por John Roach
“Esto es todo, está funcionando a tres megavatios en este momento”, exclamó Mark Monroe, ingeniero principal de infraestructura del equipo de desarrollo avanzado de centros de datos de Microsoft.
Una ronda de aplausos y gritos de alegría de los ingenieros de Plug, que construyeron el sistema de celdas de combustible, atravesó el ruido blanco de los ventiladores sobre los contenedores de envío y las tuberías que expulsan el vapor. El momento fue el hito más reciente en la búsqueda de Microsoft para encontrar un reemplazo sin emisiones de carbono para los generadores diésel de respaldo que respaldan las operaciones continuas en caso de cortes de energía y otras interrupciones del servicio.
“Lo que acabamos de presenciar fue, para la industria de los centros de datos, un momento de alunizaje”, dijo Sean James, director de investigación de centros de datos de Microsoft. “Tenemos un generador que no produce emisiones. Es alucinante”.
Centros de datos son la infraestructura física detrás del velo de la computación en la nube. Son el lugar donde se almacenan los videos de gatos y las fotos de las vacaciones, donde los trabajadores remotos se reúnen para reuniones virtuales y los jugadores convergen para construir mundos, carreras de autos y eliminar enemigos. Permiten la transformación digital de empresas de todo el mundo, lo que les permite responder de forma rápida y segura a las necesidades de los clientes y gestionar la logística de la cadena de suministro.
En esencia, los centros de datos son almacenes intencionadamente anodinos repletos de decenas de miles de servidores informáticos y el equipo necesario para mantener los servidores en funcionamiento y disponibles las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto incluye máquinas que mantienen los servidores a temperatura ambiente, así como baterías y generadores que mantienen un suministro de energía ininterrumpido incluso durante cortes en la red eléctrica.
“Lo que hace que un centro de datos sea un centro de datos es que puede operar aunque la red no lo sea”, dijo James. “Cuando hay un apagón, los servidores permanecen activos. Esa es la diferencia entre un centro de datos y un almacén repleto de computadoras”.
Generador de última generación
Microsoft se esfuerza por proporcionar a los clientes del centro de datos "cinco nueves" de disponibilidad del servicio, lo que significa que el centro de datos está operativo el 99,999% del tiempo. Para hacer eso, los operadores de centros de datos dependen en parte de las baterías en lo que se llama el fuente de alimentación ininterrumpida, o UPS, para activarse en el momento en que ocurre un corte de energía y proporcionar energía a los servidores mientras se encienden los generadores de respaldo.
Para asegurarse de que los generadores estén listos en cualquier momento, Microsoft los prueba periódicamente y realiza lo que se denomina pruebas de carga para asegurarse de que la carga eléctrica de los servidores y otros equipos del centro de datos se pueda transferir de manera confiable a los generadores.
Si bien los generadores de respaldo se usan con poca frecuencia, son fundamentales cuando falla la red. Esto se debe a que mantienen la energía ininterrumpida en el centro de datos y, por lo tanto, el servicio a los clientes.
Cuando los generadores de respaldo funcionan, generalmente queman combustible fósil, aunque Microsoft ha sido pionera en alternativas de combustible sostenible. Microsoft se comprometió a eliminar el combustible diésel como parte del compromiso de la empresa de ser carbono negativo para 2030. Para alcanzar este objetivo, Microsoft está explorando alternativas a corto y largo plazo.
Por ejemplo, en noviembre de 2021, Microsoft lanzó su región de centros de datos sostenibles en Suecia que utiliza Evolution Diesel Plus del proveedor de combustible sueco Preem como combustible para generadores. Este diesel contiene al menos 50% de materia prima renovable y casi una reducción equivalente en las emisiones netas de dióxido de carbono en comparación con las mezclas estándar de diesel fósil.
A largo plazo, la tecnología de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, o PEM, podría ser una solución viable sin emisiones de carbono, según Lucas Joppa, director ambiental de Microsoft. Las celdas de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en una reacción química que genera electricidad, calor y agua, sin combustión, sin partículas y sin emisiones de carbono.
La prueba de celda de combustible PEM en Latham demostró la viabilidad de esta tecnología a tres megavatios, la primera vez a la escala de un generador de respaldo en un centro de datos. 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.
“Tres megavatios es muy interesante porque ese es el tamaño de los generadores diésel que usamos en este momento”, dijo Joppa.
