Sektor energetyki odnawialnej od wielu lat boryka się z problemem nieciągłości produkcji. Większość źródeł odnawialnych jak słońce  czy wiatr jest uwarunkowana parametrami meteorologicznymi – słońce nie dostarcza energii w nocy, a z kolei prędkość wiatru jest zmienna w czasie. Magazynowanie nadwyżek wyprodukowanej energii przy korzystnych warunkach atmosferycznych stanowi nie lada wyzwanie dla producentów energii. Czy lepsze akumulatory są kluczem do rozwiązania problemu nieciągłości poprzez magazynowanie energii?

Obecnie stosowane rozwiązania w zakresie magazynowania energii, w tym akumulatory litowo-jonowe i elektrownie szczytowo-pompowe, są drogie i trudne do rozbudowy i skalowania.

Jak wyglądałaby przyszłość sektora, gdyby nadwyżki energii można było, zamiast tego przechowywać w formie obliczeń?

Zielona przyszłość oparta na OZE

Zrównoważona energia pochodząca z odnawialnych źródeł ma szansę znacząco wpłynąć na zahamowanie zmian klimatycznych, ale także zmniejszyć rachunki za energię i pozytywnie wpłynąć na światowe gospodarki.

Jednak z tym typem energii wiąże się skomplikowany  problemem nieciągłości. Dodatkowo sieci energetyczne muszą utrzymywać równowagę między podażą a popytem, bo w przeciwnym razie grożą skoki napięcia i przerwy w dostawie energii.

W rezultacie energia z większości OZE jest odrzucana w okresach nadprodukcji, podczas gdy w okresach niedoboru elektrownie spalają paliwa kopalne, aby pokryć zapotrzebowanie w sieci.

– W obecnej sytuacji za pięć lat ilość energii odnawialnej marnowanej rocznie w Kalifornii będzie równa ilości energii zużywanej rocznie w Los Angeles – skomentował Barath Raghavan, badacz z katedry informatyki w USC Viterbi School of Engineering.

Lepsze przechowywanie energii w akumulatorach – jest uważane za klucz do rozwiązania problemu nieciągłości. Jednak obecnie stosowane rozwiązania, są z reguły drogie w eksploatacji i trudne do rozbudowy.

A gdyby tak nadmiar energii odnawialnej można było przechowywać w formie obliczeń?

Takie rozwiązanie kryje się za "bateriami informacyjnymi", nowym systemem zaproponowanym przez Raghavana i Jennifer Switzer, doktorantkę z UC San Diego, opublikowanym niedawno w ACM Energy Informatics Review.

Prosta idea – predykcje i obliczenia

Podstawowa idea zasady działania baterii informacyjnych jest prosta: gdy jest nadprodukcja energii z OZE, wykorzystuje się ją do spekulacyjnego wykonywania obliczeń w dużych, energochłonnych centrach danych. Takie centra danych – od Google'a i Facebooka po mniejsze firmy – zużywają od 10 do 50 procent energii. Według danych Office of Energy Efficiency and Renewable Energy typowy budynek użyteczności komercyjnej zużywa dwa razy więcej energii. Natomiast zapisane wyniki obliczeń można wykorzystać później, gdy nastąpi spadek produkcji zielonej energii.

– Zauważyliśmy, że jeśli jesteśmy w stanie przewidzieć obliczenia, które mogą się pojawić w przyszłości, możemy je wykonać, teraz gdy dostępna jest energia, i przechowywać wyniki – powiedział Raghavan, którego badania koncentrują się na systemach i zrównoważonym rozwoju.

Przykładowo każdego dnia centra danych YouTube transkodują ponad 700 000 godzin filmów do różnych rozdzielczości. Wiele z tych obliczeń jest przewidywalnych i może być wykonywanych w czasie, gdy dostępny jest nadmiar zielonej energii. W tym momencie dane są przechowywane na serwerach w celu ich późniejszego wykorzystania, gdy w sieci jest mniej energii odnawialnej – zasadniczo chodzi o przeniesienie zużycia energii elektrycznej z jednego okresu na drugi.

Czy to działa jak akumulator?

W sensie naukowym powiedział Raghavan, akumulatory są magazynami energii potencjalnej, która może być wykorzystana do wykonania użytecznej pracy, elektrycznej lub innej. Większość energii przechowywanej w akumulatorach przekształca jeden rodzaj energii w inny rodzaj energii potencjalnej. W tym przypadku informacja dostarcza energii w taki sam sposób jak bateria, ponieważ energia elektryczna jest przekształcana w coś, co można nazwać "informacyjną energią potencjalną".

Elastyczny system

Oprócz wykorzystania przewidywalności zadań system jest również elastyczny: obliczenia wykonywane z wyprzedzeniem nie muszą dokładnie odpowiadać obliczeniom wykonywanym w późniejszym czasie.

– Wspieramy wstępne obliczanie wielu fragmentów, a następnie możemy wybierać małe fragmenty obliczeń wykonanych wcześniej, jak puzzle, i składać je razem, aby szybko wykonać zupełnie nowe zadanie obliczeniowe – powiedział Raghavan.

Badacz twierdzi, że w przypadku niektórych rodzajów obciążeń system baterii informacyjnych oferuje lepszą wydajność niż baterie litowo-jonowe. Konkretna wydajność zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj wykonywanych obliczeń i przewidywalność mocy. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, przechowywanie danych jest opłacalne zarówno pod względem finansowym, jak i energetycznym. Może to przyczynić się do zmniejszenia zależności od paliw kopalnych, które są odpowiedzialne za trzy czwarte globalnej emisji gazów cieplarnianych.

Przyszłość w liczbach i sieci neuronowej

Choć sam pomysł jest stosunkowo prosty, wyzwaniem – jest określenie, jakie obliczenia należy wykonać, gdzie i kiedy, oraz w jaki sposób należy je wykonać, aby później sprawnie odzyskać wyniki.

W  artykule  „Information Batteries: Storing Opportunity Power with Speculative Execution” Raghavan i Switzer przedstawiają projekt i proof of concept implementacji systemu zeroemisyjnego, który obejmuje rekurencyjne sieci neuronowe do przewidywania przyszłej dostępności energii odnawialnej i nadchodzących zadań w centrach danych.

Zawiera także pamięć podręczną, w której przechowywane są funkcje, oraz zmodyfikowany kompilator, który automatycznie modyfikuje kod w celu przechowywania i pobierania wyników. Infrastruktura byłaby rozproszona geograficznie i składałaby się z wielu małych, rozproszonych centrów danych, z których każde byłoby zlokalizowane w regionie kraju, w którym wiadomo, że produkcja energii wiatrowej lub słonecznej jest wysoka.

– Dzięki temu systemowi firmy korzystałyby z energii, która do tej pory nie była wykorzystywana, a wszyscy inni użytkownicy odnieśliby korzyści, ponieważ operator sieci nie musiałby uruchamiać energii z paliw kopalnych, aby zrekompensować zapotrzebowanie – powiedział Raghavan.

Możliwość lepszego przewidywania i integracji z dużymi systemami technologia ta może stać się w przyszłości obiecującą alternatywą dla przechowywania zielonej energii.

Źródło: ACM SIGEnergy Energy Informatics Review; University of Southern California; sciencedaily.com