• Estrategias de energía para Data Centers

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Objetivos de aprendizaje

  1. 1. Comprender las diferentes estrategias utilizadas para distribuir la energía en un Data Center.
  2. 2. Aprender a medir la eficiencia energética de los Data Centers.
  3. 3. Conocer qué distribución de la variación es la más apropiada para la aplicación.

La corriente alterna (CA) de Nikola Tesla frente a la corriente continua (CC) de Thomas Edison es una batalla que lleva abierta desde hace más de un siglo y aún hoy continúa vigente en el sector de los Data Centers. Aunque la alimentación en CA es el estándar, por su potencial para reducir las pérdidas por conversión y su mejor eficiencia, muchos piensan que la CC es el futuro de la distribución en los Data Centers. Sin embargo, otros creen que se puede lograr el mismo nivel de eficiencia con la corriente alterna utilizando equipos más eficientes con una distribución de tensión más alta, como, por ejemplo, 415/230 V y 480/277 V.

Así que, ¿cómo saber cuál es la mejor estrategia de alimentación para su aplicación de Data Centers? ¿Cuáles son las ventajas y desafíos de cada tecnología de distribución modular? Estas son preguntas importantes que se han de estudiar durante la planificación de un Data Center. El objetivo de este artículo es echar un vistazo más de cerca a las diferentes estrategias de alimentación que se utilizan para distribuir la energía y cómo afectan a los Data Centers.

Eficiencia eléctrica

Uno de los indicadores más comunes para medir la eficiencia en los Data Centers es la eficacia del consumo de la energía (PUE) creado por The Green Grid. Este indicador compara la potencia total de la instalación del Data Center con respecto a la energía empleada para ejecutar los equipos de IT. El Data Center óptimo tendría un valor PUE de 1,0, donde toda la energía que entra en el Data Center se utiliza directamente para alimentar los equipos IT. Cualquier valor por encima de 1,0 significa que una parte del total de la energía de la instalación se está desviando a los sistemas de apoyo del Data Center, tales como la refrigeración, la iluminación y el sistema de alimentación. Cuanto mayor sea el índice de PUE, mayor será la parte de la energía consumida por los sistemas de apoyo en comparación con la de los propios equipos IT, lo que resulta en un Data Center menos eficiente.

En los últimos años, cuando se quería reducir el PUE y aumentar la eficiencia, se centraba la atención especialmente en los sistemas mecánicos y en la capacidad para utilizar la refrigeración free cooling. Con los esfuerzos de los dueños de los Data Center por reducir aún más los costes, la atención se ha ido desplazando hacia los sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos desperdician energía en forma de pérdidas debido a las ineficiencias de los equipos eléctricos y del sistema de distribución. De media, las pérdidas del sistema de distribución eléctrica representan el 12 % de la energía total consumida por el Data Center. Para un Data Center de 2000 kW de carga con equipos IT (carga total de 2700 kW), que equivale a un coste anual de 280.000 dólares (véase la Figura 2).

Figura 2: En este ejemplo de consumo de energía de un Data Center, la carga de los equipos IT constituye la mayor parte de la carga eléctrica. Cortesía de: Jacobs


Consejos de diseño del sistema de alimentación

Revise estos seis elementos clave a la hora de planificar un sistema de distribución modular de un Data Center:

  • Instale o reemplace los equipos de alimentación y de IT existentes por equipos de alta eficiencia energética
  • Revise los equipos de IT propuestos para determinar si los sistemas pueden funcionar a 240 VCA o a 380 VCC.
  • Revise todas las ventajas y dificultades de los diferentes sistemas de alimentación
  • Determine qué parte de la infraestructura existente necesitaría sustituir para cambiar los sistemas de alimentación
  • Incluya en el diseño del sistema de alimentación una cierta flexibilidad que permita adaptar el Data Center a necesidades futuras
  • Diseñe un sistema de alimentación que sea modular y escalable para eliminar la carga parcial

Al igual que ocurre con los sistemas mecánicos, es posible realizar modificaciones en el sistema eléctrico para que sea más eficiente y ahorrar energía. La clave para lograr un buen diseño de instalación para misiones críticas no es degradar la fiabilidad de la instalación en el proceso.

