Carbon Explorer: Karbon Duyarlı Veri Merkezleri Tasarlamak için Bütüncül Bir Çerçeve

Özet

Carbon Explorer (ASPLOS 2023, s. 118-132; arXiv:2201.10036), 7/24 saatlik karbonsuz işletime ulaşmak için açık kaynaklı bir tasarım uzayı aracıdır. Meta'nın 13 ABD veri merkezi sahasının saatlik talebi ve saatlik EIA şebeke rüzgar/güneş verisiyle çalışır. Araç, rüzgar/güneş yatırımını, saha içi lityum demir fosfat bataryaları ve gecikmeye dayanıklı işlerin karbon duyarlı zamanlaması için ek sunucuları birlikte boyutlandırır; işletme ve gömülü karbonun toplamını en aza indirir.

Sonuçlar: Yalnızca yenilenebilirler uzun bir azalan getiri kuyruğu gösterir; yüzde 95'ten yüzde 99,9 saatlik kapsamaya geçmek, yüzde 0'dan yüzde 95'e geçmek için gereken yatırımın 5 katından fazlasını gerektirir (Oregon). Ortalama günlük rüzgar/güneş çıktısını varsaymak, yüzde 100 kapsama yatırımını bir büyüklük mertebesi eksik tahmin eder. Bataryalar toplam ayak izini bir büyüklük mertebesi azaltır; bataryalar ile zamanlama birlikte toplam ayak izini yüzde 15-65 azaltır ve beş bölgede yüzde 100 kapsamayı karbon açısından en uygun hale getirir. Nebraska, Utah ve Teksas en iyi sahalardır.

Gömülü karbon sayıldığında yüzde 100 kapsama her zaman en düşük karbonlu tasarım değildir. Rüzgar veya hibrit rüzgar-güneş şebekelerinde konumlandırma büyük fark yaratır; yalnızca güneş bölgeleri depolama olmadan yüzde 50'nin çok ötesine geçemez. Batarya ihtiyacı Utah'ta (karma, mevcut yenilenebilirlerle) yaklaşık 5 saat, Kuzey Karolina'da (yalnızca güneş) 14 saattir. Sonuçlar Meta'nın ABD sahalarına ve model varsayımlarına dayanır; başka bölgelere doğrudan aktarılmamalıdır.

Öne çıkan noktalar

1. Yüzde 95'ten yüzde 99,9 saatlik yenilenebilir kapsamaya geçmek, yüzde 0'dan yüzde 95'e geçmek için gereken yatırımın 5 katından fazlasını gerektirir (Oregon); ortalama günlük çıktı varsayımı yatırımı bir büyüklük mertebesi eksik tahmin eder.
2. Meta'nın mevcut Net Sıfır yenilenebilir yatırımları iki örnek bölgede yalnızca yüzde 46 ve 51 saatlik kapsama sağlamıştır; yalnızca güneş bölgeleri depolamasız yüzde 50'nin çok ötesine geçemez.
3. Gömülü karbon girdileri: rüzgar 10-15 gCO2/kWh, güneş 40-70 gCO2/kWh; Li-ion batarya kapasite başına 74-134 kgCO2/kWh; sunucu 744,5 kgCO2e (5 yıllık ömür); inşaat için sunucu gömülü karbonuna 1,16 çarpanı.
4. LFP batarya ömrü yüzde 100 DoD'de 3000, yüzde 80 DoD'de 4500 çevrimdir; yüzde 80 DoD gömülü karbonu yüzde 43 artırır ancak toplam karbonu ortalama yüzde 5 düşürür; DoD ayarı toplam karbonu yüzde 3-9 azaltır.
5. 7/24 kapsama için batarya ihtiyacı Utah'ta yaklaşık 5 saat, Kuzey Karolina'da (yalnızca güneş) 14 saat BT yüküdür; karbon açısından en uygun batarya kapasiteleri sahalara göre 200-1800 MWh arasındadır.
6. Karbon duyarlı zamanlama (iş yüklerinin yüzde 40'ı esnek) kapsamayı yüzde 1-21 artırmış ve yüzde 6-76 ek sunucu kapasitesi gerektirmiştir; tüm iş yükleri esnekse 7/24 için yüzde 19'dan yüzde 100'ün üzerine ek sunucu gerekir.
7. Karbon açısından en uygun yalnızca yenilenebilir kapsama yüzde 37-97'dir (hibrit bölgeler yüzde 88-97); bataryalar toplam ayak izini bir büyüklük mertebesi azaltır, bataryalar ile zamanlama yüzde 15-65 azaltır ve beş bölgede yüzde 100 kapsamayı en uygun kılar.
8. Şebeke yaşam döngüsü yoğunlukları (gCO2eq/kWh): rüzgar 11, nükleer 12, hidro 24, güneş 41, biyoyakıt/diğer 230, doğal gaz 490, petrol 650, kömür 820.

Tasarımda kullanımı

• Saha ve enerji tasarımına rüzgar, güneş, BESS (BT yükünün saati cinsinden) ve sunucu payını birlikte boyutlandıran saatlik 7/24 CFE kapsama hesaplayıcısı ekleyin; saatlik veya alt saatlik arz profilleri kullanın, günlük ortalama kullanmayın.
• Gömülü karbon varsayılanlarını kaynak etiketleriyle saklayın: rüzgar 10-15 ve güneş 40-70 gCO2/kWh, Li-ion BESS 74-134 kgCO2/kWh kapasite, 1U sunucu başına yaklaşık 745 kgCO2e ve 1,16 inşaat çarpanı.
• İşletme ve gömülü karbonu birlikte raporlayın; kapsamanın son yüzdelerini çok büyük güneş/rüzgar fazla kurulumuyla kovalayan tasarımları işaretleyin.
• BESS deşarj derinliğini parametre olarak sunun (varsayılan yüzde 80) ve yalnızca güneş şebekelerinin yaklaşık 14 saat depolamaya ihtiyaç duyduğunu (hibritte yaklaşık 5 saat) adayları sıralarken uyarı olarak gösterin.

Kimler okumalı

Saha ve enerji tasarımında 7/24 karbonsuz enerji hedefi değerlendiren mühendisler, sürdürülebilirlik yöneticileri ve araştırmacılar.

Yayın bilgileri

Yazarlar

Bilge Acun; Benjamin Lee; Fiodar Kazhamiaka; Kiwan Maeng; Udit Gupta; Manoj Chakkaravarthy; David Brooks; Carole-Jean Wu

Yayıncı

Proceedings of the 28th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Volume 2 (ACM)

Yıl

2023

Belge numarası

arXiv:2201.10036

Sayfalar

118-132

Belge dili

İngilizce

Kaynak türü

Bilimsel yayın

Erişim

Ücretsiz okunur

DOI

10.1145/3575693.3575754

Lisans

arXiv dağıtım izni — yeniden kullanım koşulları hak sahibine bağlıdır

Künye