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¿Qué tan sostenible es un sitio web operado con energía solar?

En este artículo, presentaremos los datos relacionados al consumo de energía y tiempo de actividad, y calcularemos la energía interna de nuestra configuracion. En base a estos resultados, consideraremos el equilibrio óptimo entre la sostenibilidad y el tiempo de actividad del servidor, y delinearemos las posibles mejoras.

Traducido por: Aliana Bertolo

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Ilustración: Diego Marmolejo.

Introducción

En septiembre de 2018, Low-tech Magazine lanzó un nuevo sitio web destinado a reducir radicalmente el uso de energía y las emisiones de carbono asociadas con el acceso a su contenido. El uso de energía relacionado al acceso a Internet está creciendo rápidamente debido al aumento tanto en la tasa de bits (el contenido en línea cada vez se vuelve “más pesado”) como el aumento del tiempo de conexión (especialmente desde la llegada de la informática móvil y la conexión inalámbrica a Internet).

El sitio web operado con energía solar se opone a estas tendencias. Para reducir el uso de energía por debajo del consumo de un sitio web promedio, optamos por un diseño web sencillo y estático en lugar de un sistema de gestión de contenido operado desde una base de datos. Para reducir el uso de energía asociado con la producción del panel solar y la batería, elegimos una configuración mínima y aceptamos el hecho de que el sitio web se desconectaria cuando hace mal tiempo.

Hemos estado monitoreando el servidor solar durante 15 meses y hemos recopilado datos sobre el tiempo de actividad, el uso de energía, potencia, la eficiencia del sistema y el tráfico de visitantes. También calculamos cuánta energía se requeríria para fabricar el panel solar, la batería, el controlador de carga y el servidor.

Tiempo de actividad, uso de electricidad y eficiencia del sistema

El sitio web solar se desconecta cuando hace mal tiempo, pero ¿con qué frecuencia sucede eso? Durante un período de aproximadamente un año (351 días, del 12 de diciembre de 2018 al 28 de noviembre de 2019), logramos un tiempo de actividad del 95.26%. Esto significa que estuvimos fuera de línea debido al mal tiempo durante 399 horas.

Si ignoramos los últimos dos meses, nuestro tiempo de actividad fue del 98.2%, con un tiempo de inactividad de tan solo 152 horas. El tiempo de actividad cayo en picado al 80% durante los últimos dos meses, debido a que una actualización de software aumentó el uso de energía del servidor. Esto interrumpió el sitio web, quitándolo de linea durante al menos unas horas cada noche.

Un kilovatio hora de electricidad generada por energía solar puede servir a casi 50,000 visitantes únicos.

Echemos un vistazo ahora a la electricidad utilizada por nuestro servidor web (el uso de energía “operacional”). Tenemos mediciones del servidor y del controlador de carga solar. La comparación de ambos valores revela las ineficiencias en el sistema. Durante un período de aproximadamente un año (del 3 de diciembre de 2018 al 24 de noviembre de 2019), el uso de electricidad de nuestro servidor fue de 9.53 kilovatios hora (kWh).

Medimos pérdidas significativas en el sistema solar fotovoltaico debido a conversiones de voltaje y pérdidas de carga / descarga de la batería. El controlador de carga solar mostró un consumo anual de electricidad de 18.10 kWh, lo que significa que la eficiencia del sistema fue aproximadamente del 50%.

Durante el período de estudio, el sitio web solar recibió 865,000 visitantes únicos. Incluyendo todas las pérdidas de energía en la configuración solar, el uso de electricidad por visitante único es de 0.021 vatios-hora. Un kilovatio hora de electricidad generada por energía solar puede servir a casi 50,000 visitantes únicos, y un vatio hora de electricidad puede servir a aproximadamente 50 visitantes únicos. Todo esto es energía renovable y, como tal, no hay emisiones de carbono directamente asociadas.

Consumo de energía incorporada y tiempo de actividad

La historia a menudo termina aquí, cuando la energía renovable se presenta como una solución para el creciente uso de energía de Internet. Cuando los investigadores examinan el uso de energía de los centros de datos, que alojan el contenido accesible en Internet, nunca toman en cuenta la energía que se requiere para construir y mantener la infraestructura que alimenta esos centros de datos.

No existe tal omisión con un sitio web autohospedado impulsado por una instalación solar fotovoltaica fuera de red. El panel solar, la batería y el controlador de carga solar son partes igualmente esenciales de la instalación como el servidor mismo. La energía, el uso para la extracción de los recursos y la fabricación de estos componentes, la “energía incorporada”, también deben ser tomadas en cuenta.

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Una representación simple de nuestro sistema. La conversión de voltaje (entre el controlador de carga de 12 V y el servidor de 5 V) y el medidor de batería (entre el servidor y la batería) no se muestran en la ilustracion. Ilustración: Diego Marmolejo.

