Centros de datos y consumo de agua

WASHINGTON (Infoesfera/por Miguel Yáñez Barnuevo) – Los grandes centros de datos pueden consumir hasta 19 millones de litros de agua al día, el equivalente al consumo de una ciudad con una población de entre 10000 y 50000 habitantes. Con la llegada de centros de datos más grandes y de nueva generación centrados en la inteligencia artificial, el consumo de agua está aumentando a la par que el consumo de energía y las emisiones de carbono

Los centros de datos consumen grandes cantidades de agua, y su rápida expansión amenaza los recursos hídricos.  Solo el 3 % del agua de la Tierra es dulce, y apenas el 0,5 %  es accesible y apta para el consumo humano. El agua dulce es fundamental para la supervivencia.  En promedio, una persona puede vivir sin agua solo tres días .  La creciente sequía y la escasez de agua están reduciendo su disponibilidad . Mientras tanto, los desarrolladores de centros de datos recurren cada vez más a los acuíferos superficiales y subterráneos para refrigerar sus instalaciones.

El consumo de agua en los centros de datos guarda una estrecha relación con el consumo de energía y las emisiones de carbono. A medida que los centros de datos consumen más energía para sus operaciones habituales y para satisfacer las demandas de la IA, también consumen mayores cantidades de agua para refrigerar sus procesadores y evitar así el sobrecalentamiento y posibles daños. Del mismo modo, a medida que aumenta el consumo de energía en los centros de datos, también aumentan las emisiones de carbono.

Un  centro de datos de tamaño mediano puede consumir hasta aproximadamente 110 millones de galones de agua  (un galón equivale a 3,78 litros) al año para refrigeración, lo que equivale al consumo anual de agua de aproximadamente 1000 hogares. Los centros de datos más grandes pueden consumir hasta  5 millones de galones al día, o alrededor de 1800 millones al año , un consumo equivalente al de una ciudad de entre 10 000 y 50 000 habitantes. En conjunto, los 5426 centros de datos de Estados Unidos   consumen miles de millones de galones de agua anualmente. Un informe estimó que los centros de datos de EE. UU.  consumen 449 millones de galones de agua al día  y 163 700 millones de galones al año (datos de 2021). Un  informe de 2016  reveló que menos de un tercio de los operadores de centros de datos controlan el consumo de agua. Se prevé que el consumo de agua siga aumentando a medida que los centros de datos crezcan en número, tamaño y complejidad.

Según científicos de la Universidad de California, Riverside, se estima que cada mensaje de IA de 100 palabras consume aproximadamente una botella de agua  (o 519 mililitros). Puede que no parezca mucho, pero miles de millones de usuarios de IA en todo el mundo introducen mensajes en sistemas como ChatGPT cada minuto.  Los modelos de lenguaje complejos requieren muchos cálculos que consumen mucha energía , lo que hace necesarios sistemas de refrigeración líquida.

El ciclo del agua en los centros de datos

La huella hídrica de un centro de datos  se calcula sumando tres categorías : consumo de agua en las instalaciones, consumo de agua de las centrales eléctricas que suministran energía a los centros de datos y consumo de agua durante el proceso de fabricación de los chips del procesador.  El agua puede provenir de diversas fuentes, como  aguas superficiales y subterráneas (por ejemplo, agua potable), agua de la red pública (como el agua municipal) y aguas grises (por ejemplo, agua reciclada purificada). El uso de agua reciclada o no potable para la refrigeración de un centro de datos es una práctica habitual para conservar los limitados recursos de agua potable, especialmente en zonas áridas o propensas a la sequía.

 ECMWF Data Center, Bologna, Italia

En el contexto de los centros de datos, el « consumo de agua»  se refiere a la cantidad de agua extraída de fuentes públicas (azules o grises) menos el agua que los centros descargan (principalmente agua caliente residual de la refrigeración de los racks de TI). El agua consumida es generalmente la que se evapora o se utiliza para otros fines distintos al consumo humano inmediato. La extracción de agua dulce de arroyos locales o acuíferos subterráneos puede provocar el agotamiento de estos, especialmente en zonas con escasez hídrica.

Investigadores de  The Green Grid , un consorcio industrial sin fines de lucro, desarrollaron una métrica llamada  Eficiencia en el Uso del Agua  (WUE, por sus siglas en inglés) para medir el consumo de agua en los centros de datos. Similar a la  métrica de Eficiencia en el Uso de la Energía  (PUE, por sus siglas en inglés), que mide la eficiencia energética de un centro de datos, la métrica WUE evalúa la eficiencia del uso del agua de un centro de datos.  La WUE se informa en litros por kilovatio-hora (kWh) : el consumo total de agua de un centro de datos, medido en litros, se divide por la energía total consumida por ese centro de datos en kilovatios-hora en el mismo período.  Si bien "0" es la puntuación ideal de WUE , esto solo se puede lograr en centros de datos refrigerados por aire, y la mayoría de los centros de datos no pueden alcanzar este objetivo debido a las condiciones climáticas de su ubicación. La WUE promedio en  los centros de datos es de 1,9 litros por kWh , lo que es un excelente objetivo a superar.

