Conversión de Centros de datos de diésel a gas para la generación de energía

 

Marcelo Algrain, doctorado
Administrador Técnico de Ingeniería Sénior
Caterpillar, Inc. División de energía eléctrica

Octubre de 2016


Introducción

Las necesidades de energía de la industria del centro de datos (CD) continúan creciendo a paso acelerado. En el pasado, las ubicaciones del centro de datos eran fuentes de energía económicas y confiables. Hoy en día, estos lugares son más difíciles de encontrar y aumenta la presión para encontrar soluciones alternativas que sean menos demandantes en la red, en especial cuando la demanda eléctrica es alta.

Si bien muchos centros de datos cuentan con suficiente capacidad de autogeneración de sus unidades de emergencia de diésel, la viabilidad de poner en marcha esas unidades para aliviar la red no es ni económicamente factible (el coste operativo sería inaccesible debido al alto coste del combustible) ni permisible por restricciones actuales de la junta aérea que pone límites a las horas anuales de uso. La función de las unidades de emergencia de diésel es simplemente para energía de respaldo en los centros de datos durante cortes en los servicios.  

Por otro lado, la generación basada en el gas tiene un impacto medioambiental mucho menor y el coste de combustible se reduce considerablemente en comparación a la generación de energía de diésel. Además, algunos proveedores de servicios proporcionan incentivos para reducir el consumo en los momentos de congestión de la red eléctrica. En estas condiciones, se convierte viable tanto económica como ambientalmente para un centro de datos utilizar grupos electrógenos a gas para la cogeneración durante los períodos de no emergencia. La cantidad de cogeneración que se necesita dependería de situaciones específicas, pero podrían ser solo cargas no críticas de soporte para suministrar alimentación a toda la instalación del CD.

No hace falta decir que para una industria que debe brindar el más alto nivel de resistencia, la idea de cambiar de energía diésel a energía de gas sería un salto técnico que quizás algunos vean como demasiado radical. De ser así, posiblemente se prefiera un enfoque evolutivo con pasos graduales.  

La transición del CD de energía diésel a energía de gas puede lograrse de diversas maneras. Algunas opciones se describen a continuación. Tenga en cuenta que incluso las opciones que suenan por lo general poco atractivas podrían ser la solución en casos especiales. 

 

Construcción de una planta de energía de punta puesta con el CD

La primera opción sería la menos perjudicial para los CD. La planta de punta sería enviada cuando la demanda de electricidad deba reducirse. Que la planta proporcione las funciones de respaldo adicional de la red o no sería decisión de los propietarios. Si la planta debe dar soporte a la red eléctrica, necesitaría cumplir con los códigos de red correspondientes a cada país, por ejemplo el IEEE 1547 en los Estados Unidos. Por otro lado, si la planta de punta tiene el único propósito de brindar respaldo al CD y desplazar la carga en servicios, los códigos de la red eléctrica no se aplicarían en la mayoría de los casos, lo que simplificaría la instalación y el proceso de aprobación de la conexión y reduciría los costes de capital.

 

Conversión de unidades diésel a unidades de combustible doble

La conversión de unidades diésel a combustible doble (diésel y gas) es una solución técnicamente atractiva. Podría generar un grupo electrógeno que tenga la respuesta de un motor diésel, pero prácticamente el coste de combustible de un motor de gas. Desafortunadamente, en el entorno regulatorio actual, las unidades deben cumplir con las normativas de un motor diésel de energía primaria y requerirían un escape extenso después del tratamiento a un coste elevado. 

 

Cargas no críticas de energía con unidades de gas

La tercera opción para suministrar energía a cargas no críticas con unidades de gas proporcionaría una respuesta parcial para compensar parte del peso del CD en servicios públicos. Por lo general, las cargas no críticas representan menos de un cuarto de la carga total del CD. Si eso es alivio suficiente, podría ser una solución aceptable. Además, si el CD pudiera usar parte del calor generado por las unidades de gas como una combinación de solución de calor y energía (CHP), se podrían poner en su lugar para mejorar aun más la eficiencia térmica.

 

Reemplazo de unidades diésel con unidades que tienen mayores capacidades de aceptación de carga de gas

Un reemplazo directo de grupos electrógenos diésel por grupos a gas es la solución ideal. Si bien es una idea común que las unidades de gas se quedan atrás en sus capacidades de aceptación de carga en comparación con las contrapartes de diésel, los últimos desarrollos en la tecnología de motores a gas han llevado a varios avances en el rendimiento del motor y han mejorado significativamente su capacidad para aceptar la carga. 

