítica, essas condições exigem interfaces definidas para ações de proteção e procedimentos operacionais.

A questão da segurança também não é negociável. Os sistemas criogênicos acarretam riscos de deficiência de oxigénio, requisitos de ventilação e alívio de pressão, perigos de queimadura por frio e requisitos de formação. A norma NFPA 55 regula os gases comprimidos e os fluidos criogênicos, e tanto as orientações da OSHA como as do DOE utilizam 19,5% de oxigênio como limiar para uma atmosfera com deficiência de oxigênio. Na prática, isso significa monitorização da ODH, percursos de alívio, procedimentos de emergência e atenção especial às terminações e penetrações onde a condensação ou o gelo podem tornar-se um problema operacional.

O comissionamento tem de refletir o fato do HTS ser um sistema combinado elétrico e criogênico. Os ensaios de aceitação elétrica continuam a ser importantes, mas o mesmo se aplica às verificações de fugas, ao resfriamento, à sequência de controle, à validação de alarmes e à demonstração de que o sistema atinge e mantém condições de funcionamento estáveis sob carga. Nada disso é invulgar. Tem simplesmente de ser incluído nos fundamentos do projeto e no plano de entrega.

Aspectos econômicos e adoção

A viabilidade econômica é maior quando a redução das obras civis é suficientemente significativa para fazer a diferença. Se o HTS puder eliminar vários novos conjuntos de condutas, obras rodoviárias ou conflitos de corredores, a proposta de valor pode ser real. Se o traçado for simples e os alimentadores convencionais se encaixarem perfeitamente, o HTS terá um obstáculo muito mais difícil de superar.

A comparação também precisa ser honesta. Um alimentador HTS não é um sistema sem perdas após a instalação. As perdas de corrente alternada no cabo, as perdas dielétricas, a fuga de calor para o criostato e a energia elétrica necessária à instalação de refrigeração devem todas ser incluídas no cálculo das perdas totais e do custo total de propriedade. O mesmo se aplica às peças sobressalentes, ao apoio técnico, à rejeição de calor, ao esforço de colocação em funcionamento e ao custo de recuperação em caso de eventos anormais.

Por essa razão, o HTS ainda se enquadra na categoria de projetos-piloto e de adoção precoce para data centers. As primeiras aplicações bem-sucedidas prováveis ocorrerão em percursos restritos, e não em campus totalmente novos. Uma adoção mais ampla só ocorrerá depois dos proprietários disporem de mais histórico de funcionamento, de normas e diretrizes de seguros mais claras e de modelos de serviço que pareçam adequados a uma instalação crítica que funcione 24 horas por dia, 7 dias por semana, em vez de um laboratório.