Los centros de datos son conocidos por ser grandes consumidores de energía eléctrica, ya que los procesos de enfriamiento necesarios para mantener las salas de TI a la temperatura adecuada representan con frecuencia más de un tercio de la demanda total de energía eléctrica de una instalación. Esto, por supuesto, no es barato.
La evaluación del uso de energía y eficiencia es, por lo tanto, crucial y se logra mediante la medición de métricas como la Eficiencia de Uso de Energía (PUE, por sus siglas en inglés), que se refiere a la relación entre la potencia total de la instalación y la potencia del equipo de TI. En los últimos 15 años, se ha observado que el PUE promedio de los centros de datos en todo el mundo ha disminuido de 2.5 a 1.6, y en algunas regiones, los nuevos centros de datos pueden alcanzar un PUE de 1.2.
Durante algún tiempo, el PUE ha sido considerado una métrica clave en la industria de los centros de datos y a menudo se utiliza para demostrar la sostenibilidad de una instalación. Sin embargo, a medida que se enfatiza cada vez más en instalaciones más sostenibles y las eficiencias energéticas se vuelven más difíciles de alcanzar, la Eficiencia de Uso del Agua (WUE, por sus siglas en inglés) -el "hermano menor" del PUE en cuanto a eficiencia del consumo de agua- se ha convertido en el nuevo tema destacado.
De hecho, la industria de los centros de datos, junto con las autoridades y el público en general, ha comenzado a darse cuenta de la cantidad de agua que muchas instalaciones están utilizando para evitar el sobrecalentamiento. Los sistemas de enfriamiento a menudo también implican el uso de agua que se evapora en torres de enfriamiento, dejando residuos de agua conocidos como efluentes que deben ser tratados por las empresas de saneamiento locales.
Además, a medida que la capacidad de cómputo sigue aumentando al mismo tiempo que el cambio climático agrava la escasez de agua, especialmente en regiones con poca disponibilidad de agua, la inmensa cantidad de este precioso recurso necesario para mantener un centro de datos refrigerado simplemente no es sostenible.
Esto plantea la siguiente pregunta: ¿es posible eliminar el agua de los procesos de enfriamiento del centro de datos? La respuesta corta es sí.
Reducción del uso de agua en el proceso de enfriamiento
Los equipos de TI convierten la energía eléctrica que los alimenta en energía térmica. Es por eso que los centros de datos, que básicamente son almacenes que contienen miles de máquinas, deben ser capaces de eliminar ese calor para mantener condiciones de operación aceptables.
Para lograr esto, existen varias soluciones, como aprovechar el calor para otros usos, utilizar tecnologías de enfriamiento intensivas en energía y/o utilizar agua para reducir la temperatura, especialmente mediante la evaporación.
En algunas regiones donde el clima lo permite, existen alternativas de bajo consumo de energía y agua, como el enfriamiento gratuito (free cooling). Sin embargo, incluso en estas ubicaciones, generalmente todavía se requiere el uso de agua para operar tecnologías intensivas en energía o agua en ciertas épocas del año, cuando las condiciones climáticas externas ya no pueden mantener las temperaturas de operación aceptables.
Al seleccionar la tecnología de enfriamiento más adecuada para una instalación específica, esto debe evaluarse caso por caso, teniendo en cuenta no solo la geografía, sino también la forma en que opera el negocio. En algunas instalaciones, por ejemplo, puede ser más eficiente en términos de consumo de agua utilizar agua local debido a una cadena de suministro más intensiva en agua.
Sin embargo, esto no tiene en cuenta la transición actual hacia la energía solar y eólica, lo que significa que la intensidad de agua en la producción de electricidad está disminuyendo gradualmente a un nivel históricamente bajo. Por lo tanto, a largo plazo, la industria de centros de datos ya no podrá justificar el consumo de agua en el lugar en términos de ahorro de agua en la planta de energía. En cambio, debemos mirar el panorama general, evaluando también el uso del agua en función del suministro regional y el riesgo de escasez local.
De hecho, ya estamos viendo un aumento en la densidad de los racks, y el problema es que los racks más densos requieren mayores tasas de flujo de aire. Esto significa que si seguimos utilizando las mismas tecnologías de enfriamiento obsoletas, la eficiencia energética será increíblemente baja.
Esta necesidad de adaptación ha impulsado el desarrollo de soluciones de enfriamiento líquido, ya sea a través del enfriamiento directo en el chip o mediante inmersión. Estas alternativas en constante evolución parecen estar llevando a la industria en la dirección correcta, permitiendo que los operadores reduzcan aún más el PUE al eliminar el uso de enfriamiento por compresores.
Recientemente, RED trabajó en un estudio de caso que identificó una reducción del 50% en la energía utilizada por los sistemas de HVAC. Al hacerlo, no solo el centro de datos en cuestión redujo drásticamente su consumo directo de agua, sino también su consumo indirecto (debido a la generación de energía) al aumentar la eficiencia.
La recuperación de agua de lluvia y la recuperación de efluentes
Si una instalación necesita utilizar procesos de enfriamiento basados en agua, otra forma de reducir el consumo de agua es permitir la recuperación del agua de lluvia, con el objetivo de reducir el uso de la principal fuente de agua y, por lo tanto, el desperdicio de recursos.