'Construimos una visión'
Microsoft comenzó a explorar la tecnología de pilas de combustible en 2013 con el Centro Nacional de Investigación de Celdas de Combustible de la Universidad de California, Irvine, donde probaron la idea de alimentar racks de servidores informáticos con celdas de combustible de óxido sólido, o SOFC, que funcionan con gas natural. La tecnología se muestra prometedora para la energía de carga base, aunque actualmente es prohibitivamente costosa.
Microsoft recurrió a las celdas de combustible PEM como una posible solución al desafío del generador diesel de respaldo en 2018. Las celdas de combustible PEM se usan comúnmente en la industria automotriz porque, al igual que los motores diesel, se encienden y apagan rápidamente y pueden seguir una carga. y abajo. Esa capacidad de reacción rápida y seguimiento de carga es muy adecuada para la energía de respaldo en los centros de datos, señaló Monroe.
“Comenzamos a mirar las proyecciones de los costos y la disponibilidad de hidrógeno y comenzamos a creer realmente que esta podría ser una solución. Y, entonces, construimos una visión. Nos llevó de un estante a una fila a una habitación a un centro de datos”, dijo.
En 2018, Microsoft colaboró con ingenieros del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, para alimentar un rack de computadoras con un generador de celda de combustible PEM de 65 kilovatios. Luego, en 2020, el equipo contrató a Power Innovations en Salt Lake City, Utah, para construir y probar un sistema que podría alimentar 10 bastidores, una fila, de servidores de centros de datos para 48 horas consecutivas con un sistema de pila de combustible de hidrógeno de 2504 kilovatios.
Después de esa exitosa demostración de prueba de concepto, el equipo se dispuso a demostrar la viabilidad de un sistema de tres megavatios, que tiene el tamaño suficiente para reemplazar un generador diésel en un centro de datos.
El problema, señaló Monroe, era que nadie fabricaba sistemas de celdas de combustible PEM tan grandes: tres megavatios es más de 10 veces más grande que el sistema que la empresa probó en Utah. Tres megavatios es suficiente energía para alimentar unos 10.000 servidores informáticos o 600 hogares.
'Lo más genial'
El desafío de construir un sistema de pila de combustible de tres megavatios resonó entre los ingenieros de la empresa con sede en Latham Enchufar, pionera en el desarrollo comercial de tecnologías de pilas de combustible e hidrógeno verde. En la actualidad, la empresa ofrece soluciones en todo el ecosistema del hidrógeno verde, desde la producción y el transporte hasta el almacenamiento, la manipulación y la dispensación.
“Dibujarlo en la pizarra y decir: 'Está bien, sabemos que podemos hacer esto, sabemos que podemos hacer esto', fue muy divertido”, dijo Scott Spink, director de ingeniería de Plug. “El verdadero desafío para este proyecto fue que no pudimos confiar en una tecnología probada. Cada pieza de ese sistema de pila de combustible provino de un equipo que estaba al frente de lo que estaban haciendo”.
Las celdas de combustible de 125 kilovatios, 18 de las cuales están empaquetadas en cada contenedor de envío, son las más grandes que la compañía haya fabricado, y el sistema de celdas de combustible de tres megavatios es la mayor aplicación de Plug. Debido a que el sistema es más grande que cualquier cosa construida antes, también lo son todos los componentes, desde compresores e intercambiadores de calor hasta inversores a escala de red y las tuberías para el suministro de hidrógeno.
El sistema se ensambló por partes en una plataforma de concreto adyacente a un estacionamiento detrás de la sede de la compañía para investigación, desarrollo y fabricación de su línea ProGen de celdas de combustible. Los cables y tubos expuestos van de un lado a otro y el sombrero de los ventiladores del radiador sobresale de los contenedores, lo que le da al sistema la apariencia de un prototipo de primera iteración.
Los ingenieros que Spink reunió para construir el sistema no se inmutaron por la apariencia variopinta.
“Esto es lo mejor que he hecho”, dijo Hannah Baldwin, ingeniera eléctrica de nueva generación para el grupo estacionario de alta potencia de Plug, que fue contratada para trabajar en el proyecto. “No sé cómo voy a superar esto en mi carrera. Hay tantas piezas del rompecabezas que tienen que encajar. Y verlos a todos unirse y trabajar bien y de manera estable es gratificante”.
