Comparação quantitatativa de sistemas de distribuição de energia CA vs CC de alta eficiência para data centers

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1 Comparação quantitatativa de sistemas de distribuição de energia CA vs CC de alta eficiência para data centers Relatório 127 Revisão2 Neil Rasmussen and James Spitaels > Resumo executivo Este relatório técnico apresenta uma comparação quantitativa detalhada entre os métodos de distribuição de CC e CA mais eficientes e inclui uma análise dos efeitos da eficiência da distribuição de energia elétrica nos requisitos de energia para refrigeração e sobre o consumo total de energia elétrica. Já foi demonstrado que as arquiteturas de distribuição de CC e CA de alta eficiência mais recentes apresentam praticamente a mesma eficiência, e isso indica que a mudança para uma arquitetura baseada em CC não é garantida do ponto de vista de eficiência. Conteúdo clique em uma seção para ter acesso a ela Introdução 2 As duas opções de distribuição de energia de alta eficiência Comparação da eficiência geral do circuito de energia elétrica Impacto no con-sumo geral de energia do data center Calculador de eficiência entre CA vs CC Considera-ções especiais para a América do Norte 15 Conclusão 22 Recursos 24

2 Introdução Recursos APC Relatório 63 AC vs. DC Power Distribution for Data Centers A busca por maior eficiência em data centers promoveu um espírito de inovação em tecnologias de alimentação de energia elétrica e de refrigeração. Uma proposta sobre a eficiência energética debatida amplamente é a conversão da arquitetura de alimentação existente dos data centers de CA para CC. Muitos artigos na imprensa e em revistas técnicas apresentaram as vantagens da distribuição em CC e, algumas empresas, como a Intel, APC e a Sun Microsystems, participaram de projetos de demonstração da tecnologia. Há cinco métodos de distribuição de energia elétrica que podem ser usados efetivamente em data centers, entre eles, dois tipos básicos de distribuição em CA e três tipos básicos de distribuição em CC. Estes cinco tipos são explicados e analisados no Relatório Técnico APC No. 63, Distribuição de energia CA vs. CC. Uma conclusão importante daquele Relatório Técnico, que conta com o aval geral da literatura publicada, é que dois desses cinco métodos de distribuição, um em CA e outro em CC, oferecem eficiência elétrica superior. Este Relatório técnico foca exclusivamente a comparação entre esses dois métodos de distribuição de maior eficiência. Se não houver uma mudança significativa na tecnologia de alimentação dos data centers, é bem provável que, no futuro, um desses métodos se transforme no método preferido de distribuição de energia em data centers. Os valores de desempenho da eficiência do sistema de distribuição em CA apresentado neste relatório técnico estão disponíveis de forma imediata, baseados em equipamentos que podem ser adquiridos no momento. Atualmente não há sistemas de distribuição em CC à venda no mercado; portanto os valores de eficiência dos sistemas de distribuição em CC são baseados em dados de amostragem, estimativas e cálculos disponíveis recentes. Citações e referências correspondentes a todos os valores de eficiência utilizados neste Relatório Técnico são apresentadas ao final, para que as conclusões possam ser avaliadas e verificadas de forma independente. Mudanças na eficiência de distribuição da energia elétrica afetam o consumo total de energia do data center. Porém, a quantificação de seu impacto é matematicamente complexa devido a dois fatores: 1. Variações na eficiência de distribuição da energia elétrica afetam a carga térmica e, consequentemente, o consumo de energia dos equipamentos de ar condicionado. 2. Há cargas de energia elétrica significativas dentro do data center que não recebem energia através do sistema de distribuição de energia em estudo. Este relatório técnico explica esses efeitos detalhadamente e demonstra como melhorias na eficiência de distribuição da energia elétrica se convertem em reduções no consumo total de energia elétrica. Histórico Atualmente existem de fato instalações de data centers com projetos deficientes e tecnologia de distribuição de energia elétrica mais antiga, que operam com eficiência muito baixa. A APC já detectou sistemas de alimentação com eficiências de 30% e até menores em data centers em funcionamento (sem considerar o sistema de refrigeração). Isto representa um desperdício considerável de energia elétrica, pois grande parte dessa ineficiência é evitável. As ineficiências observadas devem-se principalmente aos seguintes fatores: Fontes de alimentação ineficientes para dispositivos de TI; APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 2

3 Unidades de distribuição de energia (PDU) com transformadores ineficientes; Sistemas de no-breaks ineficientes; Operação com cargas muito abaixo do valor nominal de projeto do sistema, aumentando todas as perdas acima mencionadas. Recursos APC Relatório 128 Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High Density Power Distribution Durante os últimos três anos surgiram grandes melhorias na eficiência de no-breaks e de fontes de alimentação dos dispositivos de TI. Este avanço significa que um sistema de distribuição em CA instalado atualmente é muito mais eficiente do que outro instalado há cinco anos. Além disso, no-breaks modulares e escaláveis facilitam encontrar o tamanho correto da carga necessária, evitando a ineficiência elétrica devida a uma sub-utilização considerável do sistema, tal como se observava freqüentemente no passado. Unidades PDU com transformadores continuam sendo uma fonte significativa de perda em muitas instalações na América do Norte, porém este tipo de PDU não é encontrada fora dessa região. O sistema em CA analisado neste relatório técnico está baseado no padrão europeu de distribuição de 400/230 V. O Relatório APC 128, Como aumentar a eficiência de um data center utilizando uma distribuição melhorada de energia de alta densidade, expõe em detalhes a aplicação da distribuição 400/230 V em CA na América do Norte. A distribuição em CC tem sido proposta como forma de aumentar a eficiência a partir das três premissas a seguir: 1. Seria possível construir um no-break para CC com maior eficiência que um no-break em CA; 2. A eliminação dos transformadores das unidades de distribuição de energia (PDU) reduziria perdas elétricas; 3. Seria possível melhorar a eficiência das próprias fontes de alimentação dos equipamentos de TI, além das melhorias possíveis em um projeto com entrada de CA. Este relatório técnico examina e quantifica esses três conceitos e chega às seguintes conclusões: A última geração de sistemas no-breaks CA gera uma perda até cinco vezes menor que as gerações anteriores de no-breaks CA, e não há mais evidências que permitam a criação de um no-break para CC com maior eficiência. Os transformadores das unidades PDUs são uma fonte significativa de ineficiência, mas são apenas utilizados na América do Norte, e a nova arquitetura de distribuição de CA de alta eficiência deixou de usar transformadores. Tem se demonstrado que as melhorias na eficiência das fontes de alimentação dos equipamentos de TI derivadas da conversão para um sistema com entrada de CC são muito menores na prática do que se supunha originalmente. Muitos artigos publicados apontam melhorias de eficiência esperadas para os sistemas de CC na ordem de 10% a 30% em relação aos de CA. No entanto, do mesmo modo que ninguém compara a produtividade de uma nova tecnologia de servidores com a produtividade de um servidor fabricado há dez anos, é igualmente inadequado comparar a eficiência hipotética da distribuição de CC com a eficiência de sistemas de distribuição de CA antigos. A comparação importante não é entre as alternativas do passado com as do futuro, mas entre as atuais com as do futuro. Os dados deste relatório técnico demonstram que os melhores sistemas de distribuição em CA da atualidade já obtêm em essência a mesma eficiência que os futuros sistemas hipotéticos em CC e que a maior parte dos aumentos de eficiência propalados pela mídia são incorretos, imprecisos ou falsos. E, diferentemente da grande maioria dos artigos e APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 3

