Descarbonización de Data Centers

Se calcula que los centros de datos consumen hasta un 3% del total de la energía eléctrica a nivel mundial. La organización sin ánimo de lucro Beyond Fossil Fuels ha calculado que la demanda de electricidad en Europa debida a la inversión en centros de datos podría aumentar hasta un 160% de aquí a 2030. Si los combustibles fósiles cubren esa demanda energética, las emisiones de los centros de datos podrían pasar de 5 millones de toneladas de dióxido de carbono en 2025 a unos 39 millones al final de la década. Si nos centramos en los EE. UU., se prevé que los centros de datos de inteligencia artifician IA consuman hasta el 12% de la energía para 2028. La carrera por implementar soluciones energéticas sostenibles nunca ha sido tan crucial.

Los avances en materia de digitalización no supondrían problema alguno si no fuera por la gran cantidad de energía que los centros de datos necesitan para evitar el sobrecalentamiento de sus instalaciones y funcionar correctamente. Los servidores y equipos alojados en estos emplazamientos se han convertido en auténticos devoradores de energía -y también de agua-, además de en grandes emisores de carbono a nivel mundial.

Los líderes mundiales del sector de la energía y de la IA afirman que la industria tecnológica debe acelerar el ritmo de creación de nuevas soluciones innovadoras para que los centros de datos involucrados en la generación de IA dejen de utilizar combustibles fósiles.

Afrontar el problema de la sostenibilidad energética de los centros de datos no es una tarea sencilla, de ahí que este asunto se haya convertido en uno de los grandes retos de los Gobiernos para los próximos años. El uso de energías renovables,  además de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de estos espacios, protegen de la volatilidad de los precios de la energía y reducen su impacto ambiental, de ahí que los principales operadores de centros de datos como Amazon, Microsoft, Meta y Google, lideren la adquisición corporativa de energía renovable a través de PPAs.

En esta nueva entrega del blog de SynerHy vamos a estudiar la forma de descarbonizar los centros de datos con soluciones innovadoras centradas en las tecnologías del hidrógeno. Varias son las empresas que ya tienen proyectos piloto funcionando con tecnologías de pilas de combustible, incluso hay proyectos planificados por un futuro de escala 1 GW.

Satisfacer las demandas energéticas de la IA con soluciones innovadoras

La inteligencia artificial ha experimentado un crecimiento explosivo en los últimos años, con herramientas de IA generativa como ChatGPT que han impulsado la demanda de una infraestructura informática potente. Sin embargo, la realidad es cruda, debido a que las redes eléctricas tradicionales tienen dificultades para mantenerse al día ante esta avalancha de consumo energético.

La urgencia de soluciones avanzadas, como los centros de datos alimentados por hidrógeno, surge en un momento en que la industria tecnológica se está reestructurando en torno a la IA. Los grandes modelos de lenguaje alimentados por GPU tienen una alta demanda energética, y los retrasos en el suministro eléctrico pueden poner en peligro la continuidad del negocio. Este problema se agrava en estados norteamericanos como California y Virginia, donde las empresas de servicios públicos están sobrecargadas.

Sin embargo, más que satisfacer la demanda, es necesario abordar el impacto ambiental del crecimiento de la IA. Empresas como Google aspiran a alcanzar cero emisiones netas para 2030, mientras que Microsoft se ha comprometido a ser carbono-negativo. La incorporación de soluciones energéticas in situ, como la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, se alinea con estos objetivos.

Los centros de datos alimentados con hidrógeno no son solo maravillas técnicas; representan una solución práctica para equilibrar nuestras necesidades energéticas con los objetivos climáticos. Su capacidad de implementación rápida y operación sostenible los posiciona como herramientas esenciales en la lucha contra el cambio climático.

Cómo funcionan los centros de datos alimentados con hidrógeno

Los centros de datos alimentados con hidrógeno utilizan pilas de combustible para generar la electricidad. Estas pilas de combustible funcionan combinando hidrógeno y oxígeno para producir energía, emitiendo únicamente vapor de agua como subproducto y calor residual.

Los beneficios son evidentes. Por un lado, los sistemas de generación eléctrica con hidrógeno se pueden implementar en la mitad del tiempo que se tarda en conectar un centro de datos convencional a la red eléctrica. Esto supone un cambio radical para las empresas tecnológicas, que se encuentran bajo una enorme presión para escalar rápidamente sus operaciones de IA. Además, a medida que la cadena de suministro de hidrógeno evoluciona para incorporar más hidrógeno verde (producido mediante electricidad renovable y agua mediante electrólisis), estos centros de datos se convertirán en verdaderos pilares de la energía sostenible.

