Com as demandas dos data centers por resfriamento e alimentação de energia dobrando até 2030, qual é o caminho ambientalmente responsável a seguir para a infraestrutura de IA?
Cada watt que alimenta a computação gera calor. E as cargas de trabalho atuais da computação de alta performance (HPC) estão levando as densidades dos racks para mais de 140 quilowatts (kW) (ver Figura 1), com alguns chips excedendo 1000 watts (W) em potência de projeto térmico (TDP). Os sistemas de resfriamento estão trabalhando mais para gerenciar as crescentes cargas térmicas, aumentando o consumo de energia. E com a aceleração da adoção da IA, a demanda global dos data centers por energia deve dobrar até 2030.
Figura 1. A densidade dos racks está aumentando, indicando uma maior concentração de servidores ou equipamentos dentro de um espaço definido. Fonte – Omdia, Dados sobre Densidade dos Racks
Os resultados não são um endosso da Vertiv. Qualquer crédito a esses resultados é por conta e risco do terceiro.
Para enfrentar esse desafio em meio a restrições de energia e a crescentes regulamentações sobre as emissões, os operadores estão recorrendo a soluções de energia híbrida. Ao combinar energias alternativas, ou fontes de energia não baseadas em combustíveis fósseis, com outros recursos energéticos distribuídos (DERs), os data centers podem reduzir a dependência por redes elétricas que se encontram sob pressão. A integração de energia alternativa com DERs, tal como células a combustível de hidrogênio, sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) e fontes de alimentação de energia ininterrupta (UPSs) interativas com a rede elétrica, pode melhorar a eficiência energética e o perfil de carbono.
O resfriamento do data center não pode falhar
A instabilidade da energia ameaça os sistemas de resfriamento do data center, e até mesmo disrupções breves podem acionar desligamentos térmicos que danificam hardwares e causam paradas dispendiosas. De acordo com o Uptime Institute, um em cada cinco episódios de indisponibilidade custa agora mais de US$ 1 milhão, enquanto muitos outros ultrapassam US$ 100.000 (ver Figura 2). Com a IA dando suporte a setores críticos como financeiro, governo e saúde, até mesmo falhas de resfriamento curtas apresentam riscos muito maiores.
A demanda está superando a oferta
Mas, mesmo com soluções de energia híbrida, os operadores ainda enfrentam o aperto regulatório global. A Europa impõe limites de capacidade e aprovações em fases (por exemplo, Irlanda) para gerenciar a estabilidade da rede elétrica. Os EUA priorizam incentivos fiscais e modernização da rede elétrica, com legislações sobre eficiência mais rigorosas. Em mercados urbanos mais densos, como Cingapura, os elevados padrões para a energia ditam o design. Para os operadores, o desafio é claro: atender às regras em evolução enquanto escala a computação.
Figura 2. Mais da metade (57%) dos entrevistados da pesquisa de 2025 do Uptime Institute relataram que seu mais recente custo significativo por parada foi acima de US$ 100.000, com 20% excedendo US$ 1 milhão, refletindo custos diretos, de oportunidade e de reputação. Fonte: Uptime Institute
Aplicações de energia alternativa para data centers
A integração de energia alternativa envolve conectar fontes de energia como solar, eólica e bioenergia às redes de energia elétrica existentes. Essa abordagem exige o gerenciamento da produção - que é variável, para manter um fornecimento de eletricidade estável e confiável. A integração com energias alternativas usa tecnologias como armazenamento de energia e controles inteligentes para melhorar a eficiência e a resiliência da rede elétrica ao mesmo tempo que reduz o impacto ambiental.
Contratos de compra de energia (PPAs)
Os contratos de compra de energia (PPAs) possibilitam aos data centers contratarem energia solar ou eólica diretamente dos geradores. Os operadores podem manter eletricidade previsível e ambientalmente responsável para operações contínuas de resfriamento de data centers, garantindo contratos de capacidade fixa. Além disso, os PPAs podem reduzir a dependência pela energia volátil da rede elétrica e proteger contra flutuações de preço.
Microrredes sempre ativas com BESS
Os operadores podem implementar microrredes sempre ativas integrando geração de energia solar ou eólica com um BESS para estabilizar a alimentação de energia para sistemas críticos, como o resfriamento de data centers. As baterias armazenam a energia excedente e a liberam sob demanda, eliminando disrupções devidas à geração intermitente. Isso mantém o resfriamento ininterrupto mesmo quando a geração em tempo real cai. No Centro de Experiência do Cliente Vertiv em Delaware, Ohio, EUA, a Vertiv implementou uma matriz solar fotovoltaica (PV) CA de 1 megawatt (MW) e um BESS de 1-MW em uma microrrede sempre ativa (ver Figura 3).
Figura 3. Os Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS) Vertiv™ DynaFlex utilizam baterias de ferro-lítio (LFP) para entregar uma alimentação de energia sempre ativa em escala de utilidades. Quando integrados com os Sistemas de Gerenciamento de Energia (EMS) Vertiv™ DynaFlex, esses sistemas possibilitam o gerenciamento sofisticado de energia, incluindo o gerenciamento da demanda e o potencial de monetizar o excesso de energia de volta à rede elétrica. Essa integração mantém transições contínuas entre várias fontes de energia, incluindo energia solar ou eólica, para maximizar a eficiência e a confiabilidade.
