Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Strona internetowa zasilana słońcem – w jakim stopniu jest zrównoważona?

Przedstawimy ile nasza strona internetowa zużyła energii, przez jaki czas była dostępna online, obliczamy energię wcieloną naszego systemu, biorąc pod uwagę optymalną równowagę pomiędzy stopniem zrówoważenia i czasem pracy, a na koniec zaproponujemy możliwe ulepszenia.

Przekład: Michal Kolbusz

image

Illustration: Diego Marmolejo.

Nasza samodzielnie hostowana, zasilana wyłącznie energią słoneczną strona internetowa działa już 15 miesięcy. W tym artykule przedstawimy ile w tym czasie strona zużyła energii, przez ile czasu była dostępna online oraz policzymy energię wcieloną (ang. emobodied energy) naszego systemu. Opierając się na przedstawionych wynikach, zaproponujemy naszym zdaniem optymalną konfigurację systemu solarnego, zachowującą równowagę pomiędzy czasem pracy serwera, a stopniem jego zrównoważania (w sensie śladu ekologicznego, przyp. tłum.). Na koniec przedstawimy możliwe do wprowadzenie ulepszenia.

Czas Pracy, Zużycie Energii & Sprawność Systemu

Energia Wcielona & Czas pracy

Czas Pracy a Rozmiar Baterii

Czas Pracy & Wielkość Paneli Słonecznych

Energia wcielona paneli fotowoltaicznych i akumulatorów różnych rozmiarów

Emisja CO2: jak zrównoważona jest strona internetowa zasilana energią słoneczną?

Co można poprawić

Efekt korzyści skali

Sieciowe zużycie energii

Wprowadzenie

We wrześniu 2018 roku, Low-Tech Magazine uruchomił nową stronę internetową, której zadaniem było radykalne zmniejszenie zużycia energii i emisji dwutlenku węgla związanej przeglądaniem naszych treści. Zużycie energii światowej sieci internetowej szybko rośnie z powodu rosnącej ilości przesyłanych danych (treść stron staje się “cięższa”) oraz przez wzrost czasu spędzanego w sieci (szczególnie od czasów pojawienia się przenośnych komputerów, smartfonów i rozwoju sieci bezprzewodowych).

Zasilana energią słońca strona internetowa opiera się tym trendom. Aby móc znacząco obniżyć zużycie energii (poniżej tego ile potrzebuje przeciętna strona internetowa) skupiliśmy się na podstawach projektowania stron i wybraliśmy statyczną stronę zamiast systemu zarządzania treścią opartym na bazie danych. Żeby zmniejszyć ślad ekologiczny związany z użyciem paneli słonecznych i baterii, których produkcja jest wysoce energochłonna, postawiliśmy na minimalistyczny projekt godząc się na to, że strona może przejść w tryb offline kiedy pogoda będzie kiepska.

Przez piętnaście miesięcy prowadziliśmy monitoring zasilanego słońcem serwera i zebraliśmy dane dotyczące czasu pracy, zużycia prądu, sprawności systemu oraz ruchu sieciowego. Obliczyliśmy również ile energii potrzeba do wyprodukowania paneli słonecznych, baterii, kontrolera ładowania i serwera (tzw. energii wcielonej, przyp. tłum.).

Czas Pracy, Zużycie Energii & Sprawność Systemu

Czas pracy

Zasilana słońcem strona internetowa przechodzi w tryb offline kiedy pogoda jest zła - jak często się to zdarza? W okresie mniej więcej jednego roku (351 dni od 12 grudnia 2018 do 28 listopada 2019), osiągnęliśmy czas pracy na poziomie 95.26%. To oznacza, że z powodu złej pogody byliśmy offline przez 399 godzin.

Jeśli pominiemy dwa ostatnie miesiące, to czas online wrośnie do 98.2%, a offline spadnie do 152 godzin. Czas online spadł do poziomu 80% w ostatnich dwóch miesiącach, kiedy upgrade oprogramowania spowodował wzrost zużycie energii przez serwer. Z tego powodu co noc strona wyłączała się na kilka godzin.

Zużycie energii i sprawność systemu

Przypatrzmy się energii elektrycznej jaką używa nasz serwer sieciowy (“operacyjne zużycie energii”). Mamy pomiary poboru prądu z serwera i z kontrolera ładowania solarnego. Porównanie obu wskazań ujawniło problemy z wydajnością systemu. Przez okres z grubsza roku (od 3 grudnia 2018 do 24 listopada 2019), zużycie energii elektrycznej naszego serwera wyniosło 9.52 kWh.

Wykryliśmy znaczące straty w systemie fotowoltaicznym wynikające ze zmiany napięcie oraz straty przy ładowaniu/rozładowywaniu akumulatora. Kontroler ładowania solarnego wskazał zużycie prądu o wartości 18.10 kWh, co oznacza że sprawność systemu wynosiła ok. 50%.

Zużycie energii, a ilość odwiedzin strony

W okresie testowym, zanotowano 865 tysięcy indywidualnych odwiedzin witryny. Biorąc pod uwagę wszystkie straty energii w systemie wynika z tego, że zużycie prądu elektrycznego na każde indywidualne wejście wyniosło 0.021 Wh.

