Analiza techniczno-ekonomiczna metod redukcji zapotrzebowania na energię elektryczną w obiektach typu data center
Technical and economical analysis of methods to reduce the demand for electricity in data center objects
Rys. 1. Porównanie wyników analizy TCO dla zasilania gwarantowanego obiektu nr 1 [1]
Rys. arch. autorów
Koszty opłat za energię elektryczną w ośrodkach typu data center mogą być znaczące. Możliwa jest redukcja tych kosztów
w przypadku zastosowