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    • Estrategias de energía del centro de datos

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    Objetivos de aprendizaje

    1. 1. Entender las diferentes estrategias utilizadas para distribuir la energía en un centro de datos.
    2. 2. Aprender cómo medir la eficiencia de energía en centros de datos.
    3. 3. Saber qué variación de distribución es la más adecuada para la aplicación.

    La corriente alterna (ca) de Nikola Tesla contra la corriente directa (cd) de Thomas Edison es una batalla que ha continuado durante más de un siglo y sigue hoy en día en la industria de los centros de datos. Aunque la energía AC es el estándar, con base en su potencial para eliminar las pérdidas de conversión y mejorar la eficiencia, muchos creen que la energía de DC es el futuro de la distribución del centro de datos. Otros todavía creen que se puede alcanzar el mismo nivel de eficiencia con ca usando equipo más eficiente con distribución más alta de voltaje, tal como 415/230 V y 480/277 V.

    Entonces, ¿cómo sabe qué estrategia de energía es mejor para su aplicación de centro de datos? ¿Cuáles son las ventajas y desafíos de cada tipo de técnica de distribución de energía? Éstas son preguntas importantes que necesitan evaluarse cuando se planea un centro de datos. La meta de este artículo es ver más de cerca las diferentes estrategias de energía que se están usando para distribuir energía y cómo tienen impacto en el centro de datos.

    Eficiencia eléctrica

    Una de las métricas más comunes para medir la eficiencia en los centros de datos es la efectividad de uso de energía (PUE) creada por The Green Grid. Ésta compara la energía total de la instalación del centro de datos con la energía utilizada para hacer funcionar el equipo de TI. El centro de datos óptimo tendría un valor de PUE de 1,0, donde toda la energía que va al centro de datos se está usando directamente para energizar el equipo de TI. cualquier valor por encina de 1,0 significa que una porción de la energía de instalación local se está desviando a los sistemas de soporte del centro de datos tales como el sistema de enfriamiento, el de iluminación y el de energía. Mientras mayor es el número de PUE, es más grande la porción de energía que se consume mediante los sistemas de soporte con relación al equipo de TI mismo, dando como resultado un centro de datos menos eficiente.

    En el pasado reciente, el enfoque primario con la disminución de PUE y el incremento de eficiencia ha estado en los sistemas mecánicos y la capacidad de usar enfriamiento gratuito. Debido a que los dueños de centros de datos buscan reducir todavía más el costo, el enfoque ha cambiado hacia los sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos desechan energía en la forma de pérdidas debido a ineficiencias en el equipo eléctrico y el sistema de distribución. En promedio, las pérdidas del sistema de distribución eléctrica representan el 12% de la energía total consumida por el centro de datos. Para un centro de datos con 2000 kW de carga de TI (una carga total de 2700 kW), eso igual a un costo anual de $280.000 (ver la Figura 2).

    Figura 2: En este ejemplo de consumo de energía del centro de datos, la carga de TI constituye gran parte de la carga eléctrica. Cortesía: Jacobs


    Sugerencias de diseño del sistema de energía

    Revise estos seis elementos clave cuando se planea un sistema de distribución de energía del centro de datos:

    • Instale o cambie el equipo de TI y de energía existente por equipo eficiente en energía
    • Revise el equipo de TI propuesto para determinar si los sistemas pueden operar con 240 Vca o 380 Vcd
    • Revise todas las ventajas y desafíos de los diferentes sistemas de energía
    • Determinar cuánta de la infraestructura existente necesitaría reemplazarse para cambiar los sistemas de energía
    • La flexibilidad de diseño en el sistema de energía permitirá que el centro de datos se adapte en el futuro
    • Diseñe un sistema de energía que sea modular y escalable para eliminar las cargas parciales

    De manera similar a los sistemas mecánicos, se pueden hacer modificaciones al sistema eléctrico para hacerlo más eficiente y ahorrar energía. La clave para un buen diseño de instalación crítico para misión no es degradar la confiabilidad de la instalación en el proceso.