Tym samym, jedna kilowatogodzina energii solarnej może pozwolić na prawie 50 000 odwiedzin strony, a jedna watogodzina może pozwolić na około 50 indywidualnych wejść. Mowa o energii pochodzącej w pełni z odnawialnego źródła co oznacza, że prowadzenie naszej strony nie wiąże się bezpośrednio z emisją CO2.

Jedna kilowatogodzina energii słonecznej pozwala na prawie 50 000 odwiedzin

Energia Wcielona & Czas pracy

W tym miejscu przeważnie kończą się opowieści o energii odnawialnej jako rozwiązaniu na rosnące zużycie prądu przez Internet. Kiedy badacze przyglądają się energii zużywanej przez centra baz danych, hostujące treści dostępne w Internecie, nigdy nie biorą pod uwagę energii niezbędnej do wybudowania i utrzymania infrastruktury zasilającej te centra.

My poszliśmy o krok dalej. Dla nas panele fotowoltaiczne, akumulator i kontroler ładowania solarnego są równie istotne jak sam serwer. Nie można zapominać o energii zużytej na wydobycie surowców i wyprodukowanie wszystkich elementów systemu tj. o ich energii wcielonej.

image

Uproszoczny schemat naszego systemu. Zmiana napięcia (pomiędzy 12 woltowym kontrolerem ładowania, a 5 woltowym serwerem) i wskaźnik poziomu naładowania baterii (pomiędzy serwerem, a akumulatorem) nie zostały przedstawione. Ilustracja: Diego Marmolejo.

Niestety, większość tej energii pochodzi z paliw kopalnych, czy to w formie diesla (wydobycie surowców i transport części) czy w formie prądu elektrycznego wytwarzanego przez elektrownie spalające węgiel lub gaz (większość procesów wytwórczych).

Dobór wielkości akumulatora i panelu słonecznego jest kompromisem pomiędzy czasem online, a stopniem zrównoważenia systemu.

Energia wcielona naszego zestawu jest determinowana przede wszystkim przez wielkość akumulatora i panelu fotowoltaicznego. Od ich rozmiarów zależy tak samo to, jak często strona będzie dostępna online. Nasz wybór wielkości akumulatora i panelu słonecznego jest kompromisem pomiędzy czasem pracy, a zrównoważonym użyciem.

Żeby uzyskać optymalny balans, zmienialiśmy (i nadal zmieniamy) konfigurację obu tych komponentów. Czas prac i energia wcielona są również zależne od lokalnych warunków pogodowych, więc wyniki jakie uzyskaliśmy mogę być znaczące jedynie dla naszej lokalizacji (dla balkonu autora niedaleko hiszpańskiej Barcelony).

imageimages

Illustracja: Diego Marmolejo

Czas Pracy & Rozmiar Baterii

To jak długo strona może działać bez zasilania zależy od pojemności akumulatora i wydajności fotowoltaiki. Konieczne jest zapewnienie minimum zmagazynowanej energii, aby móc podtrzymać stronę przez noc. Większa bateria może zrekompensować pewien okres niskiej (lub braku) produkcji energii słonecznej w ciągu dnia. Pojemność baterii z czasem maleje, więc najlepiej zacząć od większych akumulatorów niż jest to potrzebne. W przeciwnym razie szybko będziemy zmuszeni dokupić nowe.

Czas pracy > 90%

Najpierw obliczmy minimalne zapotrzebowanie na energię konieczne do utrzymania witryny przez noc w trybie online, zakładając że pogoda za dnia jest dobra, bateria jest nowa, a panel słoneczny jest wystarczająco duży, aby całkowicie naładować baterię. Średnie zużycie energii przez nasz serwer internetowy w pierwszym roku (łącznie ze wszystkimi stratami energii w instalacji solarnej) wyniosło 1.97 W. W najkrótszą noc roku (8 godz. 5 min., 21 czerwca) serwer pobrał 17.40 Wh energii z akumulatora, a podczas najdłuższej nocy roku (14 godz. 49 min, 21 grudnia) 29.19 Wh.

Minimum zmagazywnowej energii potrzebnej do utrzymania strony przez noc*

Miesiąc Długość dnia Noc Zapas energii
21 Wrz 2018 12h13min 11h47min 23.21 Wh
21 Paź 2018 10h52min 13h8min 25.87 Wh
21 Lis 2018 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Gru 2018 9h11min 14h49min 29.1 Wh
21 Sty 2019 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Lut 2019 10h53min 13h7min 25.84 Wh
21 Mar 2019 12h13min 11h47min 23.22 Wh
21 Kwi 2019 13h34min 10h26min 20.55 Wh
21 Maj 2019 14h41min 9h19min 18.35 Wh
21 Cze 2019 15h10min 8h50min 17.4 Wh
21 Lip 2019 14h43min 9h17min 18.29 Wh
21 Sie 2019 13h36min 10h24min 20.49 Wh

  • Lokalizacja: Barcelona
  • Przyjmując, że jest słonecznie
  • Wh = watogodzina

Ponieważ akumulatory kwasowo-ołowiowe nie powinny być rozładowywane poniżej połowy ich pojemności, nasz serwer potrzebuje akumulatora o poj. 60 Wh, aby przetrwać najkrótsze noce, gdy warunki słoneczne są optymalne (2 x 29.19 Wh). Przez większą część roku korzystaliśmy z systemu z nieco większym zapasem energii (do 86,4 Wh) i panelem słonecznym o mocy szczytowej 50 Wp. Dzięki temu osiągnęliśmy wcześniej wspomniany czas pracy na poziomie 95-98%. 1

Czas pracy = 100%

Większa bateria podtrzyma działanie strony nawet podczas dłuższych okresów złej pogody, pod warunkiem że panel słoneczny jest wystarczająco duży, aby całkowicie naładować baterię. Potrzebujemy 47.28 Wh (24h x 1.97 W) pojemności baterii, żeby zrekompensować jeden dzień niepogody.

Od 1 grudnia 2019 r. do 12 stycznia 2020 r. testowaliśmy konfigurację z panelem słonecznym o mocy 50 W z baterią o pojemności 168 Wh, która ma rzeczywistą pojemność wynoszącą 84 Wh. To wystarczyło, aby strona działała nieprzerwanie przez dwie noce i jeden dzień. Pomimo, tego że testy odbyły się w najciemniejszym okresie roku, to pogoda dopisała i osiągnęliśmy czas pracy równy 100%.

Jednak zapewnienie przez lata stuprocentowej, ciągłej pracy wymagałoby większego zapasu energii. Aby utrzymać stronę internetową w trybie online przez cztery dni przy niskim lub zerowym wytwarzaniu energii, potrzebowalibyśmy akumulatora kwasowo-ołowiowego o pojemności 440 Wh (takiego jak w samochodzie osobowym). Akumulatory tych rozmiarów to dzisiejszy standard wśród ludzi którzy chcą być samowystarczalni energetycznie i odłączyć swoje domy od sieci energetycznej.

Czas pracy < 90%

Przeprowadziliśmy również obliczenia dla akumulatorów, które nie są wystarczająco duże, aby zapewnić dostęp do witryny przez najkrótszą noc w roku: 48 Wh, 24 Wh i 15.6 Wh (przy praktycznych pojemnościach odpowiednio 24 Wh, 12 Wh i 7.8 Wh ). Ten ostatni jest najmniejszym dostępnym na rynku akumulatorem kwasowo-ołowiowym.

Dla małych lokalnych podmiotów chcących publikować swoje treści w Internecie, ale nie przewidujących dużego ruchu sieciowego po północy, witryna która przechodzi nocą w tryb offline może być ciekawą propozycją.

Przy dobrej pogodzie akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 48 Wh utrzyma serwer przec noc od marca do września. Akumulator o pojemności 24 Wh może utrzymywać witrynę w trybie online przez maksymalnie 6 godzin, co oznacza, że serwer będzie wyłączał się każdej nocy, chociaż o różnych godzinach w zależności od pory roku.

Gdy zabraknie zasilania to akumulator 15.6 Wh utrzyma stronę internetową tylko przez cztery godziny. Nawet przy dobrej pogodzie serwer przestanie działać od godziny pierwszej w nocy latem i około godziny 21:00 zimą. Maksymalny czas pracy dla najmniejszej baterii wynosiłby około 50%, ale w praktyce będzie krótszy z powodu chmur i deszczu.

Dla małych lokalnych podmiotów chcących publikować swoje treści w Internecie, ale nie przewidujących dużego ruchu sieciowego po północy, witryna która przechodzi w tryb offline w nocy może być ciekawą propozycją. W przypadku Low-Tech Magazine ruch sieciowy jest prawie równo podzielony między Europę i USA, więc dla nas nie jest to dobra opcja. Jeśli witryna co noc będzie się wyłączać, nasi amerykańscy czytelnicy będą mogli uzyskać do niej dostęp tylko rano.

Przewidywany czas pracy przy w pełni naładowanych bateriach różnych rozmiarów

Bateria Czas pracy
440Wh Strona działa przez 4 doby niepogody
168Wh Strona działa przez 1 dobę niepogody
86.4Wh Strona działa jedną noc jeśli pogoda jest dobra
48Wh Strona przestaje działać nocą wiele razy w roku
24Wh Strona przestaje działać każdej nocy
15.6Wh Strona przestaje działać każdej nocy

Czas pracy a wielkość paneli słonecznych

Czas działania strony internetowej zasilanej energią słoneczną zależy nie tylko od rozmiaru baterii, ale także od powierzchni paneli słonecznych (zwłaszcza podczas niepogody). Im większy panel, tym szybciej naładuje się akumulator, co oznacza że potrzeba mniej godzin słońca do podtrzymania strony internetowej przez całą noc. Na przykład, dzięki panelowi o mocy 50 W wystarczy jedna do dwóch godzin pełnego słońca, aby całkowicie naładować dowolny z wymienionych wyżej akumulatorów (z wyjątkiem samochodowego).

Zamieńmy panel słoneczny 50 W na panel 10 W, a system będzie teraz potrzebował minimum 5.5 godziny, aby naładować akumulator o poj. 86.4 Wh przy optymalnych warunkach pogodowych (2 W do obsługi serwera, 8 W do naładowania akumulatora). Jeśli panel słoneczny o mocy 10 W połączymy z większym akumulatorem kwasowo-ołowiowym o pojemności 168 Wh, potrzeba będzie 10.5 godziny pełnego słońca, aby całkowicie go naładować. Będzie to jednak możliwe jedynie w okresie od lutego do listopad.

Dzięki większemu panelowi fotowoltaicznemu strona internetowa ma większe szanse pozostać online w czasie kiedy warunki pogodowe nie są optymalne.

