Tecnologie alternative per la generazione di energia elettrica per data center e sale CED

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1 Tecnologie alternative per la generazione di energia elettrica per data center e sale CED White Paper n. 64 Revisione 1

2 Sintesi Le pile a combustibile e le microturbine sono delle nuove tecnologie alternative per la generazione di energia elettrica per data center e sale CED. In questo documento si discute delle varie modalità di funzionamento di questi sistemi e si esaminano vantaggi e inconvenienti tecnologici rispetto alle soluzioni tradizionali quali i gruppi elettrogeni di riserva. 2

3 Introduzione La generazione di energia elettrica è una componente chiave di un sistema di alimentazione ad alta disponibilità per data center e sale CED. I sistemi IT possono funzionare per 7 minuti o addirittura alcune ore con l'alimentazione a batteria o a volano, ma è necessario un sistema di generazione a livello locale per ottenere una disponibilità a 5 nove. Nelle località servite male dall'azienda elettrica, la generazione locale di energia elettrica può essere necessaria per ottenere una disponibilità del 99,99 % o anche solo del 99,9 % 1. I generatori di riserva che utilizzano come combustibile gasolio o gas combustibile sono la soluzione tradizionale adottata per risolvere questo problema, quando vengono utilizzati assieme a un UPS. Nelle installazioni ad alta disponibilità si utilizza una configurazione N+1 di tali gruppi elettrogeni di riserva. È stato suggerito di utilizzare pile a combustibile e microturbine come alternative per la generazione di energia elettrica per sale CED e data center. Tali sistemi possono essere utilizzati continuamente per alimentare la sala CED o il data center; essi possono essere utilizzati per generare un surplus di energia elettrica utilizzabile per altri carichi o per retroalimentare la griglia dell'alimentazione di, o come generatori di riserva. La disponibilità del sistema e il TCO (Total Cost of Ownership, costo totale di possesso) dipendono molto da come i sistemi in questione vengono utilizzati, come spiegato nei paragrafi successivi. Modalità Standby In questa modalità l'alimentazione c.a. di costituisce la fonte primaria di energia elettrica e il generatore locale viene utilizzato solo come riserva durante un arresto programmato o un guasto dell'alimentazione di. Viene utilizzato un UPS per coprire il periodo di transizione da un'alimentazione all'altra, in attesa che venga avviato il generatore di riserva. Questa è la modalità di funzionamento utilizzata in più del 99 % delle sale CED e dei data center dotati di generatori locali. Modalità Continua In questa modalità il generatore locale è la sorgente primaria di energia elettrica e l'alimentazione di viene utilizzata solo come riserva durante un arresto programmato o un guasto del generatore locale. I carichi possono essere alimentati dal generatore locale; in alternativa si può utilizzare un UPS per coprire l'intervallo di tempo durante il passaggio da un sistema all'altro. Il generatore locale alimenta solo il carico critico; se esso è sovradimensionato rispetto al carico, è possibile che il sistema di generazione di energia elettrica sia sottoutilizzato o funzioni in un punto indesiderabile della sua curva di efficienza. 1 Il White Paper APC n. 24: Effetti dell'ups sulla disponibilità del sistema contiene dati quantitativi sull'influenza dei generatori sulla disponibilità. 3

