En una primicia mundial que podría poner en marcha una economía de energía limpia largamente prevista, construida alrededor del elemento más abundante del universo, las pilas de combustible de hidrógeno han alimentado una fila de servidores de centros de datos durante 48 horas consecutivas, anunció Microsoft el lunes.
La hazaña es el último hito en el compromiso de la compañía de ser negativo en carbono para 2030. Para ayudar a lograr ese objetivo y acelerar la transición global para alejarse de los combustibles fósiles, Microsoft también tiene como objetivo eliminar su dependencia del combustible diesel para el año 2030.
El combustible diesel representa menos del 1% de las emisiones totales de Microsoft. Su uso se limita principalmente a los centros de datos Azure, donde, como en la mayoría de los proveedores de nubes de todo el mundo, los generadores alimentados con diésel apoyan las operaciones continuas en caso de cortes de energía y otras interrupciones del servicio.
«Son costosos. Y se quedan sentados sin hacer nada durante más del 99% de su vida», dijo Mark Monroe, uno de los principales ingenieros de infraestructura del equipo de Microsoft para el desarrollo avanzado de centros de datos.
En los últimos años, los costos de las pilas de combustible de hidrógeno han caído en picada hasta el punto de que ahora son una alternativa económicamente viable a los generadores de reserva alimentados con diesel.
«Y la idea de hacerlas funcionar con hidrógeno verde encaja perfectamente con nuestros compromisos generales de carbono», dijo Monroe.
Lo que es más, añadió, un centro de datos Azure equipado con celdas 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 de energía eléctrica para proporcionar servicios de equilibrio de carga.
Por ejemplo, el electrolizador podría encenderse durante los períodos de exceso de producción de energía eólica o solar para almacenar la energía renovable en forma de hidrógeno. Luego, durante los períodos de alta demanda, Microsoft podría poner en marcha las células de combustible de hidrógeno para generar electricidad para la red.
Los vehículos de larga distancia impulsados por hidrógeno podrían detenerse en los centros de datos para llenar sus tanques.
«Toda esa infraestructura representa una oportunidad para que Microsoft desempeñe un papel en lo que seguramente será un tipo más dinámico de marco general de optimización de energía que el mundo desplegará en los próximos años», dijo Lucas Joppa, director de medio ambiente de Microsoft.
Para explorar más a fondo cómo Microsoft puede aprovechar su inversión en celdas de combustible de hidrógeno e infraestructura relacionada, la compañía nombró hoy a Joppa como su representante en el Consejo del Hidrógeno, una iniciativa global de compañías líderes de energía, transporte e industria para estimular la economía del hidrógeno.
Los científicos ya han demostrado que las celdas de combustible de hidrógeno se pueden utilizar para generar energía libre de gases de efecto invernadero a partir del elemento más abundante en el universo, anotó Joppa.
«Sabemos cómo hacerlo», dijo. “El consejo existe porque no necesariamente sabemos cómo escalar la generación de hidrógeno, el transporte de hidrógeno, el suministro de hidrógeno y luego el consumo del mismo de las diversas maneras que nos gustaría. Todavía hay mucho trabajo por hacer”.
Reemplazo del diesel
Microsoft se esfuerza por proporcionar a los clientes del centro de datos Azure «cinco-nueve» de disponibilidad de servicio, lo que significa que el centro de datos está operativo el 99,999% del tiempo. Los generadores de reserva se encienden durante los cortes de la red eléctrica y otras interrupciones del servicio.
«No usamos mucho los generadores diesel», dijo Monroe. «Los ponemos en marcha una vez al mes para asegurarnos de que funcionan y les hacemos una prueba de carga una vez al año para asegurarnos de que podemos transferirles la carga correctamente, pero en promedio cubren un corte de energía menos de una vez al año».
Microsoft está investigando tecnologías de reemplazo del diesel que mantengan o mejoren la disponibilidad del servicio y ve una promesa en las celdas de combustible de hidrógeno y baterías, explicó Brian Janous, gerente general del equipo de Microsoft para la estrategia de energía y sustentabilidad del centro de datos.
«El trabajo que el equipo está haciendo hoy está realmente buscando tratar de evaluar la viabilidad de diferentes soluciones,» dijo.
Las baterías ya suministran energía de reserva a corto plazo, llenando el hueco de 30 segundos entre una interrupción en la red y el tiempo que se tarda en encender los generadores diesel. Las baterías más avanzadas tienen duraciones más largas.
«Si se llega a un escenario en el que las duraciones que se requieren son de tal magnitud que las baterías dejan de ser efectivas, es entonces cuando se pasa a considerar algo como las células de combustible», dijo Janous.
