Aprovechar la energía renovable para reducir las emisiones de los centros de datos

Jan 09, 2024

El rápido crecimiento de la Inteligencia Artificial (IA) y otras aplicaciones que consumen mucha energía para la informática y el procesamiento de datos ha impulsado una expansión explosiva en las implementaciones de instalaciones de centros de datos a gran escala en todo el mundo. La industria de los centros de datos está cada vez más presionada para reducir su contribución a las emisiones globales y al mismo tiempo satisfacer esta demanda de proporcionar más capacidad de procesamiento. Una solución para satisfacer las necesidades simultáneas de un mayor procesamiento con menores emisiones de carbono es aumentar la ubicación de los centros de datos en o cerca de los lugares de producción de energía renovable.

El centro de investigación cooperativo industrial/universitario de Computación Autonómica y en la Nube (CAC) de la National Science Foundation (NSF) se dedica a la investigación y el desarrollo avanzados impulsados ​​por la industria en métodos de computación autónoma, distribuida y en la nube y su aplicación a una amplia gama de necesidades. para sus socios. La misión general del Centro CAC es realizar investigación y desarrollo fundamentales en computación autónoma y en la nube en colaboración con la industria y el gobierno. El alcance técnico de las actividades del Centro incluye métodos de diseño y evaluación, algoritmos, arquitecturas, software y fundamentos matemáticos para sistemas informáticos automatizados y distribuidos avanzados. Se estudian soluciones para diferentes niveles, incluyendo las capas de hardware, redes, almacenamiento, middleware, servicios e información.

La disponibilidad de grandes cantidades de energía renovable puede romper la curva de costos de la informática a gran escala. Para los centros informáticos de gran escala, la energía es una fracción importante del coste operativo que puede alcanzar aproximadamente el mismo nivel que la inversión de capital durante la vida útil del equipo.

La energía eólica y la energía solar están cada vez más disponibles en cantidades significativas, pero a diferencia de las fuentes anteriores de energía renovable, como las plantas hidroeléctricas, cada una tiene una disponibilidad y un costo significativamente variables (a veces incluso negativos) a lo largo del día. Para aprovechar al máximo estas fuentes de energía, los centros de datos deberán estar altamente automatizados y preferiblemente situados en ubicaciones remotas cerca de estas fuentes para reducir los costos de transmisión.

El trabajo de NSF CAC en estándares de control, análisis y automatización de centros de datos aplica a este problema la experiencia de líderes con décadas de experiencia en estos procesos y métodos. A través de asociaciones con organizaciones líderes en desarrollo de estándares globales, como Distributed Management Task Force (DMTF), Storage Networking Industry Association (SNIA) y Open Grid Forum (OGF), y trabajando a través de ellas para desarrollar, probar e implementar estándares. para su adopción con otras organizaciones globales como ISO y sus socios internacionales, el CAC tiene una larga trayectoria en la producción e influencia de estándares que logran la adopción global.

Proyectos recientes del CAC han desarrollado un enfoque cada vez mayor en los estándares necesarios para lograr la adopción práctica de la automatización, el análisis y el control de los centros de datos en entornos remotos y alimentados con energía renovable. En colaboración con DMTF, SNIA y OGF, la CAC ha llevado a cabo pruebas exhaustivas para los estándares Redfish y Swordfish utilizados para proporcionar dichas capacidades para equipos informáticos y de almacenamiento, para transferencia y operaciones de datos, y para la gestión y automatización eléctrica de una gama cada vez mayor. de la infraestructura del centro de datos. Dicha automatización y control son cruciales para el despliegue y operación exitosos de los centros de datos bajo las condiciones variables de disponibilidad de energía implícitas en el uso de la energía eólica y solar y, igualmente, aportan beneficios de rentabilidad a otros entornos.

El CAC trabaja en estrecha colaboración con el Laboratorio Global para la Gestión y Fabricación de Activos Energéticos (GLEAMM) de la Universidad Tecnológica de Texas (TTU), que tiene la misión principal de atraer y realizar investigaciones multidisciplinarias en el campo de la energía en asociación con instituciones federales, agencias estatales, el sector privado. sector, y otras universidades. La misión de GLEAMM es verificar, validar y caracterizar las tecnologías existentes utilizadas en el campo energético, así como desarrollar nuevas tecnologías de vanguardia y ponerlas a disposición del público a través de la comercialización de investigaciones y publicaciones científicas.

GLEAMM tiene una amplia gama de capacidades diseñadas específicamente para la investigación de la modernización de la infraestructura de la red eléctrica y las energías renovables. Los recursos de GLEAMM incluyen un panel solar de 150 kW, acceso a múltiples turbinas eólicas a una escala de varios cientos de kVA cada una en asociación con General Electric (GE) y Sandia National Laboratories, una serie de unidades de medición de fasores distribuidos (PMU) para monitorear la red, cargas resistivas programables de 1 MW, una carga programable de 187 kVAR, un inversor de cuatro cuadrantes de 30 kW, un generador diésel de 500 kW, un sistema de almacenamiento de energía de 81,6 kWh y un edificio de control completamente instrumentado con sensores de voltaje y corriente. para adquisición de datos y una estación meteorológica local. Por lo tanto, estas capacidades de generación y almacenamiento de energía abarcan toda la gama de fuentes de energía que probablemente se encontrarán en las nuevas implementaciones de centros de datos.

La microrred GLEAMM combina la experiencia en investigación y comercialización de la Universidad Tecnológica de Texas con tecnologías industriales de próxima generación para proteger, mejorar y gestionar la transmisión y distribución de electricidad. El objetivo principal de GLEAMM es proporcionar una infraestructura funcionalmente completa para estudios innovadores en diferentes áreas relacionadas con las energías renovables y las microrredes, como la modernización, la gestión energética, la calidad, el control y la operación de la energía.

Además de estas capacidades de hardware, GLEAMM también cuenta con el equipo de simulación 'hardware-in-the-loop' (HIL) OPAL-RT, que se utiliza para fusionar modelos basados ​​en computadora con dispositivos de hardware para estudiar las interacciones entre los dos. En términos de capacidades de simulación de software, GLEAMM tiene licencias para varias herramientas estándar de la industria, como PSSE, PSCAD, PowerWorld, Exata CPS y VOLTRON. Los recursos informáticos y de simulación del CAC se pueden utilizar para complementar el equipo del mundo real utilizando estos recursos para modelar y comprender el comportamiento de instalaciones mucho más grandes.

Estos recursos e instalaciones están ubicados en el sitio GLEAMM en Reese Center, al oeste de Lubbock, Texas. Este centro es una antigua base de la Fuerza Aérea que ahora alberga una variedad de instalaciones académicas de instrucción e investigación, así como varios inquilinos industriales, a unos 20 minutos en automóvil desde el campus principal de Texas Tech. GLEAMM puede obtener energía directamente de tres torres eólicas de investigación de capacidad máxima de 300 kVA, cada una de las cuales genera aproximadamente 200 kW a velocidades de viento de 11 m/s y de un panel solar de capacidad máxima de 150 kVA en su sitio en el Centro Reese. Estas torres eólicas, operadas por Sandia National Laboratories, están conectadas directamente al equipo de conmutación en el edificio GLEAMM Microgrid, donde se encuentra el equipo de control. Estas instalaciones también están cerca de torres eólicas de grado comercial operadas por General Electric y pueden acceder a energía comercial a través de líneas operadas por South Plains Electric Cooperative (SPEC).

Para cualquier carga determinada, los recursos que necesitan energía continua (por ejemplo, para preservar la preparación del sistema, administrar el acceso y la disponibilidad y mantener funciones esenciales) se pueden mantener en funcionamiento con energía comercial externa o con nuestro generador diésel en el sitio como respaldo, según sea necesario. Las instalaciones de GLEAMM están ampliamente equipadas con sensores y automatización de grado de laboratorio para permitir que se realicen estudios sobre métodos prácticos para suavizar, regular, operar y equilibrar cargas de trabajo en función de la disponibilidad de energía local y distribuida en un entorno de investigación altamente instrumentado.

A través de un interruptor de transferencia automática (ATS), la microrred se puede conectar a la red primaria o a un generador diésel de respaldo, según su modo operativo. El ATS cambia el modo operativo de la microrred entre dos escenarios posibles. En el escenario más habitual, denominado "modo conectado a la red", la microrred está conectada a la energía de la instalación y el generador diésel está apagado. En casos raros, se produce un segundo modo operativo llamado "modo isla" cuando la microrred se desconecta de la energía de la instalación y la energía almacenada en batería y el generador diésel se convierten en la fuente principal del sistema.