Sistemas típicos de distribución eléctrica

El típico sistema heredado de distribución eléctrica para Data Centers consta de cinco componentes principales. Se suministra energía al Data Center en media tensión desde una fuente de energía, bien de la red, bien del generador. La alimentación de media tensión se rebaja a la tensión de distribución (480 V) mediante un centro de transformación. Después, la alimentación pasa a través de un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) que condiciona la alimentación y ofrece la posibilidad de seguir funcionando, aunque se produzca un corte de luz, hasta que se inicie el generador. Después, la alimentación vuelve a reducirse hasta la tensión del centro de transformación (208/120 V) mediante una unidad de distribución modular (PDU). La PDU suministra energía a la fuente de alimentación de los equipos IT donde se rectifica y se reduce hasta los 12 VCC, que es la tensión de funcionamiento interno de los equipos IT (ver figura 3).


Figura 3: El típico sistema heredado de distribución eléctrica para Data Centers consta de cinco componentes principales. Cortesía de: Jacobs

Los cuatro componentes de sistema heredado de distribución eléctrica con las mayores pérdidas son:

  • Transformador de subestación: Transformador sin carga y pérdidas en el núcleo
  • SAI: Pérdidas del rectificador y del inversor
  • Transformador de PDU: Transformador sin carga y pérdidas en el núcleo
  • Alimentación de equipos IT: Pérdidas del rectificador y del transformador.

Un método para aumentar la eficiencia es sustituir aquellas partes del equipo que puedan sustituirse por otras más eficientes. Antes de 2005, cuando se aprobó la Guía TP1 NEMA para la Determinación de la eficiencia energética para transformadores de distribución, la eficiencia de los transformadores era de alrededor del 97 %. Actualmente, con los transformadores de ultra alta eficiencia se alcanza el 99,5 %. Los sistemas de SAI de doble conversión convencionales tienen una eficiencia que va desde el 84 % con una carga del 25 % al 94 % con una carga del 100 %. Si se usa topología de SAI en espera pasiva o con volante de inercia se puede aumentar ese rango hasta el 94 % de eficiencia con carga del 25 % y el 99 % con 100 % de carga.

Otro método para aumentar la eficiencia es eliminar la carga parcial del Data Center. La eliminación de la carga parcial reduce las pérdidas al permitir al equipo funcionar con su eficiencia operativa máxima. Esto se puede realizar mediante el diseño de un sistema de alimentación que sea modular y escalable, uno que pueda crecer con la carga, o mediante el diseño de un sistema de alimentación que utilice niveles flexibles y que se corresponda con la fiabilidad y la redundancia para los distintos programas dentro del Data Center.

Un tercer método es eliminar por completo los equipos eléctricos ineficientes. Aumentar la eficiencia eliminando los equipos responsables de la mayoría de las pérdidas es el motivo por el cual se están investigando diferentes estrategias de distribución modular para Data Centers.

Distribución a 415/240 VCA

Una estrategia de distribución modular que se está utilizando cada vez más en Data Centers es 415/240 VCA. Esta estrategia elimina la PDU y distribuye energía en forma de una tensión más alta desde el SAI directamente al armario del servidor. El objetivo principal es ganar eficiencia al eliminar las pérdidas del transformador asociadas a la PDU y al permitir que las cargas de IT operen de manera más eficiente a una tensión más alta (véase la Figura 4).

En Norteamérica, el sistema de distribución modular estándar se configura “en estrella”, con una tensión de fase a fase de 208 V y una tensión entre fase y neutro de 120 V. En Europa, el sistema de distribución modular estándar tiene la misma configuración “en estrella”, pero con distribución a una tensión más alta. La tensión entre fases es de 415 V y la tensión entre fase y neutro es de 240 V.