La recuperación de agua de lluvia implica la recolección y almacenamiento del agua de lluvia, generalmente proveniente de techos, e involucra procesos de filtración para eliminar sólidos, materiales orgánicos y sedimentos. Esto también incluye el tratamiento del agua para neutralizar nutrientes y bacterias para su uso en enfriamiento por evaporación y/o humidificación. El nivel de tratamiento necesario depende del área de captación de agua, del nivel de contaminantes, del tipo de enfriamiento utilizado, ya sea de flujo único o recirculante, y del período de almacenamiento antes de su uso.
También se puede implementar la recuperación de descargas (conocida como "bleed recovery"), que es un proceso mediante el cual el agua descargada de los sistemas de enfriamiento se recopila, trata y reutiliza dentro del mismo sistema. El agua se elimina de los sistemas de enfriamiento evaporativo en torres de enfriamiento para reducir la concentración de sales en el agua de enfriamiento. Si se permite que esta concentración aumente, puede provocar la formación de depósitos sólidos en las tuberías y equipos, lo que a su vez resulta en bloqueo del flujo, caída de presión y reducción en los coeficientes de transferencia de calor. La frecuencia de la descarga se controla según el flujo volumétrico del agua de reposición, la medición de sólidos totales disueltos (STD) o mediante el uso de un temporizador.
Es importante destacar que el agua eliminada probablemente contendrá una alta concentración de varias sales. Por lo tanto, se utiliza el factor de Ciclo de Concentración (CoC) para determinar cuánto tiempo puede permanecer el agua de enfriamiento en el sistema antes de ser eliminada: cuanto mayor sea el CoC, mayor será el tiempo de residencia del agua de enfriamiento. El exceso de descarga se puede evitar estableciendo este límite en función de la calidad del agua y del tratamiento químico utilizado.
Mediante el uso de unidades de ósmosis inversa, se puede lograr la recuperación del agua de descarga, aunque esto requiere altos niveles de consumo de energía. También se pueden utilizar técnicas de ultrafiltración (que consumen menos energía) y filtros de flujo lateral para mejorar la calidad del agua de recirculación, lo que a su vez mejora el rendimiento de la ósmosis inversa. Por lo tanto, el diseño del sistema de descarga deberá ser un compromiso entre el consumo de energía y de agua; hasta un 75% de recuperación está disponible si hay escasez de agua.
Trigeneración utilizando enfriadores de absorción
Cuando se trata de reducir el impacto ambiental de un centro de datos, la eficiencia energética y hídrica en general son temas clave que deben abordarse. La trigeneración en el lugar aborda estos dos desafíos y resulta ser mucho más eficiente que el diseño de la infraestructura energética tradicional.
Los sistemas de trigeneración tienen la capacidad de generar simultáneamente electricidad, calefacción y refrigeración a partir del proceso de combustión. Específicamente para los centros de datos, la trigeneración es fácilmente escalable y se beneficia de la capacidad de adaptarse al aumento de la carga de TI.
Engie y RED han desarrollado una verdadera experiencia en ingeniería, financiamiento y operación de sistemas de energía de este tipo en diversas industrias. En términos de la energía primaria suministrada a un centro de datos, esta puede ser generada in situ utilizando turbinas de gas o motores de gas capaces de funcionar con combustibles mixtos.
Por el momento, el gas natural sigue siendo el principal combustible, pero el hidrógeno y sus derivados, así como otros combustibles verdes como el biogás, ya representan una parte significativa de la mezcla de combustibles. En el futuro, los motores de gas y los generadores de turbina serán capaces de aceptar una proporción creciente de estos combustibles verdes, con el objetivo final de funcionar con un 100% de combustibles verdes a medida que se desarrollan las cadenas de suministro.
Estas máquinas producen energía térmica de alta calidad. El enfoque de la trigeneración recupera entonces este calor residual del proceso de combustión y lo transfiere a enfriadores de absorción, permitiendo que también satisfaga las necesidades de enfriamiento del centro de datos.
Este nuevo enfoque para la energía residual se ha demostrado ser mucho más eficiente que los proyectos tradicionales (energía primaria de la red eléctrica con generadores diésel adicionales in situ como respaldo), reduciendo drásticamente las pérdidas netas de energía.
Estudios recientes liderados por Engie y RED se enfocaron en un nuevo proyecto de centro de datos en Oriente Medio, donde el diseño de los activos de energía necesitaba superar las limitaciones impuestas por la red eléctrica nacional en términos de capacidad y confiabilidad, además de hacer frente a la escasez de agua. ¿El objetivo? Entregar el centro de datos más sostenible de la región.
Compuesto por turbinas de gas preparadas para hidrógeno y generadores de vapor de recuperación de calor para distribuir el calor residual de las turbinas de gas a los enfriadores de absorción que producen localmente el enfriamiento, el proyecto de energía innovador también cuenta con una granja solar que suministrará electricidad directamente al propio centro de datos y a un electrolito para producir hidrógeno verde, que se utilizará cada vez más como combustible principal para las turbinas.
De esta manera, la solución combinada de turbinas y enfriadores de absorción permite que un centro de datos logre un mejor PUE y un WUE cercano a cero, incluso en condiciones adversas del entorno local, al tiempo que la producción de energía y el enfriamiento se mantienen seguros, cumpliendo con los requisitos de Tier III Uptime.
