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Euan Cutting, Engenheiro Elétrico, Engenharia em Preto e Branco
Como os operadores de data centers buscam continuamente maneiras de descarbonizar suas operações de negócios, o hidrogênio se tornou uma solução altamente esperada para armazenar e liberar energia com baixo ou zero carbono.
Ao considerar as opções de geradores elétricos no local, há muito poucas opções práticas que possam caber em um campus de data center e não produzir emissões de carbono. Ao excluir as renováveis de nossas opções, ficamos com geradores a gás e células de combustível. Das duas opções restantes, as células de combustível têm maior eficiência. A relação custo-benefício depende de como eles são usados, seja para backup ou energia contínua. Em termos de custo, o hidrogênio hoje é proibitivamente caro, sem falar na infraestrutura necessária para armazená-lo e nas grandes dificuldades de armazenamento devido à sua baixa densidade. Embora se preveja que o custo do hidrogênio será reduzido na próxima década, tornando-o mais acessível, os problemas relacionados ao armazenamento em grande escala podem impedir o uso em muitos locais de data center. No futuro, haverá locais com gasodutos que poderão fornecer hidrogênio, mas isso pode não ser uma opção econômica quando comparada ao consumo de eletricidade da rede elétrica.
Como o hidrogênio pode reagir com o oxigênio para liberar energia sem emissões de carbono, não é surpresa que as previsões atuais demonstrem que, até 2030, a economia do hidrogênio poderá valer US$ 500 bilhões. As células de combustível de hidrogênio combinam hidrogênio e oxigênio para gerar eletricidade com baixo ou zero carbono, que pode ser usada para alimentar um data center. A maioria das células de combustível atualmente em uso em data centers são células de combustível de óxido sólido (SOFCs), fornecendo energia constante. As SOFCs podem gerar energia por meio da conversão de combustíveis, como gás natural e biogás, em hidrogênio, que é então reagido na célula de combustível para gerar energia. Embora o uso de gás natural ainda resulte em emissões de carbono, os SOFCs são capazes de gerar energia com maior eficiência do que os motores de combustão. SOFCs também podem ser abastecidos diretamente com hidrogênio, embora esta não seja a norma devido ao custo e disponibilidade do hidrogênio.
Embora seja capaz de fornecer energia constante, as células de combustível de hidrogênio também estão sendo consideradas para fornecer energia de backup para data centers. Isso é muito atraente para os operadores de data center como um substituto mais ecológico para os geradores a diesel tradicionais. Essa mudança veria o uso de células de combustível de partida rápida, como células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), que poderiam substituir os geradores a diesel.
SOFCs e células de combustível PEM diferem entre si em sua construção, materiais e operação. Em uma visão de alto nível, as principais diferenças são os materiais do eletrólito e as temperaturas de operação. As SOFCs operam em altas temperaturas, exigindo tempos de inicialização mais longos e, como resultado, sendo adequadas apenas para fornecimento contínuo de energia. Os PEMs, por outro lado, operam em temperaturas mais baixas e são capazes de partida rápida ou operação contínua, mas são uma opção mais cara.
Como exatamente as células de combustível serão usadas em data centers futuros ainda está em debate, com as operadoras considerando opções de backup e energia constante. Existem compensações significativas com cada opção; o uso de células de combustível para energia de reserva exige que grandes quantidades de hidrogênio sejam armazenadas no local, o que é caro, consome espaço e é de alto risco, principalmente quando comparado ao atual armazenamento de diesel no local. O uso constante de energia, por outro lado, veria as células de combustível conectadas a um futuro gasoduto de hidrogênio. A principal desvantagem dessa opção são os custos operacionais – já que os atuais operadores de data centers declaram que pretendem usar ‘hidrogênio verde’ com carbono zero, usando eletricidade renovável para dividir a água por meio de eletrólise. É quase garantido que isso seja mais caro do que apenas usar a eletricidade da concessionária diretamente, devido à eficiência do eletrolisador e às perdas na distribuição e armazenamento de hidrogênio.
