Por: John Roach.
En una primicia mundial, que podría impulsar una economía de energía limpia de larga previsión, construida alrededor del elemento más abundante en el universo, las células de combustible de hidrógeno han alimentado a una hilera de servidores de centro de datos por 48 horas consecutivas, anunció de manera reciente Microsoft.
Esta hazaña es el hito más reciente en el compromiso de la compañía por ser negativa en carbono para 2030. Para ayudar a conseguir esta meta y acelerar la transición global lejos de los combustibles fósiles, Microsoft también busca eliminar su dependencia del combustible diésel para 2030.
El combustible diésel representa menos del 1% de las emisiones totales de Microsoft. Su uso se limita, de manera principal, a los centros de datos de Azure, donde, como en la mayoría de los proveedores de nube alrededor del mundo, los generadores alimentados por diésel soportan las operaciones continuas en caso de cortes de energía y otras disrupciones del servicio.
“Son caros. Y están ahí y no hacen nada en más del 99% de su vida”, comentó Mark Monroe, ingeniero de infraestructura en el equipo de Microsoft para el desarrollo de centros de datos avanzados.
En los años recientes, los costos de las células de combustible de hidrógeno se han desplomado hasta el punto de que ahora son una alternativa viable a nivel económico para los generadores de respaldo alimentados por diésel .
“Y la idea de operarlos con hidrógeno verde se ajusta bien a nuestros compromisos generales de carbono”, comentó Monroe.
Además, añadió, un centro de datos Azure equipado con células de combustible, un tanque de almacenamiento de hidrógeno y un electrolizador que convierte las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, podría integrarse con la red eléctrica para brindar servicios de equilibrio de carga.
Por ejemplo, el electrolizador podría ser encendido durante periodos de exceso de viento o de producción de energía solar para almacenar la energía renovable en forma de hidrógeno. Luego, durante periodos de alta demanda, Microsoft podría arrancar las células de combustible de hidrógeno para generar electricidad para la red.
Los vehículos de largas distancias, alimentados por hidrógeno, podrían llegar a los centros de datos para llenar sus tanques.
“Toda esa infraestructura representa una oportunidad para Microsoft de desempeñar un rol en lo que, con seguridad, será un tipo más dinámico de marco general de optimización de energía que el mundo implementará en los próximos años”, comentó Lucas Joppa, director ambiental en Microsoft.
Para explorar aún más cómo Microsoft puede aprovechar su inversión en células de combustible de hidrógeno y su infraestructura relacionada, la compañía nombró a Joppa como su representante en el Hydrogen Council, una iniciativa global de compañías líderes en energía, transporte e industria, para estimular la economía del hidrógeno.
Los científicos ya han probado que las células de combustible de hidrógeno pueden ser utilizadas para generar energía libre de gases de efecto invernadero a partir del elemento más abundante en el universo, comentó Joppa.
“Sabemos cómo hacerlo”, mencionó. “El concejo existe porque tal vez no sepamos cómo escalar la generación de hidrógeno, su transporte, su suministro y consumo en las diversas maneras que quisiéramos hacerlo. Todavía hay mucho trabajo por hacer”.
Reemplazos para el diésel
Microsoft realiza esfuerzos para brindar a los clientes de centros de datos de Azure “cinco nueves” de disponibilidad del servicio, lo que significa que el centro de datos sea operativo el 99.999% del tiempo. Los generadores de respaldo se activan durante los cortes de energía de la red eléctrica y en otras interrupciones al servicio.
“No utilizamos mucho los generadores de diésel ”, comentó Monroe. “Los arrancamos una vez al mes para asegurarnos que funcionan y les damos una carga de prueba una vez al año para garantizar que podemos transferirles la carga de manera correcta, pero en promedio, cubren un corte de energía menos de una vez por año”.
Microsoft investiga tecnologías de reemplazo para el diésel , que pudieran mantener o mejorar la disponibilidad del servicio y ven como algo prometedor a las células y baterías de combustible de hidrógeno, explicó Brian Janous, gerente general para el equipo de Microsoft para la estrategia de energía y sustentabilidad del centro de datos.
“El trabajo que el equipo realiza hoy es tratar de evaluar la viabilidad de diferentes soluciones”, comentó.
Las baterías ya suministran energía de respaldo a corto plazo, para llenar la brecha de 30 segundos entre un corte de energía y el tiempo que toma arrancar los generadores de diésel. Las baterías más avanzadas tienen duraciones más largas.
“Si llegas a un escenario donde las duraciones que requieres son de tal longitud que las baterías dejan de ser efectivas, es ahí cuando debes inclinarte hacia algo como las células de combustible”, mencionó Janous.
Prueba de concepto
La semilla para utilizar células de combustible de hidrógeno para energía de respaldo fue plantada en la primavera de 2018, cuando investigadores en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, alimentaron un bastidor de computadoras con una membrana de intercambio de protones, o PEM por sus siglas en inglés, a través de una célula de combustible de hidrógeno. Monroe y sus colegas estuvieron a disposición para la demostración.