Por ahora, las empresas tecnológicas y los actores industriales se encuentran explorando la integración de sistemas de pilas de combustible de hidrógeno a pequeña escala para la generación de energía in situ, especialmente en zonas con restricciones de red. A mayor escala, invertir en innovación en hidrógeno verde, ya sea a través de energías renovables o nuclear, puede contribuir a que estos sistemas sean más neutros en carbono y ampliamente accesibles.

El hidrógeno limpio se puede producir de diversas maneras, desde el reformado de gas natural con captura de carbono hasta la electrólisis con energía renovable y la energía nuclear. Empresas emergentes de energía nuclear como Helion y Oklo están sentando las bases para el uso de reactores de nueva generación para apoyar la producción de hidrógeno, aunque estas tecnologías podrían tardar un tiempo en escalarse.

Construir un centro de datos alimentado con hidrógeno con una capacidad significativa no es tarea fácil. El proyecto de ECL en Texas ofrece una estimación razonable: alrededor de cuatro años para un emplazamiento de 1 gigavatio. Aumentar la producción de hidrógeno verde sigue siendo un reto, obstaculizado por los altos costes de los electrolizadores y la infraestructura. Además, la transición de la cadena de suministro de hidrógeno hacia fuentes derivadas de combustibles fósiles requerirá esfuerzos coordinados y apoyo financiero.

No obstante, es probable que los avances en energías renovables y una mayor inversión en infraestructura de hidrógeno aceleren este plazo. Las políticas gubernamentales que promueven el hidrógeno como vector de energía limpia, junto con la colaboración del sector privado, también pueden desempeñar un papel clave en la reducción de los plazos de implementación.

Para resumir, ventajas y retos de las tecnologías del H2 en los centros de datos. Empezando por las ventajas:

• • Beneficios ambientales
    • • Reducción de las emisiones de carbono: Tanto las pilas de combustible PEMFC como las de óxido sólido (alta temperatura) SOFC pueden operar electroquímicamente utilizando hidrógeno sin quemar combustible, produciendo únicamente agua y calor como subproductos. En los casos en que las celdas de combustible SOFC se alimentan con gas natural o biogás, sus bajas emisiones de carbono son mucho menores que las de los generadores de combustión tradicionales. Ambas opciones reducen significativamente la huella de carbono total de los centros de datos y se alinean con los objetivos globales de sostenibilidad.
      • Las pilas de combustible de hidrógeno ofrecen importantes beneficios ambientales para los centros de datos. Su funcionamiento produce únicamente agua como subproducto, lo que resulta en cero emisiones de gases de efecto invernadero durante su uso.

• • Eficiencia y confiabilidad
    • • PEMFC: Conocidas por su rápido arranque y su capacidad de respuesta a los cambios de carga, las celdas PEMFC son ideales para proporcionar energía de respaldo confiable y gestionar eficientemente la demanda fluctuante de energía en los centros de datos.
      • SOFC: Estas celdas son valoradas por su estabilidad a largo plazo y alta eficiencia, lo que las hace ideales para proporcionar un suministro de energía primaria constante. Además, pueden utilizar diversos combustibles, lo que aumenta su versatilidad en aplicaciones de centros de datos a gran escala.

• • Independencia energética
    • • Diversos métodos de producción: El hidrógeno puede generarse a partir de diversas fuentes, como el gas natural, el biogás y la electrólisis del agua; esta última ofrece la mayor sostenibilidad al alimentarse con energías renovables. Esta flexibilidad en los métodos de producción mejora la seguridad energética y reduce la dependencia de las redes eléctricas tradicionales y los combustibles fósiles.
      • Potencial de generación de combustible in situ: Algunos centros de datos podrían implementar la producción de hidrógeno in situ, especialmente si tienen acceso a fuentes de energía renovables. Esta capacidad puede reducir drásticamente los costos y las pérdidas de transporte de energía, proporcionando un mayor control sobre el uso y los costos de la energía.

Retos asociados a las pilas de combustible en los centros de datos:

• • Altos Costes Iniciales (CAPEX), Costos de Infraestructura e Instalación elevados: La implementación de pilas de combustible de hidrógeno implica costos iniciales significativos, desde el costo de las propias celdas de combustible hasta la infraestructura necesaria para el almacenamiento y el suministro de hidrógeno. Desafíos de Almacenamiento y Transporte.