Desafortunadamente, la mayor parte de esta energía proviene de combustibles fósiles, ya sea en forma de diesel (extrayendo las materias primas y transportando los componentes) o en forma de electricidad generada principalmente por plantas de energía de combustibles fósiles (la mayoría de los procesos de producción).

El tamaño de la batería y el panel solar es un compromiso entre el tiempo de actividad y la sostenibilidad.

La energía incorporada de nuestra configuración está determinada principalmente por el tamaño de la batería y el panel solar. Al mismo tiempo, el tamaño de la batería y el panel solar determinan con qué frecuencia el sitio web estará en línea (el “tiempo de actividad”). Por lo tanto, el tamaño o la batería y el panel solar es un compromiso entre el tiempo de actividad y la sostenibilidad.

Para encontrar el equilibrio óptimo, manejamos nuestro sistema con diferentes combinaciones de paneles solares y baterías. El tiempo de actividad y la energía incorporada también están determinados por las condiciones climáticas locales, por lo que los resultados que aquí presenataremos solo son válidos para nuestra ubicación especifica (el balcón de la casa del autor cerca de Barcelona, España).

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Diferentes tamaños de paneles solares y baterías. Ilustración: Diego Marmolejo

Tiempo de actividad y tamaño de la batería

La capacidad de almacenamiento de la batería determina cuánto tiempo puede funcionar el sitio web sin un suministro de energía solar. Se requiere un mínimo de almacenamiento de energía para poder compensar las horas nocturnas, mientras que el almacenamiento adicional puede compensar un cierto período de baja (o nula) producción de energía solar durante el día. Las baterías se deterioran con el tiempo, por lo que es mejor comenzar con más capacidad de la que realmente se necesita, de lo contrario, la batería debera reemplazarse con bastante rapidez.

> 90% de tiempo de actividad

Energía almacenada mínima requerida para mantener el sitio web en línea durante la noche

Mes Horas de luz Noche Almacenamiento
21 Sep 2018 12h13min 11h47min 23.21 Wh
21 Oct 2018 10h52min 13h8min 25.87 Wh
21 Nov 2018 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Dic 2018 9h11min 14h49min 29.1 Wh
21 En 2019 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Feb 2019 10h53min 13h7min 25.84 Wh
21 Mar 2019 12h13min 11h47min 23.22 Wh
21 Abr 2019 13h34min 10h26min 20.55 Wh
21 May 2019 14h41min 9h19min 18.35 Wh
21 Jun 2019 15h10min 8h50min 17.4 Wh
21 Jul 2019 14h43min 9h17min 18.29 Wh
21 Ag 2019 13h36min 10h24min 20.49 Wh

* Lugar: Barcelona
* Siempre que el tiempo sea soleado
* Wh= Watt-hora

Primero, calcularemos el almacenamiento mínimo de energía necesario para mantener el sitio web en línea durante la noche, siempre que haga buen tiempo, la batería sea nueva y el panel solar sea lo suficientemente grande como para cargar la batería por completo. El uso promedio de energía de nuestro servidor web durante el primer año, incluidas todas las pérdidas de energía en la instalación solar, fue de 1.97 vatios. Durante la noche más corta del año (8h50, 21 de junio), necesitamos 17.40 vatios-hora de capacidad de almacenamiento, y durante la noche más larga del año (14h49, 21 de diciembre), necesitamos 29.19 Wh.

Debido a que las baterías de plomo-ácido no deben descargarse por debajo de la mitad de su capacidad, el servidor alimentado por energía solar requiere una batería de plomo-ácido de 60 Wh para pasar las noches más cortas cuando las condiciones solares son óptimas (2 x 29.19Wh). Durante la mayor parte del año, ejecutamos el sistema con un almacenamiento de energía un poco mayor (hasta 86.4 Wh) y un panel solar de 50W, y logramos el tiempo de actividad mencionado anteriormente de 95-98%. 1

100% de tiempo de actividad

Una batería más grande mantendría el sitio web funcionando incluso durante períodos más largos de mal tiempo, siempre que el panel solar sea lo suficientemente grande como para cargar la batería por completo. Para compensar cada día de mal tiempo (sin producción de energía significativa), necesitamos 47.28 vatios-hora (24 hx 1.97 vatios) o capacidad de almacenamiento.

Del 1 de diciembre de 2019 al 12 de enero de 2020, combinamos el panel solar de 50 W con una batería de 168 vatios-hora, que tiene una capacidad práctica de almacenamiento de 84 vatios-hora. Esto es suficiente almacenamiento para mantener el sitio web en funcionamiento durante dos noches y un día. Aunque esta configuración fue testada durante el período más oscuro del año, tuvimos un clima relativamente agradable y logramos un tiempo de actividad del 100%.