“Nos intrigó porque sabíamos que utilizaban una célula de combustible automotriz”, comentó Monroe. “Este tipo de célula de combustible tiene el mismo tiempo de reacción del generador a diésel. Puede arrancar de manera rápida, puede estar lista para una carga completa en segundos. Puedes dejarla en el piso, apagarla y dejarla inactiva”.
Las células de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en un proceso que genera vapor de agua y electricidad. Las empresas automotrices desarrollan la tecnología para alimentar autos, camiones y otros vehículos. Después de la demostración, Microsoft empezó a pensar en utilizar células de combustible para energía de respaldo en los centros de datos.
El equipo de Monroe adquirió un sistema de células de combustible de 250 kilowatts, que es energía suficiente para alimentar toda una hilera, en el orden de 10 bastidores, de servidores de centros de datos. Las pruebas comenzaron en Power Innovations, el desarrollador del sistema, fuera de Salt Lake City, en septiembre de 2019. El sistema pasó la prueba de resistencia de 24 horas ese diciembre; y la prueba de 48 horas en junio de 2020.
“Es el sistema de energía de respaldo de cómputo más grande que conocemos que corre en hidrógeno, y ha ejecutado la prueba de continuidad más larga”, comentó Monroe.
El siguiente paso para el equipo es adquirir y probar un sistema de célula de combustible de 3 mega watts, que está a la par con el tamaño de los generadores de respaldo alimentados por diésel en los centros de datos Azure.
Exploraciones de células de combustible
Incluso antes de la demostración en 2018, Microsoft había buscado maneras de utilizar células de combustible. La compañía comenzó a explorar este tipo de tecnología en 2013, con el Centro Nacional de Investigación de Células de Combustible en la Universidad de California, en Irvine, donde probaron la idea de alimentar bastidores de servidores con células de combustible de óxido sólido, o SOFC, por sus siglas en inglés, que son alimentadas por gas natural.
“Tienen la capacidad de producir su propio hidrógeno a partir de la alimentación de gas natural que reciben”, explicó Monroe. “Toman el gas natural, un poco de agua, y lo calientan a 600°C, que es la temperatura del fuego de carbón caliente”.
Ese es el calor suficiente para un proceso llamado reforma del metano de vapor, que genera una fuente de átomos de hidrógeno para la generación de electricidad.
Microsoft ha continuado con la exploración del potencial de la tecnología de células de combustible SOFC para brindar energía de carga de base, que podría liberar a los centros de datos de la red eléctrica, a la vez que los haría entre 8 y 10 veces más eficientes a nivel energético. Sin embargo, por ahora la tecnología todavía es muy cara para un despliegue generalizado.
El proceso de SOFC también genera dióxido de carbono, la cual es otra razón por la que Microsoft explora las células de combustible PEM, acotó Monroe.
En adición a esto, los costos estimados para los sistemas de células de combustible PEM para la generación de energía de respaldo en los centros de datos han caído más del 75%, desde la demostración en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Si la tendencia se mantiene, en un año o dos los costos de capital de los generadores de células de combustible podrían competir en precio con los generadores de diésel.
El incremento en la producción de células de combustible para satisfacer la demanda de la industria de los centros de datos podría reducir más los costos, añadió.
“Nos vemos como un catalizador en toda esta economía del hidrógeno”, comentó Monroe.
La economía del hidrógeno
Desde la perspectiva de Microsoft, otras partes de esta economía incluyen la infraestructura para adquirir, almacenar y mantener un suministro suficiente de hidrógeno verde para alimentar a los generadores de respaldo durante 12 a 48 horas, que es el estándar en la industria para permitir esos “cinco nueves” de disponibilidad del servicio.
Por ejemplo, para 48 horas de generación de energía de respaldo, cada centro de datos requeriría hasta 100 mil kilogramos de hidrógeno para alimentar a los generadores de respaldo para un corte de energía prolongado, comentó Monroe.
Las conversaciones internas sobre cómo asegurar esta infraestructura han llevado a discusiones sobre el rol que Microsoft podría tener en estimular la economía del hidrógeno, mencionó Janous.
“¿Qué pasaría si pudieras tomar todos esos recursos que tiene el centro de datos e integrarlos en la red eléctrica en una manera que ayude a acelerar aún más la descarbonización de la red de manera más amplia, en lugar de sólo ser una solución puntual para el propio centro de datos?”, comentó. “Ahí es donde creo que todo esto se vuelve interesante”.
Imagen principal: Microsoft utilizó hidrógeno almacenado en tanques sobre camiones estacionados fuera de un laboratorio cercano a Salt Lake City, Utah, para alimentar células de combustible de hidrógeno que dieron energía a una hilera de servidores de centros de datos durante 48 horas consecutivas. Crédito: Power Innovations.
John Roach escribe sobre investigación e innovación en Microsoft. Síganlo en Twitter.
