Superando o desafio de energia dos data centers… com baterias

As crescentes exigências computacionais das cargas de trabalho de treinamento e inferência de IA estão impulsionando uma demanda sem precedentes por energia e pressionando as redes elétricas, que não foram projetadas para lidar com essa rápida expansão.

Nesse contexto, os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês) estão se consolidando como um componente essencial da infraestrutura energética moderna.

Anteriormente vistos principalmente como fontes de energia de reserva, os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês) estão sendo cada vez mais integrados a arquiteturas sofisticadas de sistemas de energia.

Entendendo o BESS

Um sistema de armazenamento de energia em baterias basicamente combina células eletroquímicas de bateria, equipamentos de conversão de energia, sistemas de gerenciamento térmico, sistemas de segurança e software de controle avançado.

Soluções de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) da Cummins Power Generation

Embora o hardware da bateria armazene e forneça energia, é na camada de software que o valor é cada vez mais criado.

Os modernos sistemas de gestão de energia (EMS, na sigla em inglês) monitorizam continuamente os perfis de carga, as condições da rede, os preços da eletricidade e, em alguns casos, as previsões de geração de energia renovável.

Isso permite que os operadores otimizem como e quando a energia é armazenada, descarregada ou trocada com outros ativos de energia.

Segundo Dinesh Balaji Ramaraj, gerente de desenvolvimento de negócios e marketing da Cummins, “O EMS é o cérebro – é o que transforma um conjunto de ativos desconectados em uma usina de energia otimizada.

"Ele prevê a carga, os preços e o clima, e funciona em paralelo com a rede elétrica, coordenando o armazenamento de energia em baterias (BESS) no local e a energia primária para minimizar custos e emissões, garantindo ao mesmo tempo a confiabilidade operacional e gerenciando as restrições da rede."

Dinesh Balaji Ramaraj, Gerente de Desenvolvimento de Negócios e Marketing da Cummins Power Generation

Esse nível de coordenação está se tornando cada vez mais importante, à medida que os operadores de data centers buscam equilibrar os requisitos de confiabilidade e as metas de sustentabilidade.

A necessidade de mais – e mais – energia

Para muitas operadoras, obter energia suficiente tornou-se um dos maiores obstáculos à expansão.

O rápido crescimento da infraestrutura de IA, aliado aos desafios nas conexões de serviços públicos, cria um gargalo para os desenvolvedores, que também estão sob pressão para reduzir as emissões e melhorar a eficiência energética.

Além disso, em muitas regiões, as melhorias na rede elétrica podem levar anos para serem concluídas, agravando o problema.

“A velocidade de fornecimento de energia é a principal restrição”, diz Dinesh. “As filas de interconexão das concessionárias de energia elétrica agora se estendem por anos, enquanto a demanda por poder computacional não pode esperar.”

Como resultado, os operadores estão cada vez mais a olhar para além das ligações tradicionais à rede elétrica e a adotar estratégias energéticas mais diversificadas, que envolvem armazenamento, geração no local e controlo de microredes.

Por que as cargas de trabalho de IA mudam a equação

Os centros de dados tradicionais normalmente apresentam padrões de consumo de energia relativamente previsíveis.

As instalações de IA, particularmente aquelas dedicadas ao treinamento de modelos, comportam-se de maneira diferente.

“Os centros de dados tradicionais suportam cargas relativamente estáveis; o treinamento de IA é o oposto, clusters de GPU [unidade de processamento gráfico] sincronizados passam de ociosos a 100% de carga em milissegundos, criando oscilações bruscas de energia”, diz Dinesh.

Essas rápidas flutuações criam desafios para transformadores, painéis elétricos, geradores e conexões de energia.

Adobe Stock

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês) estão sendo cada vez mais utilizados como uma barreira entre as cargas computacionais voláteis e o sistema elétrico em geral.

BESS como amortecedor

Uma das funções mais importantes dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) nos centros de dados modernos é a mitigação de oscilações (ou estabilização de carga).

Em vez de permitir que mudanças repentinas de carga impulsionadas por IA se propaguem por todo o sistema elétrico, as baterias podem suavizar as flutuações antes que elas afetem a infraestrutura a montante.

Dinesh descreve o papel da tecnologia, dizendo: “Os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) estão se tornando o amortecedor da arquitetura de energia. Sua principal função é desacoplar o impacto das cargas computacionais voláteis na rede elétrica e nos ativos de geração.”

O tempo de resposta é uma vantagem fundamental. Enquanto os geradores convencionais precisam de tempo para atingir a potência de saída, os modernos sistemas de baterias com inversores podem responder em milissegundos. Isso os torna particularmente eficazes para lidar com eventos transitórios, distúrbios de tensão e mudanças repentinas na demanda.

Integração de energia da rede elétrica, geradores e armazenamento.

Na maioria das instalações de grande porte, os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) fazem parte de um ecossistema de energia mais amplo, que pode incluir fornecimento da concessionária, geradores de reserva, ativos de energia renovável e sistemas de alimentação ininterrupta (UPS).

Nesse sistema, a bateria fornece a energia de reserva essencial por períodos prolongados, para suportar a operação estável tanto dos principais ativos no local quanto a resiliência geral da rede.

As conexões à rede elétrica fornecem energia em grande quantidade, os geradores oferecem capacidade de fornecimento no local a longo prazo e a bateria gerencia as flutuações de curto prazo.

O resultado é um sistema eficiente e resiliente. Em vez de responder continuamente a mudanças transitórias de carga, os geradores podem operar mais próximos de seus pontos de eficiência ideais, reduzindo o desgaste e melhorando o uso de combustível.