4 Modalità Utility-Interactive In questa modalità il generatore locale è la sorgente primaria di energia elettrica e l'alimentazione di viene utilizzata solo come riserva durante un arresto programmato o un guasto del generatore locale. Il generatore locale funziona in parallelo con l'alimentazione di, per cui l'energia elettrica eccedente rispetto alla potenza richiesta dal carico critico viene fornita all'alimentazione di. In questa modalità l'energia eccedente può semplicemente bilanciare altri carichi non critici dell'impianto, o addirittura provocare l'inversione del flusso di energia nell'alimentazione di. Tipicamente, è necessario un UPS per creare un polmone tra carico critico e alimentazione di. Di norma il sistema di generazione dell'energia elettrica viene fatto funzionare in corrispondenza del punto più favorevole della curva dell'efficienza. Configurazioni tolleranti dei guasti Con qualsiasi tecnologia o in qualsiasi modalità, è possibile aumentare la disponibilità mediante le seguenti tecniche. Architettura a doppio percorso In questo caso viene duplicato l'intero sistema di generazione dell'energia elettrica. Nel caso ideale, questa duplicazione sarà realizzata attraverso l'intero sistema di generazione, fino al carico critico, che sarà configurato in modo da accettare due alimentazioni in ingresso. Architettura N+1 In questo caso, i componenti meno affidabili del sistema di generazione dell'energia elettrica saranno costituiti da più unità in parallelo, in modo tale che se una di esse si guasta l'altra o le altre saranno in grado di sostenere il carico critico. Calcolo del TCO Benché i fattori economici possano non essere determinanti nella scelta di un sistema di generazione dell'energia elettrica, essi hanno comunque un ruolo molto importante. Nel calcolo del TCO di un sistema di generazione dell'energia elettrica occorre prendere in considerazione i seguenti elementi: costi di progettazione; costi di capitale; costi di installazione / avviamento; costi di manutenzione; costi del combustibile; energia risparmiata (tale risparmio controbilancia i costi del combustibile). 4

5 Vi sono diversi fattori legati alla situazione specifica che possono modificare drasticamente il calcolo del TCO; in particolare: confronto tra costi del combustibile e costi dell'energia elettrica; costi non recuperabili ( stranded costs ) o addebiti per le forniture di emergenza; tariffe e norme di rivendita al gestore; percentuale del carico sul sistema di alimentazione. È possibile costruire un modello per la stima del TCO per varie tecnologie e modalità di funzionamento. Per i gruppi elettrogeni di riserva tradizionali, i dati sono facilmente disponibili ed è possibile fare delle stime attendibili. Nel caso delle pile a combustibile e delle microturbine, le stime proiettate nel futuro dei costi delle apparecchiature (basate su proiezioni di settore nell'arco di 3-5 anni) possono fornire indicazioni utili relative ai dati economici futuri di queste tecnologie. Avendo a disposizione i dati dei costi per apparecchiature, installazione, manutenzione ed energia, i calcoli del TCO per i dieci anni di vita utile di un tipico data center sono semplici e non verranno esposti in questo documento. L'Appendice 1 contiene una tabella con i dati dei costi e i relativi calcoli del TCO durante la vita utile del data center. La Fig. 1 mostra il TCO relativo al sistema di generazione dell'energia elettrica per un data center da 250 kw ricavato dai dati realistici di proiezione dell'appendice 1. Fig TCO di un sistema di generazione dell'energia elettrica per varie tecnologie e modalità di funzionamento 8,00 7,00 C. immediato C. annuo C. netto energia TCO sulla vita utile: /W 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Gruppo elettrogeno di riserva Generatore continuo Generatore Pila a combustibile standby (H) Pila a combustibile continua Pila a combustibile standby continua 5

6 L'analisi rivela i seguenti schemi sottostanti: il costo immediato è paragonabile al costo dell'energia durante la vita utile i risparmi sui costi dell'energia assicurati dalle pile a combustibile e dalle microturbine non bastano a controbilanciare i maggiori costi immediati connessi con l'adozione di queste tecnologie dato che la frazione di utilizzo tipica del data center è significativamente minore del 100 % 2, la generazione continua di energia elettrica a livello locale è una soluzione meno efficace dal punto di vista economico rispetto alle modalità Standby o Utility-Interactive. l'inefficienza della generazione locale di energia elettrica annulla gran parte dei vantaggi derivanti dall'utilizzo di combustibile meno costoso. Altri fattori da considerare I dati economici suggeriscono che le pile a combustibile e le microturbine non sono una soluzione allettante per la generazione di energia elettrica per i data center rispetto ai gruppi elettrogeni di riserva. Tuttavia esistono svariate situazioni o fattori che, come è stato suggerito, possono costituire degli incentivi all'adozione di queste tecnologie alternative. Essi vengono discussi nel seguito. Emissioni È possibile che le norme locali o aziendali prevedano dei limiti per le emissioni. Il sistema di generazione locale che crea maggiori problemi di emissioni è quello basato sul motore diesel. Il sistema di concessione delle licenze per i motori diesel è complesso e molto specifico del sito; in alcuni casi ottenere la licenza è molto difficile o impossibile. C'è un argomento logico a favore dell'utilizzo del sistema diesel come alimentatore di riserva: sebbene le emissioni siano elevate, il tempo di funzionamento è così basso da rendere trascurabili gli effetti cumulativi. Tuttavia in pratica i sistemi diesel di riserva generano quantità enormi di fumi visibili all'avviamento, specie quando vengono assoggettati rapidamente al carico, come avviene in questa applicazione. Ciò provoca spesso lamentele da parte degli abitanti della zona, che possono provocare una situazione altamente indesiderabile: l'intervento delle autorità locali quando il sistema è già stato installato. Ai fini dell'analisi del TCO, sono stati considerati generatori di riserva utilizzanti come combustibile gas naturale o propano, anziché il più diffuso gasolio. Questi generatori hanno un costo anche del 30 % superiore a quello dei generatori diesel, ma riducono notevolmente il problema delle emissioni, specie di quelle visibili. Se la riduzione delle emissioni è un obiettivo primario, i dati suggeriscono che i generatori a gas naturale o propano sono molto più efficaci economicamente delle pile a combustibile o delle microturbine. 2 Per una discussione sulla frazione tipica di utilizzo, si rimanda al White Paper APC n. 37: Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete 6

7 Disponibilità I costi dell'interruzione delle attività sono altissimi per molti data center e sale CED. È stato suggerito che le pile a combustibile e le microturbine possono migliorare la disponibilità complessiva del sistema rispetto ai gruppi elettrogeni di riserva. C'è un dato statistico che viene spesso citato: un gruppo elettrogeno di riserva viene avviato solo per il 90 % delle volte quando viene chiamato in causa. Per valutare accuratamente questo postulato, sarebbero necessari dati sull'affidabilità delle pile a combustibile e delle microturbine, oltre che sulla natura delle modalità di guasto e sul rispettivo tempo necessario per la riparazione. Questi dati non sono ancora disponibili. È invece noto che è possibile investire nella tolleranza ai guasti per aumentare la disponibilità di un qualsiasi sistema di alimentazione, ad esempio utilizzando un'architettura N+1 e un'architettura a doppio percorso, come già discusso. Inoltre si sa che è possibile aumentare la disponibilità con scelte progettuali quali la manutenzione simultanea, il monitoraggio degli stati e la manutenzione con caratteristiche avanzate. I dati attualmente disponibili suggeriscono che i risparmi sul TCO derivanti dall'uso di un gruppo elettrogeno di riserva potrebbero essere sfruttati per aumentare la disponibilità di un tale sistema e controbilanciare i potenziali vantaggi (tutti da dimostrare) in termini di disponibilità offerti dalle pile a combustibile o dalle microturbine. Eliminazione di altre apparecchiature In molte discussioni sulle pile a combustibile e sulle microturbine è stato suggerito che queste tecnologie potrebbero consentire di eliminare altri dispositivi del sistema di alimentazione, con possibile abbattimento dei costi e aumento della disponibilità e dell'efficienza. Di solito viene suggerita l'eliminazione dell'ups o delle batterie. Nel caso del funzionamento in modalità Utility-Interactive, è tuttora necessario un UPS per isolare il carico critico dall'alimentazione di. Nel caso del funzionamento in modalità Continua, l' UPS è tuttora necessario per separare con un polmone il carico critico dagli effetti di altri carichi dell'impianto (ad esempio quelli dei condizionatori d'aria). Nel caso del funzionamento nella modalità Standby l'ups è ovviamente necessario per sopportare il carico critico in attesa che il generatore venga avviato. Il tempo di intervento dell'ups quando viene utilizzato nella modalità Continua o in quella Utility-Interactive potrebbe in teoria essere inferiore al tempo di intervento dell'ups di un sistema funzionante in modalità Standby. Si potrebbe pertanto utilizzare una batteria più piccola. Tuttavia la riduzione del tempo di autonomia della batteria per un determinato carico sottopone la batteria stessa a maggiori sollecitazioni e fa diminuire l'affidabilità del sistema. La riduzione delle dimensioni della batteria per portare il tempo di autonomia sotto i 5 minuti non è praticabile con l'attuale tecnologia delle batterie. L'utilizzo dell'ups con volani in abbinamento con un sistema di generazione funzionante in modalità Continua o Line-Interactive potrebbe consentire di eliminare le batterie. Tuttavia dai dati non risulta che tale soluzione offra alcun vantaggio in termini di TCO. Inoltre i dati sui guasti effettivamente registrati nei data center suggeriscono che in condizioni di guasti anomali il tempo di autonomia assicurato dalle batterie può essere sufficiente per un intervento da parte del personale che impedisca l'interruzione delle attività. 7

