Zonnenergie voor stedelijk AI
-- De visie van een ingenieur
Zonnenergie voor stedelijk AI: De visie van een ingenieur
AI in steden verbruikt energie op twee zeer verschillende manieren, en de combinatie van fotovoltaïsche technologie en energieopslag past veel beter bij de eerste categorie dan bij de tweede. Datacentra en AI-systemen vormen grote, continuïe en altijd aanstaande energieverbruikers. De ‘stedelijke randapparaten’ (verkeerscamera’s, sensoren, slimme lichtmasten, kleine energiecellen) zijn daarentegen duizenden kleine, intermittentieverebruikers die minder gevoelig zijn voor vertragingen in de energielevering. Dezelfde technologie kan voor beide categorieën worden gebruikt, maar de architectuur en de aangegeven prestaties verschillen. Op deze pagina worden deze twee categorieën uit elkaar gehouden, en wordt de methode beschreven die we gebruiken voor het berekenen van de energiebehoef van de laatste categorie – de categorie voor wie we de hardware ontwikkelen.
De energiebehoef: cijfers en feiten
Het rapport ‘Electricity 2024’ van de IEA schat dat datacentra, AI-systemen en de mijning van cryptocurrencies in 2022 samen ongeveer 460 TWh energie verbruikten, wat ongeveer 2% van de wereldwijde energieconsumptie uitmaakte. De IEA voorspelt dat dit cijfer in 2026 kan overschrijden de 1000 TWh, een niveau dat overeenkomt met de jaarlijse energieconsumptie van Japan. We citeren dit rapport in plaats van ongeverifieerde groeicijfers, omdat de bron van de cijfers belangrijk is voor de betrouwbaarheid van de schattingen.
Klasse 1: Datacentra – waar PV+opslag helpt, en waar het niet helpt
In een datacentrum spelen PV (zonnepanelen) en opslag drie belangrijke rollen:
- Peaks shaving : Het opslaan van energie in de batterijen tijdens piektijden om de factuurde energiekosten te verlagen.
- Valley filling : Het opladen van batterijen met energie van zonnepanelen op het middaguur, wanneer de energieopwekking ruim voldoende en goedkoop is.
- Ride-through : Het voorkomen dat cruciale systemen uitvallen tijdens stroomstoringen in het elektriciteitsnetwerk.
PV+opslag kan echter de constante energiebehoef van een datacentrum niet volledig dekken. Om een constante energiebron van 1 MW te realiseren met PV en vier uur opslag, zijn grote zonnepaneleninstallaties en opslagcapaciteiten van meerdere megawatt nodig. In de praktijk blijft het elektriciteitsnetwerk of een vaste energiekoopovereenkomst de belangrijkste bron van energie. Als een project wordt aangeboden als ‘solar powered data center’, vraag dan de berekeningen voor de capaciteitsfactor voordat u de details van het project bekijkt.
Klasse 2: De stedelijke randgebieden – waar onafhankelijke zonnepanelen de natuurlijke oplossing zijn
In stedelijke randgebieden zijn onafhankelijke zonnepanelen de beste optie voor het opwekken van energie. Hier vormen zonnepanelen een goede toevoeging aan de bestaande energiebronnen.
De ‘edge load’ (de randbelasting) is precies waar onze hardware zich bevindt. Een verkeerscamera verbruikt enkele watt; een slim straatlantaarn verbruikt ‘s nachts 10–60 watt; een sensornode verbruikt minder dan een watt. Deze apparaten hebben een laag energieverbruik en worden gebruikt op plekken waar het graven van kabels duur is en waar het vaak maanden duurt om toestemmingen te krijgen voor het aanbrengen van een elektriciteitsnetwerk. Voor deze apparaten is een batterijgebufferde DC-stroombron voldoende. Een onafhankelijke PV-systeem met opslagmogelijkheid (PV-plus-storage) is geen compromis, maar juist de juiste oplossing.
De methode die we toepassen om de benodigde apparaten te selecteren, is als volgt:
- Eerst moet de vereiste energiebron worden bepaald: De totale vermogen van alle panelen × de aantal nachtelijke gebruiksuren, plus een toeslag van 10–20% voor overhead-kosten (besturing en communicatie), omdat de opgegeven waarden op de panelen meestal te laag zijn.
