Efficienza energetica e fonti rinnovabili nei centri di
Efficienza energetica e fonti rinnovabili nei centri di calcolo Ing. Ruggero Ricci INFN-LNF WS CCR 2009 Palau 11/5/2009
Iniziative diffuse di riduzione dei consumi http: //re. jrc. europa. eu/energyefficiency/pdf/Co. C%20 data%20 centres%20 nov 2008/Co. C%20 DC%20 v%201. 0%20 FINAL. pdf
Equivalenze energetiche, economiche ed ambientali • 1 k. Wh costa 14, 5 €cent (costo medio, al 3/08 in AT) 1 W x 1 anno costa 1. 27 € 1 k. Wanno costa 1270 € 1 Te. P (tonnellata equivalente di petrolio)= 4545 k. Wh elettrici 1 k. Wh = 650 g di CO 2 1 k. W x 1 anno ≈ 2 Te. P ≈ 12 Barili di petrolio 5, 7 ton CO 2
PUE/DCi. E: Parametri di valutazione dell’efficienza dei Data Canter Power Total Facility Power • • • Transformer Switchgear UPS Battery Backup etc. IT Equipment • Servers • Storage IT Equipment Power • Telco • etc. Cooling • Chillers • CRACs • etc. Power Usage Effectiveness PUE = PUE & DCi. E For Efficient Facilities DCP For The Work You Do Data Center infrastructure Efficiency Total Facility Power IT Equipment Power How efficient is my facility in delivering power to IT equipment? DCi. E = IT Equipment Power Total Facility Power X 100% What % of facility power is delivered to my IT equipment?
Uso degli indicatori energetici Typical PUE = 2. 0 Google Data Center ‘E’ PUE = 1. 16 Da un’indagine di LBNL 2007 la quota di cooling varia da 0, 4 a 1, 2 Da un’indagine di Uptime Institute su 85 DC stima media PUE = 2, 5, i migliori 1, 6 Il carico IT comprende anche le perdite degli alimentatori *Reference: Silicon Valley Leadership Group, Data Center Energy Forecast, Final Report July, 2008 Google E Data Center energy-weighted average PUE results from Q 2 -Q 1’ 09 (to 3/15/09)
Esempio: costo per EE di un TIER 2 Dimensionamento tradizionale senza Free Cooling Carico informatico: 100 k. W PUE 2. 0 Il carico per condizionamento e ausiliari è pari a quello informatico Costo per energia elettrica: 100 k. W x 2. 0 x 8760 h x 0, 145 €/k. Wh= 254. 000 €/anno Di cui circa 100. 000 €/anno per il condizionamento Largo margine per interventi migliorativi che si ripaghino con ritorno immediato
Efficienza dei sistemi di raffreddamento Il Free Cooling = non utilizzare il ciclo frigorifero se la temperatura esterna lo consente Negli impianti tradizionali il chiller funziona 8760 h/anno Free Cooling diretto = ad aria esterna Free Cooling indiretto = il raffreddamento dell’acqua avviene mediante uno scambiatore ad aria (dry cooler) nei periodi in cui la temperatura esterna è inferiore a quella desiderata.
Limiti di applicabilità del Free Cooling FREE COOLING Dipende: dalla zona climatica e dalla temperatura scelta per il funzionamento dell’ambiente Serve lavorare a 20 °C ? FREE COOLING • Tipicamente le unità di calcolo sono ottimizzate per lavorare a 25 ° e Ur 50% • Ci sono punti caldi nel DC (unità disco…) : vale la pena identificarli e migliorarne la ventilazione. Cosa si fa per aumentare la frazione di Free Cooling 1. Aumento della temperatura di funzionamento del circuito di acqua refirgerata: da 7/12 ° tipico si può aumentare (es. 16°) Le batterie di raffreddamento devono essere più grandi 2. Ottimizzazione della temperatura della sala. Da 20°C -> 23 -25°C o meglio utilizzare soluzioni adattive in funzione delle stagioni. Identificazione e correzione degli HOT SPOT
Miglioramento dell’efficienza sistemi di condizionamento • Nuovi ventilatori • Gestione della velocità dei ventilatori • Ottimizzazione dei cicli frigoriferi in funzione del carico e delle condizioni ambientali controllo elettronico del ciclo (valvole di espansione motorizzate, regolazione dei compressori ecc. ) • Dimensionamento delle batterie di scambiatori • Gestione ottimizzata della schiera delle macchine
Ottimizzazione della distribuzione dell’aria Principio: estrarre il calore alla temperatura più alta possibile, quindi il più vicino possibile alla sorgente. Le soluzioni concepite per alta densità di potenza sono anche più efficienti Limite: effettiva separazione e cortocircuiti … Soluzioni adottate per i TIER
UPS Rendimenti tipici: 92 -96% a causa della doppia conversione I rendimenti sono dichiarati in condizioni di carico nominale. Vanno sommati i costi per lo smaltimento del calore prodotto Per le apparecchiature informatiche in genere non è necessaria la doppia conversione grazie ai nuovi standard EMC. In molti casi si può lavorare in “ecomode” con rendimenti del 98% Google ha realizzato DC senza UPS ! Google Server con batteria tampone integrata
Utenze IT = gli alimentatori Un PSU tradizionale usato per server di livello base aveva un rendimento del 60 -70% (fino al 2005) Obiettivi di rendimento di CSCI (Climate Savers Computing Initiative) http: //www. 80 plus. org Fraction of Rated Load 20% 50% 100% 80 PLUS 80% 80% 80 PLUS Bronze 82% 85% 82% 80 PLUS Silver 85% 88% 85% 80 PLUS Gold 87% 90% 87% Valutazione economica: un PS 80 Plus gold da 500 W caricato al 50% (η = 90%) rispetto a uno 80 Plus (η = 80%) risparmiamo 25 W - Minor carico termico - Risparmio economico di 30 €/anno Oggi quasi tutti i PSU sono almeno “ 80 Plus”.