Con objeto de alcanzar un estándar común entre América del Norte y Europa, se han desarrollado fuentes de alimentación para IT que dan cabida a una amplia gama de tensiones desde 100 a 240 V. El concepto que subyace a esta estrategia de suministro es promocionar las fuentes de alimentación para IT hacia el lado alto de su gama de tensiones (240 V) y usar una tensión europea ya establecida.

Figura 4: En una configuración del sistema de distribución modular a 415/240 VCA (arriba), el objetivo principal es ganar eficiencia eliminando las pérdidas del transformador asociadas a la PDU y permitiendo que las cargas de IT operen de manera más eficiente a una tensión más alta. En

Ventajas:

  • Eficiencia energética (reducción de pérdidas de entre el 5% y el 7%)
  • Reducción de la carga en los sistemas de refrigeración
  • Mayor fiabilidad
  • Conductores de alimentadores y circuitos derivados más pequeños para suministrar la misma cantidad de energía
  • Ganancia de espacio libre en el Data Center (se eliminan dos armarios por PDU)
  • Reducción de los costes de mantenimiento (sistemas mecánicos y PDU)
  • Equipos de distribución modular fácilmente disponibles.

Inconvenientes:

  • Mayores niveles de intensidad de defecto disponibles
  • La posibilidad de descargas de arco eléctrico requiere más y mejores equipos de protección individual (EPI) para trabajar en los equipos
  • Se requiere un conductor neutro completo por todo el sistema
  • Influencias de armónicos en el resto del sistema.

La principal dificultad de un sistema de distribución a 415/240 VCA es los altos niveles de la intensidad de defecto disponibles. Al eliminar las PDU del sistema también se elimina la impedancia del transformador que limita las intensidades de defecto disponibles aguas abajo en el Data Center.

Por lo tanto, se recomienda llevar a cabo un análisis de cortocircuito en una etapa temprana del diseño para determinar la especificación de corriente de interrupción disponible (AIC) de todos los equipos eléctricos y para garantizar que el equipo es capaz de soportar la mayor corriente de interrupción. Una opción a considerar cuando se diseña un sistema a 415/240 VCA es dividir el sistema de distribución en partes más pequeñas y modulares. Al utilizar transformadores de subestación de alta impedancia más pequeños, el ingeniero puede reducir la intensidad de defecto global en todo el sistema. Otra opción que se debe considerar es el uso de dispositivos de limitación de la intensidad. Dado que los dispositivos de limitación de la intensidad tienden a tener un rápido tiempo de reacción, también se recomienda que se realice un estudio de coordinación para verificar que no se ha visto afectada la fiabilidad del sistema.

Distribución a 480/277 VCA

La estrategia de distribución de alimentación a 480/277 VCA es similar a la de 415/240 VCA en cuanto a que elimina la PDU y distribuye energía a una tensión superior directamente al armario del servidor. El objetivo principal, las ventajas y los retos de la estrategia de distribución de alimentación a 480/277 VCA son exactamente las mismas que la estrategia de distribución de alimentación a 415/230 VCA (véase la Figura 5).

Figura 5: La configuración de la distribución de alimentación (que se muestra aquí) a 480/277 VCA es exactamente la misma que en la estrategia de distribución de alimentación a 415/230 VCA. Cortesía de: Jacobs

Una desventaja importante de la estrategia de distribución de alimentación a 480/277 VCA es que 277 V es superior a los 240 V especificados para la mayoría de las fuentes de alimentación de los equipos de IT. La implementación de esta estrategia requiere comprar servidores a medida con fuentes de alimentación diseñadas para funcionar a 277 V. Por esta razón, la estrategia de distribución de alimentación a 480/277 VCA no es tan frecuente como la estrategia de distribución de alimentación a 415/240 VCA. Actualmente solo se utiliza en grandes instalaciones en las que el ahorro energético es superior al coste de servidores personalizados debido al alto volumen de servidores adquiridos.

