Уштеда енергије у мрежама: кључеви, изазови и решења

Информатек Дигитал » Средства » Уштеда енергије у мрежама: кључеви, изазови и решења

Ера хиперконекције нам је донела мобилне телефоне, сензоре, оптичка влакна, 5G мреже и безброј дигиталних услуга које користимо готово без размишљања. Али иза целог овог онлајн света крије се трошак који се често занемарује: потрошња енергије комуникационих мрежа. Свака антена, рутер, сервер и расхладна јединица додају вате на рачун за струју и угљенични отисак зграда, насеља и читавих градова.

Истовремено, расте притисак да се смање емисије , смање оперативни трошкови и испуне циљеви одрживости. Добра вест је да постоје технологије, стратегије дизајна и алати за управљање који омогућавају значајна побољшања уштеде енергије у мрежама, од 5G мобилних RAN мрежа до кућног IoT-а, укључујући центре података и паметне мреже. У наредним пасусима, смирено, али темељно ћемо истражити шта се дешава, зашто мреже троше толико енергије и како увести ред у овај електрични хаос.

Зашто комуникационе мреже троше толико енергије?

Приликом анализе зграде или инфраструктуре, потрошња мреже је често скривена иза видљивијих ставки као што су климатизација или осветљење, али истина је да прекидачи, рутери, WiFi приступне тачке, системи преноса и сервери чине значајан део укупне потрошње енергије.

У дата центрима и серверским собама, климатизација (HVAC) може постати велики потрошач енергије, чинећи око трећину укупне потрошње. Мрежна опрема претвара део електричне енергије у топлоту, а та топлота мора бити распршена; стога, ефикасност напајања ( сертификована 80 Plus ) игра кључну улогу у овом процесу. Што је опрема снажнија и гушћа, то се више загрева, потребно је више хлађења и већи је рачун за енергију, стварајући неку врсту зачараног круга.

Штавише, у мобилним мрежама, посебно са 5G, радио приступна мрежа (RAN) је главни покретач потрошње енергије . Већина енергије је концентрисана у радио приступним јединицама (O-RU), базним станицама и свој пратећој инфраструктури (напајања, инвертори, исправљачи, хлађење, репетитори и бекхол и кс-хаул транспорт). Побољшање ефикасности вата по биту је стварно, али број станица и сложеност архитектуре резултирају веома високом укупном потрошњом енергије.

Ако погледамо корпоративне или грађевинске мреже, проблем се шири на активну мрежну опрему, безбедносне системе, комуникациону електронику и сервере , често радећи 24/7 иако је зграда полупразна већи део дана или затворена викендом.

Паралелно са тим, масовни прилив повезаних уређаја (мобилних телефона, таблета, сензора, камера, паметних уређаја…) узрокује да саобраћај и број мрежних чворова непрестано расту , вршећи притисак на инфраструктуру и повећавајући потребе за енергијом ако се све не управља мудро.

Кључни фактори који повећавају потрошњу енергије у мрежама

Рачун за струју за мрежу зависи не само од тога колико је уређаја укључено, већ и од тога како се користе, како су конфигурисани и у ком окружењу раде . Неколико фактора је посебно критично.

Топлота и хлађење: зачарани круг

У комуникационој просторији или дата центру, топлота коју генерише мрежни хардвер захтева употребу моћних система за хлађење . Ако температура превише порасте, перформансе се погоршавају, а век трајања опреме се смањује, што доводи до тенденције ка прекомерном хлађењу као предострожности. Резултат је систем који троши много енергије за напајање опреме, што заузврат захтева још више енергије за њено хлађење.

Све више истраживаног приступа јесте искоришћавање отпадне топлоте из мрежне опреме и сервера . Ова топлота се може поново користити за грејање других делова зграде или оближњих објеката: канцеларија, кућа, базена или заједничких просторија. Овај приступ рекуперације топлоте, већ прилично распрострањен у индустријском сектору и у неким напредним центрима података, помаже у декарбонизацији тако што надокнађује део потрошње енергије бесплатним грејањем.

Опрема у стању приправности или неактивна, али и даље троши енергију

У многим корпоративним мрежама, уређаји остају укључени чак и када нема релевантног саобраћаја . Прекидачи, рутери, приступне тачке, безбедносни системи и помоћна електроника остављају се у режиму приправности или раде готово у празном ходу ван радног времена, ноћу или викендом.

Ова ситуација ствара оно што је познато као фантомско оптерећење : уређаје који се једва користе, али настављају да троше енергију. Неки уређаји укључују напредне режиме спавања који смањују потрошњу деактивирањем интерних модула или смањењем перформанси када је саобраћај низак, али ове опције су често подразумевано онемогућене или погрешно конфигурисане.

Да бисте искористили ове могућности, неопходно је одабрати хардвер са добрим функцијама управљања напајањем и активирати доступне профиле за уштеду енергије. Штавише, избор протокола, стандарда и режима рада може значајно утицати на потрошњу енергије, па је најбоље одлучити се за конфигурације које одговарају стварним потребама, а не за типичан приступ „за сваки случај“ који оставља све превише пројектованим.

Алгоритми за брзину адаптације и контролу перформанси

Такозвана брзина адаптације (или адаптивна брзина) дефинише брзину којом мрежни уређај може да преноси пакете и постаје кључни индикатор његових перформанси. У бежичним мрежама, на пример, ова брзина варира у зависности од квалитета сигнала, сметњи или оптерећења ћелије.

Пројектанти мреже могу да примене алгоритме за динамичко прилагођавање брзине који подешавају перформансе у реалном времену у складу са потребама мреже. На овај начин, када се саобраћај смањи или се услови промене, систем се саморегулише и може да ради са мањом снагом или капацитетом, а да корисник не примети значајан пад квалитета.

Постоји широк спектар могућих алгоритама и стратегија, а у окружењима са напредним техничким могућностима, чак је могуће дизајнирати прилагођене алгоритме , фино подешене према обрасцу саобраћаја и циљевима енергетске ефикасности пројекта или оператера.

Практичне стратегије за смањење потрошње енергије у мрежама

Када се идентификују главни узроци расипња енергије, време је да се они позабаве њима. Кључ лежи у комбиновању доброг дизајна, интелигентног рада и сталног праћења , без губитка из вида квалитета услуге за крајњег корисника.

Искључите оно што вам не треба (и знајте шта се не може искључити)

У већини комерцијалних зграда, канцеларија или образовних институција, стварна употреба није 24/7 . Међутим, многи мрежни системи остају континуирано укључени. Успостављање јасних политика за искључивање или хибернацију одређене опреме ван уобичајеног радног времена једна је од најједноставнијих и најефикаснијих мера.

На пример, Wi-Fi приступне тачке могу бити искључене у подручјима без ноћних активности или викендом, као и нека електроника корисника или приступног слоја која није критична. У окружењима где покривеност дозвољава, побољшање сигнала помоћу Wi-Fi појачивача сигнала може смањити број активних приступних тачака. Насупрот томе, одређени елементи као што су сервери који пружају услуге у облаку, системи за праћење безбедности или кључне везе окружења морају остати активни.

Идеја није да се „ствари искључују ради искључивања“, већ да се инфраструктура класификује у нивое критичности и примене различити оперативни профили: опрема која је увек укључена, опрема са заказаним искључивањем, уређаји са агресивним режимом мале потрошње енергије итд. Када се правилно имплементира, овај приступ може значајно смањити фантомско оптерећење без угрожавања континуитета услуге.

Праћење енергије: без података нема уштеде

Чак и са добрим дизајном и ефикасном опремом, откривање неравнотеже је готово немогуће без континуираног праћења енергије . Унутрашњи квар, нетачна конфигурација или чак једноставно одступање у раду уређаја могу проузроковати скок потрошње енергије без икаквих очигледних проблема са перформансама.

Стога је неопходно имати алате и софтвер за управљање енергијом који могу да очитају податке о потрошњи опреме, регала, линија или услуга у реалном времену. Ови системи омогућавају брзу идентификацију аномалија упоређивањем тренутних перформанси са историјским обрасцима или са референцама из сличних инсталација.

Када се открије одступање, следећи корак је испитивање извора проблема : Да ли је у питању старење опреме? Зачепљен вентилатор? Подешавање снаге које је остало на „максималном“ режиму након теста? Праћење не само да подиже аларм, већ и пружа објективну основу за одређивање приоритета инвестиција и мера за побољшање.

