Por primera vez en el mundo, las pilas de combustible de hidrógeno alimentaron los racks de servidores de un centro de datos de Microsoft durante 48 horas seguidas. Esto podría impulsar el desarrollo de una economía de energía limpia tan esperada construida alrededor del elemento más abundante del universo.
Este logro es uno de los pasos hacia el cumplimiento de los compromisos de la compañía de reducir sus emisiones de dióxido de carbono para 2030 . Para lograr este objetivo y acelerar la eliminación global de los combustibles fósiles, Microsoft también apunta a eliminar su dependencia del diésel para 2030 .
El diésel representa menos del 1% de las emisiones totales de Microsoft. Su uso se limita principalmente a los centros de datos de Azure, donde, como la mayoría de los proveedores de la nube en todo el mundo, los generadores diésel se mantienen al día en funcionamiento continuo en caso de cortes de energía y otras interrupciones del servicio.
"Son caros. Y durante más del 99% de sus vidas, acumulan polvo y no hacen nada ”, dijo Mark Monroe, ingeniero jefe de infraestructura del equipo de desarrollo de vanguardia del centro de datos de Microsoft.
Lucas Hoppa, director medioambiental de Microsoft, es el portavoz de Microsoft para el Hydrogen Council, una iniciativa global de empresas líderes en energía, transporte e industriales para fomentar la economía del hidrógeno. Foto: Roderigo De Medeiros.
En los últimos años, el costo de las celdas de combustible de hidrógeno se ha reducido hasta el punto de que se han convertido en una alternativa rentable a los generadores de reserva diésel.
“La idea de usarlos en hidrógeno limpio encaja en nuestro compromiso general de carbono”, dijo Monroe.
Además, agregó, el 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, se puede integrar con la red eléctrica para brindar servicios de balanceo de carga.
Por ejemplo, una celda electrolítica se puede encender durante los períodos de excedente de producción de energía eólica o solar para almacenar energía renovable en forma de hidrógeno. Luego, durante los períodos de alta demanda, Microsoft podría lanzar celdas de combustible de hidrógeno para generar electricidad para la red. Los vehículos de hidrógeno de larga distancia podrían detenerse en los centros de datos para repostar sus tanques.
“Toda esta infraestructura representa una oportunidad para que Microsoft desempeñe un papel importante en lo que indudablemente impulsará el programa general de optimización energética que el mundo implementará en los próximos años”, dijo Lucas Hoppa, director ambiental de Microsoft.
Para explorar más a fondo cómo Microsoft puede optimizar sus inversiones en pilas de combustible de hidrógeno e infraestructura relacionada, la compañía nombró hoy a Hopp como su representante en el Hydrogen Council, una iniciativa global de empresas líderes en energía, transporte e industriales para estimular la economía del hidrógeno.
Los científicos ya han demostrado que las pilas de combustible del elemento más abundante del Universo, el hidrógeno, se pueden utilizar para generar energía libre de gases de efecto invernadero.
“Sabemos cómo hacerlo”, dijo. “Pero el Consejo existe porque no siempre sabemos exactamente cómo escalar la producción de hidrógeno, su transporte y suministro, y luego el consumo de la manera que nos gustaría. Aún queda mucho trabajo por hacer ".
Mark Monroe, ingeniero jefe de infraestructura del equipo de desarrollo avanzado de centros de datos de Microsoft, lidera un proyecto para explorar el potencial de las celdas de combustible de hidrógeno para alimentar generadores de reserva en centros de datos. Foto: Mark Monroe / Microsoft.
Reemplazo de diesel
Microsoft se ha comprometido a proporcionar a los consumidores de centros de datos de Azure una disponibilidad de servicio de "cinco nueves", lo que significa que el centro de datos aumenta el 99,999% del tiempo. Los generadores de reserva se inician durante cortes de energía u otras interrupciones del servicio.
“No usamos generadores diesel con mucha frecuencia”, dijo Monroe. “Los ejecutamos una vez al mes para asegurarnos de que funcionan. Realizamos pruebas de carga una vez al año para verificar que podemos transferirles la carga correctamente, pero en promedio cubren cortes de energía menos de una vez al año ".
Según Brian Jenus, gerente general del equipo de estrategia de centro de datos sostenible y energía de Microsoft, Microsoft está explorando tecnologías de reemplazo de diésel que respaldarían o mejorarían la disponibilidad del servicio, y ve la promesa en las pilas y baterías de combustible de hidrógeno.
“El trabajo que el equipo está haciendo hoy consiste en tratar de evaluar la viabilidad de diferentes soluciones”, dice.
Las baterías ya proporcionan energía de respaldo a corto plazo, llenando el espacio de 30 segundos entre la desconexión de la red y el tiempo necesario para alimentar los generadores diesel. Las baterías más modernas tienen una vida más larga.
"Si se encuentra en una situación en la que el tiempo de ejecución requerido es tan largo que las baterías ya no son eficientes, entonces cambiará a algo como una celda de combustible", dijo Jenus.