    Sistemas típicos de distribución eléctrica

    El sistema típico de distribución eléctrica del centro de datos de legado se conforma de cinco componentes. La energía se suministra al centro de datos a voltaje medio desde una fuente de energía de servicio público/ generador. La energía se baja de voltaje medio a voltaje de distribución (480 V) mediante un transformador de subestación. La energía va entonces a través de un sistema de suministro de energía ininterrumpible (UPS) que acondiciona la energía y proporciona una capacidad de viaje completo durante un apagón hasta que inicie el generador. Después, la energía se baja a voltaje de subestación (208/120 V) mediante una unidad de distribución de energía (PDU). El PDU suministra energía al suministro de energía de TI , donde se rectifica y se baja hasta 12 Vcd, que es el voltaje de operación interna del equipo de TI (ver la Figura 3).


    Figura 3: El sistema típico de distribución eléctrica del centro de datos de legado se conforma de cinco componentes. Cortesía: Jacobs

    Los cuatro componentes en el sistema de distribución eléctrica de legado con las pérdidas más altas son:

    • Transformador de subestación: Transformador sin carga y pérdidas centrales
    • UPS: Pérdidas de rectificador y de inversor
    • Transformador de PDU: Transformador sin carga y pérdidas centrales
    • Suministro de energía de TI: Pérdidas de rectificador y de transformador.

    Un método para incrementar la eficiencia es reemplazar los equipos por equipo más eficiente. Antes de 2005, cuando se adoptó la guía para determinar la Eficiencia de energía para Transformadores de distribución TP1 de NEMA, las eficiencias de los transformadores eran de alrededor del 97%. Hoy en día con los transformadores de eficiencia ultra alta, esa eficiencia es mayor al 99,5%. Los sistemas UPS de conversión doble convencionales varían del 84% de eficiencia al 25% hasta el 94% al 100% de carga. El uso de volante o topología UPS en espera pasiva puede incrementar ese rango al 94% de eficiencia al 25% de carga y a 99% de eficiencia al 100% de carga.

    Otro método para incrementar la eficiencia es eliminar la carga parcial del centro de datos. La eliminación de las cargas parciales reduce pérdidas, lo que permite que el equipo opere a su eficiencia de operación pico. Esto se puede realizar diseñando un sistema de energía que sea modular y escalable, uno que crezca con la carga, o diseñando un sistema de energía que use niveles flexibles, y que corresponda a la confiabilidad y la redundancia para los diferentes programas dentro del centro de datos.

    Un tercer método es eliminar el equipo eléctrico ineficiente todo al mismo tiempo. El incremento en la eficiencia al eliminar el equipo que tiene la mayor parte de las pérdidas es la razón por la que las estrategias de energía se están investigando para la distribución del centro de datos.

    Distribución de 415/240 Vca

    Una estrategia de distribución de energía que se está usando más ampliamente en el centro de datos es la de 415/240 Vca. Esta estrategia elimina el PDU y distribuye energía a un voltaje mayor desde el UPS directo hasta el gabinete del servidor. La meta primaria es ganar eficiencia eliminando las pérdidas de transformador asociadas con el PDU y permitiendo que las cargas de TI operen en forma más eficiente a un voltaje mayor (ver la Figura 4).

    En Norteamérica, el sistema de distribución de energía estándar se establece en una configuración de "conector" con un voltaje de fase a fase de 208 V y un voltaje de fase a neutral de 120 V. En Europa, el sistema de distribución de energía estándar se configura en la misma configuración de "conectores" pero con una distribución de voltaje más alta. El voltaje de fase a fase es de 415 V y el voltaje de fase a neutral es de 240 V.