Prueba de concepto
La semilla para utilizar celdas de combustible de hidrógeno como fuente de energía de respaldo fue plantada en la primavera de 2018, cuando investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, alimentaron un rack de computadoras con una membrana de intercambio de protones, o PEM, celda de combustible de hidrógeno. Monroe y sus colegas estuvieron presentes en la demostración.
«Nos intrigamos porque sabíamos que estaban usando una pila de combustible automotriz», dijo Monroe. «Una pila de combustible automotriz tiene el tiempo de reacción que tiene un generador diesel. Puede encenderse rápidamente. Puede estar lista para una carga completa en segundos. Puedes pisarlo, dejarlo apagado, dejarlo en ralentí.»
Las células de combustible PEM combinan hidrógeno y oxígeno en un proceso que produce vapor de agua y electricidad. Las empresas automotrices están desarrollando la tecnología para alimentar coches, camiones y otros vehículos. Después de la demostración, Microsoft comenzó a pensar en usar celdas de combustible para la energía de reserva en los centros de datos.
El equipo de Monroe adquirió un sistema de celdas de combustible de 250 kilovatios, suficiente para alimentar una fila completa, del orden de 10 bastidores, de servidores de centros de datos. Las pruebas comenzaron en Power Innovations, el desarrollador del sistema, en las afueras de Salt Lake City en septiembre de 2019. El sistema pasó la prueba de resistencia de 24 horas ese diciembre; la prueba de 48 horas este junio.
«Es el sistema de energía de respaldo de computadora más grande que conocemos que funciona con hidrógeno y ha realizado la prueba continua más larga», dijo Monroe.
Las exploraciones de celdas de combustible
El siguiente paso del equipo es conseguir y probar un sistema de celda de combustible de 3 megavatios, que está a la par con el tamaño de los generadores de respaldo alimentados con diesel en los centros de datos de Azure.
Incluso antes de esa demostración de 2018, Microsoft había estado buscando formas de usar las celdas de combustible. La compañía 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 bastidores de servidores con celdas de combustible de óxido sólido, o SOFC, que son alimentadas por gas natural.
«Tienen la capacidad de hacer su propio hidrógeno a partir de la alimentación de gas natural que obtienen», explicó Monroe. «Toman gas natural, un poco de agua, la calientan hasta 600 grados C, que es la temperatura de un fuego de carbón caliente».
Eso es lo suficientemente caliente para un proceso llamado reforma del metano de vapor que genera una corriente de átomos de hidrógeno para la generación de electricidad.
Microsoft ha continuado explorando el potencial de la tecnología de celdas de combustible SOFC para proporcionar energía de carga base, lo que podría liberar a los centros de datos de la red de energía eléctrica y al mismo tiempo hacerlos 8 a 10 veces más eficientes energéticamente. Por ahora, sin embargo, la tecnología sigue siendo demasiado cara para su despliegue generalizado.
El proceso de las SOFC también produce dióxido de carbono, que es otra de las razones por las que Microsoft está explorando las pilas de combustible PEM, señaló Monroe.
Además, los costos estimados de los sistemas de celdas de combustible PEM para la generación de energía de respaldo en los centros de datos han disminuido en más del 75% desde la demostración en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Si la tendencia continúa, en uno o dos años los costos de capital de los generadores de celdas de combustible podrían ser competitivos en precio con los generadores diesel.
El aumento de la producción de pilas de combustible para satisfacer la demanda de la industria de centros de datos podría potencialmente reducir aún más los costos, añadió.
«Nos vemos como un catalizador en toda esta economía del hidrógeno», dijo Monroe.
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 los generadores de reserva durante 12 a 48 horas, lo cual es estándar en la industria para permitir esos «cinco nueves» de disponibilidad de servicio.
Por ejemplo, para 48 horas de generación de energía de reserva, cada centro de datos requeriría hasta 100.000 kilogramos de hidrógeno para alimentar los generadores de reserva para un corte de energía prolongado, dijo Monroe.
Conversaciones internas sobre cómo asegurar esta infraestructura han llevado a discusiones sobre el papel que Microsoft podría desempeñar para estimular la economía del hidrógeno, señaló Janous.
«¿Qué pasaría si se pudieran tomar todos estos activos que tiene el centro de datos e integrarlos en la red de manera que ayuden a acelerar aún más la descarbonización de la red más ampliamente, en lugar de sólo una solución puntual para el centro de datos en sí», dijo. «Ahí es donde creo que todo esto se pone interesante».
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