Az energiakrízis idején azt is számba kell venni, hogy melyek azok a terjedő új technológiák, létesítmények, amelyek az ismert régiek (pl. vegyipari eljárások, alumíniumkohászat) mellett különösen sok villamosenergiát fogyasztanak. Az akkumulátor-gyártásról, avagy a kriptovaluták bányászatáról közismert azok nagy villamosenergia-igénye. Viszont kevéssé ismert, de jelentős „energia-vámpírok” az adatközpontok. De talán éppen ezekben jöhet létre olyan előremutató „energia-ökoszisztéma”, amely megalapozhatja a közcélú villamosenergia-rendszerek jövőjét is.
A „big picture”
Az elmúlt években számos cikk szólt a kriptovaluták bányászatának hatalmas villamosenergia igényéről. A Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index november 8-ai állapota szerint a bitcoin bányászat becsült teljesítményigénye globálisan 11.57 GW (gigawatt), éves fogyasztása pedig 101.41 TWh (terawatt-óra). Összehasonlításként: Finnország és Belgium éves fogyasztása 82 TWh, míg Hollandiáé 110 TWh (2019. évi állapot).
Kevesebb figyelmet kap egy olyan egyre inkább terjeszkedő technológia, az adatközpont (Data Center: DC). Viszont hatalmas villamosenergia-igénye miatt egyre nehezebb számára alkalmas telepítési helyszínt találni. Ennek főbb okai:
- Csökken az olyan erős és kihasználatlan villamosenergia-termelő kapacitással rendelkező hálózati csatlakozási pontok száma, amelyek fejlesztés nélkül képesek lennének az adatközpontok jelentős – akár az 50-100 MW sávba is eshető – villamos teljesítményigényének kielégítésére.
Viszonyításul:
A Facebook éves fogyasztása 6.966 TWh. Ezt a villamosenergia-mennyiséget egy olyan erőmű tudná előállítani, amely az év minden egyes napján 0-24 óra időtartamban 795 MW teljesítménnyel termelne. Viszonyítási alap lehet, hogy pl. a Paksi Atomerőműben 4 db 500 MW blokk termel, azaz a Facebook működtetéséhez csaknem két blokk egész éves termelésére lenne szükség.
Avagy a Google éves fogyasztása 2020-ban 15.5 TWh volt. Ezt a villamosenergia mennyiséget egy az év minden napján folyamatosan 1.770 MW teljesítménnyel dolgozó erőmű lenne képes előállítani. Ehhez a Paksi Atomerőmű összes 500 MW-os blokkjára szükség lenne. Egy átlagos Google-adatközpont működtetése 77 MW teljesítményt igényel.
„Mellesleg” a kriptovaluta-bányászat globális villamosenergia-igénye többszöröse a Google-énak: 100 TWh (ugyancsak 2020. évi állapot). Ez a villamosenergia-mennyiség annyi, mint Pakisztán éves fogyasztása.
A Facebook világszerte 18 adatközpontot működtet. A Facebook szumma teljesítményigényéből számolva egy átlagos Facebook-adatközpont teljesítményigénye 44 MW. A Google 23 adatközpontja esetében ugyanígy számolva egy átlagos Google-adatközpontra 77 MW teljesítményigény adódik.
A teljes képhez tartozik, hogy 2020-ban pl. az adatátviteli hálózatok globális villamosenergia-fogyasztása 260-340 TWh volt (ez a globális fogyasztás 1,1-1,4%-a). - Az adatközpontok energiafogyasztása csak az EU-ban 2018-ban 76,8 TWh volt. 2030-ra kb. 98,5 TWh fogyasztás – azaz 28%-os növekedés – várható.
Összességében a DC-k 2020-ban globálisan 200-250 TWh villamosenergiát fogyasztottak el. Ez a globális villamosenergia-igény mintegy 1%-a. - A 2010-2020 időszakban – jelentős mértékben a COVID járvány hatásaként ugrásszerűen megnőtt online igények (pl. konferencia alkalmazások, streaming) miatt is – a globális adatközpont forgalom csaknem tízszeresére nőtt. Ugyanakkor az adatközpontok javuló energiahatékonysága miatt villamosenergia-igényük ugyanebben az időszakban csak 10%-kal nőtt.
