...

Nowy sposób przechowywania zrównoważonej energii: tzw. baterie informacyjne

10 lutego 2022
Nowy sposób przechowywania zrównoważonej energii: tzw. baterie informacyjne

Naukowcy University of Southern California (USC) wskazują nowy sposób radzenia sobie z nieciągłymi źródłami energii odnawialnej – wiatrowej i słonecznej. Proponują tanie i wydajne rozwiązanie w dziedzinie przechowywania zielonej energii.

Przyszłość zasilana zrównoważonymi źródłami energii może uratować świat przed niszczycielskimi zmianami klimatycznymi i obniżyć rachunki za energię. Jednak energia odnawialna ma problem z nieciągłością – słońce nie dostarcza energii w nocy, a wiatry mogą nagle ustać.

Ponadto sieci energetyczne muszą utrzymywać równowagę między podażą i popytem, w przeciwnym razie istnieje groźba przepięć i przerw w dostawie prądu. W rezultacie energia odnawialna nie jest dostatecznie wykorzystana w okresach nadmiernej produkcji, podczas gdy w innych przypadkach elektrownie spalają paliwa kopalne, aby zaspokoić niedobory energii elektrycznej w sieciach. – W obecnym stanie rzeczy za pięć lat ilość energii odnawialnej marnowanej w Kalifornii każdego roku będzie równa ilości energii zużywanej każdego roku w Los Angeles – powiedział Barath Raghavan, adiunkt w dziedzinie informatyki w USC Viterbi School of Engineering.

Bateria lepiej przechowująca energię – święty Graal dla naukowców na całym świecie – jest uważana za klucz do rozwiązania problemu nieciągłości dostaw energii wiatrowej i słonecznej. Jednak obecne rozwiązania w zakresie przechowywania, w tym akumulatory litowo-jonowe i elektrownie wodne szczytowo-pompowe, są drogie i trudne do skalowania.

A gdyby zamiast tego można było przechowywać nadwyżki energii odnawialnej w obliczeniach? Takie jest myślenie stojące za tzw. bateriami informacyjnymi – nowym systemem zaproponowanym przez prof. Barath Raghavana i dr Jennifer Switzer z Uinversity of California San Diego, opublikowany niedawno w „ACM Energy Informatics Review”.

Przewidywanie możliwych obliczeń
Podstawowa idea baterii informacyjnych jest prosta: gdy energia odnawialna jest dostępna w nadmiarze, jest ona wykorzystywana do spekulatywnego wykonywania obliczeń w dużych, energochłonnych centrach danych. Według Biura ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej te centra danych – od Google i Facebooka po renderowanie filmów w Hollywood – zużywają od 10 do 50 razy więcej energii niż typowy budynek komercyjny. Przechowywane wyniki obliczeń można następnie wykorzystać później, gdy zielona energia jest mniej dostępna.

Zauważyliśmy, że jeśli możemy przewidzieć możliwe obliczenia, które mogą wystąpić w przyszłości, możemy wykonać te obliczenia w czasie, gdy dostępna jest energia ze źrodeł odnawialnych, i przechowywać wyniki, które teraz zawierają zmagazynowaną energię – powiedział Raghavan, którego badania koncentrują się na systemach zrównoważonego rozwoju.

Przykładowo każdego dnia centra danych YouTube transkodują ponad 700 000 godz. filmów do różnych rozdzielczości. Wiele z tych obliczeń jest przewidywalnych i można je wykonać w czasie, gdy występuje nadmiar zielonej energii. W tym momencie dane są przechowywane na serwerach do późniejszego wykorzystania, gdy w sieci będzie mniej energii odnawialnej – zasadniczo przenosząc zużycie energii elektrycznej z jednego okresu na drugi.

Czy to działa jak bateria?
W sensie naukowym, powiedział Raghavan, baterie są magazynami energii potencjalnej do wykonywania użytecznej pracy. Magazynowania energii w bateriach polega na przekształceniu jednego rodzaju energii w inny rodzaj energii potencjalnej, np. elektrycznej w grawitacyjną, chemicznej w elektryczną. W tym przypadku informacja dostarcza energię w taki sam sposób jak bateria, ponieważ energia elektryczna jest przekształcana w coś, co można by nazwać „informacyjną energią potencjalną”.

Oprócz wykorzystania przewidywalności zadań system ten jest również elastyczny: obliczenia wykonywane z wyprzedzeniem nie muszą dokładnie odpowiadać obliczeniom wykonanym później.

Obsługujemy wstępne obliczenia wielu fragmentów obliczeń całościowych. Następnie możemy wybrać małe ich fragmenty wykonane wcześniej – jak puzzle – i złożyć je razem, aby szybko wykonać zupełnie nowe zadanie obliczeniowe – powiedział Raghavan.

W przypadku niektórych rodzajów obciążeń system akumulatorów informacyjnych zapewnia lepszą wydajność niż akumulatory litowo-jonowe. Wydajność właściwa zależy od wielu czynników, takich jak rodzaje przeprowadzanych obliczeń i przewidywalność mocy. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych przechowywanie danych jest opłacalne zarówno pod względem finansowym, jak i energetycznym. Może to pomóc w zmniejszeniu zależności od paliw kopalnych, które odpowiadają za trzy czwarte światowych emisji gazów cieplarnianych.

Obiecująca alternatywa na przyszłość
Chociaż sam pomysł jest stosunkowo prosty, wyzwaniem, jak twierdzą naukowcy, jest określenie, jakie obliczenia należy wykonać, gdzie i kiedy oraz jak te obliczenia należy wykonać, aby później skutecznie odzyskać wyniki. W artykule zatytułowanym „Information Batteries: Storage Opportunity Power with Speculative Execution” Raghavan i Switzer przedstawiają projekt i wdrożenie koncepcji systemu bezemisyjnego, który obejmuje powtarzalne sieci neuronowe do przewidywania przyszłej dostępności energii odnawialnej i nadchodzących zadań w obliczeniowych centrach danych.

Infrastruktura byłaby rozproszona geograficznie. Składałaby się z wielu małych, znajdujących się w różnych miejscach na kuli ziemskiej centrów danych, z których każde zlokalizowane byłoby w regionie kraju, w którym wiadomo, że produkcja energii z wiatru lub słońca w danym czasie jest wysoka.

Istnieją pewne ograniczenia, które naukowcy omawiają w badaniu. Przykładowo takie rozwiązanie jest możliwe tylko w przypadku niektórych obciążeń i w niektórych kontekstach. Raghavan wierzy jednak, że dzięki ulepszonemu przewidywaniu i integracji z dużymi systemami technologia wskazuje na obiecującą przyszłą alternatywę dla przechowywania zielonej energii. – W cywilizacyjnym wyzwaniu zrównoważonego rozwoju potrzebujemy każdego narzędzia, jakie możemy zdobyć – powiedział Raghavan.

Źródło: University of Southern California

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika