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Las celdas de combustible de hidrógeno podrían proporcionar energía de respaldo libre de emisiones en los centros de datos, dice Microsoft

Latham, Nueva York: las celdas de combustible de hidrógeno empaquetadas en un par de contenedores de envío de 40 pies de largo aumentaron en un día nublado a principios de junio mientras los ingenieros se reunían alrededor de las computadoras portátiles que mostraban datos sobre el estado, la salud y la producción de energía de las celdas en este primer generador de hidrógeno en su tipo.

“Es ahora, comenzó a correr a tres megavatios en este momento”, exclamó Mark Monroe, ingeniero principal de infraestructura en el equipo de desarrollo avanzado de centros de datos de Microsoft.

Una ronda de aplausos y gritos de alegría de los ingenieros de Plug, que construyeron el sistema de celdas de combustible, atravesó el ruido blanco de los ventiladores sobre los contenedores de envío y las tuberías que expulsan el vapor. El momento fue el hito más reciente en la búsqueda de Microsoft para encontrar un reemplazo sin emisiones de carbono para los generadores diésel de respaldo que respaldan las operaciones continuas en caso de cortes de energía y otras interrupciones del servicio.

“Lo que acabamos de presenciar fue, para la industria de los centros de datos, un momento de alunizaje”, dijo Sean James, director de investigación de centros de datos de Microsoft. “Tenemos un generador que no produce emisiones. Es alucinante”.

Los centros de datos son la infraestructura física detrás del velo de la computación en la nube. Son el lugar donde se almacenan los videos de gatos y las fotos de las vacaciones, donde los trabajadores remotos se reúnen para reuniones virtuales y los gamers convergen para construir mundos, carreras de autos y eliminar enemigos. Permiten la transformación digital de empresas de todo el mundo, lo que les permite responder de forma rápida y segura a las necesidades de los clientes y gestionar la logística de la cadena de suministro.

En esencia, los centros de datos son almacenes intencionadamente anodinos repletos de decenas de miles de servidores informáticos y el equipo necesario para mantener los servidores en funcionamiento y disponibles las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto incluye máquinas que mantienen los servidores a temperatura ambiente, así como baterías y generadores que mantienen un suministro de energía ininterrumpido incluso durante cortes en la red eléctrica.

“Lo que hace que un centro de datos sea un centro de datos es que puede estar en operación aunque la red no lo haga”, dijo James. “Cuando hay un apagón, los servidores permanecen activos. Esa es la diferencia entre un centro de datos y un almacén repleto de computadoras”.

Mark Monroe, ingeniero de infraestructura principal del equipo de desarrollo avanzado de centros de datos de Microsoft, y Sean James, director de investigación de centros de datos de Microsoft, se paran entre los dos contenedores de envío y hablan sobre el sistema de pila de combustible de hidrógeno de tres megavatios.
Mark Monroe (izquierda), ingeniero de infraestructura principal del equipo de desarrollo avanzado de centros de datos de Microsoft, y Sean James (derecha), director de investigación de centros de datos de Microsoft, inspeccionan el sistema de pila de combustible de hidrógeno de tres megavatios en Latham, Nueva York. Foto de John Brecher.

Generador de próxima generación

Microsoft se esfuerza por proporcionar a los clientes del centro de datos “cinco nueves” de disponibilidad del servicio, lo que significa que el centro de datos esté operativo el 99.999% del tiempo. Para hacer eso, los operadores del centro de datos dependen en parte de las baterías en lo que se llama la fuente de alimentación ininterrumpida, o UPS, para activarse en el momento en que ocurre un corte de energía y proporcionar energía a los servidores mientras se encienden los generadores de respaldo.

Para asegurarse de que los generadores estén listos en cualquier momento, Microsoft los pone a prueba de manera periódica y realiza lo que se denomina pruebas de carga para asegurarse de que la carga eléctrica de los servidores y otros equipos del centro de datos se pueda transferir de manera confiable a los generadores.

Si bien los generadores de respaldo se usan con poca frecuencia, son críticos si hay un corte de energía. Esto se debe a que mantienen la energía ininterrumpida del centro de datos y, por lo tanto, el servicio a los clientes.

Cuando los generadores de respaldo funcionan, por lo general queman combustible fósil, aunque Microsoft ha sido pionera en alternativas de combustible sustentable. Microsoft se ha comprometido a eliminar el combustible diésel como parte del compromiso de la empresa de ser carbono negativo para 2030. Para cumplir este objetivo, Microsoft explora alternativas a corto y largo plazo.

Por ejemplo, en noviembre de 2021, Microsoft lanzó su región de centro de datos sustentable en Suecia que utiliza Evolution Diesel Plus del proveedor de combustible sueco Preem como combustible para generadores. Este diésel contiene al menos un 50% de materia prima renovable y casi una reducción equivalente en las emisiones netas de dióxido de carbono en comparación con las mezclas estándar de diésel fósil.

A largo plazo, la tecnología de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, o PEM (por sus siglas en inglés), podría ser una solución viable sin emisiones de carbono, según Lucas Joppa, director ambiental de Microsoft. Las celdas de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en una reacción química que genera electricidad, calor y agua, sin combustión, sin partículas y sin emisiones de carbono.

La prueba de celda de combustible PEM en Latham demostró la viabilidad de esta tecnología a tres megavatios, la primera vez a la escala de un generador de respaldo en un centro de datos. Una vez que el hidrógeno verde esté disponible y sea viable a nivel económico, este tipo de energía de respaldo estacionaria podría implementarse en todas las industrias, desde centros de datos hasta edificios comerciales y hospitales.

“Tres megavatios es muy interesante porque ese es el tamaño de los generadores diésel que usamos en este momento”, dijo Joppa.

‘Construimos una visión’

Microsoft comenzó a explorar la tecnología de celdas de combustible en 2013 con el Centro Nacional de Investigación de Celdas de Combustible de la Universidad de California, Irvine, donde probaron la idea de alimentar racks de servidores informáticos con celdas de combustible de óxido sólido, o SOFC (por sus siglas en inglés), que funcionan con gas natural. La tecnología se muestra prometedora para la energía de carga base, aunque en la actualidad es demasiado costosa.

Microsoft recurrió a las celdas de combustible PEM como una posible solución al desafío del generador diésel de respaldo en 2018. Las celdas de combustible PEM se usan por lo general en la industria automotriz porque, al igual que los motores diésel, se encienden y apagan de manera rápida y pueden seguir una carga hacia arriba y abajo. Esa capacidad de reacción rápida y seguimiento de carga es muy adecuada para la energía de respaldo en los centros de datos, señaló Monroe.

“Comenzamos a mirar las proyecciones de los costos y la disponibilidad de hidrógeno y comenzamos a creer que en verdad esta podría ser una solución. Y, entonces, construimos una visión. Nos llevó de un estante a una fila a una habitación a un centro de datos”, dijo.

En 2018, Microsoft colaboró con ingenieros del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, para alimentar un rack de computadoras con un generador de celda de combustible PEM de 65 kilovatios. Luego, en 2020, el equipo contrató a Power Innovations en Salt Lake City, Utah, para construir y probar un sistema que podría alimentar 10 racks, una fila, de servidores de centros de datos durante 48 horas consecutivas con un sistema de celda de combustible de hidrógeno de 250 kilovatios.

Después de esa exitosa demostración de prueba de concepto, el equipo se dispuso a probar la viabilidad de un sistema de tres megavatios, que tiene el tamaño suficiente para reemplazar un generador diésel en un centro de datos.

El problema, señaló Monroe, era que nadie fabricaba sistemas de celdas de combustible PEM tan grandes: tres megavatios es más de 10 veces más grande que el sistema que la empresa probó en Utah. Tres megavatios es suficiente energía para alimentar unos 10 mil servidores informáticos o 600 hogares.

‘Lo más genial’

El desafío de construir un sistema de celdas de combustible de tres megavatios resonó entre los ingenieros de Plug, con sede en Latham, pionera en el desarrollo comercial de tecnologías de celdas de combustible e hidrógeno verde. En la actualidad, la empresa ofrece soluciones en todo el ecosistema del hidrógeno verde, desde la producción y el transporte hasta el almacenamiento, la manipulación y la dispensación.

“Dibujarlo en la pizarra y decir: ‘Está bien, sabemos que podemos hacer esto, sabemos que podemos hacer esto’, fue muy divertido”, dijo Scott Spink, director de ingeniería de Plug. “El verdadero desafío para este proyecto fue que no pudimos confiar en una tecnología probada. Cada pieza de ese sistema de pila de combustible provino de un equipo que estaba al frente de lo que hacían”.

Las celdas de combustible de 125 kilovatios, 18 de las cuales están empaquetadas en cada contenedor de envío, son las más grandes que la compañía haya fabricado, y el sistema de celdas de combustible de tres megavatios es la mayor aplicación de Plug. Debido a que el sistema es más grande que cualquier cosa construida antes, también lo son todos los componentes, desde compresores e intercambiadores de calor hasta inversores a escala de red y las tuberías para el suministro de hidrógeno.

El sistema se ensambló por partes en una plataforma de concreto adyacente a un estacionamiento detrás de la sede de la compañía para la investigación, el desarrollo y la fabricación de su línea de celdas de combustible ProGen. Los cables y tubos expuestos van de un lado a otro y el sombrero de los ventiladores del radiador sobresale de los contenedores, lo que le da al sistema la apariencia de un prototipo de primera iteración.

Los ingenieros que Spink reunió para construir el sistema no se inmutaron por la apariencia variopinta.

“Esto es lo mejor que he hecho”, dijo Hannah Baldwin, ingeniera eléctrica de última generación para el grupo estacionario de alta potencia de Plug, que fue contratada para trabajar en el proyecto. “No sé cómo voy a superar esto en mi carrera. Hay tantas piezas del rompecabezas que tienen que unirse. Y verlas a todas unirse y trabajar bien y de manera estable es gratificante”.

Hannah Baldwin, ingeniera eléctrica del grupo estacionario de alta potencia de Plug, se para frente a una celda de combustible y verifica su estado con un programa de software que se ejecuta en una computadora portátil abierta que tiene en la mano.
Hannah Baldwin, ingeniera eléctrica del grupo estacionario de alta potencia de Plug, verifica el estado de una celda de combustible en el sistema de celdas de combustible de hidrógeno de tres megavatios en Latham, Nueva York. Foto de John Brecher.

Energía de respaldo

Después de que el generador de celdas de combustible alcanzara el hito de los tres megavatios, James de Microsoft inició las pruebas para demostrar que podía funcionar en condiciones del mundo real.

“He hecho dos preguntas”, dijo. “Mi primera ha sido respondida: ¿Puede esta tecnología integrada producir la energía que necesito? Mi segunda pregunta es ¿puede funcionar como lo hace el diésel? Un motor diésel puede producir mucha potencia muy rápido. Esa es la clave. Entonces, vamos a comenzar a simular un ciclo de trabajo del centro de datos y uno de ellos es un corte de energía”.

Cuando se produce un corte de energía, las baterías del SAI pueden mantener el centro de datos en funcionamiento durante varios minutos, lo que es más que suficiente para poner en marcha un generador diésel o de hidrógeno. Una vez activados, los generadores de respaldo, en teoría, pueden mantener el centro de datos en funcionamiento de manera indefinida, siempre que tengan suministro de combustible.

A partir de ese día de junio en Latham y durante las próximas semanas, el equipo de Spink ejecutó el sistema de celda de combustible de hidrógeno de tres megavatios a través de las pruebas que usa Microsoft para calificar los generadores diésel para demostrar que podía funcionar de manera confiable, incluidos cortes de energía simulados y carreras de varias horas.

“Me siento emocionado”, dijo Monroe. “Esta es una continuación del viaje que comenzamos en 2018. Y en 2020, cuando anunciamos el trabajo que hacíamos en las pruebas más pequeñas, aludimos al hecho de que íbamos a realizar una prueba de tres megavatios en algún momento del futuro. El futuro es ahora.”

Con la prueba del prototipo completada y el concepto probado, Plug se enfoca en implementar una versión comercial optimizada de sistemas de celdas de combustible estacionarios de alta potencia que tienen una huella más pequeña y una estética más aerodinámica y pulida que la que se encuentra en la plataforma adyacente al estacionamiento en Latham.

Microsoft instalará uno de estos sistemas de celdas de combustible de segunda generación en un centro de datos de investigación donde los ingenieros aprenderán cómo trabajar e implementar la nueva tecnología, incluido el desarrollo de protocolos de seguridad de hidrógeno. Se desconoce la fecha de la primera implementación en un centro de datos en vivo, aunque es probable que ocurra en un nuevo centro de datos en un lugar donde los estándares de calidad del aire prohíben los generadores diésel, señaló James.

“Me daré la vuelta cuando la emoción se apague y comenzaré a preguntar: ‘Está bien, hicimos uno, ¿dónde puedo conseguir mil?’”, dijo. “Tenemos el compromiso de estar libres de diésel por completo, y esa cadena de suministro debe ser sólida; tenemos que hablar sobre la escala en toda la industria del hidrógeno”.

La imagen en perspectiva a nivel del suelo del sistema de celdas de combustible de hidrógeno de tres megavatios muestra un par de contenedores de envío de 40 pies de largo, cada uno con 18 celdas de combustible PEM. Una tapa de ventiladores de radiador se encuentra en la parte superior de cada contenedor.
El sistema de celdas de combustible de hidrógeno de tres megavatios consta de un par de contenedores de envío de 40 pies de largo, cada uno con 18 celdas de combustible PEM. Una tapa de ventiladores de radiador se encuentra en la parte superior de cada contenedor. Foto de John Brecher.

Economía del hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Durante mucho tiempo ha sido observado en la Tierra por su potencial de energía limpia. Un desafío es que, si bien las estrellas como el sol se componen de manera principal de hidrógeno, en la Tierra el hidrógeno solo se presenta de forma natural en forma compuesta con otros elementos: piense en agua o hidrocarburos como el gas natural y el petróleo.

El alto costo y la tecnología necesarios para separar el hidrógeno de estos compuestos naturales, almacenarlo, transportarlo y extraer energía de él a escala han limitado su uso. Durante la última década, ese cálculo ha comenzado a cambiar, según Darin Painter, vicepresidente de ventas y gestión de productos para energía estacionaria en Plug.

El cambio está impulsado por los avances en el ecosistema del hidrógeno junto con un creciente interés y compromiso con la sostenibilidad, dijo.

Por ejemplo, la abundante y económica energía eólica y solar permite la generación rentable del llamado hidrógeno verde con máquinas llamadas electrolizadores. Estas máquinas funcionan como una celda de combustible a la inversa: usan energía para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Si la energía utilizada para hacer funcionar el electrolizador proviene de fuentes renovables, entonces el hidrógeno producido se considera verde.

El hidrógeno utilizado durante la prueba de Latham fue un hidrógeno “azul” bajo en carbono obtenido como subproducto en la producción industrial de cloro e hidróxido de sodio. Plug está en proceso de aumentar la producción de hidrógeno verde en las instalaciones de los Estados Unidos y Europa para satisfacer la creciente demanda, dijo Painter. Microsoft planea usar solo hidrógeno verde en los centros de datos de producción.

En el otro extremo del ecosistema del hidrógeno, los avances tecnológicos han llevado a pilas de celdas de combustible más densas y eficientes que combinan hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, calor y agua.

“Todo eso tiene que suceder antes de que pueda llegar a una solución viable a escala”, dijo Painter. “Si hubiéramos intentado construir este sistema de tres megavatios hace 10 o 15 años, no creo que hubiéramos podido”.

Monroe y sus colegas vieron este cambio en el cálculo cuando calcularon los números al comienzo de su proyecto de celdas de combustible de hidrógeno en 2018. Monroe dijo que, por vatio, la energía producida a partir de celdas de combustible de hidrógeno está en camino de convertirse en competitivo con la energía de otras fuentes, como los generadores diésel.

Para acelerar los avances en soluciones de energía limpia, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció el primer Energy Earthshot, Hydrogen Shot, en junio de 2021, con el objetivo de reducir el costo del hidrógeno limpio en un 80% a $1 USD por 1 kilogramo dentro de 1 década. Un kilogramo de hidrógeno tiene casi el mismo contenido de energía que un galón de gasolina, anotó Monroe.

Lo que se necesita, agregó, es un catalizador para aumentar la producción de hidrógeno verde y celdas de combustible, lo que reducirá los costos y aumentará la adopción de la tecnología.

Microsoft y otros actores en la industria de los centros de datos están en una posición única para ser ese catalizador, según Joppa, quien además de su papel como director ambiental es el representante de Microsoft en el Hydrogen Council, una iniciativa global de empresas líderes en energía, transporte e industria que se formó para promover el papel del hidrógeno en la transición de energía limpia.

Las necesidades comerciales y de sustentabilidad de Microsoft para las pilas de combustible y el hidrógeno verde envían una señal de demanda al mercado, señaló Joppa. Además, si Microsoft invierte en tecnología de hidrógeno y la tecnología funciona, otras empresas también se sentirán más seguras de invertir en hidrógeno, agregó.

“Entonces, si nos sentimos confiados en usarlos para garantizar la continuidad de nuestros servicios de centro de datos, eso es una gran medida de fe”, dijo Joppa.

Se ve vapor que sale de las tuberías en la parte superior de los contenedores de envío durante una prueba del sistema de celda de combustible de tres megavatios. Las celdas de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en una reacción química que genera electricidad, calor y agua. Si bien la mayor parte del agua se drena en forma líquida, una parte se expulsa en forma de vapor.
Las celdas de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en una reacción química que genera electricidad, calor y agua. Si bien la mayor parte del agua se drena en forma líquida, una parte se expulsa en forma de vapor. Foto de John Brecher.

Soluciones a escala de ciudad

Una economía robusta de hidrógeno verde también podría ayudar a las ciudades a hacer la transición a energía 100% renovable, señaló James. Esto se debe a que el exceso de energía producido por los parques eólicos y solares se puede utilizar para hacer funcionar electrolizadores, para almacenar de hecho este exceso de energía en hidrógeno. Luego, cuando el sol no brilla y el viento no sopla, este hidrógeno verde puede alimentar las celdas de combustible sin generar emisiones de carbono.

“Queremos alimentar nuestra nube del sol: energía limpia y gratuita”, dijo. “Bueno, de manera práctica, ¿cómo haces eso? Tienes que ser en verdad bueno para almacenar energía, y el hidrógeno es una excelente manera de hacerlo”.

James prevé un futuro en el que los centros de datos estén equipados con celdas de combustible de hidrógeno, tanques de almacenamiento de hidrógeno y electrolizadores para convertir las moléculas de agua en hidrógeno con el exceso de energía renovable. Durante los períodos de alta demanda de energía o cuando el sol deja de brillar y el viento deja de soplar, Microsoft puede aumentar las celdas de combustible, a través de sacar la carga del centro de datos de la red, y liberar energía de la red para que la usen otros.

Los desafíos de hacer realidad una versión de esta visión es lo que obliga a la ingeniera eléctrica Baldwin de próxima generación a seguir una carrera en la economía del hidrógeno, una carrera, admite, que no era lo más importante antes de trabajar en el proyecto de combustible de celdas.

“Estoy entusiasmada con la idea de trabajar en algo que pueda marcar la diferencia en el mundo, y el hidrógeno tiene mucho potencial para cambiar las reglas del juego”, dijo. “Cuando mucha gente piensa en energía renovable, piensa en turbinas eólicas y paneles solares, y no necesariamente en hidrógeno. Sé que no lo hice. Creo que, en definitiva, eso cambiará”.

 

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Imagen principal: Microsoft probó un prototipo de sistema de celda de combustible de hidrógeno de tres megavatios que puede proporcionar energía de respaldo libre de emisiones a los centros de datos. Foto de John Brecher.

John Roach escribe sobre investigación e innovación de Microsoft. Síganlo en Twitter.