Tecnologias de alimentação alternativas para centros de dados e salas de servidores

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1 Tecnologias de alimentação alternativas para centros de dados e salas de servidores Aplicação técnica nº 64 Revisão 1

2 Sumário Executivo As células de e as micro-turbinas são novas tecnologias alternativas para criação de potência em centros de dados e salas de servidores. Nesta nota são analisados os diversos modos de funcionamento destes sistemas, bem como os benefícios e aspectos negativos das tecnologias quando comparadas com as alternativas convencionais como os geradores de reserva. 2

3 Introdução A criação de potência é um dos principais componentes de um sistema de alimentação de elevada disponibilidade para centros de dados e salas de servidores. Os sistemas das tecnologias de informação podem funcionar durante minutos ou até algumas horas apenas com a energia de uma bateria ou de um sistema de volante, mas torna-se necessário implementar uma capacidade de criação de potência local para obter uma disponibilidade que permita fazer face ao horário de expediente normal. Nos locais com um fornecimento de energia irregular, a criação de potência pode ser necessária para obter uma disponibilidade da ordem dos 99,99% ou até 99,9% 1. Os geradores de reserva a gasóleo ou gás são uma solução convencional para este problema, quando combinados com uma UPS. Em instalações de elevada disponibilidade, é utilizado um conjunto N+1 deste tipo de geradores de reserva. As células de e as micro-turbinas foram sugeridas como uma alternativa adequada para a criação de potência em salas de servidores e centros de dados. Estes sistemas podem ser utilizados continuamente para alimentar a sala de servidores ou o centro de dados, para criar potência eléctrica em excesso que pode ser utilizada para outras cargas ou para alimentar a instalação pública ou para serem utilizados como geradores de reserva. A disponibilidade do sistema e o custo total da exploração são significativamente afectados pela forma como os sistemas são utilizados, tal como se descreve nas secções seguintes. Modo de reserva Neste modo, a corrente CA é a principal fonte de alimentação e a criação de potência local é utilizada apenas como reserva durante um encerramento planeado ou uma falha da alimentação CA. É utilizada uma UPS para colmatar o atraso que se verifica durante a activação do sistema de reserva. Este é o modo de funcionamento utilizado em mais de 99% das salas de servidores e centros de dados que possuem geradores de potência locais. 1 Para obter dados quantitativos sobre como a criação afecta a disponibilidade, deve consultar a Aplicação técnica nº 24 da APC: Effect of UPS on System Availability (disponível apenas em inglês) 3

4 Modo contínuo Neste modo, a geração de potência local é a principal fonte de alimentação e a corrente eléctrica é utilizada apenas como reserva durante um encerramento planeado ou uma falha da geração de potência local. As cargas podem ser geridas a partir do gerador local ou pode ser utilizada uma UPS para colmatar os atrasos durante a mudança de sistemas. O gerador local alimenta apenas a carga crucial; se o gerador de potência local se encontrar sobredimensionado em comparação com a carga, então a utilização do sistema de criação de potência pode não estar a ser optimizada ou pode estar a funcionar a um nível indesejável na sua curva de eficácia. Modo de alimentação pública-interactiva Neste modo, a geração de potência local é a principal fonte de alimentação e a corrente eléctrica é utilizada apenas como reserva durante um encerramento planeado ou uma falha da geração de potência local. O gerador local funciona em simultâneo com a corrente eléctrica pública, de tal forma que qualquer potência gerada em excesso, para além das necessidades eléctricas da carga crucial acaba por alimentar o sistema. Neste modo, a potência em excesso acaba simplesmente por alimentar outras cargas não cruciais da instalação ou pode mesmo inverter o fluxo de corrente do sistema. Normalmente, é necessária uma UPS para separar a carga crucial da corrente do sistema. O sistema de criação de potência funciona normalmente ao nível mais desejável da sua curva de eficácia. Configurações para tolerância de falhas Seja qual for a tecnologia ou modo utilizado, a disponibilidade pode ser melhorada através das seguintes técnicas: Arquitectura de circuito duplo Neste caso, todo o sistema de criação de potência teria de ser duplicado. Em termos ideais, esta duplicação deveria ocorrer ao longo de todo o sistema de alimentação, até à carga crucial, a qual deveria ser configurada para aceitar entradas de alimentação duplas. Arquitectura N+1 Neste caso, os componentes menos fiáveis do sistema de criação de potência deveriam ser constituídos por diversas unidades ligadas em paralelo, de tal forma que se uma falhasse logo a(s) outra(s) entraria(m) em funcionamento para suportar a carga crucial 4

