El suministro de electricidad a centros de datos que consumen mucha energía está estresando las redes, aumentando los precios para los consumidores y desacelerando la transición a la energía limpia.
La inteligencia artificial se ha vuelto vital en las transacciones comerciales y financieras, la atención médica, el desarrollo tecnológico, la investigación y mucho más. Sin darse cuenta, los consumidores dependen de la IA cuando ven un video, realizan operaciones bancarias en línea o realizan una búsqueda en línea. Detrás de estas capacidades hay más de 10.000 centros de datos en todo el mundo, cada uno de ellos un enorme almacén que contiene miles de servidores informáticos y otra infraestructura para almacenar, administrar y procesar datos. Actualmente hay más de 5.000 centros de datos en los Estados Unidos y cada día se construyen nuevos, en los Estados Unidos y en todo el mundo. A menudo, docenas de ellos se agrupan cerca de donde vive la gente, atraídos por políticas que brindan exenciones impositivas y otros incentivos, y por lo que parece ser una electricidad abundante.
Y los centros de datos consumen enormes cantidades de electricidad. Los centros de datos de Estados Unidos consumieron más del 4 por ciento de la electricidad total del país en 2023, y para 2030 esa fracción podría aumentar al 9 por ciento, según el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica. Un solo centro de datos de gran tamaño puede consumir tanta electricidad como 50.000 hogares.
La repentina necesidad de tantos centros de datos plantea un enorme desafío a las industrias de la tecnología y la energía, a los responsables de las políticas gubernamentales y a los consumidores cotidianos. Los investigadores científicos y los miembros del cuerpo docente de la Iniciativa Energética del MIT (MITEI) están explorando múltiples facetas de este problema, desde el abastecimiento de energía hasta la mejora de la red, pasando por herramientas analíticas que aumentan la eficiencia y más. Los centros de datos se han convertido rápidamente en el problema energético de nuestros días.
Una demanda inesperada trae soluciones inesperadas
Varias empresas que utilizan centros de datos para proporcionar servicios de computación en la nube y gestión de datos están anunciando algunas medidas sorprendentes para suministrar toda esa electricidad. Las propuestas incluyen la construcción de sus propias pequeñas plantas nucleares cerca de sus centros de datos e incluso la reanudación de uno de los reactores nucleares intactos de Three Mile Island, que lleva cerrado desde 2019 (un reactor diferente de esa planta se fundió parcialmente en 1979, lo que provocó el peor accidente nuclear del país). La necesidad de alimentar la IA ya está provocando retrasos en el cierre planificado de algunas centrales eléctricas de carbón y aumentando los precios para los consumidores residenciales. Satisfacer las necesidades de los centros de datos no solo está estresando las redes eléctricas, sino que también está retrasando la transición a la energía limpia necesaria para detener el cambio climático.
El problema de los centros de datos tiene muchos aspectos desde el punto de vista energético. A continuación, se enumeran algunos de los aspectos en los que se centran los investigadores del MIT y por qué son importantes.
Un aumento sin precedentes en la demanda de electricidad
“En el pasado, la informática no era un gran consumidor de electricidad”, afirma William H. Green, director del MITEI y profesor Hoyt C. Hottel del Departamento de Ingeniería Química del MIT. “La electricidad se utilizaba para hacer funcionar procesos industriales y alimentar aparatos domésticos como aires acondicionados y luces, y más recientemente para alimentar bombas de calor y cargar coches eléctricos. Pero ahora, de repente, la electricidad utilizada para la informática en general, y para los centros de datos en particular, se está convirtiendo en una nueva demanda gigantesca que nadie previó”.
¿Por qué la falta de previsión? Por lo general, la demanda de energía eléctrica aumenta aproximadamente medio punto porcentual al año y las empresas de servicios públicos incorporan nuevos generadores de energía y realizan otras inversiones según sea necesario para satisfacer la nueva demanda prevista. Pero los centros de datos que ahora están en funcionamiento están generando saltos sin precedentes en la demanda que los operadores no previeron. Además, la nueva demanda es constante. Es fundamental que un centro de datos proporcione sus servicios todo el día, todos los días. No puede haber interrupciones en el procesamiento de grandes conjuntos de datos, el acceso a los datos almacenados y el funcionamiento del equipo de refrigeración necesario para mantener todos los ordenadores agrupados funcionando sin sobrecalentarse.
Además, incluso si se genera suficiente electricidad, hacerla llegar a donde se necesita puede ser un problema, explica Deepjyoti Deka, científico investigador del MITEI. “Una red es una operación que abarca toda la red, y el operador de la red puede tener suficiente generación en otro lugar o incluso en otra parte del país, pero los cables pueden no tener suficiente capacidad para llevar la electricidad a donde se necesita”. Por lo tanto, la capacidad de transmisión debe ampliarse y, dice Deka, ese es un proceso lento.