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Figura 1: Voltaje y frecuencia transitoria para un cambio de paso de 75 % en la carga de banco de carga

La figura 1 muestra el voltaje (lado izquierdo) y la frecuencia transitoria (lado derecho) para un cambio de paso de 75 % en la carga. La marca azul corresponde a un grupo electrógeno de gas convencional, la roja corresponde a un grupo electrógeno nuevo de respuesta dinámica y la verde a un grupo electrógeno de diésel. Como se muestra en la figura 1, las capacidades de aceptación de carga de la nueva tecnología de motor a gas comienzan a acercarse al nivel de rendimiento que se espera de una unidad diésel, a tal punto que en algunos casos el reemplazo directo de una unidad diésel por una a gas está al alcance. Además, la optimización de la secuencia de carga, el amoldamiento de los tiempos de rampa de UPS y la reducción del tamaño de las cargas en bloque podrían dar forma al perfil de la carga del CD para que esté dentro de las capacidades de aceptación de carga de la próxima generación de grupos electrógenos a gas, lo que convierte en una realidad los CD con energía a gas.

 

Utilización de un sistema de generación híbrido con una mezcla de unidades de gas y diésel 

Por último, existe una solución híbrida en la que se combinan las unidades de gas y diésel para compensar la demanda del CD en los servicios públicos durante una congestión en la red eléctrica, a la vez que se mantiene el rendimiento del grupo electrógeno en situaciones de emergencia. Esto es posible debido a que en gran medida la carga en estado estacionario en un CD es de variación lenta y las demandas de respuesta transitoria del grupo electrógeno no son exigentes. El desafío se presenta cuando hay una transición desde una fuente de energía a otra. Los grupos electrógenos diésel han sido históricamente capaces de manejar estas transiciones sin incidentes. Por el contrario, las unidades de gas convencional aún no son capaces de adaptarse a las capacidades transitorias de las unidades diésel. Sin embargo, un sistema híbrido de diésel con gas podría ser capaz de cumplir con los requisitos de respuesta transitoria y proporcionar capacidades de generación de no emergencia para aliviar la carga en la red eléctrica en momentos de máxima demanda.

La interpretación más simple de un CD híbrido de diésel y gas es una configuración paralela de bus con una mezcla de grupos electrógenos a gas y diésel. Básicamente, los grupos electrógenos de gas y diésel se conectan a un bus paralelo que comparte la carga. Debido a que por lo general las unidades de gas tendrían menores capacidades de aceptación de carga que las unidades diésel, sería útil hacer funcionar las unidades de gas en la modalidad de carga base y las unidades diésel en el modo de seguimiento de carga. La proporción de gas y diésel que deba usarse se basará en el nivel de generación de no emergencia que se desea, a la vez que se brinde suficiente rigidez de bus eléctrico a través del generador diésel para mantener la calidad de potencia dirigida durante situaciones de emergencias. Si bien la relación entre diésel y gas varía según el caso, un punto de partida razonable sería una división de 50/50.

Para los centros de datos con diseños modulares donde un solo grupo electrógeno alimenta la carga de IT a través de los UPS, el desarrollo de una configuración híbrida requiere una compensación más amplia. Por lo general, los sistemas modulares tienen cierto nivel de redundancia de generación, N + 1 o N + 2, etc. Los grupos electrógenos redundantes presentan una oportunidad para la hibridación. La figura 2 muestra un diagrama simplificado de línea simple de CD modular. Son posibles dos oportunidades diferentes: 

1. Los grupos electrógenos de gas se usan para redundancia, las unidades diésel se utilizan para primaria

2. Los grupos electrógenos diésel se usan para redundancia, las unidades de gas se utilizan para primaria

En el primer caso, la capacidad de alivio de carga de servicio es de 1/N o 2/N según el nivel de redundancia. Esto sería una configuración dominante de diésel. El segundo caso es una configuración de gas dominante, que proporciona potencialmente toda la energía necesaria para el CD. La conveniencia de cada caso dependerá del nivel de autogeneración de no emergencia que se busque.

 

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Figura 2: Ejemplo de configuración de CD modular

En función del supuesto de que los grupos electrógenos de gas no sean completamente capaces de alcanzar la respuesta transitoria de aceptación de carga de las unidades diésel, revisemos cómo el sistema híbrido cumpliría con esas necesidades. En el primer caso en el que las unidades redundantes son de gas, estos grupos electrógenos pueden utilizarse para reducir la carga en los servicios públicos durante situaciones de no emergencia. Los grupos electrógenos a gas estarían operando en modalidad de carga base. En el caso de pérdida de los servicios, las unidades de diésel se pondrían en marcha y restaurarían la potencia a las UPS como de costumbre, sin importar si las unidades de gas están o no en funcionamiento. En el caso poco probable de que una de las unidades diésel no encienda, la unidad de gas estaría disponible para sustituir la unidad diésel, pero el acceso de UPS al grupo electrógeno a gas necesitaría retrasar la capacidad de aceptación de carga de la unidad de gas. Alternativamente, si hubiera más de una unidad de gas para sustituir una de diésel con problemas de arranque, por ejemplo, un sistema de N + 2, estaría dentro de las capacidades de aceptación de carga del par de unidades de gas para aceptar el acceso de UPS.