El consumo de agua de los centros de datos depende de varios factores, como la ubicación, el clima, la disponibilidad de agua, el tamaño y la densidad de chips en los racks de TI. En climas cálidos, como en el suroeste de Estados Unidos, los centros de datos necesitan más agua para refrigerar el edificio y los equipos. Con el creciente número de centros que dan soporte a las solicitudes de IA, la densidad de chips también aumenta, lo que eleva la temperatura ambiente y exige el uso de más enfriadores de agua a nivel de servidor para mantenerla baja. La mayoría de los centros de datos utilizan una combinación de enfriadores y torres de refrigeración in situ para evitar el sobrecalentamiento de los chips.

(Centro de datos/IBM)

La refrigeración de los centros de datos es una operación compleja . A nivel de servidor, los enfriadores de agua refrigeran las salas de TI para mantener temperaturas óptimas y evitar daños en los chips. Esto se puede lograr mediante refrigeración por aire con evaporación de agua, un método de circuito abierto que consume más agua, o mediante  refrigeración líquida para servidores . La refrigeración para servidores es un enfoque más costoso que suministra el refrigerante líquido directamente a las unidades de procesamiento gráfico (GPU) y las unidades centrales de procesamiento (CPU).  La refrigeración líquida directa al chip y la refrigeración líquida por inmersión  son dos tecnologías estándar de refrigeración líquida para servidores que disipan el calor y reducen significativamente el consumo de agua. Durante la refrigeración por inmersión, el agua o líquidos sintéticos especializados inundan los chips, absorbiendo el calor. La diferencia entre la refrigeración líquida directa para servidores y la refrigeración por aire mediante evaporación se puede comparar con la diferencia entre el riego por goteo y la inundación en la agricultura.

En zonas con escasez de agua , la refrigeración líquida para servidores es la mejor opción, ya que requiere un consumo mínimo de agua. Por el contrario, en zonas con una red eléctrica sobrecargada, una torre de refrigeración evaporativa es un diseño adecuado, puesto que requiere un consumo mínimo de energía.

Independientemente del método elegido,  se necesita un intercambiador de calor para capturar  el aire o el agua caliente que se produce como subproducto del proceso de refrigeración. El agua caliente proveniente de los servidores se enfría con agua del enfriador de aire o de una torre de refrigeración. Del mismo modo, el aire caliente se intercambia con aire más frío. Un intercambiador de calor transfiere el calor de la sala de servidores al sistema de refrigeración del edificio.

Aproximadamente el 80 % del agua  (generalmente dulce) que consumen los centros de datos se evapora, y el resto se descarga en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. El gran volumen de aguas residuales de  los centros de datos podría saturar las instalaciones locales existentes  , que no fueron diseñadas para gestionar tal cantidad.

Además del consumo de agua in situ, una parte significativa del consumo de agua de los centros de datos proviene de las centrales eléctricas que los abastecen de energía. Dado que el  56 % de la electricidad utilizada para alimentar los centros de datos en todo el país  proviene de combustibles fósiles, una parte importante del consumo de agua de estos centros se deriva de las centrales eléctricas que generan vapor. Estas centrales dependen de grandes calderas llenas de agua que se sobrecalienta con gas natural o carbón para producir vapor, el cual, a su vez, hace girar una turbina y genera electricidad.  La extracción de agua de estas centrales  constituye una fuente importante de estrés hídrico, especialmente en zonas propensas a la sequía y durante el verano, cuando los niveles de agua son más bajos y la demanda de electricidad es mayor.

Un informe federal estimó  que el consumo indirecto de agua (derivado del uso de electricidad) de los centros de datos en Estados Unidos fue de aproximadamente 211 000 millones de galones en 2023. Dado que los centros de datos consumieron 176 teravatios-hora (TWh) de electricidad en 2023, el consumo indirecto de agua de estos centros se puede estimar en un promedio nacional de 1,2 galones por kWh en 2023.  Como se espera que los centros de datos consuman hasta 1050 TWh anuales para 2030 , el uso de agua aumentará en paralelo.

La fabricación de chips y servidores representa una importante fuente de consumo de agua para los centros de datos. Los semiconductores y los chips informáticos son esenciales para el procesamiento en estos centros.  Cada servidor contiene múltiples CPU, GPU y chips de memoria.  Los centros de datos más grandes y aquellos que admiten solicitudes de IA pueden contener decenas de miles de servidores, cada uno con múltiples chips.  El agua ultrapura es ideal para la limpieza, el grabado y el enjuague de los chips durante el proceso de fabricación.  La producción de agua ultrapura es un proceso que consume mucha agua, requiriendo aproximadamente 1500 galones de agua canalizada para producir 1000 galones de agua ultrapura.  Una planta de fabricación de chips promedio  consume aproximadamente 10 millones de galones de agua ultrapura por día. Un solo chip instalado en un centro de datos ya ha consumido  miles  de galones de agua para cuando llega a las instalaciones.