Luego está la “cola de interconexión”. A veces, añadir un nuevo usuario (una “carga”) o un nuevo generador a una red existente puede causar inestabilidades u otros problemas para todos los demás que ya están conectados a la red. En esa situación, la puesta en funcionamiento de un nuevo centro de datos puede retrasarse. Si se producen suficientes retrasos, es posible que nuevas cargas o generadores tengan que hacer cola y esperar su turno. En este momento, gran parte de la cola de interconexión ya está llena de nuevos proyectos solares y eólicos. El retraso es de unos cinco años. Satisfacer la demanda de los nuevos centros de datos instalados y, al mismo tiempo, garantizar que no se vea afectada la calidad del servicio en otros lugares es un problema que debe abordarse.
Encontrar fuentes de electricidad limpia
Para complicar aún más el desafío, muchas empresas, incluidas las llamadas “hiperescaladoras”, como Google, Microsoft y Amazon, se han comprometido públicamente a tener emisiones netas de carbono cero en los próximos 10 años. Muchas han avanzado hacia el logro de sus objetivos de energía limpia mediante la compra de “acuerdos de compra de energía”. Firman un contrato para comprar electricidad de, por ejemplo, una instalación solar o eólica, a veces proporcionando financiación para que se construya la instalación. Pero ese enfoque para acceder a la energía limpia tiene sus límites cuando se enfrenta a la demanda extrema de electricidad de un centro de datos.
Mientras tanto, el aumento vertiginoso del consumo de energía está retrasando el cierre de plantas de carbón en muchos estados. Sencillamente, no hay suficientes fuentes de energía renovable para abastecer tanto a las grandes empresas como a los usuarios actuales, incluidos los consumidores individuales. Como resultado, las plantas convencionales alimentadas con combustibles fósiles como el carbón son más necesarias que nunca.
Mientras los hiperescaladores buscan fuentes de energía limpia para sus centros de datos, una opción podría ser construir sus propias instalaciones eólicas y solares. Pero estas instalaciones generarían electricidad solo de manera intermitente. Dada la necesidad de energía ininterrumpida, el centro de datos tendría que mantener unidades de almacenamiento de energía, que son caras. En cambio, podrían depender de generadores de gas natural o diésel para energía de respaldo, pero esos dispositivos tendrían que estar acoplados a equipos para capturar las emisiones de carbono, además de un sitio cercano para desechar permanentemente el carbono capturado.
Debido a estas complicaciones, varios de los hiperescaladores están recurriendo a la energía nuclear. Como señala Green, “la energía nuclear se adapta bien a la demanda de los centros de datos, porque las plantas nucleares pueden generar grandes cantidades de energía de manera confiable y sin interrupciones”.
En un movimiento muy publicitado en septiembre, Microsoft firmó un acuerdo para comprar energía durante 20 años después de que Constellation Energy reabriera uno de los reactores intactos en su planta nuclear ahora cerrada en Three Mile Island, el sitio del muy publicitado accidente nuclear en 1979. Si los reguladores lo aprueban, Constellation pondrá en funcionamiento ese reactor en 2028, y Microsoft comprará toda la energía que produce. Amazon también llegó a un acuerdo para comprar energía producida por otra planta nuclear amenazada de cierre debido a problemas financieros. Y a principios de diciembre, Meta publicó una solicitud de propuestas para identificar desarrolladores de energía nuclear que ayuden a la empresa a satisfacer sus necesidades de inteligencia artificial y sus objetivos de sostenibilidad.
Otras noticias nucleares se centran en los pequeños reactores nucleares modulares (SMR), plantas de energía modulares construidas en fábrica que podrían instalarse cerca de centros de datos, posiblemente sin los sobrecostos y las demoras que suelen experimentarse en la construcción de plantas de gran tamaño. Google encargó recientemente una flota de SMR para generar la energía que necesitan sus centros de datos. El primero de ellos se completará en 2030 y el resto en 2035.
Algunas empresas hiperescaladoras están apostando por nuevas tecnologías. Por ejemplo, Google está desarrollando proyectos geotérmicos de última generación y Microsoft ha firmado un contrato para comprar electricidad de una planta de energía de fusión de una empresa emergente a partir de 2028, aunque la tecnología de fusión aún no se ha demostrado.
Reducción de la demanda de electricidad
Otros enfoques para proporcionar suficiente electricidad limpia se centran en hacer que el centro de datos y las operaciones que alberga sean más eficientes energéticamente para poder realizar las mismas tareas informáticas con menos energía. El uso de chips informáticos más rápidos y algoritmos de optimización que consumen menos energía ya están ayudando a reducir la carga y también el calor generado.