BESS com fontes de alimentação de energia ininterrupta (UPSs) interativas com a rede elétrica
Quando a geração de energia solar ou eólica do data center cai, um UPS interativo com a rede elétrica faz a transferência perfeita para o BESS para descarregar a energia armazenada. Simultaneamente, esses UPSs estabilizam a frequência da rede elétrica ajustando rapidamente os ciclos de carga/descarga para compensar a intermitência da energia. Essa dupla função de armazenamento e balanceamento da rede elétrica permite que os data centers maximizem o uso de energias alternativas, mantendo o tempo de atividade (uptime), mesmo com produção de energia variável.
Células a combustível de hidrogênio como fonte de energia de backup e de serviços da rede pública
Células a combustível com membrana de troca de prótons (PEM) de início rápido instaladas no UPS reduzem a dependência pelo gerador a diesel e mantêm o resfriamento durante as faltas de energia. As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) podem substituir a entrada da rede elétrica, fornecendo energia estável de base para ambientes de resfriamento de alta eficiência (ver Figura 4). No Centro de Experiência do Cliente Vertiv, os sistemas de célula a combustível foram integrados com sucesso ao UPS para demonstrar esta aplicação em condições de operação do mundo real.
Figura 4. Quando integrado com células a combustível, o Vertiv™ Liebert® EXL S1 pode manter a continuidade durante flutuações repentinas da energia e dá suporte a cargas críticas. Os operadores podem conectar essas unidades à rede elétrica usando o Vertiv Dynamic Grid Support Mode (Modo de Suporte Dinâmico à Rede Elétrica), fornecendo energia da célula a combustível e fornecendo serviços de rede elétrica, como regulagem de frequência e corte de pico.
Benefícios da integração de energia alternativa no resfriamento de data centers
Estabilidade da rede elétrica
A integração de energia alternativa com outros DERs ajuda a reduzir o pico de demanda nas concessionárias de energia e absorve as flutuações locais, aumentando a confiabilidade da energia para sistemas de resfriamento de data centers. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, a integração da energia solar do data center com o BESS pode reduzir a carga de pico da rede elétrica em até 20% em zonas de alta demanda. Quando a geração no site excede as necessidades do resfriamento e de TI, os sistemas podem exportar a energia excedente de volta para a rede elétrica, apoiando a frequência e a regulagem da tensão da rede elétrica durante períodos de instabilidade.
Redução de carbono
Os data centers podem substituir o uso do gerador a diesel por células a combustível de hidrogênio para reduzir as emissões de Escopo 1. As células a combustível PEM geram eletricidade por meio de conversão eletroquímica, produzindo apenas água. Ao contrário dos geradores a diesel, essas células a combustível podem operar continuamente com impacto de carbono próximo de zero quando alimentadas por hidrogênio de fontes alternativas. A integração da energia solar ou eólica do data center para produzir hidrogênio por meio de eletrólise nos níveis da geração e do backup é mais eficiente em termos de carbono (ver Figura 5).
Figura 5. As fases 2 e 3 são metas de curto a médio prazo para a independência de energia dos data centers: reduzir as partidas dos geradores a diesel da instalação de microrrede e substituí-los por células a combustível PEM e SOFC como fontes de energia de backup e primária, respectivamente.
Eficiência energética
As células a combustível e o BESS oferecem maior eficiência de conversão do que os sistemas de backup tradicionais. Embora os geradores a diesel normalmente operem com eficiência de 30 a 35%, as células a combustível PEM e SOFC podem atingir eficiência de 50 a 60% sob condições ideais. Além disso, os DERs permitem que os operadores armazenem energia alternativa no site ou fora de pico e aloquem-na diretamente para cargas de resfriamento do data center. Isso reduz perdas de conversão desnecessárias e otimiza a distribuição de energia em data centers de HPC.
Relação custo-benefício
O resfriamento do data center consome cerca de 40% da energia de uma instalação, com as cargas de trabalho de IA aumentando esse percentual. Os preços da eletricidade subiram 17,2% nos EUA, 35,1% na Alemanha e 10,5% no Japão desde 2018, tornando o gerenciamento térmico um desafio crescente em relação aos custos. Os sistemas de energia alternativa reduzem o tempo de operação do gerador, o uso de combustível e as necessidades de manutenção, desbloqueando as eficiências de custo de longo prazo enquanto apoiam as operações contínuas.
Confiabilidade operacional
Os DERs podem aumentar a disponibilidade (uptime), permitindo a independência em relação à rede elétrica e reduzindo as partidas do gerador a diesel. Microrredes com painéis fotovoltaicos, células a combustível e o BESS podem operar no modo ilha (off-grid), entregando energia consistente para sistemas de resfriamento mesmo durante falhas na rede elétrica. Os sistemas UPS atuam como hubs de energia nesses tipos de estrutura, alternando perfeitamente entre fontes, gerenciando flutuações de frequência e fornecendo failover rápido em milissegundos para a infraestrutura crítica de resfriamento de data center (ver Figura 6).
Figura 6. Um ecossistema de energia dinâmico ou híbrido pode reduzir a vulnerabilidade de um data center a uma rede elétrica instável, combinando várias fontes de energia e simplificando os mecanismos de armazenamento, distribuição e contingência.
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