Дигитализација, интернет ствари и паметне мреже у служби уштеде енергије

Парадоксално, исте технологије које су повећале потрошњу у многим областима такође су кључни савезници у њеној контроли и смањењу . Интернет ствари, 5G, паметне мреже и напредни системи за управљање енергијом омогућавају нам да пређемо са „слепе“ мреже на инфраструктуру која је свесна сопствене потрошње.

Интернет ствари и енергетска ефикасност: од паметне фабрике до паметних градова

Интернет ствари повезује машине, сензоре и уређаје једне са другима , било путем интернета или путем наменских приватних мрежа. Овај слој сензора и актуатора омогућава контролу и аутоматизацију потрошње у реалном времену, без сталне интервенције корисника.

У индустријском сектору, Индустрија 4.0 користи сензоре за мерење потрошње енергије машина и производних линија, шаљући ове податке платформама за управљање које анализирају потрошњу у реалном времену. Ове информације омогућавају прилагођавање распореда, оптерећења и режима рада, прилагођавајући потрошњу енергије стварним потребама производње и спречавајући непотребне вршне оптерећења.

У градовима, пројекти паметних градова примењују Интернет ствари (IoT) на јавну инфраструктуру : осветљење које се регулише у складу са присуством људи или возила, општинске зграде са интелигентном контролом климе, аутоматско наводњавање на основу података о влажности итд. Примери попут уградње сензора у уличне светиљке који се активирају само када детектују кретање већ су стварност у неколико шпанских градова.

Код куће, повезани уређаји и системи кућне аутоматизације вам омогућавају да подешавате температуру, осветљење и рад опреме на основу распореда, спољашњих услова или цена електричне енергије. Сензори прикупљају податке о потрошњи у реалном времену који се затим користе за предиктивну аналитику, помажући у предвиђању вршне потрошње и бољем планирању шта се укључује и када.

Паметне мреже: паметније и ефикасније електричне мреже

Паметне мреже интегришу ИКТ, сензоре и комуникационе системе како би координисале производњу, дистрибуцију и потрошњу. Уместо круте, једносмерне мреже, оне стварају интерактивни систем у којем потрошачи такође могу постати произвођачи (просумери).

Захваљујући овим мрежама, могуће је укључивати или искључивати опрему у складу са потребама мреже , прилагођавајући понуду и потражњу готово у реалном времену. Европске студије и пројекти су показали да се уштеде у потрошњи енергије до 30% могу постићи када се ова координација добро управља, комбинујући централизовану и децентрализовану производњу (као што су фотонапонски панели и микро ветротурбине на крововима).

Иницијативе попут европске платформе Enersip показале су да је, уз помоћ паметних утикача, сензора потрошње и робусне платформе за податке , могуће детаљно пратити потрошњу електричне енергије у домовима, предузећима и читавим насељима. Ови подаци омогућавају откривање образаца, предвиђање вршне потражње и примену аутоматских или препоручених контролних мера за кориснике.

Једно посебно занимљиво откриће је да је промена понашања корисника једнако важна као и технологија . У пилот студијама, око половине потенцијалних уштеда произашло је једноставно из повећане свести и коришћења веб алата који су пружали податке о потрошњи у реалном времену и конкретне препоруке (на пример, заказивање рада машине за прање веша у раним јутарњим сатима уместо коришћења током шпица).

Интернет ствари и транспорт: ефикасније руте и мање горива

Транспорт је један од енергетски најинтензивнијих сектора , који чини скоро 40% укупне потрошње у земљама попут Шпаније. Овде је Интернет ствари (IoT) пронашао идеалну примену за уштеду горива и побољшање ефикасности.

Са повезаним возилима, оптималне руте могу се планирати у смислу времена и потрошње горива , могу се избећи саобраћајне гужве, а возни паркови се могу централно управљати. Сензори у возилу прате перформансе мотора, стил вожње и опште стање возила, откривајући проблеме са енергетском ефикасношћу или одржавањем пре него што постану већи трошкови.

Ако се ово комбинује са паметном инфраструктуром за пуњење електричних возила, координисаном са паметним мрежама и са информацијама о мрежи у реалном времену, постиже се много ефикаснији екосистем у коришћењу енергије , како електричне енергије, тако и фосилних горива.