4 informações sobre o tema, este relatório técnico inclui citações e referências sobre todos os dados quantitativos. As duas opções de distribuição de energia de alta eficiência Foi comentado na introdução que há dois sistemas alternativos de distribuição de energia como candidatos para a instalação de futuros de data centers de alta eficiência. Um deles está baseado no sistema existente de distribuição predominantemente de 400/230 V em CA, utilizado atualmente em quase todos os data centers fora da América do Norte e do Japão. O outro sistema está baseado em um sistema de distribuição conceitual de 380 V em CC que alimenta equipamentos de TI modificados para receber energia CC. As Figuras 1 e 2 apresentam os diagramas desses sistemas. Figura 1 Distribuição de alta eficiência em CA (de uso comum fora da América do Norte) UPS CA 400/230 Vca Cargas TI A Figura 1 representa o primeiro sistema proposto como candidato. É o sistema comum de distribuição em CA utilizado fora da América do Norte e do Japão. Cabe mencionar que, no atual sistema de distribuição de energia elétrica padrão da América do Norte, a tensão do no-break seria de 480 Vca, e deveria haver um bloco adicional no diagrama representando o transformador do sistema PDU para converter 480 V para 208/120 Vca. Nessa figura o transformador da unidade PDU e as perdas associadas são eliminadas, pois não é necessária a redução da tensão de saída do no-break antes de alimentar as cargas de TI a 230 V. Figura 2 Distribuição de alta eficiência em CC (hipotética) UPS CC 380 Vcc Cargas TI A Figura 2 representa o segundo sistema proposto como candidato. Trata-se de uma abordagem hipotética de distribuição em 380 Vcc. Para que este sistema possa ser aplicado, devem existir dispositivos de TI projetados para operar com 380 Vcc. Diferentes publicações propuseram este sistema com diferentes tensões de alimentação como 300, 380, 400 e 575 Vcc. Entretanto, há um consenso nessas publicações quanto ao valor de 380 Vcc como valor padrão preferido, e a análise deste relatório técnico é feita com base no sistema de 380 Vcc. É importante observar que 380 Vcc e 400 Vcc de CC são, em essência, dois nomes diferentes para um mesmo sistema. Resumo da análise A seguir, são apresentados a estrutura geral do modelo e os dados que devem ser quantificados para sustentá-lo. APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 4

5 Os três segmentos do circuito de alimentação A Figura 3 mostra o circuito básico de alimentação em um data center típico, quando utiliza uma distribuição de energia de alta eficiência. É importante observar que não há unidades PDU, pois não são necessárias em nenhum dos dois métodos de distribuição de energia em estudo. O circuito de alimentação é dividido em três segmentos: No-breaks; Cabeamento de distribuição; e Fontes de alimentação (PSU) dos dispositivos de TI. Dados de eficiência para o modelo As seções a seguir deste relatório técnico examinam e quantificam os dados de eficiência de cada um dos três segmentos do circuito de alimentação. O objetivo é estabelecer dados de eficiência em função da carga, o que dará como resultado uma curva de eficiência para cada segmento, similar às apresentadas na parte inferior da Figura 3. Esses dados de eficiência serão posteriormente incorporados a um modelo que pode ser utilizado para comparar as eficiências das configurações de alimentação existentes e hipotéticas. O ponto correspondente a uma carga de 50% é assinalado nas curvas de eficiência porque o caso de referência do modelo utilizará valores de eficiência com 50% de carga. Equip. de TI Figura 3 Circuito da energia elétrica do Data Center: três curvas de eficiência UPS Cabeamentõ de distribução Fontes de alimen tação Efficiency Efficiency Efficiency As curvas de eficiência de cada segmento serão estudadas nas seções a seguir Load Load Load APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 5