Distribución a 600 VCA

La estrategia de distribución de alimentación a 600 VCA se basa en el uso de la tensión de la norma canadiense a 575/347 VCA. La potencia se reduce hasta 600 VCA en el transformador de la subestación y se distribuye al SAI. Luego se distribuye desde el SAI a 600 VCA a una PDU situada cerca del Data Center. En la PDU, la tensión se reduce a 415/240 V o a 208/120 V y se distribuye a los equipos de IT (véase la Figura 4).

Ventajas:

  • Reducción del coste en cobre (buses en los equipos y alimentadores más pequeños para entregar la misma cantidad de potencia)
  • Utilización del régimen completo de los equipos eléctricos a 600 V
  • Menor intensidad de defecto disponible (impedancia del transformador de las PDU).

Inconvenientes:

  • No hay ninguna ganancia de eficiencia (pérdidas del transformador de las PDU)
  • No hay ninguna ganancia de espacio libre en el Data Center
  • No hay reducción de los costes de mantenimiento.

Aunque la estrategia de distribución a 600 VCA no elimina las pérdidas del transformador de las PDU ni reduce los costes de mantenimiento, puede reducir los costes iniciales en gastos de capital. Un sistema de 600 VCA aprovecha que la intensidad es menor a tensiones más altas, lo cual da como resultado conductores más pequeños o un número menor de conductores. Al utilizar menos conductores o conductores más pequeños reducirá la cantidad de cobre y el coste. Unas mayores tensiones también permiten centros de transformación más grandes. Dependiendo del tamaño del Data Center, se podría reducir el número total de centros de transformación utilizando centros más grandes.

Alimentación a 380 VCC

Contrariamente a lo que se podría pensar, la alimentación con corriente continua es muy común en el mundo actual. Las industrias de telecomunicaciones y de transporte utilizan corriente continua desde hace años. Las fuentes de generación de energías alternativas y renovables, como la energía solar, energía eólica y las pilas de combustible son fuentes de energía basadas en corriente continua. La mayoría de los dispositivos electrónicos en los hogares residenciales y de oficinas operan internamente con corriente continua. Y, lo más importante, los dispositivos de almacenamiento de energía tales como baterías y SAI funcionan con corriente continua.

Cuando nos fijamos en un típico sistema tradicional de distribución para Data Centers, la potencia se rectifica de CA a CC, se invierte de CC a CA, se transforma de 480 VCA a 208 VCA, se rectifica de nuevo de CA a CC y luego se transforma a 12 VCC antes de alimentar los equipos de IT. Cada vez que se convierte la energía, se producen pérdidas en forma de calor que reducen la eficiencia energética.

La estrategia de distribución modular a 380 VCC distribuye alimentación de CC desde el SAI (rectificador de CC) directamente a la fuente de alimentación de IT. El objetivo principal es ganar eficiencia al eliminar las pérdidas del inversor del SAI, las pérdidas del rectificador de la fuente de alimentación de IT y las pérdidas del transformador asociadas con las PDU (véase la Figura 4).

Figura 8: Esta implementación de modelado de información de edificios (BIM) es una planta de Data Center de alta densidad. Este Data Center se configuró con SAI redundantes aislados y utilizó distribución de 415/240 VCA a los armarios. Cortesía de: Jacobs


Ventajas:

  • Eficiencia energética (reducción de las pérdidas de entre el 8 % y el 10 %)
  • Reducción de la carga en los sistemas de refrigeración
  • Mayor fiabilidad
  • Menor huella física
  • Se integra con fuentes de energías alternativas
  • Menores costes de mantenimiento.

Inconvenientes:

  • Conocimientos limitados y dificultad para encontrar electricistas con experiencia en sistemas de corriente continua
  • La CC no pasa por cero, resulta difícil extinguir el arco
  • Es preciso tener en cuenta la caída de tensión en los alimentadores positivos y negativos
  • Peligros del arco eléctrico de CC (NFPA 70E proporciona directrices para la protección contra descargas de arco eléctrico de CC).