Енергетски изазов 5G мрежа и прилика за ефикасност

Недавне студије показују да хардвер 5G мреже може потрошити два до четири пута више енергије од 4G мрежа , када се упореди са еквивалентном инфраструктуром. Ово представља двоструки изазов: одржавање обећања о 5G перформансама, латенцији и капацитету без неодрживог повећања оперативних трошкова (OPEX) или угљеничног отиска.

Упркос томе, неколико технолошких достигнућа помаже у сузбијању овог повећања: виртуелизација мрежних функција (NFV) , напредно мултиплексирање у оптичким влакнима, антене са течним кристалима (LC) и високоефикасне радио јединице са пасивним хлађењем, између осталог. Све ово указује на флексибилнију мрежу, способну да укључује и искључује капацитет у складу са стварном потражњом.

RAN и O-RAN: главни фронт за уштеде у мобилним мрежама

Унутар мобилне мреже, RAN чини преко 70% укупне потрошње енергије . Увођење отворених и дезагрегираних архитектура попут O-RAN-а представља значајну прилику за оптимизацију ових трошкова, захваљујући већој програмабилности и могућности коришћења решења од више произвођача.

У лабораторији, оператери могу да тестирају различите конфигурације за уштеду енергије на својој RAN опреми: режиме спавања ћелија, подешавања снаге, делимично искључивање носача итд. Претходна валидација ових стратегија, у комбинацији са интегрисаним алатима за тестирање (оптичко влакно, РФ, синхронизација, анализа сметњи), осигурава да циљеви ефикасности не угрожавају корисничко искуство.

На терену, оптимизација backhaul и x-haul оптичких веза је кључна. Добро сертификоване, високоперформансне везе смањују губитке, спречавају поновни пренос и продужавају век трајања опреме, што резултира тиме да мрежа троши мање енергије за пренос исте количине података.

Локацијска интелигенција и дигитални близанци

Комбинација напредне аналитике, података о мобилности и машинског учења омогућава креирање дигиталних близанаца мреже који симулирају њено понашање у различитим условима. Ови виртуелни модели, напајани стварним подацима, могу предвидети утицај искључивања или смањења сигнала у одређено време и на одређеним локацијама.

На овај начин, оператер може делимично или потпуно искључити ћелије, подесити нагиб антене и прерасподелити саобраћај уз одржавање прихватљивог квалитета услуге. Дигитални близанац израчунава равнотежу између уштеде енергије и искуства претплатника, омогућавајући континуирано фино подешавање мрежних параметара као део текућег циклуса оптимизације.

Системи за управљање енергијом и паметне платформе

Да би заокружиле циклус, многе организације усвајају системе за управљање енергијом (ЕМС) који су способни да интегришу податке о потрошњи из више извора: комуникационе мреже, климатизација, осветљење, производња итд. Ове платформе помажу у одређивању приоритета акција и квантификовању стварног утицаја мера за уштеду енергије.

Модерни систем за управљање енергијом (ЕМС), подржан вештачком интелигенцијом, може упоредити енергетске перформансе зграде са перформансама сличних зграда , открити одступања и предложити препоруке за побољшање тамо где постоји највећи потенцијал за уштеде. Штавише, што се више података прикупља, систем постаје прецизнији, учећи обрасце потрошње на основу радних дана, празника, времена коришћења и спољашњих услова.

У контексту мрежа и телекомуникација, ове платформе омогућавају доношење јасних бројки у одлуке као што су замена одређене опреме, реконфигурација распореда, промена мрежних алгоритама или улагање у нове IoT сензоре . Више није само ствар интуиције о томе „ово би требало да уштеди новац“, већ се види на контролним таблама и извештајима шта се тачно дешава са сваком акцијом.

Читав овај екосистем ефикасних уређаја, интелигентних алгоритама, паметних мрежа, интернета ствари и система за управљање енергијом показује да је сасвим могуће имати моћне комуникационе мреже које су такође много еколошки прихватљивије . Изазов не лежи толико у самој технологији – која већ постоји – већ у њеној ефикасној интеграцији, обезбеђивању несметаног свакодневног рада и, пре свега, подстицању промене начина размишљања међу корисницима, предузећима и мрежним оператерима.