En la segunda configuración híbrida donde el grupo electrógeno redundante es diésel y las primarias son de gas, existe una capacidad de generación de no emergencia suficiente para satisfacer el consumo eléctrico del CD completo sin carga puesta en servicios públicos. Aún sería conveniente permanecer conectado al servicio para fortalecer la fuente de energía eléctrica y agregar redundancia adicional. Preferentemente, la secuencia de arranque ocurriría mientras se está conectado a la red eléctrica, para que el grupo electrógeno a gas pueda funcionar de rampa hasta un nivel donde la carga de IT sea transportada completamente por la unidad de gas y no fluya corriente a través del disyuntor del suministro eléctrico asociado. En caso de que sea necesario que el grupo electrógeno a gas se inicie en caso de ausencia de servicios públicos, el grupo electrógeno diésel redundante proporcionaría la rigidez de bus eléctrico para transferir la carga IT a la unidad de gas. Este proceso necesitaría repetirse de manera secuencial hasta que todas las unidades de gas estén funcionando y desde una condición de arranque negro. Este proceso extendería el tiempo de uso del UPS particularmente en la última unidad a la que se accedió. Sin embargo, los UPS de batería con varios minutos de capacidad de tiempo de descarga no serían una limitación, ya que señalar la prioridad de acceso del grupo electrógeno podría emparejar el tiempo de funcionamiento del UPS en todas las unidades. Este último método permite que el CD reduzca el consumo de servicios públicos a niveles cercanos a cero en momentos de congestiones en la red eléctrica y les permitiría a los propietarios del CD sacar provecho de los incentivos económicos que puedan proporcionar los servicios públicos.

 

Conclusión

Para resumir, este documento técnico ha mencionado las múltiples opciones para convertir un CD de generación de energía diésel a gas. Esta migración podría ser gradual hasta alcanzar una conversión completa. La decisión sobre qué tan lejos ir dependería principalmente del grado de alivio de la red eléctrica que se necesitaría en épocas de alta demanda eléctrica y de los incentivos económicos para reducir el consumo eléctrico externo del centro datos mediante el uso de cogeneración. Las tendencias actuales indican que la congestión de la red eléctrica seguirá aumentando a medida que las plantas de energía existentes se retiren y la entrada de recursos de generación variable aumente. Para contrarrestar la volatilidad emergente en el mercado de energía eléctrica, la generación de energía a gas proporciona una solución resistente, adecuada para el medio ambiente y económica para las instalaciones de CD. El coste de gas natural está en un punto bajo histórico y el suministro es abundante. Un estudio1 puesto en marcha por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos llegó a la conclusión de que el sistema de gas natural es por lo general lo suficientemente fuerte como para manejar cortes de dos semanas a tres meses en la red eléctrica. Históricamente, han sido muy pocos los cortes de energía en el sistema de distribución de gas natural, con contratos de suministro de compañías que muestran una confiabilidad superior al 99,999 %. En conclusión, el gas natural es una opción viable para un centro de datos de abastecimiento de combustible.

1Fuentes: Departamento de Defensa de los Estados Unidos: Interdependencia del Sistema de Generación de Electricidad y del Sistema de Gas Natural y las consecuencias para la Seguridad de la Energía, 2013

 

Acerca de Caterpillar

Durante la década de los noventa, Caterpillar Inc. ha facilitado el progreso sustentable y ha impulsado cambios positivos en todos los continentes. Los clientes acuden a Caterpillar para que los ayuden a desarrollar los activos de infraestructura, energía y recursos naturales. Con ventas e ingresos en 2015 que sumaron un valor de 47,010 millones de dólares, Caterpillar es el fabricante líder en el mundo de la construcción y equipos de minería, motores diésel y de gas natural, turbinas de gas industriales y locomotoras diésel-eléctricas. La empresa opera principalmente mediante sus tres divisiones de productos, Industrias de Recursos, Industrias de Construcción y Sistemas de Energía, y también proporciona financiamiento y servicios relacionados a través de la división de productos financieros.

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