5 Determinar o custo total de exploração A questão económica não é sempre o factor dominante na selecção de um sistema de criação de potência, mas é sem dúvida uma hipótese muito importante que deve ser analisada. O custo total de exploração (TCO) de um sistema de criação de potência é constituído pelos seguintes elementos: Custos de engenharia Gastos de capital Custos iniciais/de instalação Custos de manutenção Custos de Energia economizada (reduzindo os custos de ) Existe uma grande diversidade de factores isolados que podem alterar significativamente o cálculo do TCO, incluindo: Custo de vs. electricidade Irregularidade da corrente pública ou carregamento da potência de reserva Taxas e regulamentos limitativos Carga percentual sobre o sistema de alimentação Pode ser elaborado um modelo para prever o TCO relativo à utilização das várias tecnologias e modos de funcionamento. No caso dos geradores de reserva convencionais, os dados já se encontram disponíveis e é possível efectuar previsões fiáveis. No caso das células de e das micro-turbinas, as previsões para o futuro relativas aos custos do equipamento baseadas nas projecções da indústria a 3-5 anos podem revelar-se uma referência muito útil no que diz respeito à viabilidade económica futura destas tecnologias. Tendo em conta os dados sobre os custos do equipamento, da instalação, da manutenção e da energia, os cálculos do TCO para a vida útil normal de um centro de dados a 10 anos são muito simples e não serão analisados aqui. No anexo 1 foi incluída uma tabela com todos os dados sobre custos e os consequentes cálculos referentes ao TCO da vida útil do centro de dados. 5

6 Utilizando as previsões realistas e a longo prazo incluídas na tabela 1, criou-se o TCO de um sistema de criação de potência para um centro de dados de 250kW que é apresentado na Figura 1. Inicia Anua Energia da rede 8 7 TCO da vida útil: $/w Gerador de reserva Gerador contínuo Gerador em modo de reserva (H) contínua em modo Micro-turbina Micro-turbina Micro-turbina de reserva contínua em modo Figura 1 TCO de um sistema de criação de potência para diversas tecnologias e modos de funcionamento Uma análise mais cuidada revela os seguintes padrões subjacentes: O custo inicial é comparável ao custo da energia ao longo da vida útil A economia em termos de custo de energia das células de e das micro-turbinas é insuficiente para fazer face aos elevados custos iniciais destas tecnologias Tendo em conta que a percentagem de utilização normal do centro de dados é significativamente inferior a 100% 2, a criação contínua de potência local torna-se a opção menos económica quando comparada com os modos de reserva ou alimentação pública-interactiva. A ineficácia da criação de potência local anula grande parte do benefício resultante da utilização de um de custo inferior. 2 Para uma análise da utilização típica consulte a Aplicação técnica nº 37: Evitar custos de infra-estruturas sobredimensionadas em centros de dados e salas de servidores. 6

7 Outras considerações Os entendidos sugerem que as células de e as micro-turbinas não são atraentes para a criação de potência no centro de dados quando comparadas com os geradores de reserva. No entanto, existe uma grande variedade de situações ou considerações que foram sugeridas como factores importantes para a adopção das tecnologias das células de e das micro-turbinas. Esses factores são analisados em seguida Emissões A produção de emissões pode ser limitada pela legislação local ou por regulamentos da própria empresa. O sistema de criação de potência local que cria maiores problemas ao nível das emissões é o motor a gasóleo. O licenciamento de motores a gasóleo é uma questão complexa, específica para cada local e em alguns casos impraticável ou mesmo impossível. O argumento mais lógico a favor da utilização de um motor de reserva é que apesar do elevado nível das emissões, o tempo de funcionamento é reduzido, pelo que as emissões acumuladas não são significativas. No entanto e em termos práticos, os sistemas de reserva a gasóleo produzem elevadas quantidades de fumo aquando do seu arranque, especialmente quando são rapidamente sujeitos a uma carga elevada, o que é normal dada a sua aplicação como solução de reserva. Um resultado imediato deste facto é que os arranques provocam muitas vezes reclamações por parte dos vizinhos, o que pode resultar numa situação bastante indesejável, como seja a regulamentação por parte das autoridade locais no sentido de eliminar os focos de ruído. No caso da análise do TCO, partiu-se do princípio que seriam utilizados geradores de reserva a gás natural ou propano em vez dos populares modelos a gasóleo. Estes geradores apresentam um custo cerca de 30% superior ao dos geradores a gasóleo, mas o problema das emissões é significativamente reduzido, particularmente no que diz respeito às emissões visíveis. Se o objectivo principal é reduzir as emissões, os dados sugerem que os equipamentos a gás natural ou propano são muito mais económicos do que as células de ou as micro-turbinas. Disponibilidade O custo dos tempos de paragem é extremamente elevado para muitos centros de dados e salas de servidores. Foi sugerido que as células de e as micro-turbinas podem melhorar a disponibilidade geral do sistema em comparação com os geradores de reserva. Uma estatística que é mencionada com alguma frequência é que um gerador de reserva apenas entra em funcionamento 90% das vezes em que tal é necessário. Para avaliar com precisão esta afirmação, seriam necessários dados relativos à fiabilidade das células de e das micro-turbinas, bem como à natureza dos modos de avaria e aos tempos de reparação necessários. Estes dados ainda não se encontram disponíveis. 7

8 O que se sabe é que podem ser realizados investimentos ao nível da tolerância de falhas de modo a aumentar a disponibilidade de qualquer sistema de alimentação, como seja a arquitectura N+1 e a arquitectura de circuito duplo, como já foi referido anteriormente. Além disso, sabe-se que os melhoramentos ao nível da concepção para manutenção simultânea, monitorização melhorada do estado e melhoria da manutenção aumentam a disponibilidade. Os dados existentes sugerem que a economia ao nível do TCO resultante da utilização de um sistema com gerador de reserva poderia ser aplicado com vista ao aumento da disponibilidade desse tipo de sistema, afastando assim quaisquer (ainda por demonstrar) vantagens em termos de disponibilidade das células de ou das micro-turbinas. Eliminação de outros equipamentos Muitas das análises relativas a células de e micro-turbinas sugerem que esta tecnologia pode eliminar outros dispositivos do sistema de alimentação, proporcionando reduções de custos, bem como o aumento da disponibilidade e da eficácia. A eliminação das UPS ou das baterias é muitas vezes uma hipótese mencionada. No caso do modo de funcionamento público-interactivo, continua a ser necessária uma UPS para isolar a carga crucial da corrente do sistema. No caso do modo de funcionamento contínuo, continua a ser necessária uma UPS para separar a carga crucial do efeito das cargas de outros dispositivos, como por exemplo, aparelhos de ar condicionado. No caso do modo de funcionamento de reserva, a UPS é obviamente necessária para suportar a carga crucial até que o gerador entre em funcionamento. O período de segurança da UPS, quando utilizada em modo contínuo ou em modo público-interactivo poderia, em princípio, ser inferior ao período de segurança de uma UPS de um sistema em modo de reserva. Consequentemente, as baterias poderiam ser de menor dimensão. No entanto, a redução do período de funcionamento de uma bateria para uma determinada carga aumenta o desgaste da bateria e diminui a fiabilidade do sistema. A redução da dimensão da bateria para diminuir o período de funcionamento para um valor inferior a 5 minutos não é um procedimento prático com a actual tecnologia de fabrico de baterias. A utilização de dispositivos UPS com sistemas de volante em conjunto com sistemas de criação de potência em modo contínuo ou interactivo poderia conduzir à eliminação das baterias. No entanto, os dados existentes não indicam que esta estratégia oferecesse qualquer vantagem em termos de TCO. Além disso, os dados reais relativos às falhas dos centros de dados sugerem que o período de segurança proporcionado pelas baterias é o suficiente para permitir a intervenção humana durante qualquer anomalia, evitando-se desse modo períodos de paragem. Conversão de CA para CC Algumas análises relativas a células de e micro-turbinas sugerem que esta tecnologia pode eliminar a utilização de energia CA no centro de dados e na sala de servidores. De acordo com esta tendência as cargas cruciais receberiam corrente CC, pelo que seria possível reduzir as etapas de conversão de potência. Tanto as células de como as micro-turbinas geram corrente CC que, hipoteticamente, poderia ser utilizada directamente. 8