Sin embargo, se requeriría de más almacenamiento para asegurar un tiempo de actividad del 100% durante un período de años. Para mantener el sitio web en línea durante cuatro días de baja o nula producción de energía, necesitaríamosuna batería de plomo-ácido de 440 vatios-hora, del tamaño de una batería de automóvil. Incluimos esta configuración para representar el enfoque convencional de la energía solar sin conexiñon a la red.

<90% de tiempo de actividad

También hicimos cálculos con relación a baterías que no son lo suficientemente grandes como para mantener el sitio web activo durante la noche más corta del año: 48 Wh, 24 Wh y 15.6 Wh (con capacidades prácticas de almacenamiento de 24 Wh, 12 Wh y 7.8 Wh, respectivamente ) Esta última es la batería de plomo- ácido más pequeña disponible comercialmente.

Un sitio web que se desconecta por la noche podría ser una opción interesante para una publicación web local con poco tráfico previsto después de la medianoche.

Si hace buen tiempo, la batería de plomo-ácido de 48 Wh mantendrá el servidor funcionando durante la noches entre marzo y septiembre. La batería de plomo ácido de 24 Wh puede mantener el sitio web en línea durante un máximo de 6 horas, lo que significa que el servidor se desconectaría todas las noches del año, aunque a diferentes horas dependiendo de la temporada.

Finalmente, la batería de 15.6 Wh mantiene el sitio web en línea por solo cuatro horas cuando no hay energía solar disponible. Incluso si hace buen tiempo, el servidor dejará de funcionar alrededor de la 1 a.m.en verano y alrededor de las 9 p.m.en invierno. El tiempo de actividad máximo para la batería más pequeña sería de alrededor del 50%, y en la práctica sería aún menor debido a las nubes y la lluvia.

Un sitio web que se desconecta por la noche podría ser una opción interesante para una publicación web local con poco tráfico previsto después de la medianoche. Sin embargo, dado que los lectores de la revista Low-tech están divididos casi por igual entre Europa y los Estados Unidos, esta no es una opción viable en nuestro caso específico. Si el sitio web no estuviera disponible durante todas las noches, nuestros lectores estadounidenses solo podrían acceder a él durante la mañana.

Tiempo de actividad y el tamaño del panel solar

El tiempo de actividad del sitio web alimentado por energía solar no solo está determinado por la batería, sino también por el panel solar, especialmente en relación con el mal tiempo. Cuanto más grande sea el panel solar, más rápido cargará la batería y se necesitarán menos horas de sol para que el sitio web pueda estar disponible durante toda la noche. Por ejemplo, con el panel solar de 50 W, una o dos horas de pleno sol son suficientes para cargar completamente cualquiera de las baterías (excepto la batería de automóvil).

IMAGE. Paneles solares de distinto tamaño. Ilustración: Diego Marmolejo Sin embargo, si se reemplaza el panel solar de 50 W con un panel solar de 10 W, el sistema necesitaría al menos de 5.5 horas para cargar la batería de 86.4 When condiciones óptimas (2 W para operar el servidor, 8 W para cargar la batería). Si el panel solar de 10 W se combina con una batería de plomo-ácido de 168 Wh, se necesitaría de 10.5 horas de pleno sol para cargar la batería por completo, lo cual solo es posible de febrero a noviembre.

Un panel solar más grande aumenta las posibilidades de que el sitio web permanezca en línea, incluso cuando las condiciones climáticas no son óptimas. Un panel solar más grande es igualmente ventajoso durante climas nublados. Las nubes pueden reducir la producción de energía solar en cualquier lugar entre 0 y 90% de la capacidad máxima, dependiendo del grosor de la capa de nubes. Si un panel solar de 50 vatios produce solo el 10% de su capacidad máxima (5 W), esta sería todavía suficiente para ejecutar el servidor (2 W) y cargar la batería (3 W).

Sin embargo, si un panel solar de 10 W solo produce 10% de su capacidad, sería suficiente para alimentar el servidor pero la batería no se cargará. Operamos el sitio web con un panel de 10 W del 12 al 21 de enero de 2020, y rápidamente estuvimos fuera de línea cuando el clima no fue óptimo. Por el momento estamos alimentando el sitio web con un panel solar de 30 W (y una batería de 168 Wh).

Horas de luz necesarias para cargar completamente cada batería, dependiendo del tamaño del panel solar.

Batería 50W 30W 10W 5W
440Wh 6h45min 11h14min 33h44min 67h28min
168Wh 2h35min 4h17min 12h53min 25h46min
86.4Wh 1h17min 2h12min 6h37min 13h15min
48Wh 0h44min 1h13min 3h41min 7h22min
24Wh 0h22min 0h37min 1h50min 3h41min
15.6Wh 0h14min 0h24min 1h12min 2h24min

*Asumiendo un promedio de 75% producción máxima de energía, 15% de pérdida de carga y 50% de profundidad de descarga.

Un panel solar de 5 W, el panel solar de 12V más pequeño disponible en el mercado, es el mínimo absoluto requerido para poder operar un sitio web con energía solar. Sin embargo, solo en condiciones óptimas este podrá alimentar el servidor (2W) y cargar la batería (3W), y solo podría mantener el sitio web funcionando durante la noche si el día es lo suficientemente largo. Debido a que los paneles solares rara vez generan su capacidad de potencia máxima, esto daría como resultado un sitio web que solo está en línea mientras brilla el sol.

Aunque la combinación de un panel solar pequeño y una batería grande puede tener la misma energía incorporada que la combinación de un panel solar grande y una batería pequeña, el sistema que cada uno crea tendrá características muy diferentes. En general, es mejor optar por un panel solar más grande y una batería más pequeña, porque esta combinación aumenta la vida útil de la batería: las baterías de plomo-ácido deben cargarse por completo de vez en cuando o perderán capacidad de almacenamiento.

Energía incorporada para diferentes tamaños de baterías y paneles solares

Se necesitan 1,03 megajulios (MJ) para producir una capacidad de batería de plomo-ácido de 1 vatio hora 2, y 3.514 MJ de energía para producir un m2 de panel solar. 3 En la tabla a continuación, presentamos la energía incorporada para diferentes tamaños de baterías y paneles solares y luego calculamos la energía incorporada por año, en base a una expectativa de vida de 5 años para baterías y 25 años para paneles solares. Los valores se convierten a kilovatios hora por año y se refieren a energía primaria, no a electricidad.

Un sitio web alimentado por energía solar también necesita de un controlador de carga y, por supuesto, un servidor web. La energía incorporada para estos componentes permanece igual sin importar el tamaño del panel solar o la batería. La energía incorporada por año se basa en una esperanza de vida de 10 años. 4 5

Energía Incorporada de diferentes componentes (por año de actividad)

Batería* Energía incorporada
440Wh batería 25.17 kWh/año
168Wh batería 9.60 kWh/año
86.4Wh batería 3.91 kWh/año
48Wh batería 2.75 kWh/año
24Wh batería 1.27 kWh/año
15.6Wh batería 0.89 kWh/año

*Calculado en base a una esperanza de vida de 5 años
* kwh/año = energía primaria

Panel solar* Energía incorporada
50W panel solar 16.96 kWh/año
30W panel solar 10.20 kWh/año
10W panel solar 3.40 kWh/año
5W panel solar 1.70 kWh/año

*Calculado en base a una esperanza de vida de 25 años
* kwh/año = energía primaria

Otros componente* Energía incorporada
Controlador de carga solar 3.33 kWh/año
Servidor web 5.00 kWh/año

*Calculado en base a una esperanza de vida de 10 años
* kwh/año = energía primaria

Ahora tenemos todos los datos para calcular la energía total incorporada para cada combinación de paneles solares y baterías. Los resultados se presentan en la tabla a continuación. La energía incorporada varía en un factor de cinco según la configuración: de 10.92 kWh de energía primaria por año para la combinación del panel solar más pequeño (5W) con la batería más pequeña (15.6 Wh) a 50.46 kWh de energía primaria por año para la combinación o el panel solar más grande (50 W) con la batería más grande (440 Wh).

Energía Incorporada por año de diferentes configuraciones

Solar Panel
Batería 50W 30W 10W 5W
440Wh 50.46 kWh 43.70 kWh n/a n/a
168Wh 34.89 kWh 28.13 kWh 21.33 kWh n/a
86.4Wh 29.20 kWh 22.36 kWh 15.64 kWh 13.94 kWh
48Wh 28.04 kWh 21.28 kWh 14.18 kWh 12.78 kWh
24Wh 26.29 kWh 19.80 kWh 13.00 kWh 11.30 kWh
15.6Wh 26.18 kWh 19.42 kWh 12.62 kWh 10.92 kWh

* Incluyendo la energía incorporada del servidor y del controlador de carga
* kWh/año = energía primaria
* n/a = el panel solar no consiguió cargar por completo la batería (independientemente de la estación del año).

Si dividimos estos resultados por la cantidad de visitantes únicos por año (865,000), obtenemos el uso de energía incorporado por visitantes únicos anuestro sitio web. Para nuestra configuración original con 95-98% de tiempo de actividad (panel solar de 50W, batería de 86.4Wh), el uso de energía primaria por visitante único es de 0.03 Wh. Este resultado sería bastante similar para las otras configuraciones con un tiempo de actividad menor, porque aunque la energía incorporada es menor, lo es también el número de visitantes únicos.

Emisiones de carbono: ¿Qué tan sostenible es el sitio web con energía solar?

Ahora que hemos calculado la energía incorporada de las diferentes configuraciones, podemos calcular las emisiones de carbono. No podemos comparar la huella ambiental del sitio web solar con la del sitio web anterior, porque este último esta alojado en otro servidor y no podemos medir su uso de energía. Lo que podemos comparar es el sitio web solar con una configuración autohospedada similar que se ejecuta en la red. Esto nos permite evaluar la (des) sostenibilidad o el funcionamiento del sitio web solar.

Los análisis del ciclo de vida de los paneles solares no son muy útiles para calcular las emisiones de CO2 de nuestros componentes porque funcionan suponiendo que se utiliza toda la energía producida por los paneles. Esto no es necesariamente cierto en nuestro caso: los paneles solares más grandes desperdician mucha energía solar en condiciones climáticas óptimas.

Alojar la revista Low-tech con energía solar durante un año ha producido tantas emisiones como una distancia promedio de conducción de de 50 km.

Por lo tanto, adoptamos otro enfoque: convertimos la energía incorporada de nuestros componentes en litros de aceite (1 litro o aceite es 10 kWh de energía primaria) y calculamos el resultado en función de las emisiones de CO2 del petróleo (1 litro de aceite produce 3 kg) de gases de efecto invernadero, incluida su extracción y refinación). Esto tiene en cuenta que la mayoría de los paneles solares y baterías ahora se producen en China, donde la red eléctrica es tres veces más intensiva en carbono y 50% menos eficiente en energía que en Europa. 6

Esto significa que el uso de combustibles fósiles asociado con el funcionamiento de la revista Low-tech solar durante el primer año (panel de 50W, batería de 86.4 Wh) corresponde a 3 litros de aceite y 9 kg de emisiones de carbono, tanto como un automóvil europeo promedio que conduce un distancia de 50 km. A continuación se muestran los resultados para las otras configuraciones:

Energía incorporada en su equivalente en petróleo (L / año) y emisiones de CO 2 (kg / año) de las diferentes configuraciones

50W 30W 10W 5W
440Wh 5.05 L
15.14 kg
4.37 L
13.11 kg
n/a n/a
168Wh 3.49 L
10.47 kg
2.81 L
8.44 kg
2.13 L
6.40 kg
n/a
86.4Wh 2.92 L
8.76 kg
2.24 L
6.71 kg
1.56 L
4.69 kg
1.39 L
4.18 kg
48Wh 2.80 L
8.41 kg
2.13 L
6.38 kg
1.45 L
4.34 kg
1.28 L
3.83 kg
24Wh 2.63 L
7.89 kg
1.98 L
5.94 kg
1.3 L
3.90 kg
1.13 L
3.39 kg
15.6Wh 2.62 L
7.85 kg
1.94 L
5.83 kg
1.26 L
3.79 kg
1.09 L
3.28 kg

* Incluyendo la energía incorporada del servidor y el controlador de carga
* n/a = el panel solar no consiguió cargar por completo la batería (independientemente de la estación del año)

Comparación con la intensidad de carbono de la red eléctrica española

Ahora calculemos las hipotéticas emisiones de CO2 al ejecutar nuestro servidor web autohospedado con energía de red en lugar de energía solar. Las emisiones de CO2 en este caso dependen de la red eléctrica española, que resulta ser una de las menos intensivas en carbono en Europa debido a su alta proporción de energía renovable y nuclear (respectivamente 36.8% y 22% en 2019).

El año pasado, la intensidad de carbono de la red eléctrica española disminuyó a 162 g de CO2 por kWh o electricidad. En comparación, la intensidad de carbono promedio en Europa es de alrededor de 300 g por kWh o electricidad, mientras que la intensidad de carbono de la red eléctrica de EE. UU. Y China está por encima de 400 gy 900 g o CO2 por kWh de electricidad.

Si solo observamos el uso de energía operacional de nuestro servidor, que fue de 9.53 kWh de electricidad durante el primer año, operarlo en la red eléctrica española habría producido 1.54 kg o emisiones de CO2, en comparación con los 3 - 9 kg de nuestra configuración. Esto parece indicar que nuestro servidor alimentado por energía solar es una mala idea, porque incluso el panel solar más pequeño con la batería más pequeña genera más emisiones de carbono que la energía de la red.

Cuando se mide la intensidad de carbono de la red eléctrica, la energía incorporada o la infraestructura de energía renovable son consideradas cero.

Sin embargo, estamos comparando manzanas con naranjas. Hemos calculado nuestras emisiones en función de la energía incorporada de nuestra instalación. Cuando se mide la intensidad de carbono de la red eléctrica española, la energía incorporada de la infraestructura de energía renovable es considerada cero. Si calculamos nuestra intensidad de carbono de la misma manera, o por supuesto, también sería cero.

Ignorar las emisiones de carbono incorporadas de la infraestructura energética es razonable cuando la red funciona con plantas de energía de combustibles fósiles, porque las emisiones de carbono para construir esa infraestructura son muy pequeñas en comparación con las emisiones de carbono del combustible que se quema. Sin embargo, lo contrario sucede si hablamos de fuentes de energía renovables, donde las emisiones operativas de carbono son casi nulas, pero existente durante la producción de las propias plantas de energía.

Para hacer una comparación justa con nuestro servidor alimentado por energía solar, el cálculo de la intensidad de carbono de la red eléctrica española debería tener en cuenta las emisiones del edificio y el mantenimiento de las plantas de energía, las líneas de transmisión y, si las plantas de energía de combustibles fósiles eventualmente desaparecerieran - el almacenamiento de la energía.

Por supuesto, en última instancia, la energía incorporada de todos estos componentes dependerían del tiempo de actividad elegido. Posibles mejoras Hay muchas maneras en que la sostenibilidad de nuestro sitio web alimentado por energía solar podría mejorarse mientras se mantiene el tiempo de actividad actual. La producción de paneles solares y baterías usando electricidad de la red española tendría el mayor impacto en términos de emisiones de carbono, porque la huella de carbono de nuestra configuración sería de aproximadamente 5 veces menos de lo que lo es ahora.

Lo que podemos hacer nosotros mismos es reducir el uso de energía operativa del servidor y mejorar la eficiencia del sistema de la instalación solar fotovoltaica. Ambos nos permitirían ejecutar el servidor con una batería y un panel solar más pequeños, reduciendo la energía incorporada. También podríamos cambiar a otro tipo de almacenamiento de energía u otro tipo de fuente de energía.

Servidor

Ya hemos realizado algunos cambios que redujeron el uso de energía operativa del servidor. Por ejemplo, descubrimos que más de la mitad del tráfico total de datos en nuestro servidor (6.63 de 11.16 TB) fue causado por una implementación de RSS que buscaba actualizaciones de nuestro feed cada dos minutos.

Una diferencia en el uso de energía de 0.19 vatios suma 4.56 vatios-hora durante el curso de 24 horas, lo que significa que el sitio web puede permanecer en línea por más de 2.5 horas extras.

Arreglar este, así como otros cambios, redujeron el uso de energía del servidor (excluyendo las pérdidas de energía) de 1.14 vatios a aproximadamente 0.95 vatios. La ganancia puede parecer pequeña, pero una diferencia en el uso de energía de 0.19 vatios suma 4.56 vatios-hora durante el curso de 24 horas, lo que significa que el sitio web puede permanecer en línea por más de 2.5 horas extras.

Eficiencia del sistema

La eficiencia del sistema fue solo del 50% durante el primer año. Se experimentaron pérdidas de energía durante la carga y descarga de la batería (22%), así como en la conversión de voltaje de 12 V (sistema fotovoltaico solar) a 5 V (conexión USB), donde las pérdidas suman un 28%. El convertidor de voltaje inicial que construimos era bastante subóptimo (nuestro controlador de carga solar no tiene una conexión USB incorporada), por lo que podríamos construir uno mejor, o cambiar la configuración de PV solar a 5V.

Almacenamiento de energía

Para aumentar la eficiencia del almacenamiento de energía, podríamos reemplazar las baterías de plomo-ácido con baterías de iones de litio. Estas son más caras, pero tienen menores pérdidas de carga / descarga (<10%) y menor energía incorporada. Lo más probable es que eventualmente cambiemos a un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido a pequeña escala (CAES). Aunque los sistemas CAES de baja presión tienen una eficiencia similar a las baterías de plomo-ácido, tienen una energía incorporada mucho menor debido a su larga vida útil (décadas en lugar de años).

Fuente de energía

Otra forma de reducir la energía incorporada es cambiar la fuente de energía renovable. La energía solar fotovoltaica tiene una alta energía incorporada en comparación con otras alternativas como la eólica, hidráulica o la energía humana. Estas fuentes de energía podrían cosecharse con poco más que un generador y un regulador de voltaje, ya que el resto de la planta de energía podría construirse de madera. Además, un sitio web alimentado por agua no requeriría almacenamiento de energía de alta tecnología. Si se encuentra en un clima frío, se podría operar un sitio web al calor de una estufa de leña, utilizando un generador termoeléctrico.