- Figyelemre méltó az adatközpontok villamosenergia-felhasználásának összetétele is. A 2014-2020 időszakban a többi komponenshez képest messze nagyobb mértékben (csaknem 25%-kal) nőtt a szerverek villamosenergia-igénye. Még figyelemre méltóbb az adatközpont technológiák villamosenergia-igényének alakulása: miközben a felhőalapú adatközpontoké alig változik, addig a „hagyományos” adatközpontoké kevesebb, mint felére csökken. A hyperscale adatközpontok villamosenergia-igénye ugrásszerűen, mintegy 330%-kal nő.
- A klímaváltozással együtt járó időjárási szélsőségek még „erős” hálózatokban, „erős” villamos táppontokon is csökkentik a villamosenergia-szolgáltatás megbízhatóságát.
- A klímatudatosság növekedésével nő az „energiazabáló” létesítményekkel szembeni lakossági ellenállás.
A világ összes DC-jének villamosenergia-fogyasztását egyetlen fogyasztóként megjelenítve ennek fogyasztása az 5. legnagyobb lenne a világban. Az eddigi gyakorlat szerint ennek fedezetéül a DC-t övező villamos hálózat, az arra csatlakozó erőművek szolgáltak.
E lehetőségek beszűkülésével, ezzel egyidőben az ellátásbiztonsági és környezetvédelmi követelmények felerősödésével a DC-k beruházóinak egyre inkább azzal kell szembesülniük, hogy mind nehezebb megteremteni az egy-egy ország villamos hálózatához való csatlakozás műszaki és adminisztratív feltételeit. Ezért is kell
egyre inkább önellátásra képes DC-kben gondolkodniuk.
Az energiaigény nagyságára tekintettel az első gondolat gázturbinás erőművek létesítése volt. Viszont a közcélú hálózati csatlakozás ÉS a saját erőmű horribilis beruházási (CAPEX) és üzemeltetési (OPEX) költségeket eredményezett volna úgy, hogy a gázturbina környezetvédelmi szempontból is támadási felületet nyújtott volna.
Ennek felismerése – kombinálva a rohamosan bővülő, egyre inkább a vállalatoktól is elvárt klímatudatossággal – a DC-beruházók figyelmét egyre inkább a „zöld adatközpont” (Green Data Center: GDC) koncepció irányába fordítja. Ám
a GDC koncepció megfontolandó
a jövő fenntartható és reziliens
villamosenergia-rendszerében
betölthető szerepe szempontjából is.
Megfontolandó, mert:
- Tökéletes összhangban van a lassan, de következetesen növekvő fenntarthatósági célkitűzésekkel.
- Lényeges eleme a megújuló forrásból származó energia nem csak napi szintű, hanem hosszabb távú tárolása.
- Az egy-egy meghatározott termelői is fogyasztói körre vonatkozó deklarált önellátó képessége, a termelő, tároló kapacitások és fogyasztók később ismertetendő microgridbe (nincs magyar nyelvű megfelelője) – avagy egy legutóbbi rendelet által használt írásmóddal: mikrogridbe – szervezése kompakt „energiaszigeteket” eredményez. Ezek növekvő száma növeli a villamosenergia-rendszer rezilienciáját (ellenálló képességét, rugalmasságát), hiszen egy a korábbiakban kiterjedt blackouttal (áramszünettel) fenyegető súlyos rendszerüzemzavar a microgirdekbe tartozó fogyasztókat nem érinti.
Ugyanakkor kétségtelen, hogy e rendszerek, a GDC jellegű mikrogridek kiépítése – ma még – igen magas költséggel jár. Ez nyilvánvalóan megemeli az azokban elérhető villamosenergia árát. Ám az energiaválság azt eleve új magasságokba emelte. Ugyanakkor
ez az árszint a korábban elképzelhetetlen
műszaki megoldások megtérülési
esélyeit is megnöveli.
A GDC pont ilyen műszaki megoldás. De részleteiben mi is az a Green Data Center?
1. A Green Data Center koncepció
A Green Data Center koncepció lényege, hogy az adatközpont minden egyes rendszere, alrendszere és komponense – hangsúllyal a villamosenergia és hűtő rendszere – megfeleljen a mai, szigorú energiahatékonysági, környezetvédelmi, fenntarthatósági követelményeknek.