Impactos del agua en las comunidades cercanas

El consumo de agua de los  5426 centros de datos en todo el país  ya está afectando a las comunidades locales. El norte de Virginia es considerado la capital mundial de los centros de datos, con más de  300 centros operativos  distribuidos en cuatro condados:  Fairfax, Loudoun, Prince William y Fauquier . En conjunto, todos los centros de datos del norte de Virginia consumieron cerca de  2000 millones de galones de agua en 2023, un aumento del 63 % con respecto a 2019. El condado de Loudoun, con aproximadamente  200 centros de datos  operativos  , utilizó alrededor de 900 millones de galones de agua en 2023. Esto ha llevado a Loudoun Water, la autoridad de agua del condado, a depender en gran medida del agua potable para los centros de datos en lugar del agua reciclada.

Cómo hacer que los centros de datos sean más eficientes en el uso del agua

La opción más común para los desarrolladores de centros de datos es extraer agua de fuentes marinas y emplear prácticas que consumen mucha agua, como la refrigeración por evaporación. Sin embargo, existen otras alternativas. Para optar por una solución más sostenible para las comunidades y los ecosistemas cercanos, los desarrolladores pueden utilizar técnicas innovadoras de gestión del agua para reducir su consumo, como sistemas de refrigeración de circuito cerrado, refrigeración por inmersión, refrigeración por aire y el uso de fuentes de agua no potable (por ejemplo, aguas residuales recicladas y agua captada).

Los sistemas de refrigeración de circuito cerrado  permiten la reutilización tanto de aguas residuales recicladas como de agua dulce, lo que posibilita el uso repetido del agua. Una torre de refrigeración puede utilizar aire exterior para enfriar el agua caliente, permitiendo que recupere su temperatura original.  Estos sistemas pueden reducir el consumo de agua dulce hasta en un 70 % .

La refrigeración natural  es un método que consiste en introducir aire frío del exterior en el centro de datos para enfriar los equipos. Para que esta estrategia sea efectiva, los centros de datos deben estar ubicados en climas fríos.

La refrigeración por aire  utiliza conductos y tuberías de aire acondicionado que eliminan el calor generado por los chips  durante el procesamiento de datos y las solicitudes de IA. Este método es más eficaz en zonas donde la electricidad es más barata y los recursos hídricos son limitados.

La refrigeración por inmersión  en centros de datos consiste en sumergir servidores, chips y otros componentes en un fluido dieléctrico (o no conductor) especializado.  El hardware se sumerge en tanques especialmente diseñados y llenos con el refrigerante.  El líquido no conductor absorbe el calor de los chips y lo transfiere a un intercambiador de calor, donde se enfría antes de regresar al tanque. La refrigeración por inmersión es un proceso innovador que implica mayores costos iniciales que la refrigeración líquida directa convencional, pero ofrece importantes ahorros de energía y ventajas en la optimización del espacio para los desarrolladores de centros de datos. Dado que la tecnología utiliza fluidos sintéticos, requiere mucha menos agua que otros métodos.

Alimentar los centros de datos con fuentes de energía renovables, como la solar o la eólica, requiere un consumo de agua significativamente menor que obtener energía de centrales eléctricas de combustibles fósiles. Dado que  aproximadamente el 56 % de la electricidad utilizada para alimentar los centros de datos en todo el país  proviene de combustibles fósiles, el uso de más energía limpia para alimentar estas instalaciones puede reducir significativamente el consumo de agua. Las centrales de carbón son las que más agua consumen,  requiriendo aproximadamente 19185 galones de agua  por megavatio-hora (MWh) de generación de energía.  Las centrales eléctricas de gas natural consumen aproximadamente 2800 galones por MWh . En 2022,  el 40 % de todas las extracciones anuales de agua en EE. UU., o alrededor de 48,5 billones de galones , fueron realizadas por centrales eléctricas de carbón y gas. De esos 48,5 billones de galones,  962 000 millones de galones de agua se consumieron  y ya no estaban disponibles para su uso directo aguas abajo. Mientras tanto, los paneles solares en los tejados y las turbinas eólicas no necesitan agua de refrigeración y no son una tecnología energética basada en vapor como el carbón y el gas natural.

Si Estados Unidos avanza hacia la generación de energía 100% renovable y el cierre de las centrales de combustibles fósiles, el ahorro de agua sería enorme, con miles de millones de galones ahorrados, y habría más agua dulce disponible tanto para el consumo humano como para los ecosistemas naturales.

Miguel Yañez-Barnuevo

Instituto de Estudios Ambientales y
Energéticos

Imagen de portada: adhocFOTOS/Pablo Vignali

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