Chmury

Większy panel słoneczny ma swoje zalety przy pochmurnej pogodzie. Chmury mogą obniżyć produkcję energii słonecznej do poziomu od 0 do 90% możliwej mocy, w zależności od grubości zachmurzenia. Nawet jeśli 50-watowy panel słoneczny pracuje z zaledwie 10% swojej mocy maksymalnej (5 Wp), to wciąż wystarczy prądu, aby uruchomić serwer (2 W) i naładować akumulator (3 W).

Jednakże, jeśli panel o mocy szczytowej 10 Wp będzie pracował jedynie na 10% tej wartości to nie będzie to wystarczające do ładowania baterii, nawet jeśli starczy mocy na zasilenie serwera. Próbowaliśmy zasilać system panelem o mocy 10 Wp od 12 do 21 stycznia 2020 roku, jednak szybko padał kiedy warunki pogodowe przestawały być optymalne. W tym momencie stronę zasila panel o mocy 30Wp połączony z akumulatorem o pojemniści 168 Wh.

Panel słoneczny o mocy 5 W (najmniejszy dostępny na rynku panel słoneczny o napięciu 12 V) to absolutne minimum wymagane do prowadzenia strony internetowej zasilanej energią słoneczną. Jednak tylko w optymalnych warunkach pogodowych będzie w stanie zasilić serwer i naładować baterię. W takiej konfiguracji witryna będzie dostępna w nocy, jedynie podczas odpowiednio długich dni. Jednakże pamiętajmy, że panele słoneczne rzadko osiągają swoją moc maksymalną. W rezultacie strona internetowa byłaby dostępna tylko wtedy, gdy świeci słońce.

Połączenie małego panelu z dużą baterią może mieć tą samą energię wcieloną, co połączenie dużego panelu słonecznego i małej baterii. Jednak oba systemy różnią się co do swoich właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej jest wybrać większy panel słoneczny i mniejszą baterię, ponieważ ta kombinacja zwiększa żywotność baterii - akumulatory kwasowo-ołowiowe muszą być od czasu do czasu całkowicie naładowane, w przeciwnym razie tracą pojemność.

Ile godzin słońca potrzeba, aby w całkowicie naładować baterie rożnych rozmiarów w zależności od wielkości panelu fotowoltaicznego.*

Bateria 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

* Przyjmując, że średnio panel pracuje z 75% mocy sczytowej, przy 15% stratach podczas ładowania i 50% głębokości rozładowania

Energia Wcielona Paneli Fotowoltaicznych i Akumulatorów Różnych Rozmiarów

W tabeli poniżej przedstawiamy nasze kalkulacje energii wcielonej różnych rozmiarów akumulatorów i paneli fotowoltaicznych, podane jako ilość energii wcielonej na jeden rok użytkowania urządzenia. Przyjmujemy czas życia akumulatora na 5 lat, a panelu fotowoltaicznego na 25 lat.

Potrzeba 1.03 MJ energii do wyprodukowania 1 Wh pojemności akumulatora kwasowo-ołowiowego1 i 3.514 MJ do wytworzenia 1 m2 paneli fotowoltaicznych.2 [MJ] przeliczamy na [kWh] energii pierwotnej (nie elektryczności).

Zasilana energią słoneczną witryna potrzebuje również kontrolera zasilania i serwera sieciowego. Energia wcielona tych komponentów pozostaje ta sama dla każdego zestawu baterii i panelu. Energia wcielona na rok została policzona przy przyjęciu czasu życia obu urządzeń na 10 lat. 45

Energia wcielona poszczególnych komponentów systemu (na jeden rok użytkowania)

Bateria* Energia wcielona
440Wh bateria 25.17 kWh/rok
168Wh bateria 9.60 kWh/rok
86.4Wh bateria 3.91 kWh/rok
48Wh bateria 2.75 kWh/rok
24Wh bateria 1.27 kWh/rok
15.6Wh bateria 0.89 kWh/rok

* Obliczone przy przyjęciu żywotności na 5 lat
* kWh/rok = energia pierwotna

Panel fotowoltaiczny* Energia wcielona
50W panel 16.96 kWh/rok
30W panel 10.20 kWh/rok
10W panel 3.40 kWh/rok
5W panel 1.70 kWh/rok

* Obliczone przy przyjęciu żywotności na 25 lat
* kWh/rok = energia pierwotna

Pozostałe komponenty* Energia wcielona
Kontroler ładowania solarnego 3.33 kWh/rok
Serwer 5.00 kWh/rok

* Obliczone przy przyjęciu żywotności na 10 lat
* kWh/rok = energia pierwotna

Skoro już wiemy jaką energię wcieloną mają poszczególne komponenty możemy przejść do obliczeń energii wcielonej różnych ich kombinacji. Wyniki obliczeń przedstawiamy poniżej. Energia wcielona najmniejszego zestawu (panel 5 W i bateria 15.6 Wh) wynosi 10.92 kWh/rok, co jest jedną piątą energii wcielonej największego zestawu (panel 50 W i bateria 440 Wh) równej 50.46 kWh/rok.

