Como Converter a Geração de Energia em Data Centers de Diesel em Gás

Marcelo Algrain, Ph.D.
Orientador Técnico de Engenharia Sênior
Caterpillar Inc. Electric Power Division

Outubro de 2016

Introdução

As necessidades de energia do setor de data center (DC) continuam crescendo rapidamente. Antes, os locais preferidos de DC eram próximos de fontes de energia baratas e confiáveis. Hoje, esses locais são mais difíceis de acessar, e cresce a pressão para encontrar soluções alternativas que exijam menos da rede, especialmente quando a demanda elétrica é alta.

Apesar de muitos DCs contarem com capacidade de autogeração suficiente das unidades de standby a diesel, a viabilidade de operar essas unidades para aliviar a grade não é economicamente praticável (o custo de operação seria proibitivo por causa do custo elevado do combustível) nem permitida pelas restrições atuais que limitam as horas de uso anuais. A função das unidades de emergência a diesel é essencialmente de energia de reserva no DC durante interrupções de energia em serviços públicos.  

Por outro lado, a geração à base de gás apresenta um impacto ambiental muito menor, e o custo de combustível é reduzido significativamente em comparação com a geração de energia a diesel. Além disso, alguns serviços públicos dão incentivos financeiros para reduzir o consumo em momentos de congestionamento da rede. Nessas condições, torna-se econômica e ambientalmente viável para um DC usar grupos geradores a gás na cogeração durante períodos de não emergência. Quanta cogeração seria necessária depende de cenários específicos, mas poderia ser o mínimo para suportar cargas não críticas de alimentação de toda a instalação do DC.

É desnecessário dizer que, para um setor que precisa oferecer o nível mais alto de resiliência, a ideia de trocar energia a diesel por energia a gás seria uma saída técnica que poderia ser considerada por algumas pessoas como sendo muito radical. Caso isso seja verdade, uma abordagem evolucionária por meio de etapas incrementais talvez seja preferível.  

A transição do DC de energia a diesel para energia a gás pode ser realizada de várias formas. Algumas opções estão descritas abaixo. Mesmo soluções que normalmente não seriam atrativas podem ser a solução certa em casos especiais.

Construir uma usina de energia de pico ao lado do DC

A primeira opção causaria o menor número de interrupções para DCs. A usina de pico seria despachada quando a demanda elétrica do DC precisasse ser restringida. Caberia aos proprietários dizer se a fábrica ofereceria funções adicionais de suporte à rede ou não. Se fornecesse suporte à rede, a fábrica precisaria estar em conformidade com os respectivos códigos de rede nacionais; por exemplo, IEEE 1547 nos EUA. Por outro lado, se a usina de pico precisasse dar suporte apenas ao DC e compensasse a carga sobre os serviços públicos, os códigos de rede não se aplicariam na maioria dos casos, o que simplificaria a instalação e o processo de aprovação da conexão e diminuiria o custo de capital.

Converter unidades a diesel em unidades de dois combustíveis

A conversão de unidades a diesel para uso de dois combustíveis (diesel e gás) é uma solução tecnicamente atrativa. Ela resultaria em um grupo gerador com a resposta de um motor diesel, mas com o custo de combustível próximo ao de um motor a gás. Infelizmente, no ambiente regulador atual, as unidades precisariam atender às regulamentações de um motor diesel de potência prime e exigiriam um longo pós-tratamento de escape a um custo substancial.  

Cargas de energia não críticas com unidades a gás

A terceira opção para alimentar cargas não críticas com unidades a gás daria uma resposta parcial à compensação de parte da carga do DC sobre os serviços públicos. Normalmente, cargas não críticas são responsáveis por menos de um quarto da carga total do DC. Se fosse suficiente, esse alívio poderia ser uma solução aceitável. Além disso, se o DC puder usar parte do calor gerado pelas unidades a gás como uma solução de Calor e Energia Combinados (CHP, Combined Heat and Power), esta poderá ser implantada para aumentar ainda mais a eficiência térmica.

Substituir unidades a diesel por unidades a gás que tenham capacidade maior de aceitação da carga

A substituição direta de grupos geradores a diesel por grupos geradores a gás é uma solução ideal. Embora seja uma percepção comum que unidades a gás não teriam a mesma capacidade de aceitação de carga se comparadas com as contrapartes a diesel, desenvolvimentos recentes na tecnologia do motor a gás levaram a inúmeros avanços no desempenho do motor e aumentaram significativamente a capacidade de aceitação da carga.

A Figura 1 mostra os transientes de tensão (lado esquerdo) e frequência (lado direito) para uma mudança de 75% na carga. O traço azul corresponde a um grupo gerador a gás convencional, o traço vermelho corresponde a um novo grupo gerador a gás de resposta dinâmica, e o traço verde, a um grupo gerador a diesel. Conforme mostrado na Figura 1, as capacidades de aceitação da carga da nova tecnologia do motor a gás começa a se aproximar do nível de desempenho esperado de uma unidade a diesel – até o ponto em que, em alguns casos, uma substituição direta de uma unidade a diesel por uma unidade a gás esteja ao alcance. Além disso, a otimização da sequência de carregamento, o prolongamento do tempo de ganho da UPS (Uninterruptible Power Supply, Fonte de Alimentação Ininterrupta) e a redução do tamanho das cargas de bloco podem dar forma ao perfil da carga do DC que deve estar dentro das capacidades de aceitação da carga da próxima geração de grupos geradores a gás, o que torna DCs movidos a gás uma realidade.

Usar um sistema de geração híbrido com uma combinação de unidades a gás e a diesel 

Por último, existe uma solução híbrida em que as unidades a gás e a diesel são combinadas para compensar a demanda do DC sobre o serviço público durante um congestionamento da rede enquanto mantém o desempenho do grupo gerador a diesel durante condições de emergência. Isso é possível porque, de maneira geral, a carga de estado estável em um DC varia lentamente e as demandas sobre a resposta transiente do grupo gerador não são graves. O desafio surge quando ocorre uma transição de uma fonte de energia para outra. Os grupos geradores a diesel têm sido, historicamente, capazes de lidar com essas transições sem incidentes. Por outro lado, as unidades a gás convencionais ainda não são capazes de alcançar as capacidades transitórias das unidades a diesel. No entanto, um sistema a gás-diesel híbrido seria capaz de atender às exigências de resposta transiente e oferecer recursos de geração de não emergência para aliviar a carga sobre o serviço público em momentos de demanda de pico.

A versão mais simples de um DC híbrido a diesel-gás é uma configuração de barramento paralelo com uma combinação de grupos geradores a gás e a diesel. Basicamente, os grupos geradores a gás e a diesel são conectados a um barramento paralelo com compartilhamento de carga. Como as unidades a gás normalmente teriam uma capacidade de aceitação de carga menor do que as unidades a diesel, seria vantajoso manter as unidades a gás em modo de carga base e as unidades a diesel em modo de acompanhamento de carga. A divisão de quantidade de gás e diesel deve ser selecionada com base no nível da geração de não emergência desejado durante o fornecimento da rigidez suficiente do barramento elétrico por meio dos grupos geradores a diesel para manter a qualidade da energia desejada durante condições de emergência. Embora a proporção entre diesel e gás seja diferente de caso para caso, um ponto de partida razoável seria uma divisão 50/50.

Para DCs que usem projetos modulares, em que um único grupo gerador alimenta a carga de TI (Tecnologia da Informação) por meio de UPSs, o desenvolvimento de uma configuração híbrida exige compensação mais ampla. Normalmente, sistemas modulares têm certo nível de redundância na geração, N+1 ou N+2 etc. Os grupos geradores redundantes oferecem uma oportunidade para a hibridação. A Figura 2 mostra um diagrama de linha única simplificado de um DC modular. Duas oportunidades distintas são possíveis: 

1. Grupos geradores a gás são usados para redundância, e unidades a diesel são usadas para alimentação primária
2. Grupos geradores a diesel são usados para redundância, e unidades a gás são usadas para alimentação primária

No primeiro caso, a capacidade do alívio de carga do serviço público é 1/N ou 2/N, dependendo do nível de redundância. Isso seria uma configuração dominante a diesel. O segundo caso é a configuração dominante a gás que possivelmente fornece toda a energia necessária para o DC. A conveniência de cada caso depende do nível de autogeração de não emergência desejado.

