Solární energie pro využití ve městech v rámci umělé inteligence: Názor inženýra na rozdělení zátěží

Přehled poptávky po energii (s konkrétními čísly)

Podle zprávy IEA „Electricity 2024“ spotřebovala v roce 2022 datová centra, systémy umělé inteligence a těžba kryptoměn přibližně 460 terawatt-hodin (TWh) energie, což činí zhruba 2 % celosvětové spotřeby. Prognóza předpokládá, že do roku 2026 tento celkový údaj může přesáhnout 1 000 TWh – což je úroveň srovnatelná s roční spotřebou Japonska. Citujeme právě tuto zprávu, nikoli neověřené procentuální údaje o růstu, protože zdroj těchto údajů je klíčový pro jejich věrohodnost.

Třída 1: Datové centra – kde pomáhá kombinace solární energie a úložiště, a kde ne

Pro datové centra hraje kombinace solární energie a úložiště tři hlavní roli:

1. Snížení špičkové spotřeby – Baterie jsou vybíjeny během období vysoké poptávky, aby se snížila částka účtované za špičkovou spotřebu.
2. Napájení v době nízké spotřeby – Solární energie je využívána k nabíjení baterií v poledne, kdy je výroba energie hojná a levná.
3. Zajištění nepřerušeného provozu – Kritické zařízení jsou chráněny před výpadky elektřiny z distribuční sítě.

Tato kombinace však nenahrazuje trvalou, stabilní zdroj energie potřebnou k provozu datového centra. Napájení trvalého zátěže o výkonu 1 MW pomocí solární energie a čtyřhodinového úložiště vyžaduje velké solární instalace a úložiště schopné pojmout velké množství energie (v řádu megawattů). V praxi zůstává distribuční síť nebo pevná dohoda o nákupu energie hlavním zdrojem energie. Pokud je v nabídce projektu uvedeno, že „solární energie napájí datové centrum“, požádejte o podrobné výpočty týkající se kapacitního faktoru solárního systému, než podepíšete smlouvu.

Třída 2: Městské oblasti – kde je samostatná solární energie optimální řešením

V městských oblastech je kombinace solárních panelů a úložišť často optimálním řešením pro napájení malých a středních zařízení, zejména v místech s dostatkem slunečního světla. Solární systémy mohou tak snižovat náklady na energie a zlepšovat ekologickou stopu datových center.

Hlavní zátěží na našem hardwaru jsou spotřebiče, které spotřebovávají energii. Například dopravní kamera spotřebuje pouze několik wattů, chytrý sloup osvětlení během noci spotřebuje 10 až 60 wattů, zatímco senzorový uzel spotřebuje méně než jeden watt. Tyto spotřebiče jsou malé a nacházejí se v místech, kde je výkopová práce nákladná a získání připojení k elektrické síti trvá měsíce. Pro jejich provoz je dostačující napájení z baterie. Samostatné solární systémy kombinované s úložištěm energie pro ně nejsou kompromisem – jedná se o správné řešení.

Metoda určování velikosti těchto systémů, kterou používáme, je následující:

1. Nejprve určete celkovou výkonovou kapacitu zařízení. Výkon zařízení v wattách vynásobte počtem nočních provozních hodin a přidejte příplatek 10–20 % na náklady spojené s řízením a komunikací, protože údaje na štítku zařízení jsou často podhodnocené.
2. Velikost solárního panelového systému určujte na základě nejhoršího měsíce, nikoli ročního průměru. Použijte měsíc s nejnižším počtem hodin slunečního záření během roku a zohledněte slevu v výkonu systému ve výši 0,75–0,85 % kvůli nečistotám na panelích, teplotním vlivům, vedení elektřiny a ztrátám v řídicím systému. Systém navržený na základě ročního průměru slunečního záření často selže právě v prosinci.
3. Velikost baterie určujte podle požadované doby autonomního provozu. Pro okrajová zařízení je optimální doba provozu 3 až 5 dní; v zimních oblastech s vysokými zeměpisnými šířkami nebo v monzunových klimatech je tato doba ještě vyšší. Kapacita baterie se vypočítává podle vzorce: Kapacita baterie = Počet dní autonomního provozu × Počet Wh energie spotřebovaných za noc ÷ Použitelná hloubka vybití baterie. Pro baterie typu LiFePO4 (lithium iron phosphate) je tato hodnota obvykle mezi 0,8 a 0,9.
4. Řídicí systém musí být vhodně vybrán pro daný solární panelový systém. Moderní panely s vysokým výkonem vyžadují řídicí systémy typu MPPT (Maximum Power Point Tracking); pravidla pro výběr řídicích systémů jsou popsána v našem průvodci MPPT vs PWM. K výpočtu potřebných parametrů řídicího systému použijte náš kalkulačku.

Distribuovaná výroba elektřiny na městských budovách

Fotovoltaické panely umístěné na střechách a na stěnách kancelářských budov a nákupních center nejprve napájejí vlastní požadavky na energii vyžadované umělou inteligencí (AI). Toto tvrzení vydrží i po přezkumu, pokud jsou zohledněny všechny relevantní faktory. Středně velká komerční budova, která využívá celou svou střechu pro fotovoltaické panely (předpokládejme plochu 1 000 m² s účinností 150 W/m²), produkuje přibližně 150 kWp energie. Při roční účinnosti 1 200–1 500 kWh/kWp (závislé na konkrétním místě) dosahuje roční produkce energie kolem 180 000–225 000 kWh. Skutečné výhody těchto systémů spočívají nejen v energetické úsporě, ale také v jejich strukturálních vlastnostech: elektrická energie se vyrábí přímo v blízkosti míst, kde je potřeba, což snižuje přenosové ztráty a umožňuje budově přizpůsobit svou spotřebu výkonu fotovoltaických panelů.

Elektrárny využívající větší množství energie na okraji města napájejí přímo městskou elektrickou síť; úlohu přesměrování solární energie do doby nejvyšší poptávky po výkonu umělé inteligence plní systémy určené k ukládání energie. Koordinátorem těchto procesů je provozovatel elektrické sítě, nikoli vlastník budov. Inženýrské otázky týkající se propojení elektráren se sítí, rychlostí přenosu energie či omezení jejího využití spadají do kompetence tohoto provozovatele. Zde na to upozorňujeme, protože projektové dokumenty často spojují oba typy projektů do jediné kategorie „solární energie pro využití umělé inteligence“, přičemž ve skutečnosti jde o dvě různé kategorie projektů.

Co tato stránka nezahrnuje

Tato stránka se věnuje konceptům a architektuře zařízení určených k využití solární energie spolu s systémy pro ukládání energie pro potřeby umělé inteligence v městském prostředí. Nezahrnuje však návrhy datových center, studie týkající se propojení elektráren se sítí ani optimalizaci tarifů – tyto aspekty patří do rámce konkrétních projektů. Pro nasazení solárních světel na ulicích používáme naši řadu produktů „all-in-one solar street light“ [solar street light“]. Ekonomická efektivita tohoto řešení závisí na tarifech, nikoli na samotné technologii; proto je důležité nejprve vytvořit model tarifního schématu, teprve poté model baterií určených k ukládání energie.