Energia wcielona na rok użytkowania różnych konfiguracji sytemu solarnego*

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

* Zawiera energię wcieloną serwera i kontrolera ładowania
* kWh/rok = energia pierwotna
* n/a = panel fotowoltaiczny nie jest w stanie w pełni naładować tej baterii, bez względu na porę roku

Jeśli podzielimy uzyskane wyniki przez liczbę odwiedzających stronę rocznie (865 000), uzyskamy zużycie energii wcielonej na jednego użytkownika naszej strony. W naszej pierwszej konfiguracji z 95-98% czasem pracy (panel słoneczny 50 W, akumulator 86.4 Wh) zużycie energii pierwotnej na jednego odwiedzającego wyniosło 0.03 Wh. Wynik ten będzie podobny w przypadku innych konfiguracji o niższym czasie pracy, ponieważ niższa energia wcielona systemu będzie podzielona przez mniejszą liczbę odwiedzin.

Emisja CO2: jak zrównoważona jest strona internetowa zasilana energią słoneczną?

Emija CO2 Strony Internetowej Zasilanej Słońcem

Teraz, gdy już obliczyliśmy energię zawartą w różnych zestawach panel i baterii, możemy spróbować obliczyć emisje dwutlenku węgla. Niestety, nie możemy porównać wpływu na środowisko witryny zasilanej energią słoneczną ze starą witryną, ponieważ ta druga jest zewnętrznie hostowana (nie możemy zmierzyź jej poboru energii). To, co możemy jednak porównać, to stronę internetową zasilana energią słoneczną z podobną samodzielnie hostowaną witryną, która jest zasilana z sieci energetycznej. Pozwoli nam to ocenić wpływ środowiskowy strony internetowej zasilanej słońcem.

Analizy cyklu życia paneli słonecznych nie są zbyt przydatne do obliczenia emisji CO2 naszych komponentów, ponieważ oparte są na założeniu, że cała energia wytwarzana przez panele jest zużywana, co w naszym przypadku nie jest prawdą. Przy optymalnych warunkach pogodowych nasze duże panele marnowały sporą część energii słonecznej.

Roczny hosting solarnej wersji Low-Tech Magazine wyemitował taką ilość CO2 jak samochód przejeżdżający 50 km.

Z tego powodu przyjmiemy inne podejście: przeliczymy energię zawartą w elementach naszego układu na litry ropy naftowej (1 litr ropy to 10 kWh energii pierwotnej) i na tej podstawie obliczmy emisję CO2, wiedząc że 1 litr ropy to 3 kg gazów cieplarnianych (łącznie z wydobyciem i rafinacją). Nasze rachunki wezmę pod uwagę to, że większość paneli słonecznych i akumulatorów produkuje się obecnie w Chinach - gdzie sieć energetyczna emituje 3 razy więcej CO2 na kWh energii i jej sprawność jest o połowę niższa w Europie. 6

Zużycie paliw kopalnych związane z prowadzeniem zasilanego energią słoneczną Low-Tech Magazine w pierwszym roku (panel 50 W, akumulator 86.4 Wh) odpowiada spaleniu 3 litrów ropy i wyemitowaniu 9 kg dwutlenku węgla - to tyle ile przeciętny europejski samochód spala na dystansie 50 km. Poniżej znajdują się obliczenia dla innych konfiguracji:

Energia wcielona jako ekwiwalent 1 litra ropy naftowej [l/rok] i emisja CO2 [kg/rok] dla różnych konfiguracji systemu solarnego*

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

* Zawiera energię wcieloną serwera i kotrolera ładowania

Porównanie z emisyjnością CO2 z hiszpańskiej sieci energetycznej

Obliczmy teraz hipotetyczną emisję CO2 z działania naszego samodzielnie hostowanego serwera podłączonego do hiszpańskiej sieci energetycznej. Emisja CO2 w tym przypadku będzie inna, ponieważ Hiszpania ma jedną z najmniej emisyjnych sieci energetycznych w Europie dzięki wysokiemu udziałowi energii odnawialnej i jądrowej (odpowiednio 36.8% i 22% w 2019 r.).

W ubiegłym roku intensywność emisji CO2 w hiszpańskiej sieci energetycznej spadła do 162 g CO2 na 1 kWh energii elektrycznej. Dla porównania średnia intensywność emisji dwutlenku węgla w Europie wynosi około 300 g na 1 kWh energii elektrycznej, podczas gdy w USA i Chinach emisja wynosi odpowiednio powyżej 400 g i 900 g CO2 na 1 kWh.

Jeśli spojrzymy na nasz serwer jedynie pod kątem zużycia prądu, które w pierwszym roku działania wyniosło 9.53 kWh energii elektrycznej, to uruchomienie go w hiszpańskiej sieci energetycznej dałoby wynik równy 1.54 kg emisji CO2 (w porównaniu z 3 do 10 kg w naszych testowych konfiguracjach). Mogłoby się wydawać, że serwer zasilany energią słoneczną to zły pomysł, ponieważ nawet najmniejszy panel słoneczny z najmniejszą baterią generuje więcej emisji CO2 niż serwer zasilany z sieci.

Kiedy mierzy sie emisyjność sieci energetycznej, zakłada się że energia wcielona infrastruktury energii odnawialnej wynosi zero.

