Affrontare la sfida dell'alimentazione dei data center... con le batterie

Le crescenti esigenze computazionali dei carichi di lavoro di addestramento e inferenza dell'IA stanno generando una domanda di energia senza precedenti e mettendo sotto pressione le reti elettriche, che non sono state progettate per far fronte a una rapida espansione.

In questo contesto, i sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) si stanno affermando come una componente fondamentale delle moderne infrastrutture energetiche.

Precedentemente considerati principalmente come sistemi di alimentazione di riserva, gli impianti BESS vengono sempre più integrati in architetture di sistemi energetici sofisticate.

Comprendere BESS

Un sistema di accumulo di energia a batteria combina essenzialmente celle elettrochimiche, apparecchiature di conversione di potenza, sistemi di gestione termica, sistemi di sicurezza e software di controllo avanzato.

Le soluzioni di accumulo di energia a batteria (BESS) di Cummins Power Generation

Sebbene l'hardware della batteria immagazzini e fornisca energia, è sempre più a livello software che si crea valore.

I moderni sistemi di gestione energetica (EMS) monitorano costantemente i profili di carico, le condizioni della rete, i prezzi dell'elettricità e, in alcuni casi, le previsioni di produzione da fonti rinnovabili.

Ciò consente agli operatori di ottimizzare le modalità e i tempi di stoccaggio, rilascio o scambio dell'energia con altre fonti energetiche.

Secondo Dinesh Balaji Ramaraj, responsabile dello sviluppo commerciale e del marketing di Cummins, "L'EMS è il cervello: è ciò che trasforma un insieme di risorse scollegate in una centrale elettrica ottimizzata.

"Prevede i carichi, i prezzi e le condizioni meteorologiche e opera in parallelo con la rete, coordinando i sistemi di accumulo di energia (BESS) in loco e l'energia primaria per ridurre al minimo costi ed emissioni, garantendo al contempo l'affidabilità operativa e gestendo i vincoli della rete."

Dinesh Balaji Ramaraj, Responsabile Sviluppo Commerciale e Marketing, Cummins Power Generation

Questo livello di coordinamento sta diventando sempre più importante, poiché gli operatori dei data center cercano di bilanciare i requisiti di affidabilità con gli obiettivi di sostenibilità.

Il bisogno di sempre più potere

Per molti operatori, ottenere una fornitura di energia sufficiente è diventato uno dei maggiori ostacoli all'espansione.

La rapida crescita delle infrastrutture per l'intelligenza artificiale, unita alle difficoltà di connessione alle reti elettriche, crea un collo di bottiglia per gli sviluppatori, che sono anche sotto pressione per ridurre le emissioni e migliorare l'efficienza energetica.

Inoltre, in molte regioni, gli interventi di ammodernamento della rete elettrica possono richiedere anni per essere completati, aggravando ulteriormente il problema.

"Il rapporto velocità-potenza è il principale fattore limitante", afferma Dinesh. "Le liste d'attesa per l'interconnessione alla rete elettrica si estendono ormai per anni, mentre la domanda di potenza di calcolo non può aspettare."

Di conseguenza, gli operatori stanno sempre più guardando oltre le tradizionali connessioni alla rete e adottando strategie energetiche più diversificate che includono sistemi di accumulo, generazione in loco e sistemi di controllo delle microreti.

Perché i carichi di lavoro dell'IA cambiano le carte in tavola

I data center tradizionali presentano in genere modelli di consumo energetico relativamente prevedibili.

Le infrastrutture di intelligenza artificiale, in particolare quelle dedicate all'addestramento dei modelli, si comportano in modo diverso.

"I data center tradizionali presentano carichi relativamente stabili; l'addestramento dell'IA è l'opposto: i cluster di GPU [unità di elaborazione grafica] sincronizzati passano dallo stato di inattività al 100% del carico in millisecondi, creando brusche oscillazioni di potenza", afferma Dinesh.

Queste rapide fluttuazioni creano problemi a trasformatori, quadri elettrici, generatori e allacciamenti alla rete elettrica.

Adobe Stock

Gli impianti BESS vengono sempre più spesso impiegati come sistema tampone tra i carichi di calcolo instabili e la rete elettrica più ampia.