Energía de respaldo
Después de que el generador de pila de combustible alcanzara el hito de los tres megavatios, James, de Microsoft, inició las pruebas para demostrar que podía funcionar en condiciones reales.
"He hecho dos preguntas", dijo. “Mi primera ha sido respondida: ¿Puede esta tecnología integrada producir la energía que necesito? Mi segunda pregunta es ¿puede funcionar como un diesel? Un motor diesel puede producir mucha potencia muy rápidamente. Esa es la clave. Entonces, vamos a comenzar a simular un ciclo de trabajo del centro de datos y uno de ellos es un corte de energía”.
Cuando se produce un corte de energía, las baterías del SAI pueden mantener el centro de datos en funcionamiento durante varios minutos, lo que es más que suficiente para poner en marcha un generador diésel o de hidrógeno. Una vez activados, los generadores de respaldo, en teoría, pueden mantener el centro de datos funcionando indefinidamente, siempre que tengan suministro de combustible.
A partir de ese día de junio en Latham y durante las próximas semanas, el equipo de Spink ejecutó el sistema de celda de combustible de hidrógeno de tres megavatios a través de las pruebas que usa Microsoft para calificar los generadores diésel para demostrar que podía funcionar de manera confiable, incluidos cortes de energía simulados y carreras de horas.
“Simplemente me hacen cosquillas”, dijo Monroe. “Esta es una continuación del viaje que comenzamos en 2018. Y en 2020, cuando anunciamos el trabajo que estábamos haciendo en las pruebas más pequeñas, aludimos al hecho de que íbamos a realizar una prueba de tres megavatios en algún momento de el futuro. El futuro es ahora."
Con la prueba del prototipo completa y el concepto probado, Plug se enfoca
en el despliegue de una versión comercial optimizada de estacionario de alta potencia
sistemas de pilas de combustible que ocupan menos espacio y son más aerodinámicos
y estética pulida que la que está en la plataforma adyacente al estacionamiento
mucho en Latham.
Microsoft instalará uno de estos sistemas de celdas de combustible de segunda generación en un centro de datos de investigación donde los ingenieros aprenderán cómo trabajar e implementar la nueva tecnología, incluido el desarrollo de protocolos de seguridad de hidrógeno. Se desconoce la fecha de la primera implementación en un centro de datos en vivo, aunque es probable que ocurra en un nuevo centro de datos en un lugar donde los estándares de calidad del aire prohíben los generadores diésel, señaló James.
“Me daré la vuelta cuando la emoción se apague y comenzaré a preguntar: 'Está bien, hicimos uno, ¿dónde puedo conseguir 1,000?'”, dijo. “Tenemos el compromiso de estar completamente libres de diesel, y esa cadena de suministro debe ser sólida; tenemos que hablar sobre la escala en toda la industria del hidrógeno”.
Economía del hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Durante mucho tiempo ha sido observado en la Tierra por su potencial de energía limpia. Un desafío es que, si bien las estrellas como el sol se componen principalmente de hidrógeno, en la Tierra el hidrógeno solo se presenta de forma natural en forma compuesta con otros elementos: piense en agua o hidrocarburos como el gas natural y el petróleo.
El alto costo y la tecnología necesarios para separar el hidrógeno de estos compuestos naturales, almacenarlo, transportarlo y extraer energía de él a escala han limitado su uso. Durante la última década, ese cálculo ha comenzado a cambiar, según Darin Painter, vicepresidente de ventas y gestión de productos para energía estacionaria en Plug.
El cambio está impulsado por los avances en el ecosistema del hidrógeno junto con un creciente interés y compromiso con la sostenibilidad, dijo.
Por ejemplo, la abundante y económica energía eólica y solar está permitiendo la generación rentable del llamado hidrógeno verde con máquinas llamadas electrolizadores. Estas máquinas funcionan como una celda de combustible a la inversa: usan energía para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Si la energía utilizada para hacer funcionar el electrolizador proviene de fuentes renovables, entonces el hidrógeno producido se considera verde.
El hidrógeno utilizado durante la prueba de Latham fue un hidrógeno “azul” bajo en carbono obtenido como subproducto en la producción industrial de cloro e hidróxido de sodio. Plug está en proceso de aumentar la producción de hidrógeno verde en las instalaciones de los EE. UU. y Europa para satisfacer la creciente demanda, dijo Painter. Microsoft planea usar solo hidrógeno verde en los centros de datos de producción.
En el otro extremo del ecosistema del hidrógeno, los avances tecnológicos han llevado a pilas de celdas de combustible más densas y eficientes que combinan hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, calor y agua.
“Todo eso tiene que suceder antes de que pueda llegar a una solución viable a escala”, dijo Painter. “Si hubiéramos intentado construir este sistema de tres megavatios hace 10 o 15 años, no creo que hubiéramos podido”.
Monroe y sus colegas vieron este cambio en el cálculo cuando calcularon los números al comienzo de su proyecto de celdas de combustible de hidrógeno en 2018. Monroe dijo que, por vatio, la energía producida a partir de celdas de combustible de hidrógeno está en camino de convertirse en competitivo con la energía de otras fuentes, como los generadores diesel.
Para acelerar los avances en soluciones de energía limpia, el Departamento de Energía de EE. UU. anunció el primer Energy Earthshot – Disparo de hidrógeno: en junio de 2021, con el objetivo de reducir el costo del hidrógeno limpio en 80% a US$1 por 1 kilogramo dentro de 1 década. Un kilogramo de hidrógeno tiene aproximadamente el mismo contenido de energía que un galón de gasolina, anotó Monroe.
Lo que se necesita, agregó, es un catalizador para aumentar la producción de hidrógeno verde y celdas de combustible, lo que reducirá los costos y aumentará la adopción de la tecnología.
Microsoft y otros actores de la industria de los centros de datos están en una posición única para ser ese catalizador, según Joppa, quien además de su papel como director ambiental es el representante de Microsoft en el Consejo de Hidrógeno, una iniciativa global de empresas líderes en energía, transporte e industria que se formó para promover el papel del hidrógeno en la transición hacia la energía limpia.
Las necesidades comerciales y de sustentabilidad de Microsoft para las celdas de combustible y el hidrógeno verde envían una señal de demanda al mercado, señaló Joppa. Además, si Microsoft invierte en tecnología de hidrógeno y la tecnología funciona, otras empresas también se sentirán más seguras de invertir en hidrógeno, agregó.
“Entonces, si nos sentimos confiados en usarlos para garantizar la continuidad de nuestros servicios de centro de datos, eso es una gran medida de fe”, dijo Joppa.
Soluciones a escala de ciudad
Una economía robusta de hidrógeno verde también podría ayudar a las ciudades a hacer la transición a la energía renovable 100%, señaló James. Esto se debe a que el exceso de energía producido por los parques eólicos y solares se puede utilizar para hacer funcionar electrolizadores, almacenando de hecho este exceso de energía en hidrógeno. Luego, cuando el sol no brilla y el viento no sopla, este hidrógeno verde puede alimentar las celdas de combustible sin generar emisiones de carbono.
“Queremos alimentar nuestra nube del sol: energía limpia y gratuita”, dijo. “Bueno, prácticamente, ¿cómo haces eso? Tienes que ser realmente bueno almacenando energía, y el hidrógeno es una excelente manera de hacerlo”.
James prevé un futuro en el que los centros de datos estén equipados con celdas de combustible de hidrógeno, tanques de almacenamiento de hidrógeno y electrolizadores para convertir las moléculas de agua en hidrógeno con el exceso de energía renovable. Durante los períodos de alta demanda de energía o cuando el sol deja de brillar y el viento deja de soplar, Microsoft puede acelerar las celdas de combustible, sacando la carga del centro de datos de la red, liberando energía de la red para que la usen otros.
Los desafíos de hacer realidad una versión de esta visión es lo que obliga a la ingeniera eléctrica Baldwin de próxima generación a seguir una carrera en la economía del hidrógeno, una carrera, admite, que no era lo más importante antes de trabajar en el combustible. proyecto celular.
“Estoy entusiasmada con la idea de trabajar en algo que pueda marcar una diferencia en el mundo, y el hidrógeno tiene mucho potencial para cambiar las reglas del juego”, dijo. “Cuando mucha gente piensa en energía renovable, piensa en turbinas eólicas y paneles solares, y no necesariamente en hidrógeno. Sé que no lo hice. Creo que eso definitivamente cambiará”.
Spanish 
English 
Chinese 
French 
German 
Japanese 
Korean