Otra idea que se está probando consiste en trasladar las tareas de computación a momentos y lugares en los que haya energía libre de carbono disponible en la red. Deka explica: “Si una tarea no tiene que completarse inmediatamente, sino antes de una fecha límite determinada, ¿se puede retrasar o trasladar a un centro de datos en otro lugar de Estados Unidos o en el extranjero donde la electricidad es más abundante, más barata y/o más limpia? Este enfoque se conoce como ‘computación consciente del carbono’”. Todavía no estamos seguros de si todas las tareas se pueden trasladar o retrasar fácilmente, dice Deka. “Si piensas en una tarea basada en IA generativa, ¿se puede dividir fácilmente en pequeñas tareas que se puedan llevar a diferentes partes del país, resolver utilizando energía limpia y luego volver a unirlas? ¿Cuál es el costo de hacer este tipo de división de tareas?”
Por supuesto, este enfoque está limitado por el problema de la cola de interconexión. Es difícil acceder a energía limpia en otra región o estado, pero se están haciendo esfuerzos para flexibilizar el marco regulatorio y garantizar que las interconexiones críticas se puedan desarrollar con mayor rapidez y facilidad.
¿Y qué pasa con los vecinos?
Una de las principales preocupaciones que se plantean ante todas las opciones de suministro de energía a los centros de datos es el impacto en los consumidores de energía residencial. Cuando un centro de datos se instala en un barrio, no sólo surgen preocupaciones estéticas, sino también preocupaciones más prácticas. ¿Se volverá menos fiable el servicio eléctrico local? ¿Dónde se ubicarán las nuevas líneas de transmisión? ¿Y quién pagará los nuevos generadores, las mejoras de los equipos existentes, etc.? Cuando se instalan nuevas instalaciones de fabricación o plantas industriales en un barrio, las desventajas suelen verse compensadas por la disponibilidad de nuevos puestos de trabajo. No ocurre lo mismo con un centro de datos, que puede requerir sólo un par de docenas de empleados.
Existen reglas estándar sobre cómo se reparten y asignan los costos de mantenimiento y actualización, pero la situación cambia totalmente con la presencia de un nuevo centro de datos. Como resultado, las empresas de servicios públicos ahora deben repensar sus estructuras de tarifas tradicionales para no imponer una carga indebida a los residentes que deban pagar por los cambios de infraestructura necesarios para albergar los centros de datos.
Contribuciones del MIT
En el MIT, los investigadores están pensando y explorando una serie de opciones para abordar el problema de proporcionar energía limpia a los centros de datos. Por ejemplo, están investigando diseños arquitectónicos que utilizarán ventilación natural para facilitar la refrigeración, disposiciones de equipos que permitirán un mejor flujo de aire y distribución de energía, y sistemas de aire acondicionado de alta eficiencia energética basados en materiales novedosos. Están creando nuevas herramientas analíticas para evaluar el impacto de las instalaciones de centros de datos en el sistema eléctrico estadounidense y para encontrar las formas más eficientes de proporcionar energía limpia a las instalaciones. Otros trabajos analizan cómo adaptar la producción de pequeños reactores nucleares a las necesidades de un centro de datos y cómo acelerar la construcción de dichos reactores.
Los equipos del MIT también se centran en determinar las mejores fuentes de energía de reserva y almacenamiento de larga duración, y en desarrollar sistemas de apoyo a la toma de decisiones para localizar los nuevos centros de datos propuestos, teniendo en cuenta la disponibilidad de energía eléctrica y agua, así como consideraciones normativas e incluso el potencial de utilizar lo que puede ser un calor residual significativo, por ejemplo, para calentar edificios cercanos. Los proyectos de desarrollo tecnológico incluyen el diseño de chips informáticos más rápidos y eficientes y algoritmos informáticos más eficientes energéticamente.
Además de proporcionar liderazgo y financiación para muchos proyectos de investigación, el MITEI actúa como coordinador, reuniendo a empresas y partes interesadas para abordar esta cuestión. En la Conferencia Anual de Investigación de 2024 del MITEI, un panel de representantes de dos hiperescaladores y dos empresas que diseñan y construyen centros de datos debatieron juntos sus desafíos, posibles soluciones y en qué aspectos la investigación del MIT podría ser más beneficiosa.
A medida que se siguen construyendo centros de datos y la informática sigue creando un aumento sin precedentes en la demanda de electricidad, dice Green, los científicos e ingenieros están en una carrera para proporcionar las ideas, innovaciones y tecnologías que puedan satisfacer esta necesidad y, al mismo tiempo, seguir avanzando en la transición hacia un sistema energético descarbonizado. MIT News. N. W. S. Traducido al español
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