8 Conversione da corrente alternata a continua In alcune discussioni sulle pile a combustibile e sulle microturbine è stato suggerito che queste tecnologie potrebbero consentire di eliminare l'alimentazione c.a. nei data center e nelle sale CED. Secondo tale proposta, i carichi critici verrebbero alimentati in corrente continua, per cui vi sarebbe un numero minore di stadi di conversione. Sia le pile a combustibile che le microturbine generano corrente continua, che potrebbe essere utilizzata direttamente. Questa visione però non è né realistica né pratica. In primo luogo, l'alimentazione c.a. è necessaria a molti dispositivi indispensabili per il funzionamento di un data center o una sala CED ed è molto improbabile che questi dispositivi siano in futuro disponibili in versione c.c. Ciò vale per l'illuminazione, il condizionamento dell'aria, le apparecchiature per ufficio e anche i personal computer. Inoltre la tesi secondo cui la distribuzione c.c. sarebbe più efficiente o presenterebbe altri vantaggi rispetto alla c.a. è falsa 3 Abbinamento di calore e alimentazione elettrica In tutti i sistemi di generazione di energia elettrica la quantità di energia termica prodotta è superiore a quella dell'energia elettrica. Se fosse possibile sfruttare il calore per qualche scopo utile, evitando di impiegare dell'altra energia termica, si potrebbero ottenere risparmi significativi. Purtroppo i data center e le sale CED generano quantità notevoli di calore e non richiedono di certo un supplemento di calore. Per ottenere dei risparmi significativi occorre quindi individuare un uso alternativo dell'energia termica prodotta continuamente. Pochi siti soddisfano questo criterio; tuttavia per essi i dati suggeriscono che il TCO per un sistema di generazione per data center in modalità Utility-Interactive potrebbe essere inferiore al TCO di un gruppo elettrogeno di emergenza. Si noti che, quando si abbina il calore all'energia elettrica, i dati suggeriscono che il motore alimentato a gas naturale avrà comunque un vantaggio significativo in termini di TCO rispetto alle pile a combustibile o alle microturbine. Abbinamento di raffreddamento e alimentazione elettrica Un'altra applicazione per il calore disperso durante la generazione di energia elettrica è quella per l'azionamento di apparecchiature di raffreddamento, utilizzando un dispositivo chiamato scambiatore refrigerante. In questo caso il calore disperso viene convertito in capacità di raffreddamento che soddisfa il fabbisogno del data center. Poiché un tipico data center può consumare altrettanta energia elettrica per il funzionamento del sistema di raffreddamento quanta è necessaria per l'alimentazione del carico critico, tale soluzione ha un duplice vantaggio: ridurre il carico elettrico e INOLTRE migliorare l'efficienza del sistema di generazione dell'energia elettrica. In teoria ciò potrebbe significare una riduzione significativa del TCO per un data center. 3 Per una discussione sull'impiego della corrente continua nel data center, si rimanda al White Paper APC n. 63: Confronto tra l'utilizzo della corrente alternata e della corrente continua per i data center e le sale CED 8