Además del limitado número de electricistas con experiencia en corriente continua, el principal desafío que ha presentado la CC hasta ahora ha sido la falta de normas. Sin embargo, eso está empezando a cambiar. Tanto el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) y la Alianza EMerge han estandarizado la tensión de 380 VCC y han publicado directrices para la distribución modular de CC.

A menos que el Data Center esté totalmente alimentado por una fuente de energía alternativa, como pilas de combustible, lo más probable es que reciba alimentación de CA de la red pública. En un sistema de alimentación de CC, el SAI se utiliza para rectificar la energía para convertirla de CA a CC. Debido a que la distribución al Data Center es de corriente continua, cualquier derivación del SAI también necesitará un rectificador. En consecuencia, los sistemas de corriente continua son más rentables en un sistema totalmente redundante (Nivel IV) en el que se utilice un segundo SAI (rectificador de CC) como derivación. Entre los aspectos adicionales a tener en cuenta en el diseño de un sistema de distribución modular de CC se incluyen el uso de dispositivos de protección dimensionados adecuadamente para su uso en sistemas de corriente continua y siguiendo los requisitos específicos para un sistema de puesta a tierra de CC (consulte la norma IEEE 1100-2005 - Prácticas recomendadas de IEEE para alimentación y puesta a tierra de equipos electrónicos).

Con el fin de aumentar la eficiencia y reducir el coste, se están empezando a utilizar distintas estrategias de alimentación para la distribución modular al Data Center. Tanto si se desea actualizar o ampliar un Data Center existente, como construir uno nuevo, el diseño del sistema de distribución modular es una parte fundamental del plan y debe ser evaluado para determinar qué sistema es el más adecuado para su aplicación.

Figura 6: Se muestra el antiguo sistema de distribución modular a 208/120 VCA en un diagrama para una sola línea. Cortesía de: Jacobs


Estudio de caso teórico

Las dos estrategias de alimentación para distribuir energía al Data Center que parecen estar consiguiendo más popularidad incluyen la arquitectura a 415/240 VCA y la arquitectura a 380 VCC.

Jacobs-KlingStubbins llevó a cabo un estudio de caso teórico para comparar los gastos de capital (CAPEX) y los gastos operativos (OPEX) de estas dos estrategias de distribución modular frente al típico Data Center a 208/120 VCA. El estudio de caso se basó en un Data Center simplificado teórico con una carga de IT de 2 MW, redundancia 2 N (Nivel IV), seis módulos de SAI de 750 kVA y 30 armarios de 5 kW por fila.

El sistema a 415/240 VCA presentaba un 12 % de ahorro en gastos de capital y un 20 % de ahorro en gastos operativos en comparación con la distribución antigua a 208/120 VCA del Data Center. El sistema a 380 VCC alcanzaba un 14% de ahorro en gastos de capital y un 28 % de ahorro en gastos operativos en comparación con la distribución antigua a 208/120 VCA del Data Center. Cabe señalar que a diferencia de los sistemas antiguos y a 415 VCA, los sistemas a 380 VCC utilizaban SAI (rectificadores de CC) redundantes como bypass y no incluían una derivación aparte en cada uno de los SAI.

Figura 7: El diagrama para una sola línea del sistema de distribución modular a 380 VCC muestra los SAI redundantes (rectificadores de CC) como derivaciones y no incluye un bypass aparte en cada SAI. Cortesía de: Jacobs



Kenneth Kutsmeda es Director de Diseños de Ingeniería de Jacobs (KlingStubbins) en Filadelfia. Durante más de 18 años, ha sido responsable de la ingeniería, el diseño y la puesta en marcha de sistemas de distribución modular para instalaciones críticas. Su experiencia en proyectos incluye Data Centers, edificios especializados en investigación y desarrollo e instalaciones tecnológicas a gran escala con distribución a media tensión.

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