BESS come ammortizzatore

Uno dei ruoli più importanti dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) nei moderni data center è la mitigazione delle oscillazioni (o stabilizzazione del carico).

Anziché permettere che improvvise variazioni di carico generate dall'intelligenza artificiale si propaghino attraverso l'intero sistema elettrico, le batterie possono attenuare le fluttuazioni prima che queste influiscano sull'infrastruttura a monte.

Dinesh descrive il ruolo della tecnologia affermando: "BESS sta diventando l'ammortizzatore dell'architettura energetica. Il suo ruolo principale è quello di disaccoppiare l'impatto dei carichi di calcolo instabili sulla rete e sugli impianti di generazione."

Il tempo di risposta è un vantaggio fondamentale. Mentre i generatori convenzionali richiedono tempo per aumentare la potenza erogata, i moderni sistemi a batteria basati su inverter possono rispondere in pochi millisecondi. Ciò li rende particolarmente efficaci nella gestione di eventi transitori, disturbi di tensione e improvvisi cambiamenti di domanda.

Integrazione della rete elettrica, dei generatori e dei sistemi di accumulo

Nella maggior parte degli impianti ad alto consumo, i sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) fanno parte di un ecosistema energetico più ampio che può includere la fornitura da rete elettrica, generatori di emergenza, risorse di energia rinnovabile e sistemi di alimentazione ininterrotta (UPS).

In questo sistema, la batteria fornisce l'energia di riserva critica per periodi prolungati, a supporto del funzionamento stabile sia delle risorse primarie in loco sia della resilienza complessiva della rete.

I collegamenti alla rete forniscono energia su larga scala, i generatori garantiscono l'alimentazione in loco a lungo termine e la batteria gestisce le fluttuazioni a breve termine.

Il risultato è un sistema efficiente e resiliente. Anziché dover reagire continuamente alle variazioni di carico transitorie, i generatori possono operare più vicini ai loro punti di efficienza ottimale, riducendo l'usura e migliorando il consumo di carburante.

I sistemi di accumulo vengono sempre più utilizzati anche per garantire la continuità del servizio in caso di interruzione della rete elettrica.

Sistema di alimentazione completamente integrato Cummins

Accelerare l'implementazione dei data center

Un altro potenziale vantaggio di BESS risiede nell'accelerazione della realizzazione dei progetti.

Grazie alla possibilità di fornire energia temporaneamente durante i periodi di picco della domanda, gli impianti potrebbero funzionare con una connessione alla rete elettrica inferiore a quella altrimenti necessaria.

In questi casi, lo sviluppo potrebbe procedere mentre le aziende di servizi pubblici si occupano degli aggiornamenti di rete a lungo termine.

Dinesh afferma: "Abbiamo visto come i sistemi BESS possano aiutare i siti ad entrare in funzione anni prima dell'ammodernamento di una sottostazione, per poi dimensionare correttamente il collegamento alla rete una volta che la compagnia elettrica si adegua."

Per gli operatori che subiscono forti pressioni per rendere operativa la capacità produttiva in tempi brevi, questa flessibilità può rivelarsi di notevole valore.

Sostenere l'integrazione delle energie rinnovabili

Le energie rinnovabili rivestono un ruolo sempre più importante nelle strategie di sostenibilità dei data center. Tuttavia, la produzione di energia solare ed eolica è intrinsecamente variabile, il che crea difficoltà per le strutture che necessitano di un'alimentazione continua e affidabile.

I sistemi di accumulo a batteria contribuiscono a colmare questo divario, catturando l'energia rinnovabile quando è disponibile e fornendola quando la domanda supera la produzione.

Questa funzionalità consente agli operatori di sfruttare al meglio gli impianti solari in loco o l'energia rinnovabile acquistata tramite accordi energetici dedicati. Supporta inoltre gli approcci emergenti alla riduzione delle emissioni di carbonio, incentrati sull'abbinamento del consumo di elettricità con una produzione più pulita su base oraria, anziché sul semplice acquisto annuale di certificati di energia rinnovabile.

