O número de centros de dados nos EUA está crescendo, principalmente para alimentar programas de inteligência artificial. Isso gerou preocupação com as consequências ambientais dos centros de dados — e seu impacto na própria rede elétrica. O que acontecerá se dezenas de novos centros de dados entrarem em operação? 

Um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT indica que o impacto dos centros de dados pode variar significativamente, dependendo de como seu consumo de energia é estruturado.

Especificamente, se os centros de dados transferirem uma parcela significativa do seu consumo de energia para horários fora de pico, isso poderá, de fato, ajudar a reduzir os custos médios de energia. O impacto ambiental, em termos do tipo de energia consumida, variará conforme a localização, com alguns lugares provavelmente apresentando maior implantação de energias renováveis e outros experimentando um aumento relativo no uso de combustíveis fósseis. 

“A questão crucial com os data centers é: como podemos adicioná-los à rede sem aumentar significativamente nosso consumo máximo?”, afirma Christopher Knittel, economista da MIT Sloan School of Management e coautor de um novo artigo que detalha o estudo. “Uma maneira de os data centers fazerem isso — aumentar o consumo médio, mas não o consumo máximo — é oferecendo alguma flexibilidade à rede durante os períodos de alto custo. E é isso que temos buscado compreender.”

Especificamente, o estudo conclui que um modelo flexível para o consumo de energia em data centers, em comparação com um modelo inflexível, geraria uma economia de custos de até 5% no Texas, 4% na região do Atlântico Médio e 2% nos estados do oeste dos EUA. Para alcançar esse resultado, os data centers teriam que transferir mais de 20% do seu consumo — em alguns casos, até 50% — para horários fora de pico. 

O artigo, intitulado “ Data Centers Flexíveis Reduzem Custos do Sistema Elétrico, Mas Podem Aumentar as Emissões ”, foi publicado hoje na revista iScience . Os autores são Juan Ramon L. Senga, pós-doutorando no Centro de Pesquisa de Políticas Energéticas e Ambientais do MIT; Shen Wang, pós-doutorando no Centro de Pesquisa de Políticas Energéticas e Ambientais do MIT; e Knittel, professor titular da Cátedra George P. Schultz no MIT Sloan e vice-reitor para clima e sustentabilidade no MIT. 

A expansão dos centros de dados tem levantado questões sobre o aumento da pressão na rede elétrica dos EUA, os efeitos globais do aumento do consumo de combustíveis fósseis e os impactos ambientais locais desses centros. O presente estudo examina as duas primeiras questões. 

Para realizar a pesquisa, os acadêmicos simularam extensivamente cenários de expansão de data centers, utilizando o chamado modelo "Geração X" da rede elétrica dos EUA, para um ano inteiro de consumo de energia. 

O estudo focou nos sistemas de rede em três áreas: Texas, a região do Médio Atlântico e a "Interconexão Ocidental", que compreende os 11 grandes estados do oeste dos 48 estados contíguos dos EUA. Os pesquisadores estudaram essas regiões porque, coletivamente, elas abrigam a maior parte dos centros de dados do país — cerca de 82% dos centros de dados dos EUA até 2030, de acordo com uma análise. 

De forma um tanto contraintuitiva, os pesquisadores descobriram que a adição de data centers poderia reduzir os custos de energia em alguns cenários. Normalmente, cerca de 60% das despesas da rede elétrica são custos fixos, como linhas de transmissão, enquanto cerca de 40% correspondem aos custos de energia. Adicionar data centers à rede poderia, na prática, distribuir os custos fixos por um volume maior de consumo de energia. 

“É basicamente matemática”, diz Knittel. 

Mas há um porém. A redução de custos só ocorrerá se os data centers aumentarem seu consumo médio mais rapidamente do que o consumo nos horários de pico, quando a energia é mais cara. Acontece que a maioria dos data centers possui flexibilidade em seus padrões de consumo de energia, já que geralmente operam com cerca de 80% da capacidade.

Na modelagem do estudo, essa flexibilidade geralmente consiste em deslocar o consumo dos picos do início da manhã e do final da tarde para um consumo de energia maior no meio do dia, quando a demanda de energia é menor e a energia solar está em plena capacidade. As simulações mostram que isso faz diferença.

“Existem duas dimensões sobre as quais os centros de dados precisam tomar decisões”, diz Knittel. “Uma é quanta flexibilidade existe na sua carga em um determinado período. E a segunda é por quantas horas, mais ou menos, eles podem transferir esse processamento?”