Quanto vale il PUE dei nostri CED ? Misurare per migliorare • Misuriamo e confrontiamo i PUE dei nostri CED PUE= Ptot/Pcalcolo= Potenza fornita alle apparecchiature informatiche = P in uscita all’UPS P tot= Potenza al punto di consegna, o somma delle potenze fornite in ingresso
Efficienza del processo informatico DCP = Useful Work Total Facility Power How Much Work Can My IT Equipment Do, In My Facility? Data Center Productivity Definizione in fase di regolamentazione internazionale Secondo UPTIME INSTITUTE il 10% - 30% dei server oggi non produce nulla ! La maggior parte dei server aziendali sono utilizzati al di sotto del 20 % (indagine LBNL 2007)
Active Power Management Soluzioni per la riduzione dei consumi dei server a livello di: Livello processore: AMD propone una regolazione della tensione e della frequenza di clock del processore ottenendo una riduzione dei consumi del 75% in stato Idle Livello sistema operativo: Microsoft Window Server 2008 Livello element manager: HP e IBM Sistemi di terze parti: es. PDU per la gestione remota dell’alimentazione.
PC e Power management PC DESKTOP Potenze medie "active" mode "idle" mode "sleep" mode "off" mode Conven zionale ENERGY STAR Qualified 115 W 84 W 6 W 3 W 109 W 60 W 4 W 2 W Fonte: LBNL 2007 elaborato da Energy Star L’hardware è progettato per gestire 40. 000 cicli on-off * 8 ore al giorno per 210 giorni lavorativi
Fonti rinnovabili: Fotovoltaico Tecnologie e rendimenti: Silicio monocristallino: 15 -18% Silicio policristallino: 12 -17 % Silicio amorfo: 6% Film sottile (Cd. T): 10% Energia elettrica prodotta è immessa in rete e “scambiata”. Non ha senso pensare all’autosufficienza “in isola”
Fotovoltaico - Costi Chiavi in mano Impianti domestici: 5. 500 €/k. Wp (fonte Enel. Si-2008) Impianti industriali es. sviluppato da 330 k. Wp Su copertura inclinata / moduli in silicio monocristallino Superficie occupata: 2600 mq (pari a 4300 mq di copertura piana) Costo: 1. 65 M€ (pari a 5. 000 €/k. Wp installato) Tempo di ritorno dell’investimento: 10 anni Dati irraggiamento medio annuo: 1. 714 k. Wh/m 2. Produzione max annua prevista: 400. 000 k. Wh
Fotovoltaico - incentivi L’incentivo è sull’energia prodotta ed è garantito per 20 anni. CONTO ENERGIA Inoltre il secondo vantaggio è - sull’energia prodotta e consumata (quindi non acquistata) - oppure ceduta sulla rete. Tra 2 anni il conto energia quasi sicuramente finirà o sarà ridimensionato Riferimenti sul fotovoltaico: http: //www. enea. it http: //www. enel. it/enelsi/offerta/doc/FV_guida_impianti_2008. pdf
Esempio per impianto 3 k. Wp potenza impianto [k. W] 3 costo impianto (IVA incl. ) € 5. 610 costo totale (IVA incl. ) € 16. 830 costo manutenzione annua € 150 manut. straordinaria (inverter dopo 10 anni) € 1. 500 costo assicurazione annua € 100 costo energia elettrica € 0, 165 tipologia: parz. integrato rendimento del sistema perdita di efficienza annua 0, 83 0, 85% tasso inflazione annuo energia elettrica 4% tasso inflazione 2%
Impianto 3 k. Wp
Iniziative in corso INFN per PV • LNF: studio di fattibilità per realizzazione di impianti di grandi dimensioni tramite terzi con il meccanismo di cessione del diritto di superficie. La redditività è di circa 2 -4 €/mq-anno o il godimento dell’energia prodotta. LNF ragionevolmente hanno a disposizione circa 8000 mq. • LNL • LNS • ……
Fotovoltaico per 1 TIER 2 Potenza media: 200 k. W elettrici Fabbisogno annuo: 1, 7 x 106 k. Wh Producibilità di un impianto fotovoltaico tipico installato al sud: 1500 k. Wh/k. Wp Potenza PV necessaria 1200 k. Wp Superficie solare necessaria con pannelli in silicio cristallino (210 k. Wh/mq/anno): 8000 mq Costo approssimativo (4500 €/k. Wp) Costo evitato annuo per EE 5, 4 M€ 245 k€ Incentivi per integrazione parziale (0, 04 €/k. Wh) 680 k€
Riferimenti • • • http: //www. google. com/corporate/green/datacenters/ http: //www. thegreengrid. org/ http: //www. greenm 3. com/ http: //www. energystar. gov/ http: //www. 80 plus. org • http: //www. energysavers. gov/
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