Este artigo é o segundo de uma série sobre os impactos ambientais dos data centers. Clique aqui para ler o primeiro artigo sobre o consumo de energia em data centers.
Destaques:
- Os desenvolvedores de data centers estão cada vez mais aproveitando os recursos de água doce para saciar a sede dos data centers, o que está colocando as comunidades próximas em risco.
- Grandes data centers podem consumir até 5 milhões de galões por dia , o equivalente ao consumo de água de uma cidade com 10.000 a 50.000 pessoas.
- Com data centers maiores e novos focados em IA, o consumo de água está aumentando junto com o uso de energia e as emissões de carbono.
- Novas tecnologias, como resfriamento direto no chip e resfriamento por imersão, podem reduzir o uso de água e energia em data centers.
Os data centers têm sede de água, e sua rápida expansão ameaça o abastecimento de água doce. Apenas 3% da água da Terra é doce, e apenas 0,5% de toda a água é acessível e segura para consumo humano. A água doce é essencial para a sobrevivência. Em média, um ser humano pode viver sem água por apenas três dias . O aumento da seca e da escassez de água está reduzindo a disponibilidade hídrica . Enquanto isso, os desenvolvedores de data centers estão cada vez mais recorrendo a aquíferos superficiais e subterrâneos para resfriar suas instalações.
O consumo de água em data centers é muito semelhante ao consumo de energia e às emissões de carbono. À medida que os data centers consomem mais energia para suas operações típicas e para atender às solicitações de IA, eles consomem maiores quantidades de água para resfriar seus chips de processamento, evitando superaquecimento e possíveis danos. Da mesma forma, à medida que o consumo de energia aumenta nos data centers, as emissões de carbono também aumentam.
Um data center de médio porte pode consumir até aproximadamente 110 milhões de galões de água por ano para fins de resfriamento, o equivalente ao uso anual de água de aproximadamente 1.000 residências. Data centers maiores podem “beber” até 5 milhões de galões por dia, ou cerca de 1,8 bilhão anualmente , uso equivalente a uma cidade de 10.000 a 50.000 pessoas. Juntos, os 5.426 data centers do país consomem bilhões de galões de água anualmente. Um relatório estimou que os data centers dos EUA consomem 449 milhões de galões de água por dia e 163,7 bilhões de galões anualmente (em 2021). Um relatório de 2016 descobriu que menos de um terço dos operadores de data centers rastreiam o consumo de água. Espera-se que o consumo de água continue aumentando à medida que os data centers crescem em número, tamanho e complexidade.
Segundo cientistas da Universidade da Califórnia, em Riverside, estima-se que cada prompt de IA de 100 palavras consuma aproximadamente uma garrafa de água (ou 519 mililitros). Pode não parecer muito, mas bilhões de usuários de IA em todo o mundo inserem prompts em sistemas como o ChatGPT a cada minuto. Grandes modelos de linguagem exigem muitos cálculos que consomem muita energia , necessitando de sistemas de resfriamento a líquido.
O ciclo da água nos data centers
A pegada hídrica de um data center é calculada como a soma de três categorias : consumo de água no local, consumo de água pelas usinas que fornecem energia aos data centers e consumo de água durante o processo de fabricação dos chips dos processadores. A água pode vir de várias fontes, incluindo fontes azuis (por exemplo, águas superficiais e subterrâneas), fontes encanadas, como água municipal, e fontes cinzas (por exemplo, água de reuso purificada). O uso de água reciclada ou não potável para atender às necessidades de resfriamento de um data center é uma prática bem estabelecida para conservar os recursos limitados de água potável, especialmente em áreas secas ou propensas à seca.
No contexto de data centers, “ consumo de água” refere-se à quantidade de água retirada de fontes azuis ou cinzas, menos a água descartada pelos centros (principalmente água morna que sobra do resfriamento dos racks de TI). A água consumida é geralmente a água que evapora ou é retirada do uso humano imediato. A retirada de água doce de córregos locais ou aquíferos subterrâneos pode levar ao esgotamento dos aquíferos, especialmente em áreas com escassez hídrica.
Pesquisadores do The Green Grid , um consórcio industrial sem fins lucrativos, desenvolveram uma métrica chamada Water Usage Effectiveness (WUE) para medir o uso de água por data centers. Semelhante à métrica Power Usage Effectiveness (PUE), que mede a eficiência energética de um data center, a métrica WUE avalia a eficiência do uso de água de um data center. A WUE é relatada em litros por quilowatt-hora (kWh) : o consumo total de água de um data center, medido em litros, é dividido pela energia total consumida por esse data center em quilowatts-hora no mesmo período. Embora “0” seja a pontuação WUE ideal , isso só pode ser alcançado em data centers refrigerados a ar, e a maioria dos data centers não consegue atingir essa meta devido às condições climáticas de sua localização. A WUE média entre data centers é de 1,9 litros por kWh , o que é uma ótima meta a ser superada.
O consumo de água em data centers depende de vários fatores, incluindo localização, clima, disponibilidade hídrica, tamanho e densidade de chips nos racks de TI. Em climas mais quentes, como no sudoeste dos Estados Unidos, os data centers precisam usar mais água para resfriar o prédio e os equipamentos. Com o número crescente de data centers atendendo a solicitações de IA, a densidade de chips também está aumentando, o que leva a temperaturas ambientes mais altas, exigindo o uso de mais resfriadores de água no nível do servidor para manter as temperaturas baixas. A maioria dos data centers usa uma combinação de resfriadores e torres de resfriamento no local para evitar o superaquecimento dos chips.
O resfriamento de data centers é uma operação complexa . No nível do servidor, resfriadores de água resfriam salas de TI para manter temperaturas ideais e evitar danos aos chips. Isso pode ser obtido por meio do resfriamento a ar usando evaporação de água, que é um método de circuito aberto e com maior consumo de água, ou por meio do resfriamento líquido do servidor . O resfriamento do servidor é uma abordagem mais cara que fornece o refrigerante líquido diretamente para as unidades de processamento gráfico (GPUs) e unidades centrais de processamento (CPUs). O resfriamento líquido direto no chip e o resfriamento líquido imersivo são duas tecnologias padrão de resfriamento líquido do servidor que dissipam o calor enquanto reduzem significativamente o consumo de água. Durante o resfriamento imersivo, água ou líquidos sintéticos especializados inundam os chips, absorvendo o calor. A diferença entre o resfriamento líquido direto do servidor e o resfriamento a ar por evaporação pode ser comparada à diferença entre irrigação por gotejamento e inundação na agricultura.
Em áreas com disponibilidade limitada de água , o resfriamento líquido do servidor é a melhor opção, pois requer um consumo mínimo de água. Por outro lado, em áreas com rede elétrica sobrecarregada, uma torre de resfriamento a ar evaporativo é um projeto de construção adequado, pois requer um consumo mínimo de energia.
Independentemente da abordagem escolhida, um trocador de calor é necessário para capturar o ar quente ou a água quente produzidos como subproduto do processo de resfriamento. A água quente proveniente dos servidores é resfriada pela água do chiller resfriado a ar ou de uma torre de resfriamento. Da mesma forma, o ar quente é trocado por ar mais frio. Um trocador de calor transfere o calor da sala de servidores para o sistema de resfriamento do edifício.
Aproximadamente 80% da água (normalmente água doce) retirada pelos data centers evapora, sendo o restante despejado em estações de tratamento de águas residuais municipais. O grande volume de águas residuais dos data centers pode sobrecarregar as instalações locais existentes, que não foram projetadas para lidar com um volume tão alto.
Além do consumo de água no local, uma parcela significativa do consumo de água dos data centers provém das instalações elétricas onde obtêm energia. Como 56% da eletricidade usada para alimentar data centers em todo o país provém de combustíveis fósseis, uma parcela significativa do consumo de água dos data centers provém de usinas de geração de vapor. As usinas de energia movidas a combustíveis fósseis dependem de grandes caldeiras cheias de água superaquecida por gás natural ou carvão para produzir vapor, que por sua vez gira uma turbina e gera eletricidade. A captação de água dessas usinas é uma fonte significativa de estresse hídrico, especialmente em áreas propensas à seca e no verão, quando os níveis de água são mais baixos e a demanda por eletricidade é maior.
Um relatório federal estimou que a pegada de consumo indireto de água (do uso de eletricidade) dos data centers nos Estados Unidos foi de aproximadamente 211 bilhões de galões em 2023. Considerando que 176 terawatts-hora (TWh) de eletricidade foram consumidos pelos data centers em 2023, o consumo indireto de água dos centros pode ser estimado em 1,2 galões por kWh em média nacionalmente em 2023. Como se espera que os data centers consumam até 1.050 TWh anualmente até 2030 , o uso de água aumentará paralelamente.
A fabricação de chips e servidores é uma fonte significativa de consumo de água para data centers. Semicondutores e chips de computador são essenciais para o processamento de data centers. Cada servidor em um data center contém várias CPUs, GPUs e chips de memória. Data centers maiores e aqueles que suportam solicitações de IA podem conter dezenas de milhares de servidores, cada um com vários chips. Água ultrapura é ideal para limpeza, gravação e enxágue de chips durante o processo de fabricação. A criação de água ultrapura é um processo com alto consumo de água, exigindo aproximadamente 1.500 galões de água encanada para produzir 1.000 galões de água ultrapura. Uma instalação média de fabricação de chips consome aproximadamente 10 milhões de galões de água ultrapura por dia. Um único chip instalado em um data center já consumiu milhares de galões de água antes de chegar ao local.
