Centros de datos y transición energética: cómo optimizar su integración en el sistema eléctrico

Hola amigos,

Los centros de datos están hoy en el centro del debate energético, tanto en Estados Unidos como en España.

El borrador del MITECO plantea una cuestión importante: cómo integrar grandes nuevas demandas eléctricas sin someter al sistema a tensiones innecesarias.

Quiero analizar aquí la propuesta desde un punto de vista exclusivamente técnico, dejando al margen el debate político. Hablaré de renovables, almacenamiento, PUE, WUE, flexibilidad y capacidad de red, intentando ver qué combinación de medidas permite atender esta nueva demanda con el menor coste y el menor impacto posibles.

El problema aparece cuando la previsión de la demanda de los DataCenters crece más deprisa que el sistema eléctrico que lo ha de sostener

Un centro de datos no tiene por qué producir emisiones directamente, y consumir electricidad tampoco es contrario a la transición energética. De hecho, buena parte de la descarbonización de la economía pasa precisamente por electrificar consumos que hoy dependen de combustibles fósiles.

La dificultad aparece cuando se incorpora una demanda nueva de gran tamaño a un ritmo superior al crecimiento de la generación renovable, el almacenamiento y las redes necesarias para atenderla.

Supongamos que durante los próximos años entran en funcionamiento varios gigavatios de centros de datos.

No estaríamos hablando únicamente de un aumento del consumo anual. Muchos de estos centros mantienen una demanda elevada y bastante constante durante el día y la noche. Necesitan electricidad cuando la producción fotovoltaica es prácticamente nula y también durante periodos en los que puede haber poco viento.

Si en esas horas la nueva demanda crece más que la generación renovable disponible, la diferencia tendrá que cubrirse con el resto del mix eléctrico.

Ese es el riesgo que interesa controlar: que la incorporación de nueva demanda avance más deprisa que la capacidad del sistema para descarbonizarla.

Para medir correctamente su impacto no basta, por tanto, con conocer los MWh consumidos a lo largo del año. También importan el perfil horario de ese consumo, la potencia solicitada, el punto de conexión y las inversiones necesarias para atenderlo.

El 80 % horario no es lo mismo que un 80 % anual

España puede alcanzar participaciones renovables elevadas en el conjunto del año y, al mismo tiempo, atravesar horas concretas con una producción renovable mucho menor.

Una obligación de cobertura renovable hora a hora es, por ello, bastante más exigente que un objetivo anual.

Si un centro consume 100 MWh entre las 03:00 y las 04:00 y debe acreditar una cobertura renovable del 80 %, necesita disponer de 80 MWh de generación renovable válida durante esa misma hora.

No puede compensar ese consumo nocturno produciendo más energía solar al mediodía y cuadrando después el balance del año.

En términos de MWh anuales, las dos situaciones podrían parecer equivalentes. Desde el punto de vista del funcionamiento físico del sistema eléctrico, no lo son.

La correlación horaria obliga a hacer coincidir generación y demanda.

A esta condición se añade la adicionalidad, cuyo objetivo es evitar que un nuevo consumidor se limite a contratar generación renovable que ya existía. Se pretende que una parte importante de la nueva demanda vaya acompañada también de nueva capacidad de generación.

Por tanto, el efecto económico no depende únicamente de alcanzar una cobertura del 80 %. Depende de combinar ese porcentaje con la correlación horaria y la adicionalidad.

Y es precisamente esa combinación la que conviene analizar.

Generación y almacenamiento deben diseñarse conjuntamente

Un parque fotovoltaico puede producir durante determinadas horas mucha más energía de la necesaria, pero por la noche deja de producir. La eólica complementa mejor ese perfil, aunque tampoco ofrece una generación constante.

El almacenamiento permite trasladar energía de unas horas a otras, pero tiene pérdidas y, una vez descargado, necesita recuperar su estado de carga.

Supongamos un centro de datos de 100 MW funcionando continuamente.

Durante una noche de ocho horas con producción renovable insuficiente, cubrir mediante almacenamiento todo el 80 % exigido requeriría:

80 MW × 8 horas = 640 MWh útiles.

Una batería de esa capacidad es técnicamente realizable.

El problema no termina ahí, porque al día siguiente habrá que recuperar la energía utilizada.

Si suponemos, simplemente para visualizar el problema, un rendimiento global del 90 %, volver a disponer de esos 640 MWh útiles requeriría aproximadamente:

640 / 0,90 = 711 MWh.

Esa energía tendrá que producirse además de la necesaria para seguir alimentando el centro mientras se recarga la batería.