9 Esta visão não realista nem prática. Em primeiro lugar, muitos dos dispositivos necessários num centro de dados ou sala de servidores requerem corrente CA e é muito improvável que estes dispositivos se encontrem disponíveis nas versões CC. Entre estes aparelhos inclui-se a iluminação, o ar condicionado, o equipamento de escritório e até os computadores pessoais. Além disso, a hipótese de que a distribuição de corrente CC é mais eficaz ou possui outras vantagens sobre a corrente CA é falsa 3 Combinação de calor e potência Todos os sistemas de criação de potência geram mais calor do que energia eléctrica. Se for possível dominar o calor e utilizá-lo de forma produtiva, eliminando a necessidade de outro tipo de energia de aquecimento, então seria possível efectuar uma economia significativa. Infelizmente, os centros de dados e as salas de servidores são ambiente geradores de elevados níveis de calor e não necessitam de uma fonte de calor suplementar. Por esta razão torna-se necessário que surja uma utilização alternativa do calor antes que seja possível efectuar economias significativas. Poucos locais correspondem a estes critérios; no entanto, para esses locais específicos, os dados existentes sugerem que o TCO para um sistema de criação de potência de um centro de dados em modo de funcionamento público-interactivo poderia ser inferior ao TCO de um sistema de energia de reserva. Tenha em atenção que quando é utilizada a combinação de calor e potência, os dados sugerem que o motor alimentado a gás natural continua a apresentar uma vantagem significativa em termos de TCO sobre as células de ou micro-turbinas. Combinação de refrigeração e potência Outra aplicação para o desperdício do calor gerado durante a criação de potência reside na sua utilização para alimentar o equipamento de refrigeração, recorrendo para esse efeito a um dispositivo denominado arrefecedor de absorção. Neste caso, o calor é realmente convertido em capacidade de refrigeração, que representa uma das principais necessidades do centro de dados. Uma vez que um centro de dados normal chega a utilizar a mesma quantidade de energia eléctrica necessária para suportar a carga crucial, na manutenção do sistema de refrigeração em funcionamento, esta solução apresenta o duplo benefício de reduzir a carga eléctrica E melhorar a eficácia do sistema de criação de potência. Teoricamente, este facto poderia reduzir significativamente o TCO de um centro de dados. Proporcionar opções de tolerância de falhas para sistemas de refrigeração e alimentação combinados sem perder os benefícios inerentes continua a representar actualmente um desafio técnico. 3 Para uma análise sobre a utilização de corrente CC no centro de dados, consulte a Aplicação técnica nº 63 da APC: AC vs. DC for Data Centers and Network Rooms (disponível apenas em inglês) 9

10 O desempenho da combinação de refrigeração e potência através da utilização de um arrefecedor de absorção aumenta com em função do desperdício de calor. Por esta razão, as tecnologias das células de combustíveis, tais como a PEM não são adequadas para utilização com arrefecedores de absorção devido às baixas temperaturas de funcionamento. As micro-turbinas apresentam características em termos de desperdício de calor mais adequadas para aplicações de combinação de refrigeração e potência. Independência total da corrente pública Ocasionalmente surge a sugestão de que as células de ou as micro-turbinas podem permitir que um centro de dados se torne totalmente independente do sistema de fornecimento público. Este facto permitiria eliminar os custos de reserva ou outras taxas da empresa de fornecimento. Poderia ainda permitir a instalação de um centro de dados num local em que não fosse possível conseguir corrente pública CA. A independência da corrente pública provoca o surgimento de uma nova vaga de problemas técnicos, incluindo o arranque a frio do sistema de criação de potência, bem como a perda da corrente pública como fonte de alimentação de reserva. Além disso, a instalação continua dependente do fornecimento de através de tubagem ou camião e, por essa mesma razão, sujeita a greves de trabalhadores ou outras anomalias no fornecimento. A empresa fornecedora de gás pode interromper o fornecimento durante uma crise, tal como acontece quando a pressão do gás desce durante períodos de grande procura, como seja, condições atmosféricas excepcionalmente frias. Os dados sugerem que mesmo que a independência total do fornecimento público fosse um objectivo prioritário, os geradores alimentados através de um motor convencional continuariam a apresentar vantagens em termos de TCO sobre as células de combustíveis ou as micro-turbinas. Conclusão A criação de potência local para fazer face a períodos de corte de energia prolongados continua a ser um dos requisitos para atingir uma elevada disponibilidade no caso dos centros de dados e salas de servidores. A estratégia convencional baseada na utilização de um sistema de reserva alimentado por um motor continua a apresentar vantagens económicas sobre as células de e as micro-turbinas. Se a pressão para reduzir as emissões se transformar num factor importante, é natural que surja uma tendência para optar pelos motores a gás natural ou propano em detrimento dos motores a gasóleo, em vez vez da adopção das tecnologias de células de ou micro-turbinas. As inovações tecnológicas que reduzem dramaticamente o custo das células de, bem como a utilização de tecnologias reformistas poderiam permitir que as células de substituíssem os geradores a motor, mas os métodos disponíveis para atingir esse tipo de redução de custos ainda não demonstraram as suas vantagens. 10

11 Uma combinação do modo público-interactivo com aplicações de combinação de refrigeração e potência apresenta algum potencial para permitir que as micro-turbinas surjam com uma vantagem significativa em termos de TCO face às estratégias convencionais. No entanto, existe ainda uma grande variedade de problemas técnicos por resolver, incluindo métodos económicos que proporcionem opções de tolerância de falhas. Tendo em vista a maximização da disponibilidade do sistema eléctrico, as melhorias ao nível da arquitectura de tolerância de falhas da actual tecnologia baseada em motores parecem ser o melhor investimento do ponto de vista do utilizador. Este tipo de investimento inclui a arquitectura de circuito duplo, a arquitectura N+1, uma melhoria da integração e verificação do sistema, bem como uma melhoria dos instrumentos e da monitorização. Anexo 1: Dados do TCO Este anexo inclui os dados que foram utilizados na criação da Figura 1 no papel e explica de forma sucinta o modelo. Este modelo considera os custos iniciais e recorrentes, incluindo os custos com a energia, efectua a sua distribuição ao longo da vida útil do sistema e, em seguida, apresenta os resultados em termos de dólares por watt por sistema nominal. Aplicam-se os seguintes pressupostos: Pressupõe-se que o princípio activo da célula de é o hidrogénio, ao passo que as células de contínuas possuem um sistema reformista e utilizam gás natural. Pressupõe-se que o sistema do gerador utiliza gás natural ou propano e não gasóleo. Os custos do equipamento a gasóleo seriam reduzidos em cerca de 25%. Considerou-se um custo de reserva cobrado pela empresa de fornecimento público para todos os sistemas que não seja utilizados em modo de reserva. Trata-se neste caso da taxa anual, cobrada pela empresa pública de forma a proporcionar um serviço de fornecimento eléctrico que poderia ser utilizado como segurança. Este valor é expresso como uma percentagem da taxa base aplicada ao sistema nominal. A taxa eléctrica é representada pela taxa média cobrada para uma utilização contínua e inclui as taxas relacionadas com a utilização do equipamento em períodos de maior consumo. Este custo deve ser representado por um valor superior à taxa base. O modelo foi desenvolvido utilizando para esse efeito os custos previstos para os sistemas da gama 250kW. Tenha em atenção que os custos $/W são inferiores para os sistemas de potência mais elevada e podem ser superiores para os sistemas com uma potência substancialmente inferior. 11

