• Estratégias de energia para data centers

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Objetivos do aprendizado

  1. 1. Entender as diferentes estratégias usadas para distribuir energia em um data center.
  2. 2. Aprender a medir a eficiência energética em data centers.
  3. 3. Saber qual variante de distribuição é a mais apropriada para a aplicação.

A corrente alternada (ca) de Nikola Tesla versus a corrente contínua (cc) de Thomas Edison é uma batalha que já dura mais de um século e continua até hoje no setor de data centers. Embora a alimentação por corrente alternada seja o padrão, com base em seu potencial para eliminar perdas de conversão e melhorar a eficiência, muitos acreditam que a alimentação em corrente contínua seja o futuro da distribuição para data centers. Outros ainda acreditam que o mesmo nível de eficiência pode ser conseguido com corrente alternada, usando equipamentos mais eficientes, com distribuição de tensão mais elevada, como 415/230V e 480/277V.

Portanto, como saber qual estratégia energética é a melhor para aplicação no seu data center? Quais são as vantagens e os desafios de cada tipo de técnica de distribuição de energia? Essas perguntas são importantes pois precisam ser avaliadas ao planejar um data center. O objetivo deste artigo é olhar mais atentamente as diferentes estratégias energéticas que estão sendo usadas para distribuir energia e como elas afetam o data center.

Eficiência elétrica

Uma das métricas mais comuns para medir a eficiência em data centers é a eficácia do uso da energia (PUE) criada pela The Green Grid. Ela compara a energia total na instalação do data center, com a energia usada para manter os equipamentos de TI funcionando. O data center ideal deveria ter um valor de PUE de 1,0, que indica que toda a energia fornecida ao data center está sendo usada, diretamente, para alimentar os equipamentos de TI. Qualquer valor acima de 1,0 significa que uma parte da energia total da instalação está sendo desviada para sistemas de suporte do data center, como sistema de resfriamento, iluminação e distribuição de energia. Quanto mais alto o número da PUE, maior a quantidade de energia que é consumida pelos sistemas de suporte, com relação aos próprios equipamentos de TI, resultando em um data center menos eficiente.

Nos últimos tempos, o foco principal com a redução da PUE e o aumento da eficiência foi nos sistemas mecânicos e na capacidade de usar resfriamento natural. Como os proprietários de data centers estão se esforçando para reduzir ainda mais o custo, o foco mudou para os sistemas elétricos. Os sistemas elétricos desperdiçam energia sob a forma de perdas, devido a ineficiências nos equipamentos elétricos e no sistema de distribuição. Em média, o sistema de distribuição elétrica perde cerca de 12% da energia total consumida pelo data center. Para um data center com 2000 kW de carga de TI (carga total de 2700 kW), isso equivale a um custo anual de US$280.000 (veja a Figura 2).

Figura 2: Nesse exemplo de consumo de energia do data center, a carga de TI constitui a maior parte da carga elétrica. Cortesia da: Jacobs


Dicas de projeto do sistema de energia

Analise estes seis itens principais, ao planejar um sistema de distribuição de energia para data center:

  • Instale ou substitua os equipamentos de energia e de TI existentes por equipamentos eficientes em termos de energia.
  • Analise os equipamentos de TI propostos, para determinar se os sistemas podem operar em 240 Vca ou 380 Vcc
  • Analise todas as vantagens e os desafios dos diferentes sistemas de energia
  • Determine o quanto da infraestrutura existente precisaria ser substituída para alterar os sistemas de energia
  • Projete a flexibilidade no sistema de energia que permitirá que o data center se adapte no futuro
  • Projete um sistema de energia que seja modular e escalável, para eliminar carregamento parcial

Da mesma forma que nos sistemas mecânicos, modificações podem ser feitas no sistema elétrico para torná-lo mais eficiente e economizar energia. A chave para um bom projeto de uma instalação de missão crítica é não reduzir a confiabilidade da instalação, nesse processo.

Sistemas de distribuição elétrica típicos

O sistema de distribuição elétrica típico de um data center tradicional é formado por cinco componentes principais. A energia é fornecida ao data center em média tensão (MT) a partir de uma fonte de energia da rede elétrica/gerador. A energia é reduzida da tensão média para a tensão de distribuição (480 V) por um transformador de subestação. A energia passa, então, por um sistema no-break (UPS) que condiciona a energia e fornece alimentação reserva durante uma queda de energia, até o gerador ligar. A energia é então reduzida para a tensão da subestação (208/120 V) por uma unidade de distribuição de energia (PDU). A PDU fornece energia para a fonte de alimentação de TI, onde ela é retificada e reduzida a 12 Vcc, que é a tensão operacional interna dos equipamentos de TI (veja a Figura 3).