    En un esfuerzo por estandarizar entre Norteamérica y Europa, los suministros de energía de TI se desarrollaron para adaptar un rango de voltajes de 100 a 240 V. El concepto detrás de esta estrategia de energía es empujar el suministro de energía de TI al lado alto de su rango de voltaje (240 V) y usar un voltaje europeo establecido.

    Figura 4: En una configuración de sistema de distribución de energía de 415/240 Vca (en la parte superior), la meta primaria es ganar eficiencia eliminando las pérdidas de transformador asociadas con el PDU y permitiendo que las cargas de TI operen en forma más eficiente a un mayor voltaje. En

    Ventajas:

    • Eficiencia de energía (5% a 7% de reducción en pérdidas)
    • Carga reducida en los sistemas de enfriamiento
    • Confiabilidad incrementada
    • El alimentador más pequeño y el conductor de circuitos de rama se dimensionan para entregar la misma cantidad de energía
    • Gana espacio blanco en el centro de datos (dos gabinetes por PDU eliminado)
    • Costos de mantenimiento reducidos (PDU y sistemas mecánicos)
    • El equipo de distribución de energía está disponible de inmediato.

    Desafíos:

    • Niveles superiores de corriente de falla disponible
    • El potencial para un arco eléctrico requiere niveles superiores de equipo de protección personal (EPP) para trabajar en el equipo
    • Conductor neutral completo requerido a lo largo del sistema
    • Influencias armónicas en el resto del sistema.

    El desafío principal con un sistema de distribución de 415/240 Vca son los niveles altos de corriente de falla disponible. El retiro del PDU del sistema también retira la impedancia del transformador que limita la corriente abajo de corriente de falla disponible en el centro de datos.

    Por lo tanto, se recomienda que se realice un análisis de corto circuito al inicio del diseño para determinar la capacidad de corriente de interrupción disponible (AIC) de todo el equipo eléctrico y para asegurar que el equipo pueda soportar la corriente de interrupción superior. Una opción a considerar cuando se diseña un sistema de 415/240 Vca está dividiendo el sistema de distribución en partes más pequeñas y más modulares. Al usar transformadores de subestación de alta impedancia más pequeños, el ingeniero puede reducir la corriente de falla general en todo el sistema. Otra opción a considerar es el uso de dispositivos limitadores de corriente. Debido a que los dispositivos limitantes de corriente tienden a tener un tiempo de reacción rápido, también se recomienda que se realice un estudio de coordinación para verificar que no se ha afectado la confiabilidad del sistema.

    Distribución de 480/277 Vca

    La estrategia de distribución de energía de 480/277 Vca es similar al de 415/240 Vca en el hecho de que elimina el PDU y distribuye energía a un voltaje mayor directo al gabinete del servidor. La meta primaria, las ventajas y los desafíos de la estrategia de distribución de energía de 480/277 Vca son exactamente las mismas que para la estrategia de distribución de energía de 415/230 Vca (ver la Figura 5).

    Figura 5: La meta primaria, las ventajas y los desafíos de la estrategia de distribución de energía de 480/277 Vca (mostrados aquí) son exactamente las mismas que para la estrategia de distribución de energía de 415/230 Vca. Cortesía: Jacobs

    Una desventaja principal de la estrategia de distribución de energía de 480/277 Vca es que 277 V excede la capacidad de 240 V de la mayoría de los suministros de energía del equipo de TI. La implementación de esta estrategia requiere la compra de servidores personalizados con suministros de energía diseñados para operar a 277 V. Por esta razón, la estrategia de distribución de energía de 480/277 Vca no es tan prevaleciente como la estrategia de distribución de energía de 415/240 Vca. Actualmente, sólo se usa en instalaciones muy grandes donde los ahorros de energía sobrepasan el costo de los servidores personalizados debido al alto volumen de servidores que se compran.

