Energia słoneczna dla zastosowań AI w miastach: punkt widzenia inżyniera

Obraz popytu na energię, ilustrowany konkretnymi liczbami

Raport IEA „Electricity 2024” szacuje, że w 2022 roku centra danych, systemy AI oraz procesy wydobywania kryptowalut zużyły około 460 TWh energii, co stanowi mniej więcej 2% globalnego zużycia energii. Prognozuje się, że do 2026 roku ten bilans może przekroczyć 1000 TWh – poziom porównywalny z rocznym zapotrzebowaniem Japonii. Wybieramy ten raport zamiast niepotwierdzonych prognoz wzrostu, ponieważ dokładne źródła danych robią różnicę pomiędzy wiarygodnymi informacjami a niepotwierdzonymi twierdzeniami.

Klasa 1: Centra danych – w których fotowoltaika w połączeniu z magazynowaniem energii pomaga, a w których nie

Fotowoltaika w połączeniu z magazynowaniem energii pełni trzy istotne role w centrum danych:

1. Redukcja pico-nagromadzeń energii – odpowiadanie za rozładowanie akumulatorów w okresach największego popytu, aby zmniejszyć koszty energii w tych godzinach.
2. Zapewnienie dostaw energii w okresach niskiego popytu – ładowanie akumulatorów o godz. południowych, gdy produkcja energii jest duża i tańsza.
3. Podtrzymywanie działania kluczowych systemów w przypadku awarii w sieci elektroenergetycznej .

Niezastępuje jednak stałą, bezawarijną moc potrzebną do zasilania ciągłych procesów w centrum danych. Aby zasilić ciągły obciążenie o mocy 1 MW za pomocą fotowoltaiki w połączeniu z magazynem energii na okres czterech godzin, potrzebny jest dużych rozmiarów system fotowoltaniczny oraz magazyn energii o dużej pojemności (w skali MWh). W praktyce głównym źródłem energii wciąż jest sieć elektroenergetyczna lub umowa na zakup energii. Jeśli projekt reklamuje się jako „solarne zasilanie centrum danych”, sprawdź dokładne wyliczenia dotyczące wskaźnika wykorzystania mocy (capacity factor) przed podpisaniem umowy.

Klasa 2: Periferie miast – w których autonomiczne systemy solarne stanowią naturalne rozwiązanie

W obszarach periferii miast autonomiczne systemy solarne są doskonałym rozwiązaniem, umożliwiającym zasilanie lokalnych obiektów bez zależności od sieci elektroenergetycznej.

Obciążenie typu „edge load” stanowi kluczowy element w działaniu naszego sprzętu. Kamery monitoringu zużywają około kilku watt energii; słupy świetlnych latarni inteligentnych pobierają od 10 do 60 watt w ciągu nocy; zaawansowane sensory zużywają mniej niż jeden watt energii. Te obciążenia są niewielkie, a ich instalacja jest możliwa w miejscach, gdzie wykonywanie prac ziemnych jest kosztowne, a uzyskanie pozwolenia na podłączenie do sieci elektrycznej może trwać miesiące. W takich przypadkach wystarczy źródło zasilania w formie prądu stałego (DC) z akumulatorem. Rozwiązanie typu „solarna elektrownia + magazyn energii” nie stanowi kompromisu – to właśnie jest najlepsza opcja.

Metoda wyboru odpowiedniego rozmiaru sprzętu, którą stosujemy, polega na następującym kroku:

1. Najpierw ustalij moc instalacji. Łączna moc paneli słonecznych × liczba godzin pracy w ciągu nocy, plus dodatkowy procent (10–20%) na koszty sterowania i komunikacji – informacje na tabliczkach identyfikacyjnych mogą być niepełne.
2. Wybierz rozmiar instalacji na podstawie najgorszego miesiąca, a nie średniego rocznego poziomu światła słonecznego. Użyj miesiąca z najmniejszą ilością godzin światła słonecznego w ciągu dnia, uwzględniając faktory takie jak zanieczyszczenie paneli, temperatura, parametry instalacji elektrycznej oraz straty w układzie sterującym (obniżenie wydajności o 0,75–0,85%). Instalacja zaprojektowana na podstawie średniego rocznego poziomu światła słonecznego często nie funkcjonuje dobrze w grudniu.
3. Wybierz pojemność akumulatora według celu uzyskania autonomicznej pracy systemu. Czas pracy systemu powinien wynosić od trzech do pięciu dni; w zimowych warunkach na dużych szerokościach geograficznych lub w klimatach monsunowych pojemność akumulatora musi być większa. Obliczenie pojemności akumulatora: liczba dni autonomicznej pracy × ilość energii potrzebna w ciągu nocy (w Wh) ÷ dostępna głębokość rozładowania akumulatora (0,8–0,9 w przypadku akumulatorów typu LiFePO4).
4. Dopasuj układ sterujący do charakterystyk paneli słonecznych. Nowoczesne panele o wysokiej mocy wymagają układów typu MPPT (maximizujących wydajność przy odpowiednim napięciu); zasady wyboru układów sterujących są opisane w naszym przewodniku MPPT vs PWM. Do obliczenia wymaganych parametrów układu sterującego użyj kalkulatora.

Generacja rozproszona na budynkach miejskich

Słońceczne panele montowane na dachach i ścianach biurowców oraz galerii handlowych są używane przede wszystkim do zasilania własnych potrzeb budynków w zakresie energii potrzebnej do działania systemów sztucznej inteligencji (AI). Twierdzenie o dużych korzyściach z takiego rozwiązania utrzymuje się po uwzględnieniu wszystkich założeń. Budynek handlowy średniej wielkości, na którym wszystki dach jest wykorzystany do instalacji paneli słonecznych (przyjmiemy, że powierzchnia paneli wynosi 1000 m², a ich efektywność to około 150 W/m²), może generować mniej więcej 150 kW energii. W przypadku efektywności produkcji energii na poziomie 1200–1500 kWh na kWp rocznie (zależnie od lokalizacji), roczna produkcja energii wynosi około 180 000–225 000 kWh. Faktyczne korzyści wynikają nie tylko z aspektyu energetycznego, ale także z aspektów konstrukcyjnych: generowana energia jest dostępna w miejscu jej potrzebowania, więc zmniejszają się straty podczas transportu, a budynek może dostosować swoje zużycie energii w zależności od produkcji paneli słonecznych.

Centralizowane elektrownie i sieć energetyczna

Elektrownie dużego rozmiaru, znajdujące się na periferii miasta, zasilają bezpośrednio miejską sieć energetyczną, a systemy magazynowania energii umożliwiają przenoszenie energii słonecznej w momencie największego popytu generowanego przez zaawansowane technologie (AI). Punkt koordynacji w tym procesie stanowi operator sieci, a nie właściciel budynku; pytania inżynieryjne (dotyczące łączeń między elektrowniami, szybkości dostaw energii, ograniczeń w jej wykorzystaniu) należą do kompetencji operatora sieci. Zwracamy na to uwagę, ponieważ często w dokumentach projektowych obie skale (elektrownie słoneczne i systemy magazynowania energii) są łączone w jeden całościowy projekt. W rzeczywistości są to różne projekty.

Co na tej stronie nie jest opisane

Na tej stronie przedstawione są koncepcje oraz architektury urządzeń peryferyjnych stosowanych w związku z rozwiązaniami typu „solar plus storage” dla obciążeń energetycznych powiązanych z technologiami AI. Nie są tu opisane procedury projektowania centrów danych, badania dotyczące łączeń między elektrowniami, ani metody optymalizacji taryf energetycznych – te aspekty należą do specyfiki poszczególnych projektów. Jeśli chodzi o urządzenia do oświetlenia ulic, nasza linia produktów „all-in-one solar street light” [solar street light”] stanowi odpowiedni sprzęt do realizacji tego rozwiązania. Ekonomia takich rozwiązań zależy od taryf energetycznych, a nie od samej technologii; należy najpierw zaprojektować schemat cen energii, a dopiero potem rozważać aspekty związane z magazynowaniem energii.