Uso de sistemas de almacenamiento de energía para optimizar la fiabilidad y la sostenibilidad de los centros de datos

La energía es fundamental y costosa para los centros de datos. La incorporación de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) puede mejorar la fiabilidad y la sostenibilidad de los centros de datos al aceptar fuentes de energía renovables, garantizar la disponibilidad continua de energía y reducir los costos operativos. Los conectores de polos de batería son un componente clave que permite que un BESS ofrezca ventajas optimizadas.

Los conectores para polos de baterías BESS requieren características tales como una gran durabilidad mecánica, una clasificación medioambiental IP67 y conexiones seguras y fiables para soportar altas corrientes y tensiones. También deben ser fáciles de instalar y mantener, con protección contra polaridad para evitar errores de conexión y mecanismos de enclavamiento para evitar desconexiones accidentales. Además, deben cumplir los requisitos de la norma UL 4128.

En este artículo se analizan los factores que impulsan el creciente consumo energético en los centros de datos y cómo esto está cambiando el diseño de los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). A continuación, se analizan las ventajas en términos de fiabilidad y sostenibilidad que ofrece el uso de BESS modulares en centros de datos y se examinan los requisitos de rendimiento de los conectores de polos de baterías, centrándose en la norma UL 4128. A modo de conclusión, se demuestra cómo los conectores de polos de baterías y los conjuntos de cables de Weidmüller pueden respaldar una gestión energética proactiva y contribuir a la implementación satisfactoria y de alto rendimiento de las instalaciones BESS en centros de datos.

El aumento de la densidad de los racks en los centros de datos en la nube, impulsado por el auge de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML), está incrementando considerablemente los requisitos de energía. Se prevé que el consumo energético de los centros de datos se triplique como proporción del consumo total de electricidad entre 2024 y 2030, pasando de entre un 3 y un 4% de la demanda total en EE. UU. en 2024, a entre un 11 y un 12% en 2030 (Figura 1).

Figura 1: Entre 2024 y 2030, se espera que el consumo energético de los centros de datos en EE. UU. se triplique como porcentaje del consumo eléctrico total (mostrado en el eje vertical). (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Arquitectura de potencia en evolución

El aumento repentino del consumo energético está provocando cambios significativos en las arquitecturas energéticas de los centros de datos, lo que incluye replantearse la estructura de los UPS para satisfacer la necesidad de una disponibilidad energética sólida, mejorar la sostenibilidad y ayudar a gestionar el alza de los costos energéticos.

Anteriormente, un UPS se utilizaba principalmente para proporcionar energía a corto plazo durante el arranque de un motor-generador diseñado para alimentar el centro de datos durante los cortes de la red eléctrica principal. Eso ha cambiado.

Los UPS se consideran cada vez más como la principal fuente de alimentación de respaldo para reducir o eliminar los gases de efecto invernadero producidos por los generadores de motor. Eso exige más a los diseños de UPS. La escalabilidad y la flexibilidad se han convertido en características importantes.

El diseño modular permite ampliar el tamaño del BESS para soportar tiempos de funcionamiento más largos y otras capacidades, como la integración de recursos de energía renovable. Además, las baterías tradicionales de plomo-ácido reguladas por válvulas (VRLA) están siendo sustituidas por baterías de ion de litio (Li-ion). La nueva tecnología de baterías tiene ciclos de vida más largos, tiempos de carga más rápidos y densidades energéticas más altas, todas son características muy apreciadas en los centros de datos con una demanda energética cada vez mayor.

Los UPS modulares que utilizan BESS basados en iones de litio también son más fáciles de mantener en comparación con las soluciones VRLA, que requieren una sustitución mucho más frecuente de las baterías. Agregar y quitar módulos mediante conectores de polos de batería también es una forma rentable de satisfacer las necesidades cambiantes de alimentación de los centros de datos.

Los conectores de los polos de la batería también son importantes para garantizar la seguridad y la eficiencia en los sistemas BESS modulares. Esos diseños BESS pueden ser racks convencionales de baterías dentro del centro de datos. No obstante, también pueden colocarse junto al centro de datos en una solución en contenedores, lo que libera un valioso espacio dentro del centro de datos para servidores, memoria, comunicaciones y otros componentes electrónicos críticos que soportan las crecientes demandas de potencia de procesamiento y conectividad (Figura 2).