- Bepaal de grootte van het panelenarrangement op basis van de slechtste maand, niet van de gemiddelde jaarwaard: Kies de maand met de minste aantal piekzonnuren op de locatie, en bereken de vereiste panelenoppervlakte met een systeemverlaging van 0,75–0,85% om rekening te houden met verontreinigingen, temperatuurverschil, elektriciteitsverliezen en fouten in de besturing. Een systeem dat is gebaseerd op de gemiddelde jaarwaard zal ieder jaar in december niet goed werken.
- Bepaal de grootte van de accu op basis van het gewenste autonoomiebereik: De werktijd van randapparaten (edge devices) ligt meestal tussen de drie en vijf dagen; in klimaten met hoge breedtegraden en monsoenen is dit bereik zelfs nog hoger. De accucapaciteit bereken je als: Autonoomiedagen × Nachtelijk verbruik in Wh ÷ Haalbare ontlaaddiepte. Voor LiFePO4-accu’s (lithium-iron-phosphate) ligt de haalbare ontlaaddiepte meestal tussen 0,8 en 0,9.
- Kies een geschikte besturing voor het panelenarrangement: Moderne panelen met hoge vermogen (high-Wp) vereisen een besturing met MPPT-functie (Maximum Power Point Tracking) wanneer ze worden gebruikt in een systeem met een spanning van 12/24 V. De regels voor het kiezen van de juiste besturing vind je in onze gids MPPT vs PWM; de berekeningstool voor de juiste besturing helpt je bij deze keuze.
Distribueerde energieopwekking op stedelijke gebouwen
Op daken en muren van kantoren en winkelcentra zijn zonnepanelen geplaatst die eerst de energie gebruiken voor de eigen AI-systemen van het gebouw. De claims over de energieopwekkingscapaciteit blijken te kloppen wanneer de juiste aannames worden gemaakt. Een middelgrote commerciële gebouw met een geheel dak bedekt met zonnepanelen (stel dat de bruikbare oppervlakte 1000 m² is en de efficiëntie van de panelen rond de 150 W/m² ligt) kan ongeveer 150 kWp opwekken. Bij een rendement van 1200–1500 kWh per kWp per jaar (afhankelijk van de locatie) wordt jaarlijks een energieopwekkingscapaciteit van circa 180.000–225.000 kWh behaald. De echte voordelen zijn niet alleen energiegerelateerd, maar ook structureel: de opgewekte energie wordt direct gebruikt door het gebouw, waardoor de energieverliezen tijdens het transport worden verminderd. Bovendien kan het gebouw zelf bepalen wanneer het energie verbruikt, in overeenstemming met de energieopwekkingscurve van de zonnepanelen.
Energiecentrales van grotere omvang die zich bevinden aan de rand van de stad leveren energie rechtstreeks aan het stedelijk elektriciteitsnetwerk. De opslagmogelijkheden die aan het net zijn verbonden zorgen ervoor dat de opgewekte zonneenergie wordt gebruikt op momenten van hoog energieverbruik door kunstmatige intelligentie (AI). De coördinatie van deze processen wordt verzorgd door de netbeheerder, niet door de eigenaar van het gebouw; de technische aspecten (verbindingen met het netwerk, snelheden van energieoverdracht, beperkingen in de energielevering) vallen onder de verantwoordelijkheid van de netbeheerder. We wijzen dit op, omdat projectdocumenten vaak deze twee aspecten (energieopwekking en -opslag) samenvoegen tot één geheel. In werkelijkheid zijn dit twee verschillende onderdelen van een project.
Wat deze pagina niet behandelt
Deze pagina gaat over de concepten en de architectuur van randapparaten die worden gebruikt voor het combineren van zonnepanelen met opslagmogelijkheden, met als doel het ondersteunen van energiebehoefen van kunstmatige intelligentie. Er wordt geen aandacht besteed aan het ontwerp van datacentra, onderzoeken naar de verbindingen met het elektriciteitsnetwerk of de optimalisatie van tarieven; deze zijn projectspecifieke onderwerpen. Voor de installatie van straatlantaarnen en andere randapparaten wordt onze all-in-one-zonnepanelenstraatlantaarn gebruikt als hardware. De economische aspecten van het beperken van het energieverbruik hangen af van de tarieven, niet van de technologie; stel dus eerst de tarieven vast voordat je de technische details van de opslagmogelijkheden bespreekt.