9 Attualmente però assicurare tolleranza ai guasti ai sistemi combinati di raffreddamento e alimentazione senza rinunciare ai vantaggi è ancora tutt'altro che facile dal punto di vista tecnico. Le prestazioni di un sistema di raffreddamento e alimentazione combinato basate sull'impiego di uno scambiatore refrigerante migliorano all'aumentare della temperatura del calore disperso. Per tale motivo le tecnologie delle pile a combustibile quali la PEM sono inadatte all'uso con scambiatori refrigeranti a causa della bassa temperatura di funzionamento. Le microturbine hanno delle caratteristiche di dispersione del calore che le rendono idonee per le applicazioni di raffreddamento e alimentazione combinati. Indipendenza completa dall'azienda elettrica In alcuni articoli è stato suggerito che le pile a combustibile o le microturbine potrebbero consentire a un data center di scollegarsi completamente dall'alimentazione di. Ciò eliminerebbe addebiti per le forniture di emergenza o altre spese da pagare all'azienda elettrica. Inoltre consentirebbe di creare un data center in una località in cui non è possibile ottenere una maggiore potenza dall'azienda elettrica. L'indipendenza dall'azienda elettrica dà origine a tutto una nuova serie di problemi tecnici, ad esempio quello dell'avviamento a freddo dell'impianto di generazione dell'energia e la rinuncia all'alimentazione di come alimentazione di riserva. Inoltre l'impianto continuerebbe a dipendere dalle forniture di combustibile, mediante gasdotto o autocisterne, per cui sarebbe ancora soggetto all'alea di scioperi o altre discontinuità delle forniture. L'azienda fornitrice del gas combustibile può interrompere temporaneamente l'erogazione in una situazione di crisi, ad esempio quando la pressione del gas scende durante i periodi di domanda elevata, come accade talora d'inverno nei periodi in cui le temperature sono estremamente rigide. I dati suggeriscono che qualora si punti a raggiungere l'indipendenza dall'alimentazione di i tradizionali gruppi di generatori a motore hanno tuttora un vantaggio in termini di TCO rispetto alle pile a combustibile o alle microturbine. 9

10 Conclusione La generazione di energia elettrica a livello locale in previsione di black-out prolungati continua a essere un requisito per assicurare un'elevata disponibilità dei data center e delle sale CED. L'approccio tradizionale del ricorso a gruppi elettrogeni di riserva a motore presenta oggi, e presenterà nell'immediato futuro, un vantaggio economico rispetto alle pile a combustibile e alle microturbine. Se occorre tenere conto delle pressioni per la riduzione delle emissioni, è più probabile che si passi dai generatori diesel a quelli a gas naturale o propano piuttosto che adottare la tecnologie delle pile a combustibile o quella delle microturbine. Delle innovazioni tecnologiche tali da consentire una drastica riduzione dei costi delle pile a combustibile e della tecnologia a reformer potrebbero consentire alle pile a combustibile di sostituire i gruppi di generatori a motore; tuttavia l'efficacia dei metodi per conseguire tali riduzioni sui costi non è stata ancora dimostrata. La combinazione della modalità Utility-Interactive con l'abbinamento tra raffreddamento e alimentazione elettrica può dare alle microturbine un vantaggio significativo in termini di TCO rispetto agli approcci tradizionali. Tuttavia vi sono svariati problemi tecnici da superare, ad esempio quello dei metodi economicamente efficaci per assicurare la tolleranza ai guasti. Nell'ottica della massimizzazione della disponibilità del sistema di generazione dell'energia elettrica, i miglioramenti dell'architettura tollerante ai guasti dell'attuale tecnologia basata sul motore costituiscono il migliore investimento dal punto di vista dell'utente. Tali investimenti riguardano l'architettura a doppio percorso di alimentazione, l'architettura N+1, la maggiore integrazione e il migliore testing del sistema, e il perfezionamento della strumentazione e del monitoraggio. 10