Sustentabilidade – um fator-chave no uso de células de combustível de hidrogênio
O principal benefício e a principal motivação para a instalação de células de combustível de hidrogênio em um data center é reduzir as emissões de carbono. Conforme declarado, algumas células de combustível, como SOFCs, podem usar gás natural – embora seja menos prejudicial ao meio ambiente do que o diesel, ainda resulta em emissões significativas de carbono. Isso pode ser atraente para os operadores de data centers devido ao custo do gás natural para os consumidores industriais versus o custo da eletricidade da concessionária. Dada a alta eficiência das células de combustível, isso permite que os operadores de data centers produzam eletricidade de custo mais baixo no local, com a desvantagem das emissões de carbono ao usar gás natural e maior complexidade do sistema de energia.
Células de combustível alimentadas diretamente com hidrogênio em vez de gás natural têm a oportunidade de serem sustentáveis, desde que o hidrogênio não seja originário de combustíveis fósseis. Dependendo de sua fonte, o hidrogênio geralmente se refere a classificações de ‘cor’ para ajudar a diferenciar como foi produzido e, portanto, quão sustentável é. O hidrogênio produzido diretamente do gás natural é referido como ‘cinza’, enquanto o hidrogênio produzido a partir do gás natural com um sistema de captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS) é referido como ‘azul’. O hidrogênio ‘verde’, produzido por eletrólise com energia renovável, é muitas vezes aclamado como o padrão-ouro. Além disso, existe o hidrogênio ‘rosa’ – também é produzido por eletrólise como o hidrogênio ‘verde’, no entanto, usa energia nuclear em vez de energia renovável.
A meta de atingir as metas líquidas de carbono zero, combinada com a atual crise energética, também criou um interesse renovado na energia nuclear, que pode fornecer grandes quantidades de eletricidade com baixo teor de carbono. Além da fonte de eletricidade de baixo carbono que pode ser usada para eletrólise, existem propostas para utilizar o calor residual de reatores nucleares de alta temperatura, reduzindo significativamente a energia necessária para a eletrólise. Isso potencialmente resulta em uma produção de hidrogênio mais eficiente e econômica.
No entanto, as empresas estão enfrentando cada vez mais pressão dos investidores para cumprir os padrões ESG, que é outra razão pela qual as células de combustível de hidrogênio são atraentes para os operadores de data center. Essa pressão já está levando as empresas, incluindo operadoras de data centers, a explorar tecnologias alternativas, como células de combustível, que podem atrair mais investimentos e melhorar a imagem pública.
Os aspectos práticos do uso de células de combustível de hidrogênio em data centers
A implementação de células de combustível de hidrogênio no lugar de geradores a diesel resulta em uma mudança significativa no sistema geral de energia de um data center. Como projetistas de data centers, é nossa responsabilidade projetar a infraestrutura elétrica e mecânica para fornecer energia e refrigeração constantes aos servidores.
Do ponto de vista elétrico, as células de combustível e os geradores a diesel têm propriedades fundamentalmente diferentes. Para começar, os geradores a diesel produzem corrente alternada (CA), enquanto as células de combustível produzem corrente contínua (CC). Além disso, eles têm propriedades variadas ao ligar e assumir altas cargas. Isso pode fornecer novas opções para sistemas DC em um data center, embora, dependendo do tamanho do data center e das distâncias que a eletricidade pode percorrer, isso possa se tornar ineficiente.
Do ponto de vista mecânico, projetar um sistema de armazenamento de hidrogênio é significativamente mais complexo do que um sistema de armazenamento de diesel. O hidrogênio tem mais opções de armazenamento disponíveis, no entanto, apresenta riscos maiores do que o diesel, como maior inflamabilidade e explosividade, pressões mais altas, potencial para baixa temperatura ou métodos de armazenamento químico, todos perigosos. Isso, portanto, exige que o projeto mecânico de tal sistema atenda a rigorosos padrões de segurança. Consequentemente, as restrições de planejamento local podem impedir que um data center armazene hidrogênio no local – um problema específico para data centers na Europa, que geralmente estão localizados em ambientes urbanos e industriais.