Figura 2: Las instalaciones modulares de BESS pueden basarse en soluciones en contenedores, como se ilustra arriba, o construirse utilizando bastidores de baterías y convertidores de potencia ubicados dentro de un centro de datos. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Integración con fuentes de energía renovables

Los centros de datos no solo consumen más electricidad, sino que el costo por kilovatio-hora (kWh) de esa electricidad está aumentando, lo que agrava los desafíos en materia de costos y sostenibilidad. Para hacer frente a estas preocupaciones, se están integrando fuentes de energía renovables, como la energía solar, en los centros de datos. Una vez más, los diseños modulares de BESS que utilizan conectores de polos de batería pueden proporcionar la flexibilidad necesaria.

El creciente consumo energético de los centros de datos también está generando la expectativa de que los operadores de estos centros sean buenos gestores del medio ambiente. Además de la reducción directa de los costos energéticos, los operadores de centros de datos también pueden aprovechar el recorte de picos, la respuesta a la demanda y otras herramientas para obtener beneficios secundarios en los costos.

Los sistemas de almacenamiento de energía (BESS) pueden proporcionar valiosos servicios a la red, como la regulación de la frecuencia y el soporte de tensión, mejorando así la resiliencia de la red. En un entorno universitario, un BESS puede formar parte de una microrred que admite el funcionamiento en isla y opera independientemente de la red eléctrica.

El BESS puede cambiar los patrones de consumo energético almacenando energía renovable durante los periodos de baja demanda y utilizándola durante los periodos de máxima demanda, lo que reduce la demanda de la red y nivela los costos, ya que las empresas de servicios públicos suelen aplicar tarifas más elevadas durante las horas pico.

UL 4128 para conectores BESS

La norma UL 4128 detalla los requisitos para las mitades de acoplamiento de los conectores utilizados para unir celdas de batería (intercelda) y niveles de batería (intertier) en un BESS. La norma cubre cables, conectores de cables y tomas de conexión con una tensión nominal de hasta 2000 V que no están diseñados para conectarse o desconectarse bajo carga.

Es necesario que el conector esté completamente enchufado y bloqueado antes de conectarlo a la energía. Incluso un pequeño movimiento del conector podría reducir el área de contacto, aumentar la resistencia del contacto y crear un punto caliente, lo que podría provocar un incendio. Esta función de bloqueo es importante para la seguridad del BESS. Además, la carga de tracción sobre los conectores de un conjunto de cables no debe superar el límite superior especificado.

Los conectores están diseñados para su uso con conductores de cobre o aleaciones de cobre, con una temperatura nominal mínima de +90 °C. Están diseñados para el montaje en fábrica o in situ y pueden utilizarse tanto en exteriores como en interiores, soportando más de 100 operaciones de conexión y desconexión mecánica (sin carga).

Los conectores con clasificación UL 4128 no están diseñados para su uso en lugares peligrosos; por lo tanto, se debe instalar una tapa protectora en todos los conectores que no se utilicen. Por último, es posible que sea necesario incluir advertencias de quemaduras cuando se utilicen conectores en condiciones de temperatura ambiente elevada.

Conectores de polo de batería

Los conectores de polo de batería, especialmente los que cumplen los requisitos de la norma UL 4128, se desarrollaron para proporcionar un rendimiento y una seguridad superiores en un sistema de almacenamiento de energía de baterías (BESS) de alta potencia en comparación con los conjuntos de cableado con terminales de cable sencillos y económicos.

Las conexiones con terminales de cable no proporcionan la flexibilidad necesaria en un BESS modular. Requieren conexión manual y apriete de las tuercas en cada terminal. Eso requiere mucho trabajo y es propenso a errores. Además, si la tuerca no se aprieta correctamente, se produce una conexión de alta resistencia que genera calor, desperdicia energía y crea un riesgo potencial de incendio.

La falta de protección medioambiental y la dureza de las conexiones de los terminales de cable pueden provocar un funcionamiento poco fiable a largo plazo. Las conexiones con terminales no son seguras al tacto y pueden suponer un grave peligro para los instaladores cuando hay altos niveles de energía.