11 Appendice 1: valori di TCO Questa appendice contiene i dati che sono stati utilizzati per generare la Fig. 1 del documento e una breve spiegazione del modello. Nel modello si considerano i costi immediati e quelli ricorrenti, inclusi quelli dell'energia; tali costi vengono calcolati per tutta la vita utile del sistema e infine espressi in dollari per watt di potenza nominale del sistema. Sono state adottate le seguenti ipotesi. La pila a combustibile di riserva funziona a idrogeno, mentre le pile a combustibile funzionanti in modalità continua sono dotate di un sistema a reformer e funzionano a gas naturale. Il gruppo elettrogeno funziona a gas naturale o a propano, non a diesel. I costi delle apparecchiature diesel sarebbero inferiori, nella misura del 25 % circa. Inoltre si è ipotizzato un addebito per forniture di emergenza da parte dell'azienda elettrica per tutti i sistemi che non vengono fatti funzionare nella modalità Standby. Questo è il canone annuo applicato dall'azienda elettrica per la fornitura di elettricità utilizzabile come riserva, ed è espresso come frazione della tariffa base applicata in base alla classe di utenza del sistema. La tariffa elettrica è quella media per il funzionamento continuo e comprende gli addebiti per l'erogazione nelle ore di picco della domanda. Tipicamente, questo costo è superiore alla tariffa base. Il modello è stato sviluppato utilizzando i costi per sistemi dell'ordine dei 250 kw. Si noti che i costi (in /W) saranno inferiori per sistemi di potenza notevolmente superiore e potranno essere più elevati per i sistemi di potenza notevolmente inferiore. 11

12 Ipotesi di base del progetto Vita utile del sistema Anni 10 Carico percentuale % 35% Capacità nominale kw 250 Costi ipotizzati Tabella 1 -- Dati utilizzati per il calcolo del TCO Gruppo elettrogeno di riserva Generatore continuo Generatore Pila a Pila a combustibile combustibile standby (H) continua Pila a combustibile standby continua Costo di capitale / costo immediato Engineering del sistema /W 0,2 0,2 0,2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Generatore (3 anni) /W 0,4 0,4 0, ,8 0,8 0,8 Invertitore c.c. / c.a. /W ,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Apparecch. Ausiliarie /W 0,3 0,3 0,3 0,4 1,4 1,4 0,3 0,3 0,3 Stoccaggio combustibile /W 0,1 0,1 0,1 0,7 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Installaz. gener. /W 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,15 0,15 0,15 Costi di manutenzione Costo manut. /W/A 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 Tariffe e addebiti Costi non recuperabili /kw Addebito per forniture di % della emergenza da azienda elettrica tariffa 0% 10% 10% 0% 10% 10% 0% 10% 10% Tariffa fornitura en. Elettrica /kw-ora 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 Tariffa combustibile /kw-ora 0,017 0,017 0,017 0,200 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 Tariffa riacquisto /kw-ora 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 Prestazioni generazione senza perdita di carico % 25% 25% 25% 10% 10% 10% 20% 20% 20% efficienza generazione a pieno carico % 30% 30% 30% 40% 35% 35% 28% 28% 28% % di tempo su alimentazione di % 100,0% 0,1% 0,1% 99,9% 0,1% 0,1% 99,9% 0,1% 0,1% TCO sulla vita utile Gruppo elettrogeno di riserva Generatore continuo Generatore Pila a Pila a combustibile combustibile standby (H) continua Pila a combustibile standby continua C. immediato /W 1,10 1,10 1,10 4,00 4,40 4,40 2,05 2,05 2,05 C. annuo /W 0,40 0,96 0,96 0,40 0,96 0,96 0,40 0,96 0,96 C. netto energia /W 1,96 1,81 0,90 1,97 1,45 0,25 1,96 1,88 1,22 Totale K Calcoli intermedi energia carico /kw-ora Costo una tantum K Addebito per forniture di emergenza K /vita utile Altri costi annui K /vita utile Somma costi annui K Perdita fissa energia generatore /kw-ora Perdita proporzionale generatore /kw-ora Energia in uscita dal generatore /kw-ora Fabbisogno di energia da aliment. di /kw-ora Fabbisogno energia da combustibile /kw-ora Energia venduta ad azienda elettrica /kw-ora Costo dell'energia K /vita utile Energia venduta ad azienda elettrica K /vita utile C. netto energia K /vita utile