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Aplicando geradores de motores a gás natural em data centers de Hiperescala

Os data centers modernos têm crescido para se tornarem tão grandes como instalações de escala industrial. Na maioria das vezes, são percebidos e tratados como tal pelas autoridades, bem como pelos meios de comunicação social e comunidades locais.

Isso se reflete em todas as áreas da concepção e funcionamento dos centros de dados que têm impacto na “pegada” ambiental das instalações, sobretudo na utilização de energia e na produção de energia no local.

O impacto ambiental resultante do consumo de energia é, geralmente, reduzido através da mudança para acordos de compra de energia renovável. Ao mesmo tempo, há também uma tendência evolutiva para eliminar as emissões locais por meio da substituição de geradores a diesel de reserva por tecnologias alternativas.

A tecnologia dos motores a gás de média velocidade como alternativa às soluções convencionais

Os geradores a gás de média velocidade representam uma das tecnologias alternativas mais comprovadas. O termo “média velocidade”, neste contexto, refere-se a motores alternativos com uma velocidade nominal do eixo entre 400 e 1200 rpm.

A tecnologia de motores de média velocidade é geralmente utilizada em aplicações pesadas para o funcionamento de carga de base e operação intermitente, por exemplo, em centrais elétricas de motores e navios.

O benefício da tecnologia de motores a gás em comparação com os motores a diesel é a utilização de um combustível inerentemente mais limpo. Além disso, a velocidade mais baixa do eixo oferece uma eficiência consideravelmente mais elevada (atingindo até 46%) do que aquela que é alcançada pelos típicos motores diesel de alta velocidade que são utilizados para a energia de reserva.

De fato, a tecnologia de motores alternativos é a tecnologia de motores de combustão de ciclo simples mais eficaz disponível atualmente. Dado o rendimento típico dos motores a gás de média velocidade (aproximadamente 4…12 MWe), eles são bem adequados para centros de dados maiores que requerem 10 MWe (ou mais, preferivelmente) de carga contínua.

Assim, por que essa tecnologia não foi aplicada anteriormente? No passado, a tecnologia de motores a gás, ao contrário da tecnologia de motores a diesel, era sobrecarregada com capacidades dinâmicas mais baixas para o rápido arranque e carregamento.

Com motores a diesel, os transientes de carga podem ser atendidos através de uma sobrecarga do motor com combustível, cujo inconveniente é uma densa nuvem de fumaça preta por causa da mistura não otimizada de combustível e ar.

Esta mesma abordagem não é possível com motores a gás, pois, se a relação ar-combustível no cilindro for muito baixa, pode levar à formação de uma mistura explosiva no duto de escape. Com os motores a gás modernos, porém, este problema foi superado com a ajuda da ignição e controle de combustão específicos do cilindro.

Outro desafio tem sido a exigência da indústria de armazenamento de combustível no local, o que anteriormente não era possível ou viável para as tecnologias baseadas em gás. Entretanto, a produção e a ampla utilização de tecnologias de Gás Natural Liquefeito (GNL), tais como tanques-bala de GNL ou unidades de gaseificação e liquefação, superaram este inconveniente.

Atualmente, as aplicações de GNL são comuns tanto para aplicações off-shore quanto terrestres e podem ser encontradas tão bem em um depósito de combustível de ônibus quanto em uma balsa de passageiros.

O armazenamento separado de combustível pode nem mesmo ser necessário em muitos casos, uma vez que a confiabilidade inerente da rede de gás normalmente excede os requisitos de confiabilidade do centro de dados. Por exemplo, as redes de gás não são tão propensas a terremotos e tempestades quanto as redes de transmissão e distribuição de eletricidade.

Tecnologia de motores a gás no contexto de data centers – um salto quântico ou não?

Equipes de pesquisa da Wärtsilä e da Schneider Electric escreveram, coletivamente, o artigo técnico 286: Aplicando Geradores de Motores a Gás Natural a Centros de Dados em Hiperescala, que discute como as usinas a gás podem ser praticamente integradas no projeto de centros de dados em hiperescala e quais podem ser as implicações disso.

Uma consideração óbvia é a das dimensões físicas e da capacidade elétrica dos grupos geradores, sendo o arranjo de distribuição de energia natural um modelo centralizado, em vez de um modelo distribuído. Para este fim, a Schneider Electric desenvolveu um esquema de distribuição de energia de barramento em anel.

Os estudos apresentados neste trabalho revelam, inicialmente, que, em termos de disponibilidade, o arranjo cativo centralizado de geradores a gás em uma configuração “N+R” é comparável a uma configuração típica de 2N com geradores com motor diesel combinados com uma conexão à rede na qual o “N” se refere ao número de geradores que satisfazem a carga base de projeto do centro de dados e o “R” se refere às unidades redundantes.

A fim de aumentar ainda mais a disponibilidade da solução do motor a gás, foi introduzido um novo conceito que utiliza uma conexão de rede limitada. Neste conceito, o centro de dados teria uma conexão de média tensão menor de, digamos, 10 MW, em vez de uma conexão de alta tensão em escala real.

Esta conexão seria utilizada principalmente para atuar como um fornecimento provisório para atender às revisões planejadas de motores, em vez de investir em geradores de motores a gás adicionais redundantes. Os benefícios de tal conexão são tarifas menores, uma menor capacidade de curto-circuito e um processo de licenciamento mais rápido.

Para este artigo, também foi realizada uma análise do custo total de propriedade com as tarifas e custos vigentes na Irlanda. A análise revelou novamente que uma fábrica de motor a gás cativo é comparável a uma rede de abastecimento apoiada em diesel.

E isso não leva em conta as outras fontes de receita potenciais brevemente introduzidas no artigo técnico. Estes fluxos de receitas potenciais podem ser agrupados sob os seguintes títulos:

  • Um modelo de autogeração com esquemas de recuperação de calor;
  • Um modelo de planta comercial para o comércio de energia;
  • Um modelo de implantação rápida para apoiar a construção e expansão do data center antes da conexão à rede;
  • Um modelo de propriedade dividida para investimentos menos intensivos em capital; e
  • Um modelo de cobertura de energias renováveis, no qual os data centers assumem um papel ativo no apoio à maior integração de energias renováveis voláteis.

Considerações para a geração de energia no local – leia o artigo técnico completo

Apesar dos esforços abrangentes e multidisciplinares necessários para este artigo técnico, foram identificadas várias novas áreas interessantes e desconhecidas de desenvolvimento combinado. Áreas onde tanto a Schneider Electric quanto a Wärtsilä possuem um profundo know-how tecnológico.

Estas áreas incluem, por exemplo, a utilização do calor residual da usina para o resfriamento do data center e a integração da usina com os sistemas de controle e gerenciamento do data center.

Leia o artigo técnico 286 completo: Aplicando Geradores de Motores a Gás Natural a Data Centers em Hiperescala, para entender como os geradores de motores a gás natural poderiam ser considerados para o seu data center!

 


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