Solkraft för urbant AI: En ingenjörs syn på energibehov

Postat avOSD-redaktionen, fabriksingenjörer med 15 års erfarenhet av produktion och service i fält iMest populära, Lösningar

Soporte de energía para IA urbana con almacenamiento fotovoltaico

AI i städerna förbrukar energi på två helt olika sätt, och kombinationen av fotovoltaik och energilagring passar mycket bättre det första tillvägagångssättet. Datacenter och AI-system är stora, kontinuerliga och alltid aktiva energiförbrukare. Urbana system (trafikkameror, sensorer, smarta lampar, små energibaserade enheter) består av tusentals mindre, intermittenta och latens-toleranta energiförbrukare. Samma teknik kan användas för båda typerna av system, men arkitekturen och de angivna energibehoven skiljer sig. Denna sida förskiljer dessa två typer av energibehov och presenterar sedan den metod vi använder för att beräkna energibehoven för de urbana systemen – det är just den metod vi använder vid utvecklingen av hårdvara för dessa system.

Energibehovet – med konkreta siffror

Enligt IEAs rapport “Electricity 2024” förbrukade datacenter, AI-system och kryptovalutaminning cirka 460 TWh energi under 2022, vilket motsvarar ungefär 2 procent av den globala energiförbrukningen. Rapporten förutspår att denna summa kan öka till över 1 000 TWh till 2026 – en nivå jämförbar med Japans årliga energiförbrukning. Vi hänvisar till denna rapport istället för osäkra tillväxtprocent, eftersom källan till dessa uppgifter avgör hur trovärdiga siffrorna är.

Klasse 1: Datacenter – var solceller och lagring hjälper, och var de inte gör det

För ett datacenter spelar solceller i kombination med lagring tre viktiga roller:

Minskning av toppbelastning : Batterier laddas ut under perioder med hög efterfrågan för att minska de kostnadsbelastande toppbelastningarna.
Fyllning av lågbelastning : Solceller laddas under middagen, när produktionen är riklig och billig.
Pågående drift under störningar i elnätet : Solceller och lagring säkerställer att viktiga system fortsätter att fungera även under störningar i elnätet.

Solceller och lagring ersätter dock inte den kontinuerliga, stabila strömförsörjningen som krävs för en datacenter. För att täcka en kontinuerlig strömförbrukning på 1 MW med solceller och lagring på fyra timmar krävs en stor solcellsanläggning samt lagring med stor kapacitet (i megawattordning). I praktiken är elnätet eller ett avtal om fast strömförsörjning fortfarande den huvudsakliga källan till strömmen. Om ett projektförslag lyder “Solceller drivs datacentret”, be om en matematisk beräkning av kapacitetsfaktorn innan du går vidare med förhandlingen.

Klasse 2: Den urbana omgivningen – var självständiga solcellsanläggningar är det naturliga lösningen

I urbana områden är självständiga solcellsanläggningar det mest lämpliga lösningen för strömförsörjning av datacenter.

Den spänningsbelastning som påverkar vårt utrustning är avgörande för dess effektivitet. En trafikkamera förbrukar några watt, en smart gatulampa förbrukar 10–60 watt under natten, och en sensornod förbrukar mindre än en watt. Dessa belastningar är ganska små, och de finns ofta på platser där det är dyrt att gräva kanaler för elektrikledningar – och där det tar månader att få behörighet för sådana anslag. Dessa system behöver bara en batteribaserad DC-ström. En självständig solcellsanläggning med lagring är inte ett kompromisslösning för dem; det är just det rätta lösningen.

Metoden vi använder för att bestämma storleken på dessa system är följande:

Rätta till belastningen först. Totala effektförbrukningarna av panelerna × nattliga driftstider, plus en tilläggssumma på 10–20% för kostnader relaterade till styrning och kommunikation – eftersom uppgifterna på panelerna ofta underskattar dessa kostnader.

Bestäm storleken på panelsystemet utifrån den värsta månaden, inte den årliga genomsnittet. Använd den månad med minsta mängd soltimmar på platsen, och beräkna systemets effekt med en nedskattning på 0,75–0,85 för faktorer som föroreningar, temperatur, ledning och förluster i styrningen. Ett panelsystem som baseras på det årliga genomsnittet av soltimmar fungerar ofta inte korrekt under december.

Bestäm storleken på batteriet utifrån den önskade autonomitetsperioden. För edge-load-system (system som drivs av batterier) räcker vanligtvis en autonomitetsperiod på tre till fem dagar. I vinter på höga latituder eller i monsunklimat krävs större batterier. Batteriekapacitet = autonomitetsdagar × nattliga effektförbrukningar (i Wh) ÷ användbar nedladdningsdjup – för LiFePO4-batterier är detta nedladdningsdjup vanligtvis 0,8–0,9.

Anpassa styrningen till panelsystemet. Moderna paneler med hög effekt (Wp) som används i system med spänning 12/24 V kräver en MPPT-styrning (maximum power point tracking). Reglerna för spänningssamband mellan paneler och styrning finns i vår guide MPPT vs PWM. Vår kalkylator för styrningstillväxt hjälper dig att genomföra hela beräkningsprocessen.

Distribuerad energiproduktion på urbana byggnader

Solcellsanläggningar på tak och väggar i kontorsbyggnader och köpcentra förser först byggnadens egna AI-system (artificiella intelligens) med energi. Det påstående om energiutbytet blir stödjbart när de relevanta antagandena tas hänsyn till. En medelstor kommersiell byggnad som använder hela sitt tak för solcellsanläggningar (till exempel 1 000 m² användbart ytor med en effektivitet på cirka 150 W/m²) kan generera cirka 150 kWp energi. Med en energiutbyttnivå på 1 200–1 500 kWh per kWp per år (beroende på plats) producerar byggnaden årligen mellan 180 000 och 225 000 kWh. De verkliga fördelarna ligger inte bara i energisänkningen, utan också i den strukturella fördelarna: Solcellerna ligger direkt bredvid de system som drar energi, vilket minskar överföringsförluster och gör det möjligt för byggnaden att justera sin egen energiförbrukning i takt med solcellernas produktion.

Centraliserade solkraftverk och elnät

Kraftverk i storskalig produktion belägna på stadens periferi levererar strömmen direkt till det stadsbaserade elnätet, med hjälp av lagringsanläggningar som flyttar solenergi till tidpunkter då efterfrågan från AI-system är högst. Koordinationspunkten för dessa processer är elnätet, inte byggnadsägaren, och de tekniska frågorna (sammankopplingar, strömförändringar, möjliga nedstängningar av kraftverk) ingår i samtalet mellan elnätet och byggnadsägaren. Vi påpekar detta eftersom projektdokument ofta blandar dessa två aspekter till en enda beskrivning (“solenergi för AI-system”). Det handlar i själva verket om två olika typer av projekt.

Vad denna sida inte täcker

Denna sida behandlar de koncept och arkitekturerna bakom solcellsanläggningar tillsammans med lagringsanläggningar för användning av solenergi vid AI-system. Den täcker inte utformningen av datacenter, studier kring samankopplingar med elnätet eller optimering av tariffer – dessa är projektsspecifika aspekter. För installationer av gatulampor och andra gränssnittsenheter använder vi vår helhetslösning för solcellsbaserade gatulampor. Ekonomierna bakom effektminskning under toppbelastningar beror på tarifferna, inte på teknologin; modellera därför först din strömförändringsplan innan du modellerar batterier.