Nel mondo moderno, le nostre vite digitali dipendono da vasti magazzini di computer noti come data center. Queste strutture conservano le foto, i messaggi e i calcoli complessi che alimentano tutto, dagli acquisti online all'intelligenza artificiale. Tuttavia, mantenere queste macchine in funzione e al fresco richiede enormi quantità di elettricità, che spesso proviene dalla combustione di combustibili fossili e crea una quantità significativa di inquinamento da carbonio. Man mano che la domanda di servizi digitali cresce, cresce anche l'energia che questi centri consumano, sollevando urgenti interrogativi su come mantenere attiva la nostra tecnologia senza surriscaldare il pianeta. Il concetto di un data center "net-zero" (a emissioni zero) offre una soluzione: una struttura che non utilizza più energia dalla rete di quanta ne possa generare essa stessa attraverso fonti pulite come il sole, pur disperdendo il meno possibile l'energia. Questo equilibrio è misurato dalla capacità di un edificio di utilizzare l'energia in modo efficiente, una metrica spesso chiamata efficacia dell'uso dell'energia (power usage effectiveness), che confronta l'energia utilizzata dai computer stessi rispetto all'energia extra necessaria per raffreddarli e tenere accese le luci.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di esplorare come costruire una tale struttura, concentrandosi su un esempio specifico e gestibile: un data center da 100 kilowatt situato a Phoenix, in Arizona. Hanno scelto questa località perché il calore del deserto presenta una sfida severa per il raffreddamento, mentre l'abbondante luce solare offre una potente opportunità per l'energia solare. I ricercatori non si sono limitati a teorizzare sul futuro; hanno eseguito un'analisi di studio di caso quantitativa utilizzando calcoli ingegneristici per determinare esattamente cosa sarebbe necessario per far sì che tale struttura funzioni interamente con la propria energia rinnovabile. Il loro lavoro ha comportato il calcolo di quanta energia avrebbero necessitato i computer, quanta energia extra avrebbero consumato i sistemi di raffreddamento e quanto grande dovesse essere un impianto solare e un sistema di accumulo a batteria per coprire l'intero carico. Applicando questi calcoli al modello teorico di questo centro, sono stati in grado di testare diverse strategie per vedere quali funzionassero realmente nel mondo reale.

Lo studio è iniziato esaminando come il data center opera attualmente. In una configurazione standard, i computer stessi utilizzano 100 kilowatt di potenza, ma i sistemi che li mantengono freschi e le apparecchiature di distribuzione dell'energia aggiungono altri 50 kilowatt al totale. Ciò significa che la struttura utilizza 1,5 volte più energia di quella richiesta dai soli computer. I ricercatori hanno scoperto che aggiornando le apparecchiature di raffreddamento per renderle più efficienti, avrebbero potuto ridurre significativamente questo spreco. Migliorando l'efficienza del sistema di raffreddamento, hanno calcolato che la potenza necessaria per raffreddare la struttura potrebbe scendere di un terzo. Questo cambiamento da solo ridurrebbe l'energia totale che l'edificio richiede dalla rete, rendendo molto più semplice il compito di sostituire tale energia con l'energia solare.

Una volta ridotta la domanda di energia attraverso una migliore efficienza, il team ha calcolato la dimensione del sistema di energia solare necessario per rendere il centro net-zero. Hanno determinato che, per generare abbastanza elettricità da coprire l'intero uso annuale, la struttura avrebbe avuto bisogno di un impianto solare con una capacità di 633 kilowatt. Si tratta di un'installazione considerevole, che richiede un'area di tetto o di terreno di circa 4.112 metri quadrati per ospitare i pannelli. I ricercatori hanno anche esaminato cosa succede quando il sole non splende. Per garantire che il data center non smetta mai di funzionare, anche durante un blackout o durante la notte, hanno calcolato che sarebbe necessario un sistema di accumulo a batteria con una capacità di 600 kilowattora. Questo accumulo è approssimativamente equivalente ad avere quasi 50 grandi unità di batterie commerciali, il che permetterebbe alla struttura di funzionare per quattro ore senza alcuna connessione alla rete elettrica principale.

Oltre alla semplice generazione di energia, i ricercatori hanno esplorato come utilizzare il calore che i computer producono naturalmente. I data center generano una quantità enorme di calore residuo, che viene solitamente espulso nell'aria. Lo studio ha dimostrato che se questo calore venisse catturato e potenziato utilizzando una pompa di calore, potrebbe fornire calore sufficiente a riscaldare 153 case medie. In un clima più freddo, questa sarebbe una grande fonte di energia gratuita per un quartiere. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che in un luogo caldo come Phoenix, la domanda di riscaldamento è bassa, il che limita quanto questo calore recuperato possa essere utile localmente. Nonostante questa limitazione, il potenziale per compensare le emissioni di carbonio utilizzando questo calore residuo invece di bruciare gas naturale è significativo, equivalente alla rimozione di oltre 600.000 chilogrammi di anidride carbonica dall'atmosfera ogni anno.

I risultati dello studio evidenziano una chiara strada da seguire, ma anche gli ostacoli che rimangono. I ricercatori hanno scoperto che migliorando prima l'efficienza, la quantità di energia solare e di batterie necessarie per raggiungere lo stato net-zero diminuisce sensibilmente, il che permette di risparmiare denaro. Hanno calcolato che un design più efficiente potrebbe far risparmiare alla struttura oltre 175.000 kilowattora di elettricità ogni anno. Questa riduzione del consumo di energia significa anche un calo diretto delle emissioni di carbonio, equivalente alla rimozione di 15 auto dalla strada ogni anno. Tuttavia, lo studio sottolinea anche che raggiungere questo obiettivo non è semplice. L'alto costo dei pannelli solari, delle batterie e dei sistemi di raffreddamento avanzati presenta una barriera finanziaria importante. Inoltre, trovare spazio sufficiente per i pannelli solari nelle aree urbane affollate è difficile, e la natura intermittente del sole significa che fare affidamento esclusivamente sulla generazione in loco richiede una pianificazione e un accumulo accurati.

In definitiva, il documento suggerisce che, sebbene un data center net-zero sia tecnicamente possibile, esso richiede una combinazione attenta di strategie. Non basta semplicemente aggiungere pannelli solari; la struttura deve prima essere progettata per disperdere il meno possibile l'energia. I ricercatori sottolineano che l'approccio più efficace consiste nell'utilizzare metodi di raffreddamento avanzati, catturare il calore residuo dove ha senso farlo e integrare le fonti di energia rinnovabile in modo da tener conto del clima locale e delle condizioni della rete. Concludono che, sebbene la tecnologia esista per costruire queste strutture ecologicamente responsabili, la loro adozione su larga scala dipenderà dal superamento degli elevati costi iniziali e dal trovare modi per standardizzare il modo in cui questi sistemi vengono misurati e regolamentati. Lo studio funge da modello pratico, dimostrando che con il giusto mix di efficienza e generazione di energia rinnovabile, anche una struttura in un caldo deserto può operare senza un'impronta di carbonio.