Reutilización de la energía térmica del centro de datos: refrigeración por agua caliente

En esta serie estamos explorando las diferentes formas en que los operadores de centros de datos intentan ser ciudadanos globales responsables, al tiempo que aseguran el retorno de los activos a largo plazo, reduciendo su huella de carbono mediante la captura y reutilización de la energía térmica producida por sus equipos de TIC. He tomado como inicio de la conversación un artículo de octubre de 2011 MIT Technology Review artículo de Neil Savage, "Efecto invernadero: Five Ideas for Re-using Data Centers' Waste Heat". Los cinco ejemplos que cita en este artículo representan en realidad cinco estrategias generales y, por lo tanto, me parecen un punto de partida útil para explorar la evolución en los nueve años siguientes. Las ideas eran:

El centro de datos de la Universidad de Notre Dame calienta un invernadero.

Un centro de datos de la Universidad de Syracuse producía su propia electricidad y utilizaba el exceso de agua fría para climatizar un edificio de oficinas adyacente en verano y el exceso de agua caliente para calentarlo durante el invierno

Un centro de datos de investigación de IBM en Zúrich utilizó la refrigeración líquida con agua caliente y utilizó el agua de "retorno" más caliente para calentar un laboratorio adyacente.

El Laboratorio Nacional de Oak Ridge desarrolló un mecanismo que se acoplaba a un microprocesador y producía electricidad.

Un centro de datos de Telecity en París proporcionó calor para experimentos de investigación sobre los efectos del cambio climático. 

En la primera parte, examinamos las variaciones del uso que la Universidad de Notre Dame hace del aire caliente residual del centro de datos para mantener un invernadero adyacente durante los inviernos del norte de Indiana. Aunque cubrimos varios casos diferentes de reutilización de aire caliente, en general la baja energía del aire de 80-95˚F y el requisito de que la aplicación sea esencialmente adyacente al centro de datos presentaron obstáculos razonables para un retorno de la inversión atractivo. Al revisar el uso de aire residual de 80 ºF de una sala de SAI para reducir el objetivo de 100 ºF de los calentadores de bloque del generador, determinamos que se podía argumentar que unas prácticas eficaces de gestión del flujo de aire que permitieran a un centro de datos funcionar más cerca del límite superior recomendado por la ASHRAE darían como resultado un aire residual que podría eliminar por completo la necesidad de calentadores de bloque del generador. Este ejemplo aborda tanto el grado de energía como los obstáculos de adyacencia. Por otra parte, hemos comprobado que los usos más eficaces de la energía térmica del aire de retorno de los centros de datos se dan en las redes de calefacción local del norte de Europa y hemos descubierto que más de 10% de la energía de calefacción de Suecia procede de los centros de datos. De hecho, los distritos de calefacción local representan, de una forma u otra, un modelo útil para la reutilización eficaz de la energía de los centros de datos, como veremos en las discusiones posteriores.

Acuñé el término "aprovechar el bucle" para la segunda categoría de reutilización de la energía de los centros de datos, en la que el lado de suministro del bucle de agua refrigerada podría aprovecharse para la refrigeración auxiliar y el lado de retorno podría aprovecharse para la calefacción o la refrigeración. En el ejemplo de la Universidad de Siracusa del artículo de Savage, la principal fuente de energía para la reutilización era el escape de la turbina, que estaba lo suficientemente caliente como para accionar enfriadores de absorción para proporcionar aire acondicionado al edificio, que se aprovechaba para enfriar el centro de datos, o lo suficientemente caliente como para pasar por un intercambiador de calor para calentar el edificio durante el invierno. El proyecto Westin-Amazon de Seattle es una estrella actual del "aprovechamiento del bucle", que ha requerido una ingeniería más sencilla, pero mucha más creatividad en la gestión general del proyecto, que ha exigido la colaboración de varios organismos gubernamentales, empresas de servicios públicos y corporaciones que persiguen un interés mutuo. Esencialmente, los edificios de oficinas de Amazon representan el equivalente a un distrito de calefacción local "cliente" para Clise Properties (el propietario del hotel Westin Carrier), y Clise Properties y McKinstry Engineering formaron una entidad registrada como empresa de servicios públicos autorizada. Amazon evitará unos 80 millones de kW hora de coste de energía de calefacción y Clise Properties evitará los gastos de funcionamiento de las torres de evaporación y los gastos de las pérdidas de agua resultantes. Si bien el modelo Westin-Amazon representa para mí el modelo perfecto para un proyecto eficaz de reutilización de energía en un centro de datos, una revisión de un proyecto similar cancelado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts reveló las complejidades de tratar de arrear todos los gatos para tal esfuerzo, que veremos de nuevo en esta tercera parte de la serie.