Cada vez mais, os sistemas de armazenamento também estão sendo usados para garantir a continuidade do fornecimento de energia em caso de interrupção da rede elétrica.

Sistema de energia totalmente integrado da Cummins

Acelerar a implantação de data centers

Outro benefício potencial dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) é a aceleração da execução de projetos.

Como os sistemas de baterias podem fornecer energia temporariamente durante os períodos de pico de demanda, as instalações podem operar com uma conexão à rede elétrica menor do que a necessária em outras circunstâncias.

Nesses casos, o desenvolvimento pode prosseguir enquanto as concessionárias de serviços públicos se concentram em atualizações de rede de longo prazo.

Dinesh afirma: "Vimos como os sistemas BESS podem ajudar as instalações a entrarem em operação anos antes de uma atualização da subestação e, em seguida, dimensionar corretamente a conexão à rede quando a concessionária de energia elétrica se adequar à demanda."

Para operadores que enfrentam forte pressão para disponibilizar capacidade online rapidamente, essa flexibilidade pode ser de grande valor.

Apoio à integração de energias renováveis

Cada vez mais, a energia renovável desempenha um papel importante nas estratégias de sustentabilidade de data centers. No entanto, a geração de energia solar e eólica é inerentemente variável, o que cria desafios para instalações que exigem energia contínua e confiável.

O armazenamento em baterias ajuda a colmatar esta lacuna, captando energia renovável quando esta está disponível e fornecendo-a quando a procura excede a geração.

Essa funcionalidade permite que os operadores aproveitem melhor as instalações solares no local ou a energia renovável adquirida por meio de contratos de energia dedicados. Ela também apoia abordagens emergentes para a redução de carbono que priorizam a correspondência entre o consumo de eletricidade e a geração mais limpa a cada hora, em vez da simples compra de certificados anuais de energia renovável.

Como diz Dinesh, “o BESS é um fator essencial para a redução do Escopo 2, pois permite que uma instalação utilize efetivamente a energia renovável que adquire, armazenando a geração limpa e descarregando-a quando a rede está mais poluída”.

BESS integrado com fontes de energia renováveis, como eólica e solar.

Redução de picos de demanda e gestão de custos de energia

Embora a resiliência continue sendo um fator primordial, os aspectos econômicos estão se tornando cada vez mais importantes na análise de viabilidade do armazenamento de energia. Muitas tarifas de eletricidade industriais e comerciais incluem encargos de demanda significativos, baseados no consumo máximo de energia de curto prazo de uma instalação. Os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) podem reduzir esses encargos, fornecendo energia durante os períodos de pico de demanda e, assim, diminuindo a necessidade geral de energia da instalação junto à rede elétrica.

O armazenamento também pode ser usado para arbitragem de energia, carregando quando os preços da eletricidade estão baixos e descarregando durante períodos mais caros. Em regiões com mercados de eletricidade voláteis, essas capacidades podem melhorar substancialmente a economia operacional, reduzindo a sobrecarga na rede elétrica.

Escalabilidade para aplicações de vários megawatts

Por serem modulares, os sistemas de baterias modernos permitem que os operadores expandam a capacidade gradualmente à medida que as necessidades de computação aumentam. Essa escalabilidade se alinha bem com a abordagem de desenvolvimento em fases comumente usada na construção de data centers. Dito isso, criar instalações de armazenamento de vários megawatts significa mais do que simplesmente adicionar baterias.

Dinesh afirma: "Se os controles do sistema, o aterramento e a proteção estiverem corretos, o dimensionamento torna-se amplamente repetível."

Essa abordagem modular também cria oportunidades para expansão futura sem exigir grandes reformulações da infraestrutura elétrica subjacente.

Olhando além das baterias

Olhando para o futuro, muitos observadores do setor esperam ver sistemas híbridos cada vez mais sofisticados que combinam armazenamento, geração convencional, energia renovável e tecnologias emergentes de baixo carbono, como motores movidos a hidrogênio e células de combustível.

Nesses ambientes, os sistemas de controle inteligentes determinarão qual fonte de energia deve operar em um dado momento, com base em custos, disponibilidade, emissões e requisitos de confiabilidade.

“Esperamos que as linhas que separam geração, armazenamento e backup continuem a se confundir, dando lugar a microrredes integradas que se auto-otimizam em tempo real”, explica Dinesh.

Para fabricantes como a Cummins, que estão desenvolvendo tecnologias em múltiplos domínios de energia, essa tendência reforça a importância de soluções energéticas integradas em vez de produtos isolados.

Manutenção, monitoramento e ciclo de vida

Assim como em qualquer infraestrutura crítica, a manutenção contínua permanece importante. No entanto, grande parte da gestão de ativos atual pode ser realizada remotamente por meio de plataformas avançadas de monitoramento que analisam continuamente a saúde da bateria, o desempenho térmico e os dados operacionais.

Essa abordagem preditiva permite que os operadores identifiquem problemas potenciais antes que eles afetem a disponibilidade, melhorando a confiabilidade e reduzindo os custos de manutenção.

Olhando para o futuro, a indústria também está cada vez mais focada na sustentabilidade do ciclo de vida.

Aplicações de baterias de segunda vida, recuperação de materiais e programas de reciclagem estão se tornando mais importantes à medida que o mercado de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) cresce.

Ao avaliar o custo total de propriedade, esses fatores devem ser considerados juntamente com os custos de capital, as economias operacionais e outros benefícios.

Para muitas aplicações, a solução mais eficaz não é uma escolha entre baterias e geradores, mas sim uma combinação cuidadosamente projetada de tecnologias.

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Este artigo foi produzido pelo KHL Content Studio, em colaboração com especialistas da Cummins.

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Todas as imagens sem crédito são cortesia da Cummins.

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