Além disso, os data centers possuem diferentes níveis de flexibilidade, dependendo do tipo de computação relacionada à IA que hospedam. Data centers usados para dados de treinamento de IA tendem a consumir energia a uma taxa constante, mas, como resultado, podem oferecer maior flexibilidade para o deslocamento de cargas de energia em comparação com data centers de inferência, que são usados principalmente para consultas de busca online. Neste último caso, o consumo é mais influenciado pelos hábitos de navegação dos usuários na internet.

De modo geral, Knittel enfatiza que a magnitude da economia de custos sugerida pelo estudo, que varia de 2% a 7%, é significativa. 

“Três por cento é um número grande”, diz Knittel. “Quando se fala da rede elétrica, 3% ou 6% não parecem muito. Mas quando se multiplica por 100 bilhões de dólares, torna-se dinheiro de verdade.”

Em termos de impacto ambiental, a modelagem indica que o crescimento projetado de data centers até 2030 seria muito significativo em termos de emissões de dióxido de carbono. Comparado a um cenário sem crescimento de data centers, o estudo aponta que essas emissões aumentariam 58% no Texas, 20% na região do Atlântico Médio e 24% no oeste dos EUA. Isso reforça a necessidade de uma abordagem estratégica em relação ao consumo de data centers. 

Mas a modelagem também revela que as implicações da expansão de data centers para o uso de energia limpa variam conforme a região. No Texas, onde 54% da energia da rede elétrica é proveniente de fontes eólicas, a presença de mais data centers com padrões flexíveis de consumo de energia poderia reduzir as emissões, aumentando a demanda por energia eólica. O estudo conclui que, nesse cenário, as emissões de CO2 poderiam ser 40% menores . 

No entanto, na região do Atlântico Médio, onde existe uma quantidade razoável de energia solar, mas relativamente menos energia eólica, mais centros de dados com padrões de consumo flexíveis poderiam aumentar o consumo tanto de energia renovável quanto de energia proveniente de combustíveis fósseis. Nessa região, a modelagem sugere um aumento de 3% nas emissões de CO2 em todo o sistema. 

“Quando os centros de dados oferecem alguma flexibilidade nesse último cenário, eles acabam mudando seus horários de funcionamento para períodos de menor produção de energia solar e eólica, o que permite que uma usina a carvão continue operando”, observa Knittel. “Portanto, isso não necessariamente atrai mais investimentos em energias renováveis. Atrai, sim, mais investimentos em carvão.”

Para que isso aconteça, no entanto, os centros de dados teriam que implementar os planos flexíveis de consumo de energia modelados no estudo. E não está claro se as empresas que utilizam centros de dados estariam motivadas a fazer isso. Para Knittel, isso sugere que as autoridades talvez precisem elaborar regulamentações nessa área. 

“É por isso que temos políticas”, diz Knittel.

Mais especificamente, acrescenta ele, existe uma importante ferramenta política que as autoridades poderiam usar para atingir esse objetivo: oferecer conexões iniciais mais rápidas à rede em troca de flexibilidade no horário de consumo. 

“Uma grande preocupação com esses data centers atualmente é o tempo que leva para eles se conectarem à rede elétrica”, diz Knittel. “Uma maneira de oferecer flexibilidade agora é o que chamamos de 'conectar e gerenciar', que consiste em conectar você mais rapidamente à rede se você concordar em fornecer flexibilidade. As empresas de tecnologia aceitariam esse acordo. Elas preferem se conectar um ano antes e reduzir a capacidade de processamento por algumas horas por dia do que ter que esperar. Fazemos isso também com usinas de energia.”

Certamente, acrescenta Knittel, como empresas que competem entre si, “as empresas de tecnologia dizem que não fornecerão flexibilidade sozinhas. Mas se todos no setor tiverem que fazer isso, tudo bem.” 

O presente estudo é o primeiro a examinar as implicações "de ponta a ponta" dos centros de custo e emissão. Os resultados, segundo os pesquisadores, merecem uma avaliação mais aprofundada — e este é um tema que eles continuam a modelar. 

“Essas são duas dimensões que acho que todos devemos considerar aqui”, diz Knittel. “O resultado final depende realmente de nós e das políticas públicas.” 

A pesquisa recebeu apoio do Future Energy Systems Center da MIT Energy Initiative.