Microsoft testa cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio para energia de backup em data centers





Pela primeira vez no mundo, cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio alimentaram os racks de servidores de um data center da Microsoft por 48 horas consecutivas. Isso poderia estimular o desenvolvimento de uma economia de energia limpa, construĂ­da em torno do elemento mais abundante do universo, hĂĄ muito esperada.



Essa conquista Ă© uma das etapas para cumprir os compromissos da empresa de  reduzir suas emissĂ”es de diĂłxido de carbono atĂ© 2030 . Para atingir essa meta e acelerar a eliminação global dos combustĂ­veis fĂłsseis, a Microsoft tambĂ©m visa  eliminar sua dependĂȘncia do diesel atĂ© 2030 .



O diesel Ă© responsĂĄvel por menos de 1% das emissĂ”es totais da Microsoft. Seu uso Ă© limitado principalmente aos datacenters do Azure onde, como a maioria dos provedores de nuvem em todo o mundo, os geradores a diesel mantĂȘm operação contĂ­nua em caso de falta de energia e outras interrupçÔes de serviço.

"Eles são caros. E por mais de 99% de suas vidas, eles juntam poeira e não fazem nada ”, disse Mark Monroe, engenheiro-chefe de infraestrutura da equipe de desenvolvimento de ponta de data center da Microsoft.



Lucas Hoppa, Diretor Ambiental da Microsoft, Ă© o embaixador da Microsoft no Conselho de HidrogĂȘnio, uma iniciativa global de empresas lĂ­deres de energia, transporte e indĂșstria para promover a economia do hidrogĂȘnio. Foto: Roderigo De Medeiros.



Nos Ășltimos anos, o custo das cĂ©lulas a combustĂ­vel de hidrogĂȘnio caiu a ponto de se tornarem uma alternativa econĂŽmica aos geradores de reserva a diesel.



“A ideia de usĂĄ-los em hidrogĂȘnio limpo se encaixa em nosso compromisso geral com o carbono”, disse Monroe.



AlĂ©m disso, ele acrescentou, o data center Azure, equipado com cĂ©lulas de combustĂ­vel, um tanque de armazenamento de hidrogĂȘnio e um eletrolisador que converte molĂ©culas de ĂĄgua em hidrogĂȘnio e oxigĂȘnio, pode ser integrado Ă  rede elĂ©trica para fornecer serviços de balanceamento de carga.



Por exemplo, uma cĂ©lula eletrolĂ­tica pode ser ligada durante os perĂ­odos de excesso de produção de energia eĂłlica ou solar para armazenar energia renovĂĄvel na forma de hidrogĂȘnio. EntĂŁo, durante perĂ­odos de alta demanda, a Microsoft poderia lançar cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio para gerar eletricidade para a rede. VeĂ­culos a hidrogĂȘnio de longa distĂąncia poderiam chegar aos data centers para reabastecer seus tanques.



“Toda essa infraestrutura representa uma oportunidade para a Microsoft desempenhar um papel importante no que sem dĂșvida impulsionarĂĄ o programa geral de otimização de energia que o mundo implementarĂĄ nos prĂłximos anos”, disse Lucas Hoppa, Diretor Ambiental da Microsoft.



Para explorar ainda mais como a Microsoft pode otimizar seus investimentos em cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio e infraestrutura relacionada, a empresa nomeou Hopp como seu representante no Conselho de HidrogĂȘnio, uma iniciativa global de empresas lĂ­deres de energia, transporte e industriais para estimular a economia do hidrogĂȘnio.



Os cientistas jĂĄ provaram que as cĂ©lulas a combustĂ­vel do elemento mais abundante do Universo, o hidrogĂȘnio, podem ser utilizadas para gerar energia livre de gases de efeito estufa.



“NĂłs sabemos como fazer”, disse ele. “Mas o  Conselho  existe porque nem sempre sabemos exatamente como aumentar a produção de hidrogĂȘnio, seu transporte e abastecimento, e depois o consumo da maneira que gostarĂ­amos. Ainda hĂĄ muito trabalho a ser feito. "



Mark Monroe, engenheiro chefe de infraestrutura da equipe de desenvolvimento de data center avançado da Microsoft, estĂĄ liderando um projeto para explorar o potencial das cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio para alimentar geradores em standby em data centers. Foto: Mark Monroe / Microsoft.