La tercera categoría de reutilización de la energía térmica del centro de datos de MIT Technology Review es la refrigeración por agua caliente, que puede beneficiar a cualquiera de las dos primeras categorías, pero es especialmente beneficiosa con la refrigeración líquida del centro de datos (que por fin está ganando cierta tracción significativa en nuestra industria). Como se ha mencionado anteriormente, si el aire residual del centro de datos se utiliza para facilitar el arranque de los generadores, elevar el aire de suministro de 65˚F o 70˚F a 78-80˚F producirá una temperatura de aire de retorno lo suficientemente alta como para eliminar los calentadores de bloque. Además, en el proyecto Westin-Amazon, una buena ejecución de la contención del flujo de aire del centro de datos podría permitir que el suministro de agua del centro de datos al intercambiador de calor de la empresa de servicios públicos se incrementara lo suficiente como para reducir la elevación de la planta de recuperación de calor en 28%. En ninguno de estos casos estamos hablando de refrigeración con agua caliente o templada, pero incluso moviendo la aguja estos pequeños pasos pueden producir beneficios significativos. Cuando empezamos a trabajar con agua caliente, obtenemos energía calorífica residual de mayor grado y el agua es más fácil de mover que el aire.

El centro de datos de prueba de IBM en el Laboratorio de Investigación de Zúrich aprovechó las innovaciones de la refrigeración líquida por contacto directo, que consiste en bombear agua caliente a través de microcanales de cobre fijados a los chips de los ordenadores. Comprobaron que el suministro de agua a 140˚F mantenía la temperatura de los chips en torno a los 176˚F, sin peligro de caer por debajo del máximo recomendado de 185˚F. Esta refrigeración por agua caliente daba lugar a una temperatura de "retorno" posterior al proceso de 149˚F, que era un grado adecuado de energía térmica tanto para la calefacción como para la refrigeración del edificio a través de una enfriadora de absorción, sin necesidad de un refuerzo de las bombas de calor. Además de proporcionar calor a un laboratorio adyacente, la enfriadora de absorción proporcionó 49kW de capacidad de refrigeración a unos 70˚F. En la figura 1 se muestra un resumen simplificado de este enfoque.

Figura 1: Flujo simplificado de la reutilización de la energía de refrigeración líquida del centro de datos

Más o menos al mismo tiempo que la prueba de concepto de refrigeración líquida con agua caliente de IBM se llevaba a cabo en Suiza, eBay experimentaba con la refrigeración con agua caliente en Phoenix en el muy publicitado Proyecto Mercury. El Proyecto Mercury incluía una parte del centro de datos refrigerada por un bucle de agua fría conectada a enfriadores y, a continuación, un segundo centro de datos que utilizaba el agua de retorno del condensador del primer centro de datos hasta los 87˚F para alimentar los intercambiadores de calor de la puerta trasera montados en los racks. Obviamente, las temperaturas superaban las temperaturas de entrada del aire del servidor recomendadas por la ASHRAE, pero se mantenían dentro del rango permitido de la clase A2. Fue en el marco de esta operación donde Dean Nelson y su equipo idearon una métrica de eficiencia del centro de datos basada en la misión empresarial que vincula los costes del centro de datos a las transacciones de ventas de los clientes, dando así forma a ese ilusorio punto de inflexión entre la eficiencia y la eficacia del centro de datos. En este caso, el "cliente" era interno y el calor residual no se utilizaba como fuente de energía térmica, sino como fuente de refrigeración.