Prueba de concepto
Las semillas de la idea de usar celdas de combustible de hidrógeno como energía de respaldo se sembraron en la primavera de 2018, cuando investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, impulsaron un rack de computadoras usando una celda de combustible de membrana de intercambio de protones de hidrógeno, o PEM. Monroe y sus colegas asistieron a una demostración del sistema.
Power Innovations construyó un sistema de celda de combustible de 250 kilovatios para ayudar a Microsoft a explorar el potencial del uso de celdas de combustible de hidrógeno para la generación de energía de respaldo en los centros de datos. Como prueba de concepto, el sistema alimentó varios servidores del centro de datos durante 48 horas consecutivas. Foto: Power Innovations.
“Estábamos intrigados porque sabíamos que estaban usando una celda de combustible automotriz”, dijo Monroe. - Una celda de combustible de automóvil tiene el mismo tiempo de respuesta que un generador diésel. Puede encenderse rápidamente. Puede estar listo para carga completa en segundos. Puedes taparlo, dejarlo ir, dejarlo inactivo ".
El proceso de combinación de hidrógeno y oxígeno en pilas de combustible PEM da como resultado la producción de vapor de agua y electricidad. Las empresas automotrices están desarrollando tecnologías para impulsar automóviles, camiones y otros vehículos. Después de la demostración, Microsoft comenzó a pensar en usar celdas de combustible para respaldar la energía de los centros de datos.
El equipo de Monroe compró un sistema de celda de combustible de 250 kilovatios, que es suficiente para alimentar una fila completa (aproximadamente 10 racks) de servidores del centro de datos. Las pruebas comenzaron en Power Innovations, un desarrollador de sistemas, en las afueras de Salt Lake City en septiembre de 2019. El sistema pasó una prueba de resistencia de 24 horas en diciembre y una prueba de 48 horas en junio.
“Este es el sistema de respaldo informático más grande que conocemos que funciona con hidrógeno y ha superado la prueba continua más larga”, dijo Monroe.
El siguiente paso para el equipo es adquirir y probar un sistema de celda de combustible de 3MW que es tan grande como los generadores diesel de reserva en los centros de datos de Azure.
Investigación de pilas de combustible
Incluso antes de esta demostración de 2018, Microsoft estaba buscando formas de usar 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 racks de servidores con celdas de combustible de óxido sólido, o SOFC, que funcionan con gas natural.
“Tienen la capacidad de producir su propio hidrógeno a partir del gas natural que producen”, explicó Monroe. "Toman gas natural, algo de agua, lo calientan a 600 grados C, que es la temperatura del carbón caliente".
Esto es lo suficientemente caliente para un proceso llamado conversión de vapor de metano, que genera una corriente de átomos de hidrógeno para generar electricidad.
Microsoft continúa explorando el potencial de la tecnología de celda de combustible SOFC para proporcionar una carga base que pueda liberar a los centros de datos de la red eléctrica, haciéndolos entre 8 y 10 veces más eficientes energéticamente. Sin embargo, en la actualidad, esta tecnología sigue siendo demasiado cara para una adopción generalizada.
“El proceso SOFC también produce dióxido de carbono, que es otra razón por la que Microsoft está investigando las celdas de combustible PEM”, dijo Monroe.
Además, desde la demostración en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, los costos estimados de los sistemas de celdas de combustible PEM para la generación de energía de reserva en los centros de datos se han reducido en más del 75%. Si la tendencia continúa, entonces en uno o dos años, el costo de capital de los generadores de celdas de combustible podría ser competitivo en precio con los generadores diesel.
Añadió que el aumento de la producción de celdas de combustible para satisfacer la demanda de la industria de los centros de datos podría generar mayores ahorros de costos.
“Nos vemos a nosotros mismos como el catalizador de toda esta economía del hidrógeno”, dijo Monroe.
Economía de hidrógeno
Desde la perspectiva de Microsoft, otras partes de esta economía incluyen la infraestructura para comprar, almacenar y mantener suficiente hidrógeno ecológico para alimentar generadores de reserva durante 12-48 horas, que es el estándar de la industria para proporcionar cinco nueves en disponibilidad de servicio. ...
Por ejemplo, durante 48 horas de energía de reserva, cada centro de datos necesitará hasta 100.000 kilogramos de hidrógeno para alimentar los generadores de reserva en caso de un apagón prolongado, explicó Monroe.
"Más conversaciones dentro de la empresa sobre cómo proteger esta infraestructura llevaron a discusiones sobre el papel de Microsoft en el impulso de la economía del hidrógeno", dijo Jenus.
“¿Qué pasaría si pudiera tomar todos estos activos en el centro de datos e integrarlos en la red de una manera que acelera aún más la descarbonización de la red en un sentido más amplio, en lugar de simplemente como una solución puntual para el centro de datos en sí? él dijo. "Aquí es donde creo que se encuentran los verdaderos descubrimientos".
Imagen de encabezado: Microsoft usó hidrógeno almacenado en tanques en remolques estacionados afuera de un laboratorio cerca de Salt Lake City, Utah, para alimentar celdas de combustible de hidrógeno que alimentan varios servidores de centros de datos durante 48 horas consecutivas. Foto: Power Innovations.