Substituição de diesel



A Microsoft estå comprometida em fornecer aos consumidores do datacenter do Azure "cinco noves" de disponibilidade de serviço, o que significa que o datacenter é 99,999% do tempo. Os geradores em espera iniciam durante quedas de energia ou outras interrupçÔes de serviço.



“NĂŁo usamos geradores a diesel com muita frequĂȘncia”, disse Monroe. “NĂłs os executamos uma vez por mĂȘs para garantir que funcionem. Fazemos testes de carga uma vez por ano para verificar se podemos transferir a carga para eles corretamente, mas em mĂ©dia eles cobrem quedas de energia menos de uma vez por ano. ”



De acordo com Brian Jenus, gerente geral da equipe de EstratĂ©gia de Data Center SustentĂĄvel e Energia da Microsoft, a Microsoft estĂĄ explorando tecnologias de substituição de diesel que dariam suporte ou melhorariam a disponibilidade do serviço e vĂȘ a promessa em cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio e baterias.



“O trabalho que a equipe estĂĄ fazendo hoje Ă©, na verdade, tentar avaliar a viabilidade de diferentes soluçÔes”, diz ele.



As baterias jĂĄ fornecem energia de reserva de curto prazo, preenchendo o intervalo de 30 segundos entre a desconexĂŁo da rede elĂ©trica e o tempo necessĂĄrio para alimentar os geradores a diesel. As baterias mais modernas tĂȘm uma vida Ăștil mais longa.



“Se houver uma situação em que os tempos de execução necessĂĄrios sejam tĂŁo longos que as baterias nĂŁo sejam mais eficientes, entĂŁo vocĂȘ vai mudar para algo como cĂ©lulas de combustĂ­vel”, disse Jenus.



Prova de conceito



As sementes da ideia de usar cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio para energia de reserva foram plantadas na primavera de 2018, quando pesquisadores do LaboratĂłrio Nacional de Energia RenovĂĄvel em Golden, Colorado acionaram um rack de computadores usando uma cĂ©lula de combustĂ­vel de membrana de troca de prĂłtons de hidrogĂȘnio, ou PEM. Monroe e seus colegas assistiram a uma demonstração do sistema.





A Power Innovations construiu um sistema de cĂ©lula de combustĂ­vel de 250 quilowatts para ajudar a Microsoft a explorar o potencial de usar cĂ©lulas de combustĂ­vel de hidrogĂȘnio para geração de energia de backup em data centers. Como prova de conceito, o sistema alimentou vĂĄrios servidores de data center por 48 horas consecutivas. Foto: Power Innovations.



“Ficamos intrigados porque sabĂ­amos que eles estavam usando uma cĂ©lula de combustĂ­vel automotiva”, disse Monroe. - Uma cĂ©lula de combustĂ­vel automotiva tem o mesmo tempo de resposta de um gerador a diesel. Ele pode ser ativado rapidamente. Ele pode estar pronto para carga total em segundos. VocĂȘ pode encobrir isso, deixĂĄ-lo ir, deixĂĄ-lo parado. "



O processo de combinar hidrogĂȘnio e oxigĂȘnio nas cĂ©lulas a combustĂ­vel PEM resulta na produção de vapor d'ĂĄgua e eletricidade. As empresas automotivas estĂŁo desenvolvendo tecnologias para mover carros, caminhĂ”es e outros veĂ­culos. ApĂłs a demonstração, a Microsoft começou a pensar em usar cĂ©lulas de combustĂ­vel para alimentar seus data centers.



A equipe de Monroe comprou um sistema de cĂ©lula de combustĂ­vel de 250 quilowatts, o que Ă© suficiente para alimentar uma fileira inteira (cerca de 10 racks) de servidores de data center. Os testes começaram na Power Innovations, uma desenvolvedora de sistema, fora de Salt Lake City em setembro de 2019. O sistema passou em um teste de resistĂȘncia de 24 horas em dezembro e em um teste de 48 horas em junho.