Figura 3: O sistema de distribuição elétrica típico de um data center tradicional é formado por cinco componentes principais. Cortesia da: Jacobs

Os quatro componentes no sistema de distribuição elétrica antigo com as maiores perdas são:

  • Transformador da subestação: Transformador sem carga e perdas do núcleo
  • No-break: Perdas do retificador e do inversor
  • Transformador de PDU: Transformador sem carga e perdas do núcleo
  • Fonte de alimentação da TI: Perdas do retificador e do transformador.

Um método para aumentar a eficiência é substituir esses equipamentos por equipamentos mais eficientes. Antes de 2005, quando o Guia para Determinar a Eficiência Energética para Transformadores de Distribuição da NEMA TP1 foi adotado, as eficiências dos transformadores giravam em torno de 97%. Hoje, com transformadores altamente eficientes, essa eficiência está acima de 99,5%. Os sistemas no-break de conversão dupla convencionais têm uma eficiência que varia de 84% com uma carga de 25% a 94% com uma carga de 100%. O uso da topologia no-break em espera passiva ou tipo flywheel pode aumentar o intervalo para 94% de eficiência com uma carga de 25% e 99% com uma carga de 100%.

Outro método para aumentar a eficiência é eliminar o carregamento parcial do data center. A eliminação do carregamento parcial reduz perdas, permitindo que os equipamentos funcionem em sua eficiência operacional máxima. Isso pode ser feito projetando-se um sistema de energia que seja modular e escalável, que cresça com a carga, ou projetando-se um sistema de energia que use camadas flexíveis e corresponda a confiabilidade e a redundância aos diferentes programas dentro do data center.

Um terceiro método é eliminar totalmente o equipamento elétrico ineficaz. Aumentar a eficiência, eliminando os equipamentos que apresentam as maiores perdas é a razão por que diferentes estratégias energéticas estão sendo investigadas para distribuição da energia em data centers.

Distribuição de 415/240 Vca

Uma estratégia de distribuição de energia que está se tornando mais amplamente usada no data center é a de 415/240 Vca. Essa estratégia elimina a PDU e distribui energia na forma de tensão mais alta do no-break, direto para o gabinete do servidor. O objetivo principal é aumentar a eficiência, eliminando as perdas do transformador associadas à PDU e permitir que as cargas de TI operem de forma mais eficiente em uma tensão mais elevada (veja a Figura 4).

Na América do Norte, o sistema de distribuição de energia padrão é instalado em uma configuração “estrela”, com uma tensão fase a fase de 208 V e uma tensão fase a neutro de 120 V. Na Europa, o sistema de distribuição de energia padrão é instalado na mesma configuração “estrela”, mas com uma distribuição de tensão mais elevada. A tensão fase a fase é de 415 V e a tensão fase a neutro é de 240 V.

Em um esforço para padronizar entre a América do Norte e a Europa, as fontes de energia de TI foram desenvolvidas para atender a uma variedade de tensões de 100 a 240 V. O conceito por trás dessa estratégia energética é impulsionar a fonte de energia da TI para o lado alto de sua faixa de tensão (240 V) e usar uma tensão europeia estabelecida.

Figura 4: Em uma configuração do sistema de distribuição de energia em 415/240 Vca (na parte superior), o objetivo principal é aumentar a eficiência, eliminando as perdas do transformador associadas à PDU e permitir às cargas de TI operarem de forma mais eficiente em uma tensão mais elevada. Em

Vantagens:

  • Eficiência energética (de 5% a 7% de redução das perdas)
  • Carga reduzida nos sistemas de resfriamento
  • Confiabilidade melhorada
  • Bitolas menores dos condutores do alimentador e de ramais elétricos para fornecer a mesma quantidade de energia
  • Ganho de espaço vazio no data center (dois gabinetes por PDU eliminada)
  • Custos de manutenção reduzidos (PDU e sistemas mecânicos)
  • O equipamento de distribuição de energia está prontamente disponível no mercado.

Desafios:

  • Níveis mais altos de corrente de falta disponível
  • Arcos elétricos potenciais requer equipamentos de proteção individual (EPI) de nível mais elevado, para trabalhar nos equipamentos
  • Condutor neutro a 100%, necessário em todo o sistema
  • Influências harmônicos no restante do sistema.

O principal desafio em um sistema de distribuição de 415/240 Vca são os altos níveis de corrente de falta disponível A remoção da PDU do sistema elimina também a impedância do transformador que limita a corrente de falta disponível a jusante no data center.