Come afferma Dinesh, "il BESS è un fattore chiave per la riduzione delle emissioni di Scope 2 perché consente a un impianto di utilizzare effettivamente l'energia rinnovabile che acquista, immagazzinando l'energia pulita prodotta e rilasciandola quando la rete è più inquinata".

BESS integrato con fonti di energia rinnovabile eolica e solare

Riduzione dei picchi di consumo energetico e gestione dei costi energetici.

Sebbene la resilienza rimanga un fattore determinante, gli aspetti economici stanno acquisendo sempre maggiore importanza nella valutazione di fattibilità degli impianti di accumulo energetico. Molte tariffe elettriche industriali e commerciali prevedono oneri significativi basati sul picco di consumo energetico a breve termine di un impianto. I sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) possono ridurre questi oneri fornendo energia durante i periodi di picco della domanda, diminuendo così il fabbisogno complessivo di energia elettrica dell'impianto.

I sistemi di accumulo possono essere utilizzati anche per l'arbitraggio energetico, caricandosi quando i prezzi dell'elettricità sono bassi e scaricandosi durante i periodi più costosi. Nelle regioni con mercati elettrici volatili, queste funzionalità possono migliorare significativamente la redditività operativa, riducendo al contempo la pressione sulla rete.

Scalabilità verso applicazioni multi-megawatt

Grazie alla loro modularità, i moderni sistemi di batterie consentono agli operatori di espandere la capacità gradualmente man mano che crescono i requisiti di calcolo. Questa scalabilità si allinea perfettamente con l'approccio di sviluppo a fasi comunemente utilizzato nella costruzione di data center. Detto questo, la creazione di impianti di storage multi-megawatt implica molto più che la semplice aggiunta di batterie.

Dinesh afferma: "Se si impostano correttamente i controlli di sistema, la messa a terra e la protezione, la scalabilità diventa in gran parte ripetibile."

Questo approccio modulare crea inoltre opportunità per future espansioni senza richiedere importanti riprogettazioni dell'infrastruttura elettrica sottostante.

Guardando oltre le batterie

Guardando al futuro, molti osservatori del settore prevedono di assistere alla diffusione di sistemi ibridi sempre più sofisticati, che combineranno accumulo, generazione convenzionale, energie rinnovabili e tecnologie emergenti a basse emissioni di carbonio, come motori a idrogeno e celle a combustibile.

In questi contesti, i sistemi di controllo intelligenti determineranno quale fonte di energia debba essere utilizzata in un dato momento, in base a requisiti di costo, disponibilità, emissioni e affidabilità.

"Prevediamo che i confini tra generazione, accumulo e backup continueranno a sfumare, dando vita a microreti integrate che si ottimizzano in tempo reale", spiega Dinesh.

Per produttori come Cummins, che sviluppano tecnologie in diversi ambiti energetici, questa tendenza rafforza l'importanza di soluzioni energetiche integrate piuttosto che di prodotti isolati.

Manutenzione, monitoraggio e ciclo di vita

Come per qualsiasi infrastruttura critica, la manutenzione continua rimane fondamentale. Tuttavia, gran parte della gestione degli asset odierni può essere eseguita da remoto tramite piattaforme di monitoraggio avanzate che analizzano costantemente lo stato di salute delle batterie, le prestazioni termiche e i dati operativi.

Questo approccio predittivo consente agli operatori di identificare potenziali problemi prima che influiscano sulla disponibilità, migliorando l'affidabilità e riducendo al contempo i costi di manutenzione.

Guardando al futuro, il settore si concentra sempre più anche sulla sostenibilità dell'intero ciclo di vita.

Le applicazioni di seconda vita per le batterie, il recupero dei materiali e i programmi di riciclaggio stanno acquisendo sempre maggiore importanza con la crescita del mercato dei sistemi di accumulo di energia (BESS).

Nel valutare il costo totale di proprietà, questi fattori devono essere considerati insieme ai costi di capitale, ai risparmi operativi e agli altri benefici.

Per molte applicazioni, la soluzione più efficace non è una scelta binaria tra batterie e generatori, bensì una combinazione di tecnologie attentamente progettata.

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Questo articolo è stato prodotto da KHL Content Studio, in collaborazione con esperti di Cummins.

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Tutte le immagini non accreditate sono per gentile concessione di Cummins.

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