A GDC villamosenergia-ellátásában ez az alábbiakat jelenti:
- A GDC kizárólag az önmaga számára megtermelt villamosenergiát használja.
- A termelés kizárólag megújuló energiaforrásokra támaszkodjon.
- A termelés rendelkezzen redundanciával (alapesetben a fotovillamos termelés mellett pl. szélenergia-alapú is legyen kiépítve).
- Rendelkezzen nagy mennyiségű villamosenergia-tárolási kapacitással.
- A tárolási kapacitások is rendelkezzenek redundanciával (alapesetben az akkumulátoros tárolás mellett pl. hidrogén-alapú is legyen kiépítve).
- A GDC esetleges energiafeleslegét akár meg is oszthassa a telepítési helyszín más közcélú energiarendszereivel.
- A termelést, tárolást és fogyasztást fejlett energia-menedzsment rendszer optimalizálja.
A GDC-k elvárt energiahatékonysága (PUE – Power Usage Effectiveness – mutatója) kiemelkedő. Így a GDC koncepció például bármely ország villamosenergia-rendszerének kialakítását is szolgálhatja. A GDC koncepció széles körű megvalósítása nagy lépés lenne a globális felmelegedés egyik fő okát jelentő károsanyag emisszió csökkentésére.
Megjegyzendő, hogy főleg a virtualizációs szoftverek terjedésével egyre nő a felhő- és hiperscale adatközpontok energiahatékonysága. Egy hatékony hiperscale adatközpontban a PUE-érték akár 1,1 is lehet. Ez azt jelenti, hogy 1 MWh-nyi IT-energiaigényhez mindössze 0,1 MWh működési (pl. hűtési) energiaigény tartozik.
Új GDC létesítésekor alapvető fontosságú a helyszínválasztás. Optimális feltételeket kell biztosítani a GDC villamosenergia-ellátását biztosító megújuló-alapú energiatermelő kapacitásoknak, jellemzően a nap- és szélerőműveknek. Emiatt kulcsfontosságú tervezési alapadatok az időjárás, a széljárás, a napos órák száma és éves eloszlása, a hűtés lehetősége. Ezek ismeretében méretezhetők a GDC működéséhez szükséges megújuló-alapú termelő, továbbá a szükséges kapcsolódó tároló kapacitások.
A hálózatról táplált és a kizárólagosan saját forrásból táplált DC-k között léteznek közbülső megoldások is. A lehetőségek:
a. hálózatról táplálás, saját szünetmentes alátámasztással;
b. saját termelés és közcélú hálózatról vételezés mixe;
c. saját termelés prioritása, közcélú hálózatról történő üzemzavari vételezés lehetőségével;
d. kizárólagosan saját termelés.
Az a-c. változatoknál a DC-t és a közcélú hálózatot távvezetéki/kábeles közép- vagy nagyfeszültségű kapcsolat köti össze, általában több táppontról is, azaz redundáns kialakítással. A d. változatnál a DC autonóm módon üzemel, nincs villamos kapcsolat a közcélú hálózattal.
Árnyalja a képet, hogy a c. változat sem jelent feltétlenül állandó galvanikus kapcsolatot a közcélú hálózattal. Ebben a változatban a DC alapesetben önállóan, ún. szigetüzemben működik, azonban súlyosan teljesítményhiányos, üzemzavari helyzetben rákapcsolódik a küldő hálózatra és onnan vételez villamosenergiát.
A b. változat egyik alesete, amikor a DC piaci alapon más megújuló-alapú energiatermelők kapacitásait is igénybe veszi. Ebben élen járnak a különösen nagy fogyasztású DC-k üzemeltetői. 2019-ben a Google 12 TWh, az Apple a 2020-ban 1,7 TWh, míg a Facebook ugyancsak 2020-ban 7 TWh megújuló alapú villamos energiát vásárolt vagy termelt. A legnagyobb DC-üzemeltetők megújulóalapú villamosenergia vásárlásainak volumene és összetétele a 2020-2021 időszakban az alábbiak szerint alakult:
Önmagában pl. a Google-t nézve elgondolkodtató a fogyasztás gyorsuló növekedése:
A Facebook DC-k jellemzői jól kereshető felületen érhetők el.
A cikksorozat következő része a GDC-k áramellátásának rendszertechnikáját, alrendszereit és azok jellemzőit mutatja be.