• • Desarrollo de Infraestructura: El almacenamiento y transporte de hidrógeno requiere una infraestructura específica, actualmente en desarrollo. A medida que el sector crece, se espera que los avances tecnológicos reduzcan estos desafíos, haciendo del hidrógeno una opción más accesible.

• • Preocupaciones de Seguridad: El hidrógeno, como todos los combustibles, requiere una manipulación cuidadosa. Existen estrictos estándares y protocolos de seguridad para garantizar que el hidrógeno se almacene y utilice de forma segura, al igual que otras fuentes de combustible utilizadas en los centros de datos. Infraestructura limitada.

• • Falta de infraestructura generalizada para el reabastecimiento de hidrógeno: La infraestructura actual para el reabastecimiento de hidrógeno aún está en desarrollo, lo que puede suponer un reto para los centros de datos en regiones de difícil acceso. Sin embargo, se están realizando inversiones sustanciales para mejorar esta infraestructura, lo que promete una adopción e integración más generalizada de las pilas de combustible de hidrógeno en la industria de los centros de datos próximamente.

• • Barreras tecnológicas. Investigación e innovación en curso: Si bien se han logrado avances significativos, la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno aún está en plena maduración. La investigación y el desarrollo continúan mejorando la eficiencia, reduciendo los costes y mejorando la durabilidad de las pilas de combustible para su uso comercial generalizado.

ECL – Desarrollos recientes y proyectos futuros

ECL, una startup californiana dirigida por Yuval Bachar, está trazando un camino innovador con centros de datos alimentados por hidrógeno. El enfoque de ECL está ganando terreno entre gigantes tecnológicos como Microsoft, Google y Amazon, quienes se enfrentan a una creciente presión para reducir las emisiones y, al mismo tiempo, expandir la infraestructura necesaria para soportar las cargas de trabajo de la IA.

Desde su fundación en 2021, ECL ha logrado avances significativos, cerrando contratos con importantes clientes tecnológicos y planificando un centro de datos a gran escala de 1 GW alimentado con hidrógeno en Texas. Este ambicioso proyecto, cuya finalización está prevista para dentro de cuatro años, busca abordar la creciente demanda de infraestructura de IA, a la vez que avanza hacia soluciones con cero emisiones de carbono.

Curiosamente, los planes de ECL incluyen distribución de hidrógeno por tuberías, llamados hidroductos, que serán cada vez más viables a medida que aumente la producción de hidrógeno renovable. El uso de hidrógeno derivado de la energía nuclear podría ser un avance fundamental. La electrólisis nuclear, donde los reactores suministran el calor y la electricidad necesarios para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, representa una vía prometedora. Este proceso, combinado con el almacenamiento y las tuberías de hidrógeno, podría proporcionar una fuente de energía resiliente y baja en carbono para los centros de datos.

Proyecto hidrógeno azul en Virginia y Kentucky

Las empresas Diversified Energy, FuelCell Energy y TESIAC anunciaron recientemente una alianza estratégica para abordar las urgentes necesidades energéticas de los centros de datos mediante el suministro de hasta 360 MW de electricidad a tres ubicaciones distintas en Virginia, Virginia Occidental y Kentucky.

La alianza acordó crear una compañía enfocada en el suministro de energía confiable, rentable y de cero emisiones netas a partir de gas natural y metano de minas de carbón capturado (“CMM”) para satisfacer la creciente demanda de energía de los centros de datos en estos estados.

La colaboración entre las tres empresas aprovecharía la producción de gas natural en la cuenca, la generación avanzada de energía mediante tecnología de pilas de combustible y la financiación de infraestructuras para crear una solución energética altamente eficiente, escalable y sostenible, adaptada a la rápida expansión de las necesidades de capacidad energética de los centros de datos.

El gas natural (CMM), extraído de minas de carbón por Diversified Energy y suministrado por gasoductos a las pilas de combustible, generaría energía mediante la conversión electroquímica de metano en hidrógeno y, posteriormente, en electricidad. Este proceso sin combustión prácticamente no genera emisiones contaminantes. El calor cogenerado por las pilas de combustible puede aprovecharse y convertirse en refrigeración para el centro de datos, aumentando así la eficiencia general del sistema y optimizando aún más su valor económico. El papel de las tres compañías es el siguiente:

• • Diversified Energy suministrará gas natural y metano residual de carbón (CMM) o metano residual capturado de minas de carbón, que de otro modo se habrían emitido a la atmósfera, proveniente de su producción en la Cuenca de los Apalaches como combustible base.