Porównujemy jednak dwie różne rzeczy. Ilość emisji obliczyliśmy na podstawie energii wcielonej zawartej w naszych testowych instalacjach. Kiedy mierzy się intensywności emisji dwutlenku węgla dla hiszpańskiej sieci energetycznej przyjmuje się, że energia wcielona w infrastrukturę odnawialnych źródeł energii wynosi zero. Jeśli do naszej strony podejdziemy w ten sam sposób, jasne jest że nasza emisja również powinna wynieść zero.

Pomijanie wcielonej emisji CO2 (tzn. emisji dwutlenku węgla powstałej podczas produkcji, przyp. tłum.) przez infrastrukturę energetyczną jest uzasadnione, ponieważ jeśli sieć jest zasilana przez elektrownie na paliwa kopalne to emisje dwutlenku węgla powstające podczas budowy tej infrastruktury są bardzo małe w porównaniu z emisją ze spalanego paliwa. Jednak nie można tej emisji pomijać w przypadku odnawialnych źródeł energii, w których emisja podczas pracy jest prawie zerowa, ale CO2 jest emitowane podczas produkcji samych urządzeń.

Aby dokonać uczciwego porównania z naszym serwerem zasilanym energią słoneczną, obliczenie intensywności emisji dwutlenku węgla w hiszpańskiej sieci energetycznej powinno uwzględniać emisje z budowy i utrzymania elektrowni, linii przesyłowych oraz systemów magazynowania energii. Oczywiście ostateczna suma energii wcielonej wszystkich tych komponentów będzie zależeć od długości okresu, dla którego wykonujemy obliczenia.

Co można poprawić

To, co sami możemy zrobić żeby zwiększyć stopień zrównoważenia naszego systemu, to zmniejszyć zużycie energii serwera i poprawić wydajność instalacji fotowoltaicznej. Dzięki temu moglibyśmy uruchomić serwer na mniejszym akumulatorze i z mniejszym panelem słonecznym, obniżając w ten sposób energię wcieloną układu. Możemy również przejść na inny rodzaj magazynowania energii lub nawet inny rodzaj źródła energii.

Serwer

Wprowadziliśmy już pewne zmiany, które spowodowały mniejsze zużycie energii przez serwer. Na przykład odkryliśmy, że ponad połowa całkowitego ruchu danych na naszym serwerze (6.63 z 11.16 TB) była wynikiem pojedynczej zepsutej implementacji RSS, która ściągała nasz kanał co kilka minut.

Różnica w zużyciu prądu na poziomie 0.19 W sumuję się pzez dobę do 4.56 Wh, co oznacza że strona może pozostać online przez 2 i pół godziny dłużej.

Naprawienie tego, a także kilka innych zmian, obniżyło zużycie energii przez serwer (bez strat) z 1.14 W do około 0.95 W. Taki zysk może wydawać się niewielki, ale różnica w zużyciu energii wynosząca 0.19 W daje 4.56 Wh w na dobę, co oznacza, że strona może pozostać online dwie i pół godziny dłużej.

Sprawność systemu

Wydajność systemu wyniosła zaledwie 50% w pierwszym roku pracy. Straty energii występowały podczas ładowania i rozładowywania akumulatora (22%), a także podczas konwersji napięcia z 12V (system fotowoltaiczny) na 5V (połączenie USB), gdzie straty sumują się do 28%. Pierwszy konwerter napięcia który zbudowaliśmy nie był dobrze zoptymalizowany (nasz kontroler ładowania słonecznego nie ma wbudowanego połączenia USB), więc moglibyśmy postarać się zbudować lepszy lub przełączyć się na instalację fotowoltaiczną 5V.

Magazynowanie energii

Aby zwiększyć efektywność magazynowania energii, moglibyśmy zastąpić akumulatory ołowiowo-kwasowe droższymi akumulatorami litowo-jonowymi, których straty ładowania/rozładowania są niższe (<10%), a ich energia wcielona mniejsza. Bardziej prawdopodobne jest, że ostatecznie przejdziemy na małoskalowy system magazynowania energii na sprężone powietrze (Compressed Air Energy Storage, w skrócie CAES). Chociaż niskociśnieniowe układy CAES mają podobną wydajność jak akumulatory kwasowo-ołowiowe, to ich energia wcielona jest niższa z powodu znacznie dłuższej żywotności (dziesięciolecia, a nie lata).

Źródło zasilania

Innym sposobem na obniżenie energii wcielonej może być zmiana źródła energii odnawialnej. Energia słoneczna z fotowoltaiki ma wysoką energię wcieloną w porównaniu z wiatrową, wodną lub siłą ludzkich mięśni. Te ostatnie wymagają jedynie instalacji generatora i regulatora napięcia - resztę systemu zasilania można zbudować z drewna. ponadto strona internetowa zasilana wodą nie wymagałaby zaawansowanego technologicznie magazynowania energii. Jeśli żyjesz w chłodnym klimacie, to dzięki generatorowi termoelektrycznemu możesz nawet uruchomić witrynę internetową zasilaną piecem opalanym drewnem.

Moduł śledzenia słońca

Osoby, które cieszą się lepszym nasłonecznieniem i silniejszymi wiatrami, mogą zbudować system z niższą energią wcieloną niż nasz. Jednak dopóki autor nie zacznie zasilać swojej strony ręką lub nogą, jesteśmy skazani na słońce. Największym usprawnieniem jakie moglibyśmy wprowadzić, jest dodanie modułu śledzenia słońca, który sprawia że panel podąża za ruchem słońcem, co może zwiększyć uzysk prądu nawet o 30% i pozwala wydłużyć czas pracy (nawet przy mniejszym panelu fotowoltaicznym).