Rastreador solar

Teniendo un buen suministro de viento o agua se podría construir un sistema con menos energía incorporada que el nuestro. Sin embargo, a menos que el autor comience a alimentar su sitio web con energía de las manos o los pies, estamos prácticamente obligados a usar energía solar. La mejora más importante que podríamos hacer es agregar un rastreador solar que haga que el panel siga al sol, lo que podría aumentar la generación de electricidad hasta en un 30% y permitirnos obtener un mejor tiempo de actividad con un panel más pequeño.

Ampliando el sistema

Una última forma de mejorar la sostenibilidad de nuestro sistema sería ampliarlo: ejecutar más sitios web en un servidor y ejecutar más servidores (y más grandes) en un sistema solar fotovoltaico. Esta configuración tendría una energía incorporada mucho menor que un sistema de gran tamaño para cada sitio web.

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Ilustración: Diego Marmolejo.

Empresa de alojamiento web solar

Si tuviéramos que llenar el balcón del autor con paneles solares y comenzar una empresa de alojamiento web con energía solar, la energía incorporada por visitante único disminuiría significativamente. Solo necesitaríamos un servidor para múltiples sitios web y un controlador de carga solar para múltiples paneles solares. La conversión de voltaje sería más eficiente desde el punto de vista energético, y todos los sitios web podrían compartir la energía solar y de la batería, lo que genera economía de escala.

Por supuesto, este es mismo concepto de los centros de datos, y aunque no tenemos la ambición de iniciar un negocio así, otros podrían llevar esta idea hacia adelante: hacia un centro de datos que sea tan eficiente como cualquierotro centro de datos actual, pero que funciona con energías renovables y se desconecta cuando hace mal tiempo.

Agregar más sitios web

Descubrimos que la capacidad de nuestro servidor es lo suficientemente grande como para alojar más sitios web, por lo que ya hemos dado un pequeño paso hacia la economía de escala al trasladar las versiones en español y francés de Low-tech Magazine al servidor alimentado por energía solar (así como algunas otras traducciones).

Aunque este movimiento aumentará nuestro uso de energía operacional y potencialmente también nuestro uso de energía incorporada, también eliminamos otros sitios web que están o estaban alojados en otros lugares. También tenemos que tener en cuenta que la cantidad de visitantes únicos a la revista Low-Tech puede crecer en el futuro, por lo que debemos ser más eficientes energéticamente tan solo para mantener nuestra huella ambiental.

Combinar servidor e iluminación

Otra forma de lograr economía de escala daría un giro completamente nuevo a la idea. El servidor alimentado por energía solar es parte del hogar del autor, que también está parcialmente alimentado por energía solar fuera de la red. Podríamos probar diferentes tamaños de baterías y paneles solares, simplemente intercambiando componentes entre instalaciones solares.

Cuando estábamos ejecutando el servidor en el panel de 50 W, el autor estaba operando las luces en la sala de estar en un panel de 10 W, y a menudo se quedaba sentado en la oscuridad. Cuando estábamos operando el servidor en el panel de 10 W, era al revés: había más luz en el hogar, a expensas de un menor tiempo de actividad del servidor.

Si el clima empeora, el autor podría decidir no usar las luces y mantener el servidor en línea, o al revés

Digamos que operamos tanto las luces como el servidor en un sistema solar fotovoltaico. Sería menor la energía incorporada si se consideran ambos sistemas, porque solo se necesitaría un controlador de carga solar. Además, podría dar como resultado una batería y un panel solar mucho más pequeños (en comparación con dos sistemas separados), porque si el clima empeora, el autor podría decidir no usar las luces y mantener el servidor en línea, o al revés. Esta flexibilidad no está disponible ahora, porque el servidor es la única carga y su potencia no es fácilmente manipulable.

Uso de energía en la red

Hasta donde sabemos, el nuestro es el primer análisis del ciclo de vida de un sitio web que funciona completamente con energía renovable e incluye la energía incorporada y la infraestructura de almacenamiento de energía. Sin embargo, este no es, por supuesto, el uso total de energía asociado con este sitio web.

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También existe la energía operacional e incorporada de la infraestructura de red (que incluye nuestro enrutador, la red troncal de Internet y la red de telefonía móvil), y la energía operacional e incorporada de los dispositivos que nuestros visitantes usan para acceder a nuestro sitio web: teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles, computadoras de escritorio. Algunos de estos tienen un bajo uso de energía operativa, pero todos tienen una vida útil muy limitada y, por lo tanto, una gran energía incorporada.