La transición entre el modo conectado a la red y el modo isla puede planificarse o no. Una transición planificada ocurre cuando el operador hace el cambio intencionalmente, primero arrancando el generador y luego reduciendo el nivel de generación de energía verde. Una vez que se reduce la generación de energía verde y el generador diésel alcanza su estado estable, se realiza la sincronización con la red y luego el ATS cambia de la conexión a la red a la del generador. Es importante que la generación de energía renovable sea inferior al nivel de carga cuando esto ocurre porque el generador diésel no puede consumir ningún exceso de energía. Pueden producirse transiciones no planificadas si falta energía en la red de la instalación. Cuando toda la microrred está apagada debido a una interrupción de las instalaciones, la planta solar y las turbinas eólicas se aíslan y el generador diésel se pone en marcha automáticamente. Sin embargo, el generador necesita unos minutos para alcanzar su estado estable y luego conectarse al sistema para alimentar la microrred en modo isla. Durante este breve intervalo, las cargas se desactivan, pero las cargas críticas y prioritarias también cambian a sistemas de respaldo de batería para mantener su suministro de energía durante dichos cortes.

La microrred GLEAMM está configurada para dar servicio prioritario a su carga crítica, como centro de datos y recursos computacionales alimentados por energía renovable. Esta carga está conectada a la microrred a través de un inversor Outback operado en paralelo a una batería de iones de litio de 1600 Ah que se parece mucho a un sistema de energía ininterrumpida (UPS) convencional para mantener la confiabilidad en caso de pérdida de otras fuentes de energía. Una vez que se detecta una pérdida de energía en la entrada del dispositivo Outback, sus inversores aíslan automáticamente el sistema del corte y usan la batería para suministrar energía a la carga crítica sin retrasos o transitorios perceptibles. La diferencia entre este y un UPS convencional está en la capacidad del sistema combinado para manejar múltiples fuentes de energía de entrada y administrar la conmutación de manera adecuada.

Para conectar todos estos dispositivos en el bus principal de la microrred (MCC), la instalación cuenta con diversos disyuntores, fusibles y paneles de comando que garantizan la protección y seguridad del sistema. La operación y control de la microrred se realiza a través de un Controlador de Automatización en Tiempo Real (RTAC) SEL-3530 que, con su comunicación bidireccional e Interfaz Hombre-Máquina (HMI), permite al operador visualizar las mediciones del sistema y enviar comandos de regreso. a cada dispositivo. Además, las mediciones del medidor Egauge ubicado en diferentes dispositivos permiten la observabilidad, adquisición de datos y supervisión de la microrred.

También hay disponibles dos unidades de medición de fasores (PMU) en las instalaciones para recopilar la magnitud, la frecuencia y el ángulo del voltaje en tiempo real. Uno de estos dispositivos está dedicado a monitorear la entrada y la salida en el inversor Outback, asegurando que la carga crítica esté constantemente bajo niveles aceptables de calidad de energía. Más allá del SEL-3530, todas estas mediciones se envían a una plataforma interactiva remota para visualización de datos y a una base de datos en la que se registra esta información para el análisis posterior al evento. Además de establecer una comunicación bidireccional con todos los elementos de la microrred, el RTAC también contiene algoritmos de control interno desarrollados en proyectos de investigación anteriores.

El sistema de comunicación de dispositivos de microrred GLEAMM está configurado para admitir una amplia gama de pruebas personalizadas y estándar de la industria. Uno de los algoritmos desplegados se encarga de controlar los cinco inversores solares, enviando puntos de consigna para su generación de energía. Estos puntos de ajuste provienen de un Rastreador del Punto de Máxima Potencia (MPPT), que busca maximizar la energía disponible a partir de fuentes de energía renovables, o de un valor definido. El punto de ajuste de la interfaz de usuario es un comando crucial para el funcionamiento en modo isla en el escenario donde la generación solar debe ser menor que la carga, para que el generador no consuma la energía restante. Eventualmente, si la generación solar es superior a las cargas en modo isla, la protección del generador diésel se activa automáticamente, evitando cualquier consumo de energía por parte de este dispositivo.

Otro control del RTAC es el administrador de baterías del Outback. Con las mediciones recopiladas en el RTAC se realizan cálculos para rastrear la cantidad total de energía generada y consumida por la microrred. Siempre que la generación es superior al consumo, el algoritmo envía un comando al inversor Outback para que se conecte a la microrred, alimentando las cargas críticas y cargando la batería. Una vez que la generación es menor que el consumo, el RTAC le indica al Outback que desconecte la microrred y use la batería para mantener la energía de la carga crítica. Con este control podremos almacenar el excedente de energía generado y utilizarlo durante el tiempo en el que no tengamos suficiente producción de energía renovable. La batería se descarga hasta un nivel predeterminado, por lo que se mantiene segura en caso de falta adicional de energía y protege el dispositivo de una descarga profunda. Cuando se alcanza este nivel mínimo, el controlador RTAC le pide al Outback que use la energía de la microrred nuevamente.