En lugar de terminales de cable, los diseñadores pueden recurrir a conectores de polos de batería codificados por colores que cumplen con la norma UL 4128 (Figura 3). El código de colores, tal y como se define en la norma UL (naranja para positivo y negro para negativo), se utiliza en los conectores de los cables y en las conexiones de las barras colectoras para crear una clave visual y agilizar el montaje.

Figura 3: Los conectores de polos de batería permiten conexiones rápidas y eficientes en BESS modulares y son importantes para garantizar la seguridad y la eficiencia. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Además de estar codificados por colores, ambos lados de los conectores de los polos de la batería están mecanizados para garantizar conexiones positivas y negativas, lo que evita cualquier posibilidad de error de montaje al acoplar los conectores. La introducción de los conectores de los polos de la batería de Weidmüller permite enchufar el conector en cualquier orientación, lo que minimiza la tensión mecánica en el conjunto del cable.

El mecanismo de bloqueo cumple el requisito UL de que el conector esté completamente enchufado y bloqueado antes de ser energizado. Los contactos se separan antes de que se pueda desconectar el conector, lo que elimina la posibilidad de que se produzca un peligroso arco eléctrico en caso de desconexión involuntaria bajo carga.

Los contactos están fabricados en aleación de cobre chapada en plata para minimizar la resistencia de contacto, están homologados según la norma UL 4128 y están clasificados para más de 100 operaciones de conexión y desconexión mecánica.

Los conectores para baterías de Weidmüller (WBC) están diseñados para soportar condiciones ambientales adversas y cuentan con la clasificación de protección IP67 contra la entrada de polvo y agua. Son seguros al tacto gracias al lado de montaje protegido.

La norma UL 4128 no especifica el material del cuerpo del conector, solo sus requisitos de rendimiento. Los WBC se fabrican con poliamida 66 (PA 66), un termoplástico modificado muy adecuado para su uso en aplicaciones de polos de baterías. Las ventajas del PA 66 sobre el PA normal incluyen una mejor protección contra incendios y una temperatura de funcionamiento continuo más alta. El PA 66 también cumple los estrictos requisitos para su uso en vehículos ferroviarios. Otras ventajas del PA 66 incluyen:

• Resistencia al fuego mejorada
• Sin halógenos ni fósforo
• Baja emisión de humo y gases

La familia WBC permite conectar secciones transversales de conductores de entre 16 mm² y 95 mm², con una intensidad nominal de hasta 200 A en el lado del conector. También hay disponibles conjuntos de cables que reducen significativamente la cantidad de mano de obra necesaria para el cableado del BESS (Figura 4). Algunos ejemplos de conectores para polos de baterías y conjuntos de cables de Weidmüller son:

• 2905330000, conector minus macho, capacidad nominal de 120 A y 1500 V
• 2905290000, conector minus hembra, capacidad nominal de 120 A y 1500 V
• 2905320000, conector plus macho, capacidad nominal de 200 A y 1500 V
• 2905380000, conector plus hembra, capacidad nominal de 200 A y 1500 V
• 2938270000, conjunto de cable de 324 mm (12.75 in) de largo, con capacidad nominal de 120 A y 1500 V.

Figura 4: Ejemplos de WBC macho y hembra y un conjunto de cable conector de polo de batería. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Conclusión

Los cambios en la arquitectura energética de los grandes centros de datos están impulsados por una combinación de factores, como el aumento de la densidad energética de los racks para satisfacer las necesidades informáticas y de almacenamiento de la IA y el ML, así como para gestionar el creciente costo de la electricidad. Esto está dando lugar a nuevos diseños de UPS basados en BESS modulares, que utilizan conectores de polos de batería para proporcionar escalabilidad y modularidad.

Además de garantizar un suministro eléctrico fiable, los diseños modulares de los BESS permiten la integración de fuentes de energía renovables, como la energía solar, que pueden responder a las expectativas de mayor sensibilidad medioambiental, sostenibilidad y resiliencia. Los conectores de los polos de la batería que satisfacen estas necesidades deben cumplir los requisitos de la norma UL 4128 para garantizar una conectividad segura y eficiente de los niveles de energía de la batería, que son elevados y potencialmente peligrosos.

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