6 Carga operacional de referência do modelo (50%) Os dados mostram claramente que as eficiências dos dispositivos em um sistema de distribuição de energia não são valores fixos, mas dependem da carga aplicada; essa é a causa pela qual a representação correta da eficiência é uma curva de eficiência, e não um único valor. Portanto, qualquer cálculo de eficiência da distribuição de energia não está completo se não for considerada a carga operacional real de cada segmento do circuito de alimentação. A maioria dos trabalhos já realizados sobre a eficiência da distribuição de energia elétrica não oferece informações sobre o efeito da variação da carga, que pode ser significativo. Neste relatório técnico selecionamos uma carga de referência representativa de instalações típicas e depois explicamos como a eficiência varia em função da carga. A seleção de uma determinada carga de operação de referência simplifica o debate inicial, pois oferece um ponto de referência para a comparação dos sistemas em CA e CC, mas não limita o próprio modelo, que considera que a eficiência é uma curva que varia em função da carga; em instalações reais, a carga operacional (fração da capacidade) será diferente em cada um dos três segmentos do circuito de alimentação e poderá ser variada dinamicamente no modelo interativo (ver Figura 9). Na apresentação e comparação a seguir sobre distribuições em CA e CC, foi selecionada uma carga de referência de 50%, valor dentro dos limites operacionais dos três segmentos do data center (Figura 3, acima). A seguir, apresenta-se a relação entre o valor de carga de 50% e cada um dos três segmentos do data center: No-break Em um sistema não redundante (1N), 50% é o ponto de carga operacional típico. Em um sistema redundante (2N), 50% é o ponto máximo de carga operacional (2 no-breaks compartilham a carga total). Cabeamento de distribuição Como acontece na carga dos no-breaks, 50% é uma carga operacional realística em cabeamentos não redundantes (1N). Em um sistema redundante em com cabeamento em circuito duplo (2N), 50% é o valor máximo que poderia ser atingido em qualquer um dos dois circuitos de alimentação. (Na verdade, o código elétrico dos Estados Unidos limita a carga a 80%, o que, com efeito, restringe a carga por circuito a 40%). Em qualquer caso, é preciso levar em conta que a carga operacional no cabeamento de distribuição apresenta efeito mínimo na eficiência geral, porque a eficiência do cabeamento se encontra em torno de 99 a 100%, uma faixa muito estreita e elevada. Fontes de alimentação dos dispositivos de TI Os equipamentos de TI têm uma ou duas fontes internas de alimentação. Com uma única fonte de alimentação, a carga operacional de 50% se encontra na metade da faixa (e é típica de cargas "inativas, estado em que se encontram os servidores durante a maior parte do tempo), e no caso de servidores com fontes de alimentação dupla, 50% representa o ponto máximo de carga operacional (isto é, as duas fontes de alimentação dividem a carga total). Como será demonstrado mais adiante pelas curvas de eficiência real para estes três segmentos, não há grande diferença quanto à eficiência para cargas operacionais próximas do ponto de 50%; portanto, a localização exata deste ponto não é muito significativa. APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 6

7 Eficiência do no-break A arquitetura de distribuição em CA começa com um no-break para a criação do barramento de distribuição de CA e, na arquitetura de distribuição em CC, um no-break CC às vezes chamado de retificador de CC cria o barramento de distribuição de em CC. No caso do no-break CA, atualmente existem no mercado produtos com desempenho que pode ser verificado: pelas especificações de eficiência publicadas, ou porque é possível medir sua eficiência. Infelizmente, a APC observou que muitas especificações publicadas são imprecisas e não representativas de desempenho em condições reais. Para efeito desta análise, utilizaremos os dados de eficiência dos únicos no-breaks conhecidos com regimes de eficiência certificados e medidos por laboratórios independentes. A Figura 4 apresenta a eficiência de diversos no-breaks CA e CC disponíveis no mercado. 100% Comparação AC and DC UPS de eficiência Efficiency Comparison de No-break 95% 90% 96.2% de eficiência para Symmetra MW 85% Figure 4 Efficiency of several commercially available AC and DC UPS systems Efficiency 80% 75% 70% 65% APC Symmetra MW 1000kVA Delta Conversion AC UPS APC Symmetra PX 160kVA Double Conversion AC UPS APC Smart-UPS VT 40kVA Double Conversion AC UPS SatCon AE PV-A 75 kw DC UPS 60% LBNL Typical Efficiency Double Conversion AC UPS 55% LBNL Lowest Efficiency Double Conversion AC UPS 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Load APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 7

8 Para conveniência do leitor, a Tabela 1 resume o gráfico acima. No-break Carga 25% 50% 75% 100% Tabela 1 Resumo dos dados de eficiência dos no-breaks da Figura 4 Symmetra MW da APC (para CA, delta conversão) Symmetra PX da APC (para CA, de dupla conversão) Smart-UPS da APC (para CA, de dupla conversão) 94.1% 96.2% 96.9% 97.0% 94.7% 95.7% 95.6% 95.3% 95.3% 96.3% 96.3% 96.0% SatCon AE PV-A (para CC) 94.5% 95.8% 95.6% 95.4% Eficiência típica conf. LBNL (para CA, de dupla conversão) 87.3% 88.8% 88.8% 88.4% Menor eficiência conf. LBNL (para CA, de dupla conversão) 73.3% 81.9% 84.0% 84.1% Valor de eficiência de no-breaks CA do modelo O no-break Symmetra MW APC de kva com conversão delta, tem um regime de eficiência de 96,2% com 50% da carga; o no-break Symmetra PX, de 160 kva e dupla conversão, tem um regime de eficiência de 95,7% com 50% da carga; e o no-break Smart- UPS VT da APC, de 40 kva e dupla conversão, tem um regime de eficiência de 96,3% com 50% da carga. Todos estes valores foram certificados pelos laboratórios de avaliação da TÜV. 1 Estes valores nominais não correspondem ao modo econômico ou de bypass, mas a uma tensão de saída regenerada e condicionada pelo inversor de saída on-line, com isolamento completo entre a entrada e a saída. Esta análise utiliza o no-break Symmetra MW CA, com eficiência de 96,2% e carga a 50%. O inversor SatCon de 75 kw tem um regime de eficiência de 95,8%, conforme certificado pela Comissão de Energia da Califórnia. 2 (Muitos inversores, inclusive este, podem funcionar como retificadores, e deveriam ter eficiências similares em qualquer um dos dois modos de operação, de maneira que este dispositivo também pode ser considerado um no-break CC.) As duas curvas restantes mostram a eficiência de no-breaks de dupla conversão antigos, de acordo com as medições publicadas em um estudo do LBLN realizado em APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 8