    Distribución de 600 Vca

    La estrategia de distribución de energía de 600 Vca se basa en el uso de voltaje canadiense estándar de 575/347 Vca. La energía se baja a 600 Vca en el transformador de la subestación y se distribuye al sistema UPS. Entonces la energía se distribuye desde el sistema de UPS a 600 Vca hacia un PDU ubicado cerca del centro de datos. En el PDU. el voltaje se baja ya sea a 415/240 V o 208/120 V y se distribuye al equipo de TI (ver la Figura 4).

    Ventajas:

    • La reducción en costo de cobre (buses de equipo más pequeños y alimentadores más pequeños para entregar la misma cantidad de energía)
    • Use la capacidad completa del equipo eléctrico de 600 V
    • Baje la corriente de falla disponible (impedancia de transformador de PDU).

    Desafíos:

    • No hay ganancia en eficiencia (pérdidas de transformador de PDU)
    • No hay ganancia del espacio blanco en el centro de datos
    • No hay reducción en costos de mantenimiento.

    Aunque la estrategia de distribución de 600 Vca no elimina las pérdidas del transformador de PDU ni reduce costos de mantenimiento, sí puede bajar los costos de gastos de capital iniciales. Un sistema de 600 Vca aprovecha la corriente reducida a voltajes más altos que dan como resultado conductores más pequeños o en menor cantidad. El uso de conductores más pequeños o en menor cantidad disminuirá la cantidad de cobre y reduce el costo. El voltaje mayor también permite subestaciones más grandes. Dependiendo del tamaño del centro de datos, el uso de subestaciones más grandes puede dar como resultado la reducción en el número total de subestaciones requerido.

    Energía de 380 Vcd

    Contrario a lo que se cree comúnmente, la energía de cd es muy común en el mundo actual. Las industrias de telecomunicaciones y transportación han estado usando energía de cd durante años. Las fuentes de generación de energía alternativas y renovables tales como la energía solar, energía eólica y las celdas de combustible son todas fuentes de energía basadas en cd. La mayoría de los dispositivos electrónicos en casas residencias y en oficinas operan internamente con energía cd. Y aún más importante, los dispositivos de almacenamiento de energía tales como baterías y sistemas UPS operan con energía cd.

    Cuando se ve un sistema de distribución de centro de datos tradicional típico, la energía se rectifica de ca a cd, se invierte de cd a ca, se transforma de 480 Vca a 208 Vca, se rectifica otra vez de ca a cd, y luego se transforma en forma descendente a 12 Vcd antes de energizar el equipo de TI. Cada vez que se convierte la energía, ocurren pérdidas en forma de calor que dan como resultado en un decremento en la eficiencia de energía.

    La estrategia de distribución de energía de 380 Vcd distribuye la energía cd del UPS (rectificador de cd) directo desde el suministro de energía de TI. La meta primaria es ganar eficiencia eliminando las pérdidas del inversor en el UPS, las pérdidas del recitificador en el suministro de energía de TI, y las pérdidas de transformador asociadas con el PDU (ver la Figura 4).

    Figura 8: Esta provisión de modelado de información del edificio (BIM) es de un piso de centro de datos de alta densidad. El centro de datos se configuró con sistemas UPS redundantes aislados y usan distribución de 415/240 V a los gabinetes. Cortesía: Jacobs


    Ventajas:

    • Eficiencia de energía (8% a 10% de reducción en pérdidas)
    • Carga reducida en los sistemas de enfriamiento
    • Confiabilidad incrementada
    • Espacio físico más pequeño
    • Se integra con fuentes de energía alterna
    • Costos de mantenimiento reducidos.

    Desafíos:

    • El conocimiento limitado y la dificultad de encontrar electricistas con experiencias en los sistemas de cd
    • La corriente de cd no tiene un cruce de cero, dificultad para extinguir el arco
    • Debe representar una caída de voltaje en los alimentadores positivos y negativos
    • riesgos de inflamación del arco de cd (NFPA 70E proporciona lineamientos para protección de inflamación de arco de cd).