12 Tabela 1 Dados utilizados nos cálculos do TCO Entradas concebidas Vida útil do sistema anos 10 Carga em percentagem % 35% Capacidade prevista kw 250 Entradas de custos Gerador de reserva Gerador contínuo Gerador em modo de reserva (H) contínua em modo Micro-turbina de reserva Micro-turbina contínua Micro-turbina em modo Custos de capital/iniciais Engenharia do sistema $/W 0,2 0,2 0,2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Gerador (3 anos) $/W 0,4 0,4 0, ,8 0,8 0,8 Inversor CC/CA $/W ,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Equipamento auxiliar $/W 0,3 0,3 0,3 0,4 1,4 1,4 0,3 0,3 0,3 Armazenamento de $/W 0,1 0,1 0,1 0,7 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Instalação do gerador $/W 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,15 0,15 0,15 Custos de manutenção Custo de manutenção $/W/A 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 Taxas e custos Taxa de irregularidade $/kw Taxa de reserva da corrente pública % da taxa 0% 10% 10% 0% 10% 10% 0% 10% 10% Taxa eléctrica $/kw-hr $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 Taxa de $/kw-hr $0,017 $0,017 $0,017 $0,200 $0,017 $0,017 $0,017 $0,017 $0,017 Taxa de retoma $/kw-hr $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 $0,070 Desempenho Criação com perda sem carga % 25% 25% 25% 10% 10% 10% 20% 20% 20% Eficácia de criação com carga total % 30% 30% 30% 40% 35% 35% 28% 28% 28% % de tempo com corrente pública % 100,0% 0,1% 0,1% 99,9% 0,1% 0,1% 99,9% 0,1% 0,1% TCO para a vida útil Gerador de reserva Gerador contínuo Gerador em modo de reserva (H) contínua em modo Micro-turbina de reserva Micro-turbina contínua Micro-turbina em modo Inicial $/W $1,10 $1,10 $1,10 $4,00 $4,40 $4,40 $2,05 $2,05 $2,05 Anual $/W $0,40 $0,96 $0,96 $0,40 $0,96 $0,96 $0,40 $0,96 $0,96 Energia da rede pública $/W $1,96 $1,81 $0,90 $1,97 $1,45 $0,25 $1,96 $1,88 $1,22 $$ Total K$ $865 $967 $739 $1.593 $1.702 $1.402 $1.102 $1.222 $1.057 Cálculos intermédios Energia da carga kw-hr Custo isolado K$ $275 $275 $275 $1.000 $1.100 $1.100 $513 $513 $513 Taxa de reserva K$/vida útil $0 $140 $140 $0 $140 $140 $0 $140 $140 Outros custos anuais K$/vida útil $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 $100 Custos anuais somados K$ $100 $240 $240 $100 $240 $240 $100 $240 $240 Perda de energia fixa do gerador kw-hr Perda proporcional do gerador kw-hr Perda de energia do gerador kw-hr Energia pública necessária kw-hr Energia de necessária kw-hr Energia pública vendida kw-hr Custo da energia K$/vida útil $490 $452 $1.133 $493 $362 $971 $490 $469 $1.214 Energia pública vendida K$/vida útil $909 $909 $909 Custo da energia da rede pública K$/vida útil $490 $452 $224 $493 $362 $62 $490 $469 $305 12