Por eso no basta con dimensionar el almacenamiento. También hay que disponer de potencia renovable suficiente para generar los excedentes necesarios y recuperar el estado de carga en un plazo razonable.

Generación solar, eólica, almacenamiento y, cuando exista, generación renovable gestionable deben estudiarse conjuntamente.

El problema más difícil son los periodos consecutivos de baja producción

Si cada día existe producción renovable suficiente para recargar completamente la batería, los mismos 640 MWh pueden utilizarse una noche tras otra.

La situación cambia cuando se encadenan muchas horas, o incluso varios días, con poca producción.

Para un centro de 100 MW, cubrir mediante almacenamiento un déficit equivalente al 80 % durante:

24 horas exigiría 1,92 GWh.

48 horas, 3,84 GWh.

72 horas, 5,76 GWh.

En un centro de datos de 500 MW, tres días equivaldrían a:

28,8 GWh útiles.

Esto no significa que una instalación de 500 MW necesite realmente una batería de 28,8 GWh. Una solución real recurriría a una combinación de fuentes renovables, almacenamiento, contratos y otros recursos disponibles.

El cálculo sirve, sobre todo, para mostrar qué empieza a determinar el coste cuando aumenta la exigencia de cobertura horaria.

Las situaciones habituales son relativamente fáciles de atender. Lo que puede obligar a sobredimensionar generación y almacenamiento son precisamente esos episodios poco frecuentes pero prolongados en los que coinciden una demanda alta y una producción renovable reducida.

El coste crece más deprisa en los últimos tramos

Con suficiente generación y almacenamiento es posible alcanzar coberturas renovables muy elevadas. Eso no implica que cualquier porcentaje tenga el mismo sentido económico.

La relación entre cobertura y coste no tiene por qué ser lineal.

Pasar, por ejemplo, del 50 al 60 % puede conseguirse instalando generación que se aprovecha durante muchas horas al año. El tramo entre el 70 y el 80 % puede exigir recursos destinados principalmente a cubrir situaciones mucho menos frecuentes.

Por eso los últimos puntos porcentuales pueden resultar mucho más caros que los primeros.

Para valorar un requisito del 80 % habría que modelar distintas combinaciones y calcular los MW renovables necesarios, los MWh de almacenamiento, la potencia de carga y descarga, las pérdidas, la degradación, los excedentes y las infraestructuras eléctricas asociadas.

Solo entonces podríamos comparar qué aporta cada incremento de cobertura y cuánto cuesta conseguirlo.

El porcentaje debería surgir de esa optimización, y no analizarse como una cifra aislada.

La adicionalidad tiene sentido, pero no resuelve todo

La adicionalidad intenta evitar un problema bastante sencillo.

Un nuevo centro de datos podría contratar un parque renovable que ya estuviera funcionando. Contractualmente tendría cubierta con electricidad renovable una parte de su demanda, pero la generación total disponible en España no habría aumentado.

Habría nueva demanda sin nueva generación.

Exigir adicionalidad reduce ese riesgo al vincular parte del nuevo consumo con nuevas instalaciones.

Sin embargo, el sistema puede sufrir falta de generación renovable durante unas horas y disponer de excedentes durante otras.

Cuando la producción solar o eólica es muy elevada pueden producirse vertidos porque no existe suficiente demanda, almacenamiento o capacidad de red para aprovechar toda esa energía.

En esas horas, utilizar mejor la generación existente también tiene valor.

Hay, por tanto, dos problemas diferentes: disponer de nueva generación suficiente para atender una demanda que crece y aprovechar mejor la energía renovable que ya se produce.

Una regulación eficiente debería tener en cuenta ambos.

La flexibilidad puede reducir las necesidades de generación y almacenamiento

Los centros de datos suelen considerarse cargas bastante planas, pero eso no significa necesariamente que todo su consumo sea rígido.

Puede existir cierto margen en los sistemas auxiliares, en el almacenamiento térmico o eléctrico y en determinadas cargas informáticas que no necesitan ejecutarse exactamente en una hora concreta.

Esa capacidad de adaptación tiene valor para el sistema.

Un MW que deja de consumirse durante una hora especialmente crítica puede evitar generación o almacenamiento que, de otro modo, quizá solo serían necesarios unas pocas veces al año.

Cuanta más capacidad tenga el consumidor para desplazar o reducir una parte de su demanda, menor puede ser la inversión necesaria para alcanzar un mismo nivel de integración renovable.

La flexibilidad debería formar parte del análisis desde el principio, junto con la generación y el almacenamiento.

PUE: antes de producir más, conviene consumir mejor

El dimensionamiento del sistema no depende únicamente de cómo se produce la electricidad. También depende de la eficiencia con la que el centro de datos la utiliza.