“Este Ă© o maior sistema de backup de computador que conhecemos, que funciona com hidrogĂȘnio e passou no teste contĂ­nuo mais longo”, disse Monroe.



A próxima etapa da equipe é adquirir e testar um sistema de célula de combustível de 3 MW que seja tão grande quanto os geradores de reserva a diesel nos datacenters do Azure.



Pesquisa de célula de combustível



Mesmo antes desta demonstração de 2018, a Microsoft estava procurando maneiras de usar cĂ©lulas de combustĂ­vel. A empresa começou a  explorar a tecnologia de cĂ©lulas de combustĂ­vel em 2013  com o National Fuel Cell Research Center da University of California, Irvine, onde testou a ideia de alimentar racks de servidores com cĂ©lulas de combustĂ­vel de Ăłxido sĂłlido, ou SOFCs, que funcionam com gĂĄs natural.



“Eles tĂȘm a capacidade de produzir seu prĂłprio hidrogĂȘnio a partir do gĂĄs natural que produzem”, explicou Monroe. “Eles pegam gĂĄs natural, um pouco de ĂĄgua, aquecem atĂ© 600 graus C, que Ă© a temperatura do carvĂŁo quente”.



Isso Ă© quente o suficiente para um processo chamado conversĂŁo de metano a vapor, que gera um fluxo de ĂĄtomos de hidrogĂȘnio para gerar eletricidade.

A Microsoft continua a explorar o potencial da tecnologia de célula de combustível SOFC para fornecer uma carga båsica que pode liberar data centers da rede elétrica, tornando-os 8 a 10 vezes mais eficientes em termos de energia. No entanto, essa tecnologia é atualmente muito cara para adoção generalizada.



“O processo SOFC tambĂ©m produz diĂłxido de carbono, que Ă© outra razĂŁo pela qual a Microsoft estĂĄ olhando para as cĂ©lulas de combustĂ­vel PEM”, disse Monroe.



AlĂ©m disso, desde a demonstração no LaboratĂłrio Nacional de Energia RenovĂĄvel, os custos estimados de sistemas de cĂ©lulas de combustĂ­vel PEM para geração de energia em standby em data centers caĂ­ram mais de 75%. Se a tendĂȘncia continuar, em um ou dois anos, o custo de capital dos geradores de cĂ©lulas de combustĂ­vel poderĂĄ ter um preço competitivo com os geradores a diesel.



Ele acrescentou que o aumento da produção de cĂ©lulas de combustĂ­vel para atender Ă  demanda da indĂșstria de data center pode potencialmente levar a mais economia de custos.



“NĂłs nos vemos como o catalisador para toda a economia do hidrogĂȘnio”, disse Monroe.



Economia do HidrogĂȘnio



Do ponto de vista da Microsoft, outras partes dessa economia incluem a infraestrutura para comprar, armazenar e manter hidrogĂȘnio ambientalmente amigĂĄvel suficiente para alimentar geradores em standby por 12-48 horas, que Ă© o padrĂŁo da indĂșstria para disponibilidade de serviço de cinco noves. ...



Por exemplo, para 48 horas de energia em standby, cada data center precisarĂĄ de atĂ© 100.000 quilogramas de hidrogĂȘnio para abastecer os geradores em standby no caso de uma queda de energia prolongada, explicou Monroe.



“Outras conversas dentro da empresa sobre como proteger essa infraestrutura levaram a discussĂ”es sobre o papel da Microsoft em impulsionar a economia do hidrogĂȘnio”, disse Jenus.



“E se vocĂȘ pudesse pegar todos esses ativos no data center e integrĂĄ-los Ă  rede de uma forma que acelere ainda mais a descarbonização da rede de forma mais ampla, em vez de apenas como uma solução pontual para o prĂłprio data center? ele disse. "É aqui que eu acho que as verdadeiras descobertas estĂŁo."



Imagem do cabeçalho: a Microsoft usou hidrogĂȘnio armazenado em tanques em trailers estacionados fora de um laboratĂłrio perto de Salt Lake City, Utah, para alimentar cĂ©lulas de hidrogĂȘnio que alimentam vĂĄrios servidores de data center por 48 horas consecutivas. Foto: Power  Innovations.



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