Alimentar data centers com energia renovável e armazenamento apresenta uma série de desafios técnicos e econômicos que produtores independentes de energia, empresas de engenharia, aquisição e construção (EPC) e investidores só recentemente começaram a abordar. Nesse contexto, espera-se que baterias de grande escala desempenhem um papel fundamental, fornecendo a potência ativa necessária durante picos de demanda e coordenando os fluxos de energia entre geração, armazenamento e cargas do data center.
No entanto, permanece incerto se as tecnologias de baterias atuais conseguem executar essas tarefas de forma eficiente, o que levanta dúvidas sobre a capacidade, a curto prazo, do setor de energia solar com armazenamento de energia de atender à crescente demanda de eletricidade dos centros de dados.
Para explorar essa questão, uma equipe internacional de pesquisa investigou como as baterias poderiam efetivamente fornecer energia a data centers e descobriu que o desenvolvimento de sistemas avançados de gerenciamento de baterias será crucial. “Armazenamento de energia, tecnologias de baterias, integração de inteligência artificial (IA) e regulação térmica podem ser considerados os quatro principais setores que exigem mais investigação e pesquisa para termos data centers confiáveis, com os menores custos e as maiores receitas”, afirmou o grupo.
No artigo “A research-industry perspective of battery systems technology for next-generation data centers”, publicado no Journal of Energy Storage, os pesquisadores observaram que a maior parte da literatura existente se concentra em resposta à demanda, modelagem de carga, sistemas de gerenciamento de energia, controle de fluxo de ar, alocação de recursos e arquitetura energeticamente eficiente, mas raramente aborda baterias ou sua integração com padrões, documentos técnicos da indústria, projetos financiados e aplicações práticas.
“Alimentar data centers inteiramente com energias renováveis e armazenamento de energia não é viável em todos os lugares”, disse Ashkan Safari, autor correspondente da pesquisa, à pv magazine. “Fontes renováveis, como a solar e a eólica, são intermitentes, e a quantidade de armazenamento de energia necessária para garantir operação confiável 24 horas por dia, 7 dias por semana, continua sendo muito grande e cara. Economicamente, os custos iniciais de energias renováveis em larga escala e armazenamento de longa duração costumam ser maiores do que usar a rede elétrica, especialmente quando a eletricidade da rede é barata. Por isso, a maioria dos data centers hoje em dia depende de uma abordagem híbrida – energias renováveis e armazenamento com suporte da rede elétrica.”
“À medida que a geração de energia renovável se torna mais barata, as tecnologias de armazenamento amadurecem e as redes elétricas se tornam mais limpas e flexíveis, a maioria dos tipos de data centers poderá ser alimentada principalmente por energias renováveis”, continuou ele. “No entanto, diferenças em termos de localização, tamanho, requisitos de confiabilidade e criticidade da carga de trabalho significam que alguns data centers, como os de grande escala, adotarão essa tecnologia mais rapidamente do que os menores.”
Segundo a Safari, a viabilidade de alimentar data centers com energia renovável e armazenamento depende em grande parte das características da rede elétrica. Redes com alta penetração de energias renováveis, forte capacidade de transmissão, baixa congestão e serviços de balanceamento rápidos conseguem gerenciar a variabilidade das energias renováveis de forma eficaz, reduzindo a necessidade de geração e armazenamento no local e diminuindo os custos para os data centers. Em contrapartida, as capacidades limitadas da rede elétrica obrigam os data centers a superdimensionar os sistemas de energia renovável e armazenamento no local, tornando a operação totalmente renovável mais complexa e dispendiosa do ponto de vista técnico.
O estudo preenche essa lacuna ao fornecer uma visão geral abrangente das tecnologias de baterias, seus componentes e metodologias de controle, vinculando-os a estratégias mais amplas de eficiência energética em data centers. Essa abordagem holística abrange tanto baterias para sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) dentro de data centers quanto sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) implantados fora das instalações.
Os pesquisadores analisaram todos os sistemas de tecnologia de baterias para data centers, descrevendo arquiteturas de energia e topologias recomendadas, examinando baterias e sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) integrados a estratégias de controle de IA, resumindo iniciativas de emissão zero e padrões da indústria, e analisando documentos técnicos recentes do setor, provas de conceito e projetos financiados. Ao detalhar as topologias de UPS e os tipos de BESS em uso, eles destacaram que as tecnologias avançadas de BMS serão essenciais para operações de data center confiáveis, eficientes e sustentáveis.
“A tecnologia BMS é fundamental para garantir a segurança, a vida útil restante e a eficiência das baterias de íon-lítio, monitorando parâmetros como temperatura, tensão, corrente e estados da bateria”, explicou a equipe. “Ela previne sobrecargas, superaquecimento e descargas profundas, e possibilita estratégias como balanceamento de células, gerenciamento térmico e manutenção preditiva, que otimizam o desempenho da bateria.”
Os acadêmicos explicaram que, em data centers modernos, os BMS monitoram continuamente indicadores-chave, incluindo estado de carga (SoC), estado de saúde (SoH), estado de energia (SoE) e estado de temperatura (SoT). O monitoramento de células coleta dados de tensão, temperatura e corrente de células individuais, permitindo ajustes em tempo real para otimizar o desempenho e prolongar a vida útil da bateria.
A arquitetura hierárquica de um BMS compreende três camadas – dados, computação e aplicação – permitindo a integração de medição, modelagem e controle em tempo real. A camada de computação estima os estados internos da bateria, enquanto a camada de aplicação gerencia segurança, envelhecimento, controle térmico, balanceamento e diagnóstico de falhas. A estimativa do SoC e do SoH utiliza métodos convencionais, de IA, baseados em observadores, filtros adaptativos e híbridos, frequentemente integrados em estruturas de estimativa multiestado que preveem a vida útil restante e o desempenho em escalas de tempo real, intermediárias e de longo prazo.
Além disso, a equipe enfatizou que modelos avançados baseados em IA, como redes neurais, sistemas neuro-fuzzy, aprendizado por reforço, BiLSTM, LSTM, florestas aleatórias e redes generativas adversárias (GANs), aprimoram ainda mais a estimativa de estado, a detecção de falhas e o controle preditivo. As funções de ativação dão suporte a esses modelos de IA mapeando as entradas de forma eficaz, permitindo previsões precisas de SoC e SoH e otimizando o desempenho do BMS para data centers de alto desempenho.
Os pesquisadores concluíram que os sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) baseados em inteligência artificial serão capazes de fornecer monitoramento em tempo real, controle preditivo e gerenciamento de energia otimizado, estabelecendo as bases para uma operação inteligente, confiável e sustentável de baterias em data centers.
“A integração da IA no BMS melhora as estimativas de estado, reduz as falhas e estende a vida útil restante”, afirmaram. “No entanto, ainda existem desafios na escalabilidade de soluções baseadas em IA, na obtenção de data centers com emissão zero de carbono e no atendimento aos diversos requisitos específicos de cada setor.”
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