9 Valor de eficiência de no-breaks CC do modelo No caso de um no-break CC, não existem produtos comerciais disponíveis que atendam os requisitos de um sistema de distribuição de 380 Vcc com proteção por baterias. Um desafio técnico significativo ainda não resolvido totalmente é a conexão de uma bateria com tensão variável nos terminais do barramento de distribuição de 380 V regulado. No entanto, a Intel trabalhou junto a alguns fabricantes de fontes de alimentação de CC e publicou propostas de projetos, com um valor de eficiência esperado de 97%. 4 O fabricante Netpower Labs desenvolveu um nobreak de 350 Vcc e publicou um valor de eficiência de 96%. 5 O LBNL publicou medições de um protótipo de no-break para CC com eficiência de 94%. 6 Destas três eficiências relatadas 94%, 96% e 97%, selecionamos a intermediária para a realização desta análise. É Valores de referência do modelo Eficiência com carga de 50% No-break CA 96,2% No-break CC 96,0% importante observar que é provável que a eficiência de 96% do no-break para CC da Netpower Labs seja o valor ideal, pois a fonte não especifica uma percentagem de carga. Com 50% da carga, provavelmente a eficiência é menor que 96% Eficiência do cabeamento de distribuição O cabeamento entre o no-break CA ou CC e as cargas de TI apresentam perdas elétricas % Eficiência do cabeamento de distribuição Figura 5 Curva de eficiência para cabeamentos de distribuição 99.5% 99.0% 98.5% Wiring - 1% Loss at Full Load 98.0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Carga Estas perdas dependem da corrente de operação, das dimensões e do comprimento dos cabos. Em um data center são utilizados centenas, e até milhares, de cabos diferentes, e as perdas em cada cabo devem ser somadas para quantificar a perda total. It is possible to estimate the wiring loss for a typical installation. Wire sizes are dictated by É possível estimar a perda dos cabos em uma instalação típica. As bitolas dos cabos são determinadas pelos valores nominais de capacidade dos circuitos e, em geral, o comprimento médio dos cabos é conhecido. Um valor de projeto comum para a perda em cabos costuma ser de 1% da potência da carga, à plena carga. As perdas no cabeamento de distribuição variam de APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 9

10 acordo com o quadrado da carga. Se a carga é reduzida à metade, as perdas do cabeamento são quatro vezes menores. Para um data center que funciona com 50% da carga, a eficiência do cabeamento seria de 99,5%. Por isso, as perdas no cabeamento são insignificantes na maioria dos data centers. É importante observar que as perdas do cabeamento são iguais em instalações CA e em CC. Pode haver uma leve diferença na quantidade de cobre utilizado, mas a eficiência é a mesma. As perdas do cabeamento não acarretam nenhuma diferença de eficiência entre os sistemas de CA e os de CC. Valores de base para o modelo Eficiência a 50% de carga Cabeamento de distribuição para CA 99,5% Cabeamento de distribuição para CC 99,5% Eficiência de fontes de alimentação de equipamentos de TI Equipamentos de TI modernos contam com uma ou mais fontes de alimentação (PSU) internas que transformam a energia CA de entrada para alimentar um barramento de 12 Vcc, que alimenta cada placa ou subsistema no chassi. Estas unidades fontes de alimentação representam uma oportunidade para melhorar a eficiência. Nas gerações de servidores anteriores, a eficiência das fontes de alimentação era aproximadamente de 75% com 50% da carga (ver Figura 6). Entretanto, projetos mais recentes costumam ter 90% ou mais de eficiência em uma ampla faixa de cargas de operação, de acordo com dados sobre eficiência de fontes de alimentação publicados pela Sun Microsystems (Figura 7) e pela Hewlett-Packard (Figura 8). 7 Figura 6 Eficiência de fontes de alimentação de servidores de gerações anteriores, segundo o Lawrence Berkeley National Laboratory 7 % de eficiência Média de todos os servidores * Nesta arquitetura de sistema de alimentação distribuído, cada placa ou subsistema em particular gera seus próprios requisitos locais específicos de tensão (por exemplo, 1,1 V, 3,3 V, 5 V) a partir do barramento de 12 V, utilizando conversores de energia da placa. A fonte de alimentação costuma ser um módulo conectado ao chassi e substituível pelo usuário. APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 10

11 8 % da potencia nominal de saída 91,0% de eficiência com 380 Vcc 89,5% de eficiência com 220 Vca Figure 7 Eficiência de fontes de alimentação de servidores Sun Microsystems em função da carga, mostrando o efeito de diversas tensões de entrada sobre a eficiência 8 % de eficiência % da carga % de eficiência com 240 Figura 8 Eficiência de fontes de alimentação de servidores Hewlett Packard em função da carga, mostrando o efeito de diversas tensões de entrada sobre a eficiência 9 Eficiência 50% load Saída em A eficiência dos sistemas CA com 50% da carga nos exemplos apresentados pela Sun Microsystems é de 89,5%, e nos exemplos da Hewlett Packard é de 91%. Presumir que essas fontes de alimentação serão representativas dos futuros servidores (e levar em conta que uma entrada de 400/230 Vca alimentará os servidores com 230V), a média das eficiên- APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 11

12 cias desses dois exemplos, 90,25% é utilizada, no modelo, como eficiência CA de referência em fontes de alimentação de novos servidores. A eficiência dos sistemas CA com 50% da carga nos exemplos apresentados pela Sun Microsystems é de 89,5%, e nos exemplos da Hewlett Packard é de 91%. Presumir que essas fontes de alimentação serão representativas dos futuros servidores (e levar em conta que uma entrada de 400/230 Vca alimentará os servidores com 230V), a média das eficiências desses dois exemplos, 90,25% é utilizada, no modelo, como eficiência CA de referência em fontes de alimentação de novos servidores. O gráfico de eficiências das fontes de alimentação da Sun Microsystems apresentado na Figura 7 também inclui uma curva de eficiência correspondente a uma fonte de alimentação convertida para operar com 380 Vcc. Baseline values for model Efficiency at 50% load AC IT power supply 90.25% DC IT power supply 91.75% Esta curva mostra uma melhoria de aproximadamente 1,5% em relação à curva de eficiência correspondente a 220 Vca com 50% de carga. Essa melhoria de eficiência de 1,5% foi utilizada em muitos estudos e será adicionada ao valor de referência para CA de 90,25%, resultando no valor calculado para CC de 91,75% para o modelo. A possível magnitude dessa melhoria será analisada detalhadamente mais adiante neste relatório técnico. Espera-se que fontes de alimentação com eficiências ainda mais altas até 94% sejam entregues no início de Os dados dessas fontes de alimentação ainda não foram publicados e, portanto, não podem ser citados neste estudo. Nossa expectativa é que a melhoria na eficiência, resultante da alimentação destas fontes com 380 Vcc, será reduzida para aproximadamente 1%. Comparação da eficiência geral do circuito de energia elétrica Tabela 2 Cálculo da eficiência geral do sistema de distribuição de energia a 50% da carga: comparação dos métodos de distribuição de alta eficiência em CA e 360 Vcc A eficiência geral do circuito de alimentação é o produto das eficiências do no-break, do cabeamento de distribuição e da fonte de alimentação dos equipamentos de TI, apresentadas acima. Este cálculo é simples, conforme apresentado na Tabela 2. Nobreak Cabeamento de distribuição Fonte de alimentação de equip. de TI EFICIÊNCIA GERAL CC 96.0% X 99.5% X 91.75% = 87.64% 1.25% CA 96.2% X 99.5% X 90.25% =86.39% Portanto, o sistema em CC de alta eficiência apresenta uma vantagem de 1,25% de eficiência sobre sistemas CA de alta eficiência, quanto à eficiência de distribuição de energia. Esta análise é baseada em uma carga operacional de 50% em todos os segmentos do circuito de energia. Como pode ser visto, pelo aspecto relativamente plano das curvas de eficiência com 50% da carga, não há uma grande variação de eficiência no intervalo de carga próximo a APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 12

13 50%. Esta diferença de eficiência é somente do sistema de distribuição de energia; saber o efeito sobre o consumo geral de energia do data center requer análise adicional, conforme explicado na seção a seguir. Impacto no consumo geral de energia do data center Nem todo aumento percentual de eficiência no sistema de distribuição de energia produz diretamente um ganho com a mesma percentagem na economia geral de energia do data center. As diminuições de perdas relacionadas com a distribuição de energia reduzem o calor dissipado no data center, o que, por sua vez, reduz a carga de refrigeração. Portanto, cada watt economizado na distribuição de energia gera na verdade uma economia maior que um watt da demanda geral do data center. Entretanto, um aumento de 1% na eficiência da distribuição de energia NÃO produz um aumento superior a 1% na eficiência total do data center. De fato, um aumento de 1% na eficiência da distribuição de energia produz um aumento menor que 1% na eficiência geral. O cálculo real para obter a redução no consumo de energia elétrica resultante de uma mudança na eficiência da distribuição de energia utiliza a seguinte equação: ΔP = P P' ΔP = 1 [(1 Δη PD) x (ITP + PDP + ACPP) + LP + ACFP] onde P é o consumo de energia de referência do sistema CA, ao qual se dá um valor de 1; e P é o consumo de energia após uma mudança na eficiência do sistema de distribuição de energia. Os outros valores da equação são definidos na Tabela 3, junto com seus valores típicos. Tabela 3 Variáveis utilizadas no cálculo da redução da carga elétrica Variável Descrição Valor típico Δη PD Mudança na eficiência do sistema de distribuição de energia Variável de entrada IT P Percentagem do total de energia do data center consumido pela carga de TI 45% PD P ACP P Percentagem do total de energia do data center consumido pelo sistema de distribuição de energia de referência 5% Percentagem do total de energia do data center consumida em perdas causadas pelos equipamentos de ar condicionado que variam com a carga 25% L P Percentagem do total de energia do data center consumida pela carga de iluminação 2% ACF P Percentagem do total de energia do data center consumida em perdas fixas causadas pelos equipamentos de ar condicionado 23% Quando estes valores são introduzidos na equação da redução do consumo geral de energia do data center apresentada acima, a alteração do consumo geral resultante de uma mudança na eficiência do sistema de distribuição de energia é de 0,75 a 1%; isto é, um aumento de 1% na eficiência do sistema de distribuição de energia resulta em uma redução do consumo geral de energia de 0,75%. A mudança no consumo geral do data center é menor que a mudança na eficiência do sistema de distribuição de energia. Este resultado não deveria ser surpreendente, pois se entende que uma fração significativa do consumo de energia do data center (em particular, aquela que alimenta o sistema de refrigeração) não passa pelo sistema de distribuição de energia, e que a redução das perdas relacionadas com a distribuição de energia não atinge os componentes fixos das perdas causadas pela APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 13

14 refrigeração, mas atinge apenas o componente proporcional das perdas causadas pela refrigeração (perdas que variam com a carga de refrigeração). Quando este cálculo é aplicado ao resultado da eficiência dos sistemas de distribuição de CA e CC, tal como aparecem na seção anterior, descobrimos que a melhoria de 1,25% na eficiência do sistema de distribuição de energia por meio da conversão de CA para CC reduzirá 0,94% do consumo geral de energia elétrica. Cabe mencionar que esta conclusão contradiz diretamente dados publicados em outros estudos. Muitas análises superficiais sugerem que cada watt economizado com a conversão do sistema para 380 Vcc gera duas ou quatro vezes o impacto no consumo geral de energia do data center. 10 Na verdade, a única energia economizada além da distribuição de energia, é a fração das perdas de ar condicionado que variam com a carga (perda proporcional). Em um data center moderno e bem projetado 11, essas perdas variáveis são em torno de 20% da carga de TI, portanto cada watt economizado no sistema de distribuição de energia produz uma economia de apenas 1,2 watts no consumo geral de energia do data center. Calculador de eficiência entre CA vs CC A ferramenta interativa TradeOff Tool da APC, mostrada na Figura 9, permite determinar a eficiência do circuito de energia e a percentagem de redução geral quanto à potência de entrada em quatro casos diferentes. Essa ferramenta permite a análise do efeito provocado pelas mudanças das eficiências dos diversos componentes do circuito de energia na eficiência do circuito de energia e na redução geral das perdas na energia de entrada. O caso de referência ou caso Legacy AC (CA antigo) representa um data center mais antigo com valores de eficiência típicos para no-breaks CA, unidades PDU e fontes de alimentação de equipamentos de TI, e supõe que as fontes de alimentação dos equipamentos de TI operam com 208 Vca. O caso Best Practice AC (melhor prática em CA) representa um data center novo com a última geração de no-breaks CA de alta eficiência, unidades PDU e fontes de alimentação de equipamentos de TI. No caso 400 VAC são utilizados os mesmos componentes modernos que no caso das melhores práticas de CA, porém as unidades PDU são eliminadas (e, também suas perdas relacionadas aos transformadores associados) e supõe que as fontes de alimentação dos equipamentos de TI operam a 230 Vca, produzindo um aumento da eficiência de 0,5% sobre o caso anterior, que operava com 208 Vca (a diferença entre as curvas verde e amarela na Figura 8). O caso 380 VDC emprega-se um no-break teórico CC, não se > Como utilizar a Calculadora de eficiência CA vc. CC Calculador interativo incluso neste relatório técnico É necessário Flash Player versão 7 ou posterior. Clique aqui para ver a versão instalada em seu computador. Para download do Flash Player, clique aqui Clique na imagem da Figura 9 para acessar a ferramenta Calculador de Data Center CA vs CC utilizam unidades PDU, e as fontes de alimentação dos equipamentos de TI têm 1,5% de aumento de eficiência em relação ao caso de 208 Vca, conforme mostrado na Figura 7. Em todos os casos, supõe-se a mesma eficiência para o cabeamento de distribuição. Neste calculador de eficiência, todas as variáveis essenciais que afetam a eficiência são ajustáveis arrastando-se os controles deslizantes. A ferramenta inicia com os valores de referência padrão para todas as variáveis a partir de uma carga de 50%, conforme descrito neste relatório técnico. Os valores padrão para o parâmetro "Cooling Losses Per Unit Heat Load" (Perdas causadas por refrigeração por unidade de carga de calor) apresentados nesta ferramenta de cálculo APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 14

15 são valores típicos para uma carga de 50%. Ao simular cargas de operação próximas a 100% da carga de TI, o usuário deve ajustar manualmente o valor do parâmetro "Cooling Losses Per Unit Heat Load" para refletir um aumento na eficiência da refrigeração à plena carga. O modelo inclui como premissa uma carga de iluminação de 2% para o cálculo da redução da energia elétrica de entrada. Se houver cargas fixas adicionais, como um centro de operação de rede, a percentagem de reduções nas perdas da energia elétrica de entrada será reduzida em todos os casos. Figura 9 Cálculador AC vs. DC utilizada para comparação de arquiteturas de distribuição de energia Considerações especiais para a América do Norte Em geral, as eficiências dos sistemas de distribuição de energia elétrica dos data centers da América do Norte são menores que no resto do mundo, devido ao uso histórico de unidades de distribuição de energia (PDU) com transformadores. Na América do Norte os no-breaks operam normalmente com alimentação de 480/277 Vca trifásica, tensão que os transformadores das unidades PDU reduzem para 208/120 Vca trifásica para distribuição para as cargas de TI. Por outro lado, a maioria das regiões fora da América do Norte usam alimentação de 400/230 V no no-break, que é fornecida diretamente às cargas sem passar por nenhum transformador abaixador de tensão. O transformador abaixador de tensão representa uma perda substancial na maioria dos projetos, especialmente porque a soma APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 15

16 Recursos APC Relatório 128 Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High Density Power Distribution total dos valores nominais dos transformadores redutores instalados é freqüentemente muito maior que o valor nominal do no-break, o que significa que os transformadores são subutilizados. Além disso, em um data center de alta densidade, os transformadores ocupam uma área significativa do piso e constituem uma carga de peso considerável. Para obter mais informações sobre esse problema e como o sistema de distribuição de 400/230 V pode ser utilizado na América do Norte, consulte o Relatório APC 128: Como aumentar a eficiência de um data center utilizando uma distribuição melhorada de energia de alta densidade. Em algumas instalações da América do Norte, pode ser necessário instalar um autotransformador para adaptar a alimentação existente de 480/277 V a padrão de 400/230 V. O uso de um autotransformador implica que a potência nominal do transformador em kva é de apenas 17% da potência nominal do sistema, permitindo que o transformador funcione com alta eficiência. Nos sistemas da América do Norte onde é preciso usar um autotransformador, a eficiência do sistema de distribuição de energia diminuirá devido às perdas associadas aos autotransformadores. Isto reduzirá a eficiência de alguns sistemas de distribuição de energia da América do Norte em aproximadamente 1%. No entanto, existe uma proposta consensual entre os fabricantes OEM para ampliar o intervalo da tensão de entrada das fontes de alimentação e assim incluir uma tensão de 227 Vca, já existente nos sistemas de 480/277 V da América do Norte. Se esta proposta for aceita, não só a necessidade de usar autotransformadores será eliminada, mas, além disso, como demonstra a curva de eficiência para as fontes de alimentação da Figura 8, haverá uma melhoria significativa da eficiência da fonte de alimentação (a diferença entre a curva vermelha e a amarela) que permitirá que o sistema de distribuição de CA tenha a mesma eficiência geral ou levemente superior que o sistema de 380 Vcc. Efeito da variação da carga de TI sobre a eficiência Recursos APC Relatório 113 Electrical Efficiency Modeling for Data Centers Neste relatório técnico, as comparações das eficiências dos circuitos de alimentação foram calculadas para uma carga de TI de 50%. A eficiência do sistema de distribuição de energia e portanto, a eficiência total do data center varia em função da carga de TI. A relação entre a eficiência e a carga de TI pode ser modelada com precisão, como é explicado no Relatório APC 113: Modelamento da eficiência elétrica em data centers. As comparações de eficiências deste relatório técnico incluem a eficiência das fontes de alimentação (PSU) dentro dos equipamentos de TI. Quando a carga de TI total varia em um data center real, isso se deve principalmente a uma mudança na quantidade de equipamentos de TI e não a uma variação de carga nos equipamentos de TI já existentes. Portanto, uma mudança na carga de TI total do data center se reflete na carga do no-break e nos sistemas de cabeamento de distribuição, porém em geral, isto não se relaciona com a carga operacional de cada fonte de alimentação. Embora a energia flua do no-break, passe pelo cabeamento de distribuição e depois pela fonte de alimentação dos equipamentos de TI até chegar à carga de TI, isto não significa que todos estes dispositivos estejam operando na mesma percentagem de sua capacidade nominal (isto é, com a mesma carga operacional). A potência total flui tipicamente para muitos, até milhares, dispositivos de TI. Vamos considerar um data center que opera a 5% de sua capacidade. Seria razoável supor que o no-break funciona a 5% de sua carga operacional (5% de sua capacidade), mas este dado não traz nenhuma informação sobre a carga operacional de cada fonte de alimentação de equipamentos individual de TI a jusante. Essa carga de 5% no no-break pode resultar de: Poucos dispositivos de TI operando a 100% de sua potência de entrada nominal; ou Vinte vezes mais dispositivos de TI operando com 5% de sua potência de entrada nominal; ou Cem vezes mais dispositivos de TI operando a 1% de sua potência de entrada nominal. APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 16

17 Os 5% da carga operacional do no-break estão claramente relacionados com as cargas operacionais totais de todos os dispositivos de TI que o no-break alimenta, porém as cargas operacionais individuais dos dispositivo de TI não se relacionam entre si e não estão identicamente vinculadas com os 5% de carga operacional do no-break. Isto significa que, dos três segmentos do circuito de alimentação do data center (pois o cabeamento de distribuição tem um efeito mínimo sobre a eficiência independente da carga), é a variação da eficiência do no-break com relação à carga (seja CA ou CC) que exerce a maior influência sobre a variação da eficiência geral do data center à medida que a carga de TI varia. Por tudo isto, o efeito da variação da carga de TI é pequena, e não há motivos para acreditar que a alimentação em CA ou em CC, tenha alguma vantagem em cargas de operação de TI diferentes. Portanto, o efeito da variação da carga de TI sobre a análise e as conclusões apresentadas neste relatório técnico é insignificante. Confiabilidade dos resultados Os fundamentos matemáticos dos cálculos utilizados para estabelecer a eficiência dos sistemas de distribuição de CA e CC são irrefutáveis. É irrefutável também o fato de que nenhum dos dispositivos de distribuição de energia pode ter eficiência superior a 100%. Isto limita imediatamente os benefícios de eficiência teoricamente possíveis de uma arquitetura para CC e a valores bem menores dos apresentados na imprensa. Este relatório técnico demonstra que há somente três valores essenciais que apresentam efeito significativo sobre a análise da eficiência, e são: 1. A eficiência de sistemas no-break CA 2. A eficiência de sistemas no-break CC 3. A melhoria de eficiência possível com a conversão das fontes de alimentação dos equipamentos de TI (PSU) para CC A incerteza desses três valores afeta as conclusões da comparação das eficiências, portanto, seria bom considerar a probabilidade de estes valores mudarem de forma significativa como resultado de pesquisas futuras ou novas tecnologias. Eficiência de no-break em CA Quanto à eficiência do no-break em CA, o valor utilizado neste relatório técnico é baseado em um produto real, disponível no momento, com eficiência certificada por terceiros. Na APC, sabemos da existência de outros produtos que logo estarão no mercado e que provavelmente tenham desempenho similar ou levemente superior. Claro que ainda há muitos no-break antigos e com baixa eficiência no mercado, portanto se o objetivo for construir um data center de alta eficiência, deve se garantir o uso de no-breaks de alta eficiência. Neste momento, não há previsão de aumentos consideráveis na eficiência dos melhores no-breaks CA nos próximos anos. Eficiência de no-break em CC Quanto à eficiência de no-breaks em CC, os valores utilizados neste relatório técnico foram baseados nas afirmações de um fabricante, e não há no-breaks com alimentação em CC APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 17

18 conhecidos para a distribuição de energia em data centers com eficiência mais elevada. Entretanto, é importante considerar se é possível a fabricação de no-breaks CC de maior eficiência. Um no-break CC deve transformar a energia elétrica em CA para CC, oferecer potência de saída regulada e apresentar uma entrada com fator de potência corrigido para a rede elétrica da concessionária. Com essas limitações, é concebível a possibilidade de produzir no-breaks CC com eficiências acima de 96%, mas não há casos demonstrados. Atualmente o melhor exemplo de dispositivos comerciais reais similares aos no-breaks CC são os inversores fotovoltaicos interativos com a rede elétrica, otimizados para atingir maior eficiência e, do ponto de vista técnico, são no-breaks CC que operam com um fluxo de energia invertido. Uma analise dos dados publicada pela California Energy Commission demonstra que tais eficiências se encontram em um nível de 94% com 50% de carga, e o melhor desempenho é de 96%. Isto fornece uma confirmação de forma significativa da validade da eficiência de 96% como premissa de eficiência no modelo para no-break CC. De qualquer forma, as pesquisas realizadas pela APC sugerem que é possível, no futuro, melhorar a eficiência dos no-breaks CC e superar ligeiramente os 96%. Portanto, consideramos razoável afirmar que um no-break CC otimizado poderia oferecer uma eficiência praticamente tão alta quanto os no-breaks para CA disponíveis no mercado. Se isto for obtido, então os melhores sistemas de distribuição em CA e CC teriam basicamente eficiências equivalentes; e a única diferença seria qualquer ganho de eficiência na fonte de alimentação de equipamentos de TI resultante da conversão para CC. Possível aumento da eficiência como resultado da conversão de fontes de alimentação dos equipamentos de TI para CC Há um consenso geral sobre o fato de que a conversão de fontes de alimentação de equipamentos de TI (PSU) para uma tensão de entrada de 380 Vcc aumentará a eficiência. Este relatório técnico demonstrou que novas fontes de alimentação de CA têm valores de eficiência cima de 90% em uma ampla faixa de cargas. De fato, alguns modelos, com entrega prevista para 2008, já estão atingindo eficiências máximas de 94%. Isto significa que, em teoria, o aumento máximo de eficiência das fontes de alimentação CC é de apenas 6% (100% 94% = 6%) mesmo se a fonte de alimentação de energia CC tivesse uma eficiência de 100%. Para a análise neste relatório técnico foi utilizada uma melhoria de 1,5% a partir dos resultados da Sun Microsystems. O fato de ter se obtido estas melhorias não responde à pergunta de se é ou não prevista uma melhoria de 1,5% na eficiência, ou qual melhoria poderia realmente ser atingida. A análise a seguir oferece a base teórica para determinar o quanto é possível aumentar a eficiência de uma fonte de alimentação devido a conversão para CC. A fonte de alimentação (PSU) tem duas funções principais: Oferecer isolamento de segurança entre os circuitos de TI e a alimentação de energia externa; e Transformar a energia CA de entrada em 12 Vcc regulada. O uso de uma distribuição de CC não elimina a necessidade de usar isolamento de segurança, nem elimina a de oferecer 12 Vcc regulada. No entanto, se for utilizado um sistema de distribuição em CC, podem ser eliminados alguns dos circuitos da unidade PSU, cuja função é a conversão de CA em CC. Uma publicação recente da Sun Microsystems oferece uma análise quantitativa da melhoria de eficiência que traria a conversão de uma fonte de alimentação alimentada em CA para operar com alimentação em CC. A Figura 10 apresenta uma divisão detalhada do uso de energia elétrica dentro em uma fonte de alimentação de APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 18

19 servidor. Os elementos marcados como Eliminados com o uso de CC são perdas devido às partes que podem ser eliminadas definitivamente se a fonte de alimentação for transformada para CC. Os itens marcados como Reduzido com o uso de CC são perdas que não podem ser completamente eliminadas dada a necessidade de proteção contra retroalimentação, mas que poderiam ser reduzidas para a metade se a fonte de alimentação fosse transformada para CC. 12 Reduzido com o uso de CC Eliminado com ousodecc Figure 10 Detalhe das perdas dentro de uma fonte de alimentação de um servidor, mostrando perdas que podem ser eliminadas ou reduzidas com a transformação para CC 12 Fonte: Sun Microsystems É possível concluir da Figura 10 que aproximadamente 20% das perdas da fonte de alimentação podem ser eliminadas com a conversão para CC. Para determinar quanto essa redução de perdas melhora a eficiência da fonte de alimentação, utiliza-se a seguinte equação de cálculo: Δη = η' η = (1 perda') η = (1 (1 η) x (1 PSLR)) η = (η + PSLR η x PSLR) η = PSLR x (1 η) onde η é a eficiência da fonte de alimentação em CA; η' é a eficiência após a conversão para CC; e PSLR é a redução da perda da fonte de alimentação devido à conversão para CC. Dada uma melhor eficiência possível da fonte de alimentação de 91,5% e uma redução das perdas na fonte de alimentação de 20% após a conversão para CC, a melhoria da eficiência seria de 1,58%. É importante salientar que o aumento da eficiência é afetado consideravelmente pela eficiência inicial da fonte de alimentação; portanto, é provável que o ganho de eficiência após a conversão para CC seja maior para fontes de alimentação com eficiências menores. Apesar disso, devemos prever que os data centers de alta eficiência do futuro contarão inevitavelmente com fontes de alimentação eficientes e que ganhos de eficiência da ordem de 1,5% são viáveis. Dada a eficiência de mais de 90% das fontes de alimentação da geração atual de equipamentos de TI, os cálculos demonstram que é esperado um aumento de eficiência produzido pela conversão de fontes de alimentação de equipamentos de TI para CC de aproximadamente 1,6%. APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 19

20 Esta dedução coincide com a conclusão exposta em uma apresentação recente da Sun Microsystems que afirma que fontes de alimentação de CC a CC costumam ser de 1 a 3% mais eficientes que as de CA a CC. 13 Isto também é compatível com as deduções de melhorias da ordem de 2% dos os autores do projeto de demonstração de data centers alimentados com CC, realizado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory. 14 Resumo sobre confiabilidade Há uma confiabilidade considerável nos valores numéricos utilizados na comparação dos sistemas de distribuição de CA e CC. É prevista uma diferença menor que 1% nos valores de eficiência de no-breaks em CA e CC, em relação aos valores de eficiência utilizados. As perdas causadas pelo cabeamento são irrelevantes, pois são muito pequenas. Espera-se que as eficiências das fontes de alimentação melhorem em 4% ou mais, o que beneficia tanto os sistemas CA como CC. Além disso, ficou demonstrado que o aumento de eficiência produzido pela conversão de CA para CC é limitado a aproximadamente 1,6% para fontes de alimentação com 90% de eficiência e 1% para as fontes com 94% de eficiência. A partir desta análise, é razoável pensar que sistemas CC podem aumentar sua eficiência em mais um ponto percentual que os sistemas CA. Se isto for atingido, elevaria o benefício da distribuição em CC a aproximadamente 1,5%, com uma redução correspondente no consumo geral do data center de 1,1% em relação ao caso de referência deste estudo. Entretanto, há também a possibilidade de se adotar o padrão de fornecimento de energia em 277 Vca, melhorando a eficiência das instalações de CA da América do Norte em aproximadamente 1%. Se este aumento for obtido, os métodos de distribuição em CA e CC seriam realmente equivalentes. Como outras publicações obtiveram valores tão incorretos? Os resultados deste estudo diferem drasticamente das afirmações apresentadas em muitas publicações. A maioria dos artigos que apresentaram valores de aumento de eficiência pode ser relacionada à uma afirmação extraída do relatório publicado pelo Lawrence Berkley National Laboratory (LBNL). O relatório do Lawrence Berkeley National Laboratory chega à seguinte conclusão: Neste caso, é possível obter uma melhoria de mais de 28% em um data center médio. Isto significa que o sistema de distribuição em CC, tal como foi demonstrado, terá o potencial de utilizar 28% menos de energia que o sistema CA típico, usado atualmente nos data centers. Como as cargas dos sistemas HVAC do data center costumam ser aproximadamente iguais às cargas dos equipamentos de TI, uma melhoria de 28% na distribuição e na conversão implica também uma melhoria de 28% na eficiência geral em termos de instalação APC by Schneider Electric Relatório 127 Revisão 2 20