Efekt korzyści skali

Ostatnim sposobem na poprawienie stopnia zrównoważenia naszego systemu byłoby jego powiększenie: uruchomienie większej liczby stron internetowych na serwerze oraz uruchomienie większej liczby serwerów zasilanych słońcem. Tym sposobem można by zmniejszyć energię wcieloną systemu w porównaniu z tworzenie większej ilości pojedynczych stron.

image

Illustration: Diego Marmolejo.

Słoneczna Spółka Hostingowa

Gdybyśmy zabudowali cały balkon autora panelami słonecznymi i założyli firmę hostingową zasilaną energią słoneczną, energia wcielona przypadająca na jednego odwiedzającego stronę znacznie by się zmniejszyła. Potrzebowalibyśmy tylko jednego serwera dla wielu stron internetowych i tylko jednego kontrolera ładowania słonecznego dla wielu paneli słonecznych. Konwersja napięcia byłaby bardziej energooszczędna, a zarówno energia słoneczna, jak i ta pobierana z baterii, mogłyby być dzielone przez wszystkie strony internetowe, co jest efektem korzyści skali.

Jest to oczywiście koncepcja centrum danych i chociaż nie mamy ambicji założenia takiej firmy, inni mogliby podchwycić ten pomysł: centrum danych, które działa równie skutecznie jak każde inne dzisiejsze centrum danych, ale z tą różnicą, że zasila je energia odnawialna i wyłącza się gdy pogoda jest zła.

Dodać więcej stron

Zauważyliśmy, że pojemność naszego serwera jest wystarczająco duża, aby pomieścić więcej stron internetowych, więc pierwszy krok w kierunku korzyści skali został wykonany. Na serwer słoneczny przenieśliśmy pozostałe wersje językowe w tym m.in. hiszpańską i francuską i inne tłumaczenia.

Chociaż ten ruch zwiększy nasze zużycie energii operacyjnej (potencjalnie także energię wcieloną), to eliminujemy tym sposobem pozostałe strony internetowe, które są lub były hostowane gdzie indziej. Musimy również pamiętać, że liczba odwiedzających Low-Tech Magazine może wzrosnąć w przyszłości, dlatego musimy stać się bardziej energooszczędni, aby utrzymać nasz niski ślad środowiskowy.

Łącząc serwer i oświetlenie

Innym sposobem osiągnięcia korzyści skali mogłoby być dosyć nietuzinkowe rozwiązanie. Serwer zasilany energią słoneczną jest częścią gospodarstwa domowego autora, które jest również częściowo zasilane energią słońca z poza sieci energetycznej. Gdy serwer był zasilany przez panel o mocy 50 W, autor zapalał światła w salonie na panelu o mocy 10 W, w wyniku czego często siedział po ciemku. Kiedy przełączaliśmy serwer na panel 10 watowy, było odwrotnie: w domu było więcej światła, ale czas pracy serwera skracał się.

Możemy więc przetestować różne konfiguracje bateri i paneli słonecznych, po prostu zamieniając komponenty pomiędzy instalacją sieciową a domową.

Jeśli pogoda się pogorszy autor może zdecydować, aby nie używać świateł i utrzymywać serwer online lub na odwrót.

Załóżmy, że uruchamiamy zarówno światła, jak i serwer na jednym układzie fotowoltaicznym. Obniżyłoby to energię wcieloną całości, ponieważ potrzebny byłby tylko jeden kontroler ładowania słonecznego. Co więcej, możliwe że wystarczyłaby znacznie mniejsza bateria i mniejszy panel słoneczny (w porównaniu do dwóch oddzielnych systemów), ponieważ jeśli pogoda się pogorszy, autor może zdecydować, że nie będzie zapalać światła tylko utrzymy serwer w trybie online lub na odwrót. W tym momencie jednak nie można tego zrobić ponieważ serwer jest jedynym obciążniem systemu, a jego mocą nie można łatwo manipulować.

Sieciowe zużycie energii

O ile wiemy, nasza analiza energetycznego cyklu życiowego strony internetowej, która działa wyłącznie na energii odnawialnej i zawiera kalkulację energii wcielonej infrastruktury magazynowania energii, jest pierwszą tego typu. Oczywiście nie jest to całkowita ilość energii jaką zużywa witryna.

image

Istnieje również energia operacyjna i wcielona infrastruktury sieci (która obejmuje nasz router, szkielet internetowy i sieć telefonii komórkowej), a także energia operacyjna i wcielona urządzeń używanych przez naszych gości do uzyskiwania dostępu do witryny: smartfonów, tabletów, laptopów czy komputerów stacjonarnych. Niektóre z nich mają niskie zużycie energii, ale wszystkie mają bardzo ograniczoną żywotność, a tym samym wysoką energię wcieloną.

Zużycie energii w sieci jest bezpośrednio związane z ruchem danych, więc nasza lekka strona internetowa jest równie wydajna w sieci komunikacyjnej, jak na naszym serwerze. Jednak mamy bardzo niewielki wpływ na to, z jakich urządzeń korzystają użytkownicy, aby uzyskać dostęp do naszej witryny. Nasza witryna mogłaby teoretycznie przedłużyć żywotność komputerów, ponieważ jest wystarczająco lekka, aby nawet bardzo stare maszyny miały do niej dostęp. Niestety, sam Low-Tech Magazine nie wydłuży życia wszystkich komputerów.