• • FuelCell Energy desplegará sus plataformas de energía de pilas de combustible, ofreciendo generación de energía de carga base distribuida y de alta eficiencia, gestión de emisiones y soluciones de energía térmica. Esto incluye refrigeración por absorción impulsada por electricidad y calor residual, lo que garantiza que los centros de datos alcancen una eficiencia, reducción de carbono y resiliencia inigualables.

• • TESIAC aprovechará su experiencia en inversión y desarrollo, asegurando opciones de financiación altamente competitivas para acelerar la implementación, manteniendo al mismo tiempo la rentabilidad y la escalabilidad a largo plazo.

Los beneficios de este tipo de asociación son evidentes:

• • Este tipo de alianza única busca crear una solución energética descentralizada, de alto rendimiento y sostenible para satisfacer las demandas de los centros de datos que permiten el rápido crecimiento de la IA y las unidades de procesamiento gráfico de alto rendimiento.

• • En lugar de depender de la energía de la red eléctrica, se espera que este modelo esté diseñado para proporcionar generación de energía in situ, continua y escalable, garantizando la disponibilidad del centro de datos incluso en condiciones de mercado volátiles, con la opción incluso de vender electricidad a la red eléctrica.

• • La innovadora estructuración de capital apuntará a una implementación más rápida y una mayor resiliencia financiera en comparación con las estructuras de inversión tradicionales.

• • La integración de metano capturado, celdas de combustible distribuidas y tecnología preparada para la captura de emisiones reduce la huella de carbono del cliente, estableciendo un nuevo estándar en la industria.

Google y Microsoft

Proyecto de implementación de Microsoft

Microsoft ha sido pionero en el uso de pilas de combustible de hidrógeno en centros de datos al ejecutar con éxito un proyecto piloto que alimentó racks de servidores durante 48 horas consecutivas utilizando un sistema de pilas de combustible de hidrógeno. Además, Microsoft y Plug Power colaboraron en el desarrollo y proyecto piloto de una pila de combustible de 3 MW diseñada para centros de datos. Estas pruebas demostraron no solo la viabilidad del hidrógeno como fuente de energía de respaldo, sino también su potencial como fuente de energía para centros de datos.

Proyectos Piloto de Google

Google está explorando el uso de pilas de combustible de hidrógeno para reducir el impacto ambiental de sus centros de datos. La compañía ha participado en varios proyectos para integrar la energía del hidrógeno con su objetivo de lograr energía libre de carbono las 24 horas del día, los 7 días de la semana, para 2030. Estas iniciativas incluyen tanto pilotos a pequeña escala como grandes inversiones en tecnologías de hidrógeno verde.

Conclusiones

El consumo energético global de los centros de datos se fija en el 3% de la energía global consumida, pudiendo escalar al 15% en el 2030. Por lo tanto, esta industria tecnológica debe acelerar el ritmo de creación de nuevas soluciones innovadoras para que los centros de datos involucrados en la generación de IA dejen de utilizar combustibles fósiles. Abordar los desafíos energéticos actuales con soluciones innovadoras, podemos garantizar un futuro más sostenible y eficiente, impulsado por opciones tecnológicas más limpias e inteligentes.

Los beneficios de utilizar tecnologías del hidrógeno para descarbonizar los centros de datos son evidentes. Por un lado, los sistemas de generación eléctrica con hidrógeno se pueden implementar en la mitad del tiempo que se tarda en conectar un centro de datos convencional a la red eléctrica. Segundo, a medida que la cadena de suministro de hidrógeno evoluciona para incorporar más hidrógeno verde (producido mediante electricidad renovable y agua mediante electrólisis), estos centros de datos se convertirán en verdaderos pilares de la energía sostenible. Finalmente, la utilización del calor residual y el agua generado en las pilas de combustible en tareas de refrigeración, mejoran la eficiencia eléctrica del conjunto de estos centros de datos.

Gigantes tecnológicos como Microsoft, Google y Amazon, quienes se enfrentan a una creciente presión para reducir las emisiones y, al mismo tiempo, expandir la infraestructura necesaria para soportar las cargas de trabajo de la IA, están empezando a identificar a las soluciones basadas en tecnologías del hidrógeno. Google y Microsoft tienen proyectos piloto y demostrativos en funcionamiento.

El ejemplo de los proyectos de ECL y la unión Diversified Energy-Fuel Cell Energy-TESIAC son claro ejemplo de que EE.UU. se ha tomado muy en serio la descarbonización de los centros de datos con tecnologías del hidrógeno por sus innumerables ventajas.