Portanto, recomendamos que uma análise de curto circuito seja executada no início do projeto, para determinar o valor nominal da corrente de interrupção disponível (AIC) de todo o equipamento elétrico e para garantir que o equipamento consiga suportar a corrente de interrupção mais elevada. Uma opção a ser considerada ao projetar um sistema de 415/240 Vca é desmembrar o sistema de distribuição em mais partes menores modulares. Ao usar transformadores de subestações de alta impedância menores, o engenheiro consegue reduzir a corrente de falta geral em todo o sistema. Outra opção a considerar é o uso de dispositivos de limitação de corrente. Como os dispositivos de limitação de corrente tendem a ter um tempo de reação rápido, também recomendamos que um estudo de coordenação seja realizado para verificar se a confiabilidade do sistema não foi afetada.

Distribuição de 480/277 Vca

A estratégia de distribuição de energia em 480/277 Vca é semelhante à de 415/240 Vca, em que se elimina a PDU e se distribui a energia em uma tensão mais alta direto no gabinete do servidor. O objetivo principal, as vantagens e os desafios da estratégia de distribuição de energia em 480/277 Vca são exatamente iguais aos da estratégia de distribuição de energia em 415/230 Vca (veja a Figura 5).

Figura 5: O objetivo principal, as vantagens e os desafios da configuração de distribuição de energia em 480/277 Vca (mostrada aqui) são exatamente os mesmos da estratégia de distribuição de energia em 415/230 Vca. Cortesia da: Jacobs

A principal desvantagem da estratégia de distribuição de energia em 480/277 Vca é que 277 V está acima do valor nominal de 240 V da maioria das fontes de energia para os equipamentos de TI. A implementação dessa estratégia requer a compra de servidores personalizados, com fontes de alimentação projetadas para operar em 277 V. Por esse motivo, a estratégia de distribuição de energia em 480/277 Vca não é tão predominante quanto a estratégia de distribuição de energia em 415/240 Vca. Atualmente, ela é usada somente em instalações muito grandes, em que a economia de energia compensa o custo de servidores personalizados, devido ao alto volume de servidores que são adquiridos.

Distribuição em 600 Vca

A estratégia de distribuição de energia em 600 Vca baseia-se no uso da tensão canadense padrão de 575/347 Vca. A energia é reduzida a 600 Vca no transformador da subestação e distribuída para o sistema no-break. A energia é então distribuída do sistema no-break a 600 Vca para uma PDU localizada próxima ao data center. Na PDU, a tensão é reduzida para 415/240 V ou 208/120 V e distribuída para os equipamentos de TI (veja a Figura 4).

Vantagens:

  • Redução no custo dos fios de cobre (barramentos de equipamentos menores e alimentadores menores para fornecer a mesma quantidade de energia)
  • Uso do valor nominal completo de equipamentos elétricos de 600 V
  • Corrente de falta disponível mais baixa (impedância do transformador da PDU).

Desafios:

  • Nenhum ganho em eficiência (perdas do transformador da PDU)
  • Nenhum ganho de espaço livre no data center
  • Nenhuma redução nos custos de manutenção.

Embora a estratégia de distribuição em 600 Vca não elimine as perdas do transformador da PDU ou reduza os custos de manutenção, ela pode reduzir os custos iniciais de despesas de capital. Um sistema de 600 Vca tem a vantagem da corrente reduzida em tensões mais altas, resultando em condutores de menor bitola ou em menos condutores. O uso de condutores de menor bitola ou de menos condutores reduzirá essa quantidade de fios de cobre e reduzirá também o custo. A tensão mais elevada também permite subestações maiores. Dependendo do tamanho do data center, o uso de subestações maiores pode resultar em uma redução no número total de subestações necessárias.

Alimentação em 380 Vcc

Ao contrário do que se pensa, a alimentação de corrente contínua é muito comum atualmente. Os setores de telecomunicações e de transporte têm usado alimentação em corrente contínua há anos. Fontes de geração de energia alternativa e renovável, como energia solar, energia eólica e células de combustível são fontes de energia baseadas em corrente contínua. A maioria dos dispositivos eletrônicos em residências e escritórios funciona internamente com alimentação por corrente contínua. E o mais importante, dispositivos de armazenamento de energia, como baterias e sistemas no-break, funcionam com alimentação por corrente contínua.

Quando você analisa um sistema de distribuição tradicional de data center típico, a alimentação é retificada de corrente alternada para corrente contínua, invertida de corrente contínua para corrente alternada, transformada de 480 Vca em 208 Vca, retificada novamente de ca para cc e, em seguida, transformada em 12 Vcc, antes de alimentar os equipamentos de TI. Sempre que a energia é convertida, ocorrem perdas na forma de calor, resultando em uma diminuição na eficiência energética.

A estratégia de distribuição de energia em 380 Vcc distribui energia cc do no-break (retificador de cc) direto para o suprimento de energia para a TI. O principal objetivo é aumentar a eficiência eliminando as perdas do inversor no no-break, as perdas do retificador no suprimento de energia para a TI e as perdas do transformador associadas à PDU (veja a Figura 4).