Complementando la infraestructura física, la instalación GLEAMM incorpora un simulador digital en tiempo real de la empresa OPAL-RT, en el que toda la microrred y sus dispositivos se modelan como un sistema totalmente simulado. Este simulador se puede utilizar para modelar sistemas eléctricos reales con alta confiabilidad y rastrear el comportamiento de dispositivos eléctricos reales a través de su simulación en tiempo real. Con estas instalaciones y el modelo de microrred completo, los controles GLEAMM se pueden probar y validar en un entorno virtual sin preocuparse por comprometer el sistema eléctrico real bajo una amplia variedad de condiciones operativas proyectadas y usarse para modelar el comportamiento de instalaciones mucho más grandes que probablemente sean utilizado en entornos de centros de datos industriales.

Además de los recursos anteriores para generación, almacenamiento e instrumentación de energía, el CAC también aporta una amplia experiencia desarrollada durante décadas de operación de computación, almacenamiento, redes y operaciones distribuidas de centros de datos. El CAC tiene capacidades avanzadas en estas áreas.

El CAC ha desarrollado el conjunto de herramientas de automatización e instrumentación DAVinci™ que aporta un enfoque integrado a las necesidades muy dispares de análisis en entornos de centros de datos. DAVinci se diferencia de las herramientas anteriores de recopilación, automatización y visualización de datos en que incorpora un diseño holístico de extremo a extremo que optimiza la recopilación, el flujo y la eficiencia de los datos. Si bien se superpone parcialmente con las soluciones de monitoreo o visualización existentes, como las que se analizan a continuación, ninguna de las herramientas anteriores proporciona un marco integrado y un conjunto acoplado de conjuntos de herramientas como lo hace DAVinci.

Las infraestructuras de recopilación de datos anteriores incluyen administración separada de hardware de servidor basada en IPMI, mejoras basadas en Redfish en estas herramientas, herramientas SNMP y herramientas para recuperar datos del registro de eventos del sistema (SEL) del servidor. Existe una amplia variedad de protocolos específicos de dispositivos para administrar y controlar dispositivos de hardware, como sistemas de control y sensores dedicados, unidades de distribución de energía (PDU) de sala y rack y otros equipos personalizados de centros de datos. Muchos de estos ahora se pueden recopilar en el protocolo generalizado de gestión y automatización del centro de datos de Redfish a través de esquemas personalizados diseñados para este propósito.

DAVinci aprovecha el protocolo y las herramientas de Redfish desarrollados y probados por la CAC para recopilar el estado de los recursos. Este sistema aprovecha al máximo las capacidades de definición y recopilación de métricas de telemetría y las funciones de transmisión de datos push agregados del lado del servidor de Redfish para optimizar y personalizar la recopilación de datos.

El componente de visualización de DAVinci se basa en el componente de recopilación de datos para proporcionar representaciones visuales interactivas para el conocimiento de la situación y el monitoreo de los sistemas HPC. Los requisitos de visualización se amplían en las siguientes dimensiones: diseño espacial de HPC (ubicación física de los recursos en el sistema), dominio temporal (como se describe en el recopilador de métricas) y métricas de recursos (como temperatura de la CPU, velocidad del ventilador, consumo de energía, etc.). .).

El componente de visualización proporciona vistas espaciales y temporales de nodos, bastidores y otras instalaciones y permite a los usuarios de DAVinci filtrar por características de series de tiempo, como cambios repentinos de temperatura para la resolución de problemas del sistema. También permite la correlación de métricas de trabajos y recursos a través de análisis multidimensional y se integra con el componente de automatización para que se puedan lograr la caracterización y los resultados del análisis predictivo de los sistemas HPC que utilizan técnicas de aprendizaje automático.

A través de sus asociaciones con organizaciones de estándares internacionales, miembros de la industria y agencias gubernamentales de todo el mundo, la CAC está bien posicionada para ayudar a su organización a tomar las medidas necesarias para lograr una reducción práctica de las emisiones mientras implementa capacidades comerciales computacionales a una escala mucho mayor para satisfacer las crecientes necesidades. Desafíos de la inteligencia artificial, las operaciones de los centros de datos y el procesamiento de datos en el mundo moderno. La información de contacto está a continuación.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimoquinta edición de nuestra publicación trimestral.

Guarde mi nombre, correo electrónico y sitio web en este navegador para la próxima vez que comente.

D