Impactos da água em comunidades próximas
O consumo de água dos 5.426 data centers em todo o país já está impactando as comunidades locais. A Virgínia do Norte é considerada a capital mundial dos data centers, com mais de 300 data centers operacionais espalhados por quatro condados: Fairfax, Loudoun, Prince William e Fauquier . Coletivamente, todos os data centers na Virgínia do Norte consumiram perto de 2 bilhões de galões de água em 2023, um aumento de 63% em relação a 2019. O Condado de Loudoun, com aproximadamente 200 data centers operacionais , usou cerca de 900 milhões de galões de água em 2023. Isso levou a Loudoun Water, a autoridade hídrica do condado, a depender fortemente de água potável para os data centers em vez de água recuperada.
Tornando os data centers mais eficientes em termos de consumo de água
A escolha mais comum dos desenvolvedores de data centers é extrair água de fontes azuis e empregar práticas que consomem muita água, como o resfriamento do ar por evaporação. No entanto, existem outras opções. Para fazer uma escolha mais sustentável para as comunidades e ecossistemas próximos, os desenvolvedores podem usar técnicas inovadoras de gestão de água para reduzir o consumo de água, incluindo sistemas de resfriamento em circuito fechado, resfriamento por imersão, resfriamento a ar e o uso de fontes de água não potável (por exemplo, águas residuais recicladas e água captada).
Sistemas de resfriamento em circuito fechado permitem o reaproveitamento tanto de águas residuais recicladas quanto de água doce, permitindo que o abastecimento de água seja utilizado múltiplas vezes. Uma torre de resfriamento pode usar ar externo para resfriar a água aquecida, permitindo que ela retorne à sua temperatura original. Esses sistemas podem reduzir o consumo de água doce em até 70% .
O resfriamento gratuito é um método em que o ar frio externo é aspirado para dentro do data center para resfriar os equipamentos. Os data centers devem estar localizados em climas mais frios para que essa estratégia seja eficaz.
O resfriamento a ar envolve saídas de ar e tubos de ar condicionado que removem o calor gerado pelos chips enquanto processam dados e solicitações de IA. Este método é mais eficaz em áreas onde a eletricidade é mais barata e os recursos hídricos são limitados.
O resfriamento por imersão em data centers envolve o banho de servidores, chips e outros componentes em um fluido dielétrico (ou não condutor) especializado. O hardware é submerso em tanques especialmente projetados, preenchidos com o fluido refrigerante. O líquido não condutor absorve o calor dos chips e o transfere para um trocador de calor, onde é resfriado antes de retornar ao tanque. O resfriamento por imersão é um processo inovador que acarreta custos iniciais mais elevados do que o resfriamento líquido direto convencional, mas proporciona economia significativa de energia e otimização de espaço para desenvolvedores de data centers. Como a tecnologia utiliza fluidos sintéticos, ela requer significativamente menos água do que outras abordagens.
Alimentar data centers com fontes de energia renováveis, como solar ou eólica, requer um consumo de água significativamente menor do que obter energia de usinas de combustíveis fósseis. Com aproximadamente 56% da eletricidade usada para alimentar data centers em todo o país proveniente de combustíveis fósseis, a implantação de mais energia limpa para alimentar essas instalações pode reduzir significativamente o consumo de água. As usinas a carvão são as instalações que mais consomem água, exigindo aproximadamente 19.185 galões de água por megawatt-hora (MWh) de geração de energia. As usinas a gás natural consomem aproximadamente 2.800 galões por MWh . Em 2022, 40% de todas as retiradas anuais de água dos EUA, ou cerca de 48,5 trilhões de galões , foram feitas por usinas de carvão e gás. Desses 48,5 trilhões de galões, 962 bilhões de galões de água foram consumidos e não estavam mais disponíveis para uso direto a jusante. Enquanto isso, painéis solares de telhado e turbinas eólicas não precisam de água de resfriamento e não são uma tecnologia de energia baseada em vapor como carvão e gás natural.
Se os Estados Unidos avançarem em direção à geração de energia 100% renovável e à aposentadoria de usinas de combustíveis fósseis, a economia de água será enorme, com bilhões de galões de água economizados, e mais água doce estará disponível tanto para consumo humano quanto para ecossistemas naturais.
Autor: Miguel Yañez-Barnuevo
https://www.eesi.org/articles/view/data-centers-and-water-consumption