El suministro de energía confiable sigue siendo uno de los mayores desafíos de ingeniería que enfrentamos, y las soluciones a este desafío han impulsado avances en el rendimiento y la capacidad de la computación.
Esto se aplica tanto al teléfono que lleva en el bolsillo como a los servicios en la nube que utiliza actualmente. Los servicios en la nube se entregan desde los centros de datos, donde ha habido mejoras continuas en la entrega de energía constante, confiable e ininterrumpida a franjas de dispositivos informáticos alojados estrechamente en un edificio.
Todo esto es una respuesta directa a nuestra necesidad como sociedad de más y más servicios informáticos y digitales.
Cada ola tecnológica tiene un impacto directo en la demanda de capacidad que ven los centros de datos. Los últimos números del Uptime Institute muestran que el consumo de energía promedio por chip se ha disparado considerablemente en los últimos cinco años, pasando de 300 W a 800 W a plena carga.
Esto se debe principalmente a la tecnología con la que ya estamos familiarizados: computación en la nube, 5G, Internet de las cosas, etc. Estas cifras apenas tienen en cuenta el creciente maremoto de demanda que la IA generativa ya está introduciendo en la industria.
Los centros de datos tienen un problema de energía ahora y tendrán un problema de energía dentro de 20 años. Su proliferación significa que tienen que participar en prácticamente cualquier red eléctrica más amplia.
Pero una nueva forma de ver la infraestructura de energía, llamada microrredes, pinta la imagen de convertirlos en prosumidores éticos en lugar de simples edificios hambrientos de energía.
Redes y suministro de energía
Para comprender qué son las microrredes, primero debemos comprender qué se entiende por red. La red eléctrica es esencialmente la red que se requiere para llevar la energía de los productores a los consumidores. En esto, hay cuatro etapas; Generación, Transmisión, Distribución y Consumo.
La etapa de Generación está representada por el productor, que puede ser cualquier cosa, desde una planta de energía nuclear hasta una turbina eólica o una granja solar.
La etapa de transmisión es donde se necesita enviar la electricidad a largas distancias y para ello se eleva considerablemente su voltaje para minimizar las pérdidas.
La etapa de distribución es donde la electricidad se reduce a niveles apropiados para su uso en el hogar, la oficina o la empresa, donde se consume.
Una cuadrícula abarca todas estas etapas, su hardware y funciones relevantes.
Una microrred, por otro lado, ubica todos estos activos muy cerca, en un solo sitio. Dentro de ese sitio, hay una fuente de energía local, como una granja solar o una turbina eólica, junto con distribución local y consumo local. La microrred está conectada a la red principal pero, debido a su estrecha integración, también puede operar de forma independiente.
Dependiendo de las condiciones económicas o la disponibilidad de energía, una microrred puede operar completamente en la red, utilizando una combinación de sus propios recursos y la red más amplia, o desconectarse de la red y operar completamente por sí misma.
Si la fuente de energía local genera más energía de la que se necesita localmente, la microrred puede incluso devolver la capacidad generada excedente a la red más grande, o como a veces se le llama, la macrorred.
En la actualidad, todas las instalaciones de centros de datos tienen algún tipo de generación de energía de respaldo en el sitio. Para la mayoría, es un generador diesel con un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) que se dimensiona para la carga de la instalación.
¿Podría esto considerarse una microrred? Después de todo, tiene todos los elementos de una red presentes muy cerca, con energía generada en el sitio. No se considera una microrred porque no está diseñada para funcionar todo el tiempo: el diésel solo funciona en caso de emergencia.
Pero, ¿qué pasa con los enfoques más novedosos de generación de energía en el sitio? Aquí es donde entra en juego la tecnología de microrredes.
Armonizando la red
Antes de profundizar en las microrredes, debemos comprender cómo y por qué una red debe "armonizarse" para permitir un intercambio de electricidad fluido, rápido y eficiente entre diferentes regiones, o incluso entre diferentes países. La armonización de la red requiere varios mecanismos diferentes.
Los más importantes representan la sincronización: garantizar que el sistema funcione a la misma frecuencia en todas sus partes constituyentes; esto puede ser de 50 Hz o 60 Hz, según la región. Otro mecanismo importante es el equilibrio de voltaje y fase: cada parte de la red debe coincidir en términos de voltaje y fases.
Hay otros aspectos detrás de la armonización de la red, como los controladores y la infraestructura de conmutación, pero estos son los más importantes: si un componente está desalineado en voltaje, fase o frecuencia, la transferencia de energía eléctrica es difícil o imposible.
Las fuentes de energía renovable son deseables porque proporcionan energía sin generar emisiones. Sin embargo, la mayoría de las fuentes renovables presentan un desafío al intentar usarlas para una aplicación que requiere energía continua y confiable, y esa es su intermitencia.
El viento puede soplar a alta velocidad un día, a baja velocidad al día siguiente; el sol brilla con intensidad variada cada día, y nada durante la noche. Incluso la energía hidroeléctrica, para la mayoría de los propósitos la fuente renovable más estable, variará a medida que el flujo y reflujo del agua generen diferentes presiones en el depósito.
Debido a esta intermitencia, es difícil que las fuentes de energía renovable se conecten directamente a la red más amplia, simplemente porque la desarmonizarían.