El modelo del Proyecto Mercurio ofrece, de hecho, una visión de la refrigeración por agua caliente de bajo riesgo que podría estar disponible para muchos centros de datos sin tener que hacer toda la transición a alguna forma de refrigeración líquida de contacto directo. Por ejemplo, los centros de datos que utilizan intercambiadores de calor de puerta trasera pueden funcionar con temperaturas de suministro superiores a los 65˚F, que superan fácilmente la temperatura de retorno de un bucle de agua de retorno de refrigeración de confort del edificio. Aprovechar el agua de retorno es esencialmente enfriamiento gratuito y luego, durante la época del año en que el aire acondicionado del edificio podría no estar funcionando continuamente (o en absoluto, mis amigos en Minnesota), los intercambiadores de calor de puerta trasera pueden ser suministrados a través de un economizador de intercambiador de calor de enfriamiento gratuito. El mismo principio se aplica a la refrigeración líquida de contacto directo, que debería ser esencialmente gratuita para operar en cualquier instalación con una carga de refrigeración de confort de tamaño significativo.

Más recientemente, IBM Zúrich ha traducido la prueba de concepto en un superordenador de producción completa en Zúrich (LRZ SuperMUC-NG), con un proyecto paralelo en Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, director de integración de sistemas inteligentes en los laboratorios de Zúrich, afirma que el superordenador de producción es en realidad una instalación de emisiones negativas porque todo el equipo de TIC se alimenta de energía renovable y, además, la calefacción y la refrigeración producidas por el centro de datos representan una evitación de emisiones. El perfil de temperatura de los distintos pasos del proceso de la figura 1 variará en función de la situación y los requisitos del cliente. Por ejemplo, para proporcionar refrigeración a la red y a los equipos de almacenamiento durante el tiempo más cálido, cuando la refrigeración gratuita no está disponible, y para proporcionar energía térmica utilizable a las redes de calefacción urbana durante el tiempo más frío, el centro de datos funciona a 149˚F. Para proporcionar calefacción de suelo a los clientes residenciales, puede bajar a 131˚F y para apoyar la refrigeración gratuita en Oak Ridge funcionarán a 113˚F. La enfriadora de absorción Fahrenheit funciona con una temperatura de impulsión de 127˚F para suministrar agua fría de 68˚F a las unidades de refrigeración que dan servicio a los equipos de almacenamiento y de red, con una capacidad total de refrigeración de 608kW.

El proyecto de IBM depende de la innovación en la reducción de la resistencia térmica, permitiendo así una mayor temperatura del agua en el chip, lo que se traduce en una mejora real del rendimiento global del mismo. No obstante, cualquiera de las diversas soluciones de refrigeración líquida por contacto directo disponibles en el mercado hoy en día puede ofrecer una parte significativa de los beneficios de la refrigeración por agua caliente. Todas ellas afirman que la temperatura del agua de suministro de "refrigeración" puede ser suficiente para mantener las temperaturas adecuadas del chip e incluso mejorar su rendimiento con respecto a la refrigeración por aire tradicional. Aunque estas temperaturas no sean lo suficientemente elevadas como para sustituir directamente a las fuentes de calor tradicionales (calderas, etc.) o impulsar enfriadores de absorción, siguen siendo lo suficientemente elevadas como para reducir drásticamente la elevación requerida en las bombas de calor para elevar ese calor a un nivel útil. Además, a las temperaturas de refrigeración líquida, no deberían ser necesarias las enfriadoras o la refrigeración mecánica. La próxima vez analizaremos algunos de los compromisos de inversión y costes operativos asociados a la explotación de las ventajas de la refrigeración por agua caliente y algunos de los grandes retos sociales y de infraestructura.