Zarówno infrastruktura sieciowa, jak i urządzenie do przeglądania stron mogłyby zostać na nowo opracowane zgodnie z kierunkiem jaki wyznacza strona zasilana energią słoneczną.

Podsumowując; zarówno infrastruktura sieciowa, jak i urządzenie do przeglądania strony mogłyby zostać na nowo opracowane zgodnie z kierunkiem jaki wyznacza strona zasilana energią słoneczną - mniejsze rozmiary, zasilanie z odnawialnych źródeł energii z małoskalowym systemem magazynowania energii. Urządzenia do przeglądania stron mogłyby mieć niskie zużycie energii i długą żywotność. Niektóre elementy infrastruktury sieciowej mogą zostać wyłączone, jeśli lokalna pogoda jest niesprzyjające. Tego typu infrastruktury sieciowe istnieją w niektórych krajach, i to one częściowo zainspirowały nasz projekt.

Ponieważ całkowite zużycie energii w Internecie jest zazwyczaj mierzone w przybliżeniu w równym stopniu na serwerach, w sieci i urządzeniach końcowych (łącznie z produkcją urządzeń), możemy dokonać przybliżonego szacunku całkowitego zużycia energii przez naszą stronę w nowym, przekształconym Internecie. W przypadku naszej pierwotnej konfiguracji z 95.2% czasem pracy byłoby to 87.6 kWh energii pierwotnej, co odpowiada 9 litrom ropy i 27 kg CO2. Ulepszenia, które zaproponowaliśmy w tym artykule mogą obniżyć ten wynik, ponieważ w naszych kalkulacjach przyjmujemy, że cały Internet jest zasilany przez zbyt duże niż jest to konieczne, nieruchome panele fotowoltaiczne na balkonach.

Kris De Decker, Roel Roscam Abbing, Marie Otsuka

Podziękowania dla Kathy Vanhout, Adriana Parra i Gauthier Roussilhe.

Korekta Alice Essam.

Tłumaczenie Michał Kolbusz


  1. Pojemność energii naszego pierwotnego zestawu jest wartością szacunkową. W rzeczywistości w tym okresie uruchomiliśmy serwer zasilany energią słoneczną na akumulatorze LiPo 24 Wh (3.7 V, 6.6 A) i umieściliśmy bardzo stary akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 84.4 Wh pomiędzy LiPo, a kontrolerem ładowania słonecznego aby oba systemy były kompatybilne. Napięcie odcięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego ustawiono bardzo wysoko latem (co oznacza, że system działał tylko na LiPo), ale zimą było przestawione niższe (tak, że po części akumulator kwasowo-ołowiowy zapewniał udział w magazynowaniu energii ). Ta skomplikowana konfiguracja była spowodowana faktem, że mogliśmy jedynie zmierzyć pojemność akumulatora LiPo, której potrzebowaliśmy do wyświetlenia naszego internetowego miernika akumulatora. W listopadzie 2019 r. Opracowaliśmy własny miernik akumulatorów kwasowo-ołowiowych, który umożliwił wyeliminowanie LiPo z naszej konfiguracji. 

  2. Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” (PDF) and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). 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. Pojemność energii naszego pierwotnego zestawu jest wartością szacunkową. W rzeczywistości w tym okresie uruchomiliśmy serwer zasilany energią słoneczną na akumulatorze LiPo 24 Wh (3.7 V, 6.6 A) i umieściliśmy bardzo stary akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 84.4 Wh pomiędzy LiPo, a kontrolerem ładowania słonecznego aby oba systemy były kompatybilne. Napięcie odcięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego ustawiono bardzo wysoko latem (co oznacza, że system działał tylko na LiPo), ale zimą było przestawione niższe (tak, że po części akumulator kwasowo-ołowiowy zapewniał udział w magazynowaniu energii ). Ta skomplikowana konfiguracja była spowodowana faktem, że mogliśmy jedynie zmierzyć pojemność akumulatora LiPo, której potrzebowaliśmy do wyświetlenia naszego internetowego miernika akumulatora. W listopadzie 2019 r. Opracowaliśmy własny miernik akumulatorów kwasowo-ołowiowych, który umożliwił wyeliminowanie LiPo z naszej konfiguracji. 

  5. Nie ma badań dotyczących energii wcielonej naszego serwera. Obliczyliśmy tę wartość na podstawie analizy cyklu życia smartfona: Ercan, Mine & Malmodin, Jens & Bergmark, Pernilla & Kimfalk, Emma & Nilsson, Ellinor. (2016). [Ocena cyklu życia smartfona] (https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/research-papers/life-cycle-assessment-of-a-smartphone). 10.2991 / ict4s-16.2016.15. Nie wiemy ile popracuje nasz serwer, ale ponieważ nasz Olimex jest przeznaczony do użytku przemysłowego (w przeciwieństwie do Raspberry Pi), zakładamy, że żywotność wyniesie przynajmniej 10 lat, podobnie jak kontrolera ładowania. 

  6. De Decker, Kris. “How sustainable is solar PV power?”, Low-tech Magazine, May 2015. 

382.31KB