Em locais típicos de data centers europeus, o terreno é caro e muitos data centers estão localizados em ambientes relativamente urbanos. Uma sugestão é uma maior integração dos sistemas de energia, com data centers localizados adjacentes a indústrias de energia ou com data centers integrados a usinas geradoras de hidrogênio e células de combustível. Essa solução evita problemas de planejamento localizando centros de dados ao lado de indústrias de energia de baixo carbono. Um grande problema com isso, além do terreno disponível, é confundir as linhas entre os operadores de data center, fornecedores de serviços públicos e empresas de energia. Embora isso dê aos operadores de data center acesso direto a energia de baixo carbono, terá que haver uma demarcação clara entre operadores de data center e operadores de serviços públicos, já que o principal negócio dos operadores de data center são dados, e não energia.
Além das considerações de projeto acima, o custo é outro obstáculo para a absorção de hidrogênio. Embora seja difícil prever exatamente como os custos irão variar na próxima década, especialmente com as recentes flutuações de custos devido à crise energética, há uma série de investimentos e subsídios sendo lançados. Estes visam produzir hidrogênio com custo competitivo em escala. Isso pode assumir a forma de subsídios, como contratos por diferença (CfDs), que podem ajudar a aumentar o investimento em tecnologia de baixo carbono. Na última década, os CfDs desempenharam um papel importante na redução do custo das energias renováveis para os desenvolvedores. Esta tem sido uma história de sucesso no Reino Unido, com a rede ganhando grandes quantidades de energia renovável.
Projete primeiro data centers mais ecológicos e limpos
Existem países em que a rede elétrica local gera energia a partir de combustíveis fósseis altamente poluentes, como o carvão. Nesse cenário, as emissões de carbono por kWh de eletricidade dessas redes são maiores do que as emissões de uma célula de combustível utilizando gás natural. Isso permite que um data center utilize SOFCs com suprimento de gás natural, o que reduz ou elimina a demanda dos data centers na rede elétrica local, além de reduzir a pegada de carbono do data center, quando comparado a um cenário em que o data center eletricidade usada de uma rede intensiva em carbono. Há também o potencial de utilizar o calor residual em um resfriador de máquina de absorção de vapor (VAM), para fornecer resfriamento e energia para maior mitigação de carbono. A Black & White Engineering projetou data centers que usam SOFCs nessa capacidade, o que pode fornecer o benefício duplo de reduzir as emissões de carbono e os custos, ao mesmo tempo em que reduz as demandas nas redes de serviços públicos locais.
No entanto, uma ressalva para os benefícios de sustentabilidade desse tipo de geração de energia no local é que, à medida que um país começa a descarbonizar sua rede de serviços públicos, a redução de emissões que o operador do data center tinha anteriormente diminuirá, até que eventualmente eles possam gerar mais emissões de carbono por kWh do que a eletricidade disponível na rede elétrica. Embora isso seja altamente dependente do país em questão, um bom exemplo disso seriam as usinas combinadas de calor e energia (CHP) no Reino Unido. Há uma década, essas usinas forneciam eletricidade de ‘baixo carbono’ em comparação com a rede da época, mas agora, em muitos casos, emitem mais carbono do que as redes locais. Países que já possuem redes descarbonizadas, como França, Suécia e Escócia, por exemplo, não se beneficiarão de um sistema contínuo que utilize inicialmente o gás natural.
Um cenário ideal para um operador de data center que utiliza esse sistema seria a disponibilização de um duto de hidrogênio com zero carbono, à medida que a rede elétrica local se torna descarbonizada. No entanto, isso também exige que o suprimento de hidrogênio seja competitivo em termos de custo com a eletricidade da concessionária. À medida que mais células de combustível PEM de início rápido entram no mercado, haverá maior flexibilidade sobre como as células de combustível podem ser usadas. As células de combustível PEM permitiriam mudanças dinâmicas na geração de energia, potencialmente permitindo opções de energia de backup ou a capacidade de fornecer serviços para a rede elétrica. Novamente, isso exigiria armazenamento significativo de hidrogênio no local ou um gasoduto de hidrogênio ‘verde’.
Nos próximos anos, se o hidrogênio ‘verde’ produzido a partir de energia renovável puder ser tão competitivo em termos de custos e tão disponível quanto os atuais combustíveis fósseis, ele oferecerá uma alternativa sustentável ao diesel para operadores de data centers. Embora as tecnologias de hidrogênio ofereçam uma solução promissora, elas são tecnologias complexas que devem ser cuidadosamente implementadas para garantir mitigação de carbono real, praticidade e economia.
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