El uso de energía en la red está directamente relacionado con la frecuencia de bits de los datos, por lo que nuestro sitio web, al ser tan livano, es igual de eficiente en las redes de comunicación como en nuestro servidor. Sin embargo, tenemos muy poca influencia sobre qué dispositivos utilizan las personas para acceder a nuestro sitio web, y la ventaja directa de nuestro diseño es mucho menor aquí que en la red. Por ejemplo, nuestro sitio web tiene el potencial de aumentar la esperanza de vida de las computadoras, ya que es lo suficientemente ligero como para acceder a él con máquinas muy antiguas. Desafortunadamente, nuestro sitio web no hará que las personas usen sus computadoras por más tiempo.

Tanto la infraestructura de red como los dispositivos de uso final podrían reimaginarse en línea con sitio web solar.

Dicho esto, tanto la infraestructura de red como los dispositivos de uso final podrían reimaginarse en línea con el sitio web solar, reducido y alimentado por fuentes de energía renovables con almacenamiento de energía limitado. Partes de la infraestructura de la red podrían desconectarse si el clima local es malo, y su correo electrónico puede almacenarse temporalmente en una tormenta a 3.000 km de distancia. Este tipo de infraestructura de red existe realmente en algunos países y ella fue la inspiración para la creación de este sitio web solar. Los dispositivos de uso final podrían tener un bajo consumo de energía y una larga esperanza de vida.

Debido a que el uso total de energía del Internet generalmente se mide para que se distribuya aproximadamente por igual entre los servidores, la red y los dispositivos de uso final (todo incluyendo la fabricación de los dispositivos), podemos hacer una estimación aproximada del uso total de energía de este sitio web a través de un internet reimaginado. Para nuestra configuración original con un tiempo de actividad del 95.2%, esto sería 87.6 kWh de energía primaria, que corresponde a 9 litros de aceite y 27 kg de CO2. Las mejoras que describimos anteriormente podrían reducir aún más estos números, porque en este cálculo, todo el Internet funciona con sistemas solares fotovoltaicos de gran tamaño en balcones.

Kris De Decker, Roel Roscam Abbing, Marie Otsuka Gracias a Kathy Vanhout, Adriana Parra y Gauthier Roussilhe. Revisado por Alice Essam.

Notas


  1. La capacidad de almacenamiento de nuestra configuración original es una estimación. En realidad, durante este período, hemos ejecutado el servidor alimentado por energía solar en una batería LiPo de 24 Wh (3.7V, 6.6A), y hemos colocado una batería de plomo-ácido muy antigua de 84.4 vatios entre el LiPo y el controlador de carga solar para hacer compatibles ambos sistemas. La tensión final de desconexión corte de la batería de plomo-ácido fue muy alta en verano (lo que significa que el sistema funcionaba solo con LiPo) pero fue más baja en invierno (de modo que parte de la batería de plomo-ácido proporcionó una parte del almacenamiento de energía) Esta configuración complicada se debió completamente al hecho de que solo podíamos medir la capacidad de almacenamiento de la batería LiPo, que necesitábamos para mostrar nuestro medidor de batería en línea. En noviembre de 2019 desarrollamos nuestro propio medidor de batería de plomo-ácido, que permitió eliminar el LiPo de nuestra configuración. 

  2. “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)”. Energy Conversion and Management 46, 2005 

  3. Zhong, Shan, Pratiksha Rakhe, and Joshua M. Pearce. “Energy payback time of a solar photovoltaic powered waste plastic recyclebot system.” Recycling 2.2 (2017): 10. 

  4. Hay poca investigación sobre la energía incorporada de los controladores de carga solar. La mayoría de los estudios se centran en grandes sistemas fotovoltaicos solares, en los que la energía incorporada del controlador de carga es insignificante. El resultado más útil que encontramos fue un valor de 1 MJ / W, estimado sobre el tamaño del controlador: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Para una capacidad de 120 W, esto se reduce a 120 MJ o 33.33 kWh. Para la expectativa de vida, encontramos valores de entre 7 años y 12.5 años: la misma referencia, y Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Decidimos hacer el cálculo en base a una esperanza de vida de 10 años. 

  5. No hay investigación realizada sobre la energía incorporada de nuestro servidor. Calculamos la energía incorporada sobre la base de un análisis del ciclo de vida de un teléfono inteligente: Ercan, Mine & Malmodin, Jens & Bergmark, Pernilla & Kimfalk, Emma & Nilsson, Ellinor. (2016). Life Cycle Assessment of a Smartphone. 10.2991/ict4s-16.2016.15. No tenemos idea de la vida útil esperada del servidor, pero dado que nuestro Olimex está destinado al uso industrial (a diferencia del Raspberry Pi), asumimos una esperanza de vida de 10 años, al igual que el controlador de carga.[6] De Decker, Kris. “How sustainable is solar PV power?”, Low-tech Magazine, May 2015. 

  6. De Decker, Kris. “¿Cuán sostenible es la energía solar fotovoltaica?”, Low-tech Magazine, Mayo de 2015. 

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