Supondo que os grupos geradores a gás não sejam totalmente capazes de alcançar a resposta transiente de aceitação da carga das unidades a diesel, vejamos como essas necessidades seriam atendidas pelo sistema híbrido. No caso 1, em que unidades redundantes são unidades a gás, esses grupos geradores podem ser usados para reduzir a carga sobre os serviços públicos durante condições de não emergência. Os grupos geradores a gás funcionariam em modo de carga base. Em caso de perda dos serviços públicos, as unidades a diesel seriam ligadas e restaurariam a energia para as UPSs normalmente, independentemente de as unidades a gás estarem funcionando ou não. No caso raro de uma das unidades a diesel deixar de ligar, a unidade a gás estaria disponível para substituir a unidade a diesel, mas a entrada da UPS no grupo gerador a gás precisaria ser diminuída até a capacidade de aceitação da carga da unidade a gás. Como alternativa, se houver mais de uma unidade a gás para substituir uma unidade a diesel com falha na partida; por exemplo, sistema N+2, ela poderá atender tranquilamente à capacidade de aceitação da carga do par de unidades a gás para suportar a entrada da UPS.

Na segunda configuração híbrida em que o grupo gerador redundante é a diesel e as primárias são a gás, existe capacidade de geração de não emergência suficiente para atender ao consumo elétrico de todo o DC sem carga sobre o serviço público. Ainda seria vantajoso permanecer conectado ao serviço público para reforçar a fonte elétrica e agregar redundância adicional. Preferencialmente, a sequência de partida ocorre enquanto se está conectado ao serviço público, de maneira que o grupo gerador a gás possa atingir um nível em que a carga de TI seja totalmente atendida pela unidade a gás e nenhuma corrente passe pelo disjuntor do serviço público associado. Se o grupo gerador a gás precisasse ser ligado na ausência do serviço público, o grupo gerador a diesel redundante forneceria a rigidez do barramento elétrico necessária para transferir a carga da TI para a unidade a gás. Esse processo precisaria ser repetido sequencialmente até todas as unidades a gás estarem ativas e em funcionamento em uma condição de partida autônoma. Esse processo prolongaria o tempo de funcionamento da UPS especialmente na última unidade a entrar. Porém, para UPSs com bateria com vários minutos de capacidade de tempo de descarga, isso não seria uma limitação porque a indexação da entrada do grupo gerador com prioridade equivaleria ao tempo em funcionamento da UPS em todas as unidades. Essa última abordagem permite que o DC reduza o consumo do serviço público até o nível quase zero durante o congestionamento da rede, além de permitir que proprietários do DC aproveitem incentivos econômicos que o serviço público possa oferecer.

Conclusão

Em resumo, este informativo descreveu várias opções para converter a geração de energia de um DC de diesel em gás. Essa migração pode ser de incremental à conversão total. A decisão de até aonde ir seria motivada principalmente pela extensão do alívio à rede necessário em tempos de alta demanda elétrica e pelos incentivos econômicos para reduzir o consumo elétrico externo do data center por meio do uso da cogeração. As tendências atuais indicam que o congestionamento da rede elétrica continuará aumentando à medida que usinas de energia herdadas estão sendo descomissionadas e a penetração de recursos renováveis e de geração de energia variáveis aumenta. Para combater a volatilidade emergente no mercado de energia elétrica, a geração de energia a gás oferece uma solução resiliente, ambiental e economicamente boa para unidades de DC. O custo do gás natural está em um ponto historicamente baixo e a oferta é abundante. Um estudo1 encomendado pelo US Department of Defense concluiu que o sistema de gás natural costuma ser suficientemente robusto para lidar com interrupções de duas semanas a três meses na rede de eletricidade. Historicamente, têm havido pouquíssimas interrupções de energia no sistema de distribuição de gás natural, com bons contratos de distribuição com mais de 99,999% de confiabilidade. Em suma, o gás natural é uma opção viável para alimentar um data center.

¹Fontes: Departamento de Defesa: Interdependence of the Electricity Generation System and the Natural Gas System and Implications for Energy Security- 2013