Figura 8: Essa interpretação da modelagem de informações do edifício (BIM) é de um andar de data center de alta densidade. O data center foi configurado com sistemas no-break redundantes isolados e usou distribuição de 415/240 V para os gabinetes. Cortesia da: Jacobs


Vantagens:

  • Eficiência energética (de 8% a 10% de redução das perdas)
  • Carga reduzida nos sistemas de resfriamento
  • Confiabilidade melhorada
  • Menor área física ocupada
  • Integra-se a fontes de energia alternativas
  • Custos de manutenção reduzidos.

Desafios:

  • Conhecimento limitado e dificuldade de encontrar eletricistas com experiência em sistemas de corrente contínua
  • A corrente contínua não passa pelo nível zero, assim é difícil extinguir um arco
  • É preciso contar com a queda de tensão no positivo e negativo dos alimentadores
  • Riscos de arco elétrico em cc (a NFPA 70E fornece diretrizes para proteção contra arco elétrico em cc).

Além do número limitado de eletricistas com experiência em alimentação de corrente contínua, o principal desafio com alimentação contínua no passado era a falta de normas. Isso, no entanto, está começando a mudar. Tanto o European Telecommunications Standards Institute (ETSI) como o EMerge Alliance padronizaram a tensão de 380 Vcc e criaram diretrizes para a distribuição de alimentação em corrente contínua.

A menos que o data center seja completamente energizado por uma fonte alternativa de energia, como células de combustível, é bastante provável que seja fornecida alimentação em corrente alternada pela concessionária de energia. Em um sistema de alimentação em corrente contínua, o no-break é usado para retificar a alimentação, de corrente alternada para corrente contínua. Como a distribuição para o data center é em corrente contínua, qualquer derivação do sistema no-break também precisará de um retificador. Consequentemente os sistemas de corrente contínua são mais econômicos em um sistema completamente redundante (Camada IV) em que um segundo no-break (retificador de corrente contínua) é usado como derivação. Outros itens que devem ser considerados ao projetar um sistema de distribuição de alimentação em corrente contínua incluem o uso de dispositivos de proteção adequados dimensionados para uso em sistemas de corrente contínua e requisitos específicos para um sistema de aterramento de corrente contínua (consulte a Norma IEEE 1100-2005 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Prática recomendada pela IEEE para energização e aterramento de equipamentos eletrônicos).

Em um esforço para melhorar a eficiência e reduzir custos, diferentes estratégias para distribuir a energia para data centers estão começando a ser usadas. Se você estiver planejando atualizar um data center existente, expandir ou construir um novo data center, o projeto do sistema de distribuição de energia é uma parte vital do plano e deve ser avaliado para determinar qual sistema é o mais correto para a aplicação.

Figura 6: A figura mostra o sistema de distribuição de energia antigo em 208/120 Vca em um diagrama unifilar. Cortesia da: Jacobs


Estudo de caso teórico

As duas estratégias para distribuir energia para data centers que parecem estar ganhando mais popularidade incluem a arquitetura de corrente alternada mais alta de 415/240 V e a arquitetura de 380 Vcc.

Um estudo de caso teórico foi realizado por Jacobs-KlingStubbins para comparar as despesas de capital (CAPEX) e as despesas operacionais (OPEX) dessas duas estratégias de distribuição de energia em relação a um data center típico de 208/120 V. O estudo de caso foi baseado em um data center teórico simplificado com carga de TI de 2 MW, redundância de 2 N (camada IV), seis módulos de no-break de 750 kVA e 30 gabinetes de 5 kW por linha.

O sistema de 415/240 Vca apresentou uma economia de CAPEX de 12% e uma economia de OPEX de 20% em comparação ao data center de 208/120 V antigo. O sistema de 380 Vcc apresentou uma economia de CAPEX de 14% e uma economia de OPEX de 28%, em comparação ao data center de 208/120 V antigo. Deve-se observar que diferente dos sistemas de 415 Vca e antigo, o de 380 Vcc usou no-break redundante (retificador de corrente contínua) como derivação e não incluía uma derivação separada em cada um dos sistemas no-break (retificador de corrente contínua).

Figura 7: O diagrama unifilar do sistema de distribuição de energia de 380 Vcc mostra o no-break redundante (retificador de corrente contínua) como a derivação e não incluiu uma derivação separada em cada sistema no-break (retificador de corrente contínua). Cortesia da: Jacobs



Kenneth Kutsmeda é diretor de projetos de engenharia da Jacobs (KlingStubbins) na Filadélfia. Por mais de 18 anos tem sido responsável pela engenharia, projetos e comissionamento de sistemas de distribuição de energia em instalações de missão crítica. Sua experiência em projetos inclui data centers, instalações especializadas de pesquisa e desenvolvimento e instalações de tecnologia em larga escala que contêm distribuição de média tensão.

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