    Además del número limitado de electricistas con experiencia de energía de cd, el desafío principal con la energía de cd en el pasado había sido la falta de normas. Sin embargo, esto está comenzando a cambiar. Tanto el Instituto de Normas de Telecomunicaciones Europeo (ETSI) y la EMerge Alliance se han estandarizado en 380 Vcd y produjeron lineamientos para la distribución de energía cd.

    A menos que el centro de datos se energice completamente con una fuente de energía alterna, tal como celdas de combustible, es muy probable que se provea energía de ca desde los servicios públicos. En un sistema de cd, el UPS se usa para rectificar la energía de ca a cd. Debido a que la distribución al centro de datos es de cd, cualquier desviación del sistema UPS también necesitará un rectificador. Como consecuencia, los sistemas de cd son más rentables en un sistema totalmente redundante (Nivel IV) donde se usa un segundo UPS (rectificador de cd) como la desviación. Otros aspectos adicionales a tomar en cuenta cuando se diseña un sistema de distribución de energía de cd incluyen el uso de dispositivos de protección adecuados con capacidades para uso en sistemas de cd y siguiendo los requisitos específicos para un sistema de conexión a tierra de cd (referirse a la Norma IEEE 1100-2005- Práctica de IEEE recomendada para energizar y conectar a tierra el Equipo electrónico).

    En un esfuerzo por incrementar la eficiencia y reducir costos, se están comenzando a usar diferentes estrategias de energía para distribuir energía al centro de datos. Ya sea que esté planeando actualizar un centro de datos existente, expandir un centro de datos existente, o construir un nuevo centro de datos, el diseño del sistema de distribución de energía es una parte crítica del plan y uno debe evaluar para determinar qué sistema es el correcto para la aplicación.

    Figura 6: Esto muestra el sistema de distribución de energía de 208/120 Vca de legado en un diagrama de una sola línea. Cortesía: Jacobs


    Caso de estudio teórico

    Las dos estrategias de energía para distribuir energía al centro de datos que parece ganar más popularidad incluyen la arquitectura de ca de 415/240 V mayor y la arquitectura de 380 Vcd.

    Un caso de estudio teórico se realizó con Jacobs-KingStubbins para comparar el gasto de capital (CAPEX) y el gasto de operación (OPEX) de estas dos estrategias de distribución de energía contra el centro de datos típico de 208/120 V. El caso de estudio se basó en un centro de datos simplificado teórico con una carga de TI DE 2 MW, redundancia de 2 N (Nivel IV), seis módulos UPS de 750 kVa, y 30 gabinetes de 5 kW por fila.

    El sistema de 415/240 Vca tuvo un ahorro en CAPEX del 12% y ahorros en OPEX del 20% cuando se compara con el centro de datos de 208/120 V de legado. El sistema de 380 Vca tuvo un ahorro en CAPEX del 14% y ahorros en OPEX del 28% cuando se compara con el centro de datos de 208/120 V de legado. Se debe hacer notar que a diferencia de los sitemas de legado y los sistemas de 415 Vca, el de 380 Vcd usó el UPS redundante (rectificador de cd) como la desviación y no incluyó una desviación por separado en cada uno de los sistemas UPS (rectificador de cd).

    Figura 7: El diagrama de una sola línea del sistema de distribución de energía de 380 Vcd muestra el UPS redundante (rectificador de cd) como desviación y no incluyó una desviación por separado en cada uno de los sistemas UPS (rectificador de cd). Cortesía: Jacobs



    Kenneth Kutsmeda es un director de diseño de ingeniería en Jacobs (KlingStubbins) en Filadelfia. Durante más de 18 años, él fue responsable de la ingeniería, el diseño y la puesta en marcha de los sistemas de distribución de energía para las instalaciones críticas de misión. Su experiencia en el proyecto incluye centros de datos, investigación especializada y edificios de desarrollo, e instalaciones de tecnología a gran escala que contienen distribución de voltaje medio.

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