Los campus, centros de negocios u otros sitios pueden instalar fuentes renovables como parte de un impulso hacia la red cero. Terminan con una combinación de fuentes incontrolables de generación de energía, como la solar, junto con fuentes más controlables como celdas de combustible o cogeneración como CCHP (Combined Cooling Heat and Power), que se puede encender a voluntad.
Estas fuentes de energía eléctrica deben combinarse y sincronizarse para conectarse a la macrorred.
Microrredes
De ahí surge la necesidad de las microrredes. Como se indicó anteriormente, una microrred es esencialmente una versión mini de la red eléctrica principal con todos sus componentes ubicados muy cerca.
Las microrredes son redes eléctricas diseñadas para permanecer en funcionamiento en todo momento y pueden trabajar de forma proactiva. Como se ve en el diagrama, la pieza central de tecnología dentro de una microrred está representada por el controlador de microrred y puede ser una pieza de hardware o software.
Este controlador armoniza todas las cargas eléctricas dentro de la microrred y las armoniza aún más con la macrorred si es necesario. El controlador también es el mecanismo a través del cual la energía de la red pública se transfiere a la microrred en caso de una interrupción, o para que la energía de la microrred se active en una interrupción de la red pública.
En las microrredes, la operación en isla u operación independiente de la red principal es una operación casi instantánea que garantiza una transición perfecta de la energía de la macrorred a la generación de la microrred. Esto va un nivel más allá del generador de respaldo tradicional que se encuentra en un sitio de centro de datos. Si bien el generador de respaldo puede tomar el relevo y mantener el sitio activo por un tiempo, la microrred puede operar indefinidamente en este "modo isla". El cambio de regreso a la utilidad ocurre de la misma manera sin problemas una vez que finaliza la interrupción de la utilidad.
Otro factor clave de las microrredes es que operan en paralelo con la macrorred y esto puede permitir que el propietario/operador programe ciertas métricas en el controlador. Por ejemplo, si un centro de datos se encuentra en una microrred y el propietario desea cumplir con un precio promedio anual por kWh objetivo, la microrred puede cambiar el centro de datos a energía de servicios públicos o de microrred a voluntad, cuando las fluctuaciones de precios de la energía de servicios públicos impulsen el precio por kWh por encima de ese umbral.
Una vez que el aumento de los precios se haya calmado y los valores vuelvan a niveles manejables, el propietario/operador puede volver a la energía de la red pública.
Lo mismo se aplica a los objetivos de sostenibilidad en términos de combinación energética e intensidad de carbono. El controlador aprovechará los recursos de generación que mejor se adapten a estos objetivos. Si la combinación de energía de servicios públicos está impulsada principalmente por carbón y la microrred tiene, por ejemplo, un parque eólico en el sitio, el controlador sesgaría el uso de energía para tomar energía del parque eólico siempre que esté disponible, eligiendo la fuente para lograr los objetivos. .
De consumidor a prosumidor
El controlador de microrred también destaca la noción de centros de datos que actúan como prosumidores en lugar de solo como grandes consumidores. Con suficientes fuentes de generación, la capacidad excedente puede volver a venderse a la macrorred cuando sea económicamente factible.
Podría decirse que las microrredes pueden ofrecer un mayor nivel de confianza que los generadores de respaldo tradicionales que solo se encienden cuando es necesario.
Debido a que las microrredes están en funcionamiento constante, cualquier mal funcionamiento o defecto se identifica y repara rápidamente, mientras que la energía de la red pública está disponible para mantener el sitio en funcionamiento. Muchas interrupciones del centro de datos son causadas por defectos latentes en el generador clásico y la generación de respaldo de emergencia del sistema UPS, que solo se hacen evidentes cuando se encienden, precisamente en el punto en que son vitalmente necesarios.
Al igual que con la gestión de la infraestructura del centro de datos (DCIM) dentro del centro de datos, el controlador de microrred puede ofrecer una gran cantidad de beneficios a partir de la recopilación, el registro y el análisis de datos continuos. Dar un paso más y aplicar IA a estos conjuntos de datos puede conducir a una gestión más proactiva de toda la microrred.
Por ejemplo, extraer datos meteorológicos locales puede informar al controlador de microrred qué velocidades del viento ocurrirán durante las próximas 72 horas. Esto dará una estimación de la cantidad de energía que se generará durante este período de tiempo y permitirá que la instalación planifique cuándo y cuánta energía de la red pública usar. Esto mejorará el TCO de la instalación del centro de datos.
Un enfoque novedoso para la copia de seguridad
La tecnología de microrredes ahora es lo suficientemente madura como para ser adoptada por industrias más amplias y los propietarios/operadores de centros de datos deben considerar si dicha solución es adecuada para sus instalaciones.
Como ya sabemos, la mayor parte de las interrupciones del centro de datos se remontan a la pérdida de energía. Este riesgo es abordado tradicionalmente por generadores y sistemas UPS. Sin embargo, como se discutió anteriormente, los defectos latentes pueden y afectarán la confiabilidad y disponibilidad de la provisión de respaldo de la instalación.
Las microrredes van un paso más allá y actúan como una forma más confiable de evitar cortes de servicios públicos. No solo eso, también pueden brindar más beneficios, como herramientas adicionales de administración de energía, métodos de reducción de costos y ayuda para alcanzar los objetivos de sostenibilidad.