Aquí entra el PUE, Power Usage Effectiveness.

El PUE relaciona la energía total consumida por el centro con la utilizada directamente por los equipos informáticos:

PUE = energía total del centro / energía IT

Un PUE de 1 sería el límite teórico: toda la electricidad llegaría a los equipos IT.

En una instalación real existen consumos auxiliares. Hay que refrigerar, mover aire o agua, alimentar bombas, mantener sistemas UPS y asumir pérdidas en transformadores y en la distribución eléctrica interna.

Un PUE de 1,15 significa que, por cada 1 MWh consumido por los equipos IT, el centro necesita 1,15 MWh en total.

Para una carga IT de 100 MW:

PUE 1,15 → 115 MW de consumo total.

PUE 1,30 → 130 MW.

La diferencia son 15 MW continuos.

Durante un año:

15 MW × 8.760 horas = 131.400 MWh.

Cuando hablamos de instalaciones de cientos de megavatios, pequeñas diferencias en el PUE dejan de ser pequeñas en términos absolutos.

Reducir el consumo auxiliar puede evitar nueva generación, liberar capacidad de red y disminuir parte de la infraestructura necesaria para alimentar el centro.

El PUE tiene límites

Un buen PUE no significa necesariamente que todo el centro sea eficiente.

El indicador mide principalmente la energía consumida por la infraestructura que rodea a los equipos IT. No indica si los servidores están trabajando al 80 % de su capacidad o al 10 %.

Un centro podría tener un PUE excelente y mantener, al mismo tiempo, una gran cantidad de servidores infrautilizados.

Eso no invalida el indicador. Simplemente conviene utilizarlo para lo que realmente mide: la eficiencia energética de la infraestructura del centro, no la eficiencia global del trabajo informático que allí se realiza.

WUE: el agua también forma parte del diseño

La refrigeración puede requerir además cantidades importantes de agua.

Para medirlo se utiliza el WUE, Water Usage Effectiveness, que relaciona el agua utilizada con la energía consumida por los equipos IT:

WUE = consumo de agua / energía IT

Si tomamos como referencia un WUE de 0,1 m³/MWh, hablamos de 100 litros de agua por cada MWh de consumo IT.

Un centro con 100 MW de carga IT funcionando durante todo el año consumiría:

100 MW × 8.760 horas = 876.000 MWh IT.

Con un WUE de 0,1 m³/MWh:

876.000 × 0,1 = 87.600 m³ de agua al año.

La cifra permite entender el orden de magnitud, pero por sí sola dice poco sobre el impacto real.

No es lo mismo utilizar esa cantidad de agua en una zona donde el recurso es abundante que hacerlo en un territorio sometido a estrés hídrico. También importa si se utiliza agua potable, regenerada o procedente de otras fuentes.

El WUE permite comparar instalaciones, pero no sustituye al análisis del emplazamiento y de las condiciones locales.

PUE y WUE pueden entrar en conflicto

Este es un buen ejemplo de por qué conviene evitar la optimización aislada de cada indicador.

Determinados sistemas de refrigeración evaporativa pueden reducir el consumo eléctrico y mejorar el PUE a cambio de utilizar más agua.

Una solución seca puede reducir mucho el WUE, pero necesitar más electricidad cuando la temperatura exterior es elevada.

Optimizar únicamente el PUE puede empeorar el uso del agua. Centrarse exclusivamente en el WUE puede aumentar el consumo eléctrico.

La mejor solución dependerá del clima, del emplazamiento, del diseño del centro y de la disponibilidad local de recursos. Es uno de esos casos en los que la ingeniería consiste, precisamente, en valorar compromisos.

La red no se resuelve con porcentajes renovables

Un centro de datos puede tener un PUE excelente, consumir poca agua y cubrir una gran parte de su demanda con generación renovable.

Aun así, necesita conectarse a la red.

Y lo que solicita en el punto de conexión no son MWh anuales, sino MW de capacidad.

Un centro de 500 MW puede necesitar nuevas subestaciones, líneas y refuerzos importantes. El impacto dependerá enormemente del lugar elegido.

No es lo mismo solicitar esa potencia en una zona con capacidad disponible que hacerlo en un nudo congestionado. Tampoco produce el mismo efecto instalar una gran demanda cerca de zonas con excedentes renovables frecuentes que situarla donde la red ya funciona cerca de sus límites.

La ubicación puede acabar siendo una de las variables más importantes para reducir el coste total de integración.

Regular el impacto puede ser más eficaz que regular una actividad

Muchos de estos problemas no son exclusivos de los centros de datos.

Una gran industria, un electrolizador u otro consumidor de cientos de megavatios también puede requerir nueva generación, ocupar capacidad de red y obligar a realizar inversiones importantes.

Desde el punto de vista eléctrico, dos consumidores con el mismo tamaño, un perfil horario parecido y una ubicación equivalente pueden producir impactos similares aunque sus actividades sean completamente distintas.

Puede haber razones industriales o estratégicas para establecer tratamientos diferentes. Sin embargo, las obligaciones destinadas a proteger el sistema eléctrico deberían guardar relación, en la medida de lo posible, con los efectos que realmente provoca cada proyecto.

La potencia solicitada, el perfil de consumo, la ubicación, la flexibilidad disponible y los refuerzos necesarios son variables que pueden medirse y permiten graduar mejor los requisitos.

Tampoco es lo mismo un centro de 20 MW que uno de 500 MW

Dentro del propio sector las diferencias son enormes.

Un centro de 20 MW y otro de 500 MW no plantean las mismas necesidades de generación ni de red. Pero tampoco basta con mirar únicamente el tamaño.

Un gran proyecto situado en una zona con capacidad disponible, abundante generación renovable y cierta flexibilidad puede integrarse mejor que otro considerablemente menor conectado en un punto muy congestionado.

Los umbrales facilitan la regulación, pero no deberían sustituir por completo el análisis técnico de cada proyecto.

A partir de cierto tamaño parece razonable considerar conjuntamente las variables que determinan su impacto real sobre el sistema.

Optimizar el sistema, no cada indicador

PUE, WUE, adicionalidad, correlación horaria, almacenamiento, flexibilidad y capacidad de red responden a problemas diferentes.

La dificultad aparece cuando se intenta llevar cada uno de ellos, por separado, a su valor más exigente sin estudiar cómo interactúan.

Un PUE más bajo puede requerir más agua.

Un WUE más bajo puede aumentar el consumo eléctrico.

Una cobertura renovable horaria mayor puede exigir almacenamiento que apenas se utilice salvo durante unas pocas horas críticas.

Una adicionalidad demasiado rígida puede llevar a construir nueva generación mientras en determinados momentos se desaprovechan excedentes existentes.

Y un centro que cumpla todas esas condiciones puede seguir estando mal ubicado desde el punto de vista de la red.

El objetivo debería ser integrar la nueva demanda con el menor coste total posible, respetando los niveles de descarbonización, seguridad de suministro y utilización de recursos que se consideren necesarios.

Para hacerlo hay que comparar alternativas.

Puede resultar que un 80 % horario sea una buena solución. También puede ocurrir que un 75 % acompañado de mayor flexibilidad consiga un resultado parecido con menos almacenamiento.

En otra ubicación quizá tenga más valor reducir la potencia solicitada o mejorar el PUE que aumentar unos puntos porcentuales la cobertura renovable.

Sin modelar esas opciones resulta difícil saberlo.

El coste de conseguir la mejora es lo que permite comparar

Para valorar si una medida está bien diseñada no basta con comprobar que mejora un indicador. Hay que saber cuánto mejora y qué recursos exige conseguirlo.

Deberíamos poder comparar cuánto cuesta evitar una tonelada adicional de CO₂, cuánto almacenamiento requiere cada incremento de cobertura renovable, qué inversión permite liberar capacidad de red o cómo afecta un determinado sistema de refrigeración al consumo conjunto de electricidad y agua.

Ese análisis permite distinguir dónde una inversión aporta una mejora importante y dónde empezamos a gastar mucho para obtener una ganancia pequeña.

Los centros de datos pueden aumentar de forma significativa la demanda eléctrica española durante los próximos años. Integrarlos correctamente requerirá nueva generación, redes y almacenamiento, además de instalaciones eficientes en el uso de la energía y del agua.

El proyecto del MITECO intenta actuar sobre buena parte de esas variables.

Su eficacia dependerá menos de llevar cada indicador por separado hasta el máximo nivel de exigencia que de encontrar una combinación razonable entre ellos.

En algunos proyectos tendrá sentido instalar más generación renovable. En otros aportará más mejorar el PUE, flexibilizar parte del consumo, escoger otro punto de conexión o utilizar un sistema de refrigeración distinto. Lo habitual será probablemente combinar varias de estas soluciones.

Por eso, el debate sobre el 80 % renovable hora a hora más adicionalidad debería centrarse en comprobar si esa exigencia consigue el resultado buscado con un coste razonable y si existen alternativas capaces de obtener un resultado semejante utilizando menos generación, menos almacenamiento, menos capacidad de red o menos agua.

Para mí, ahí está el verdadero problema de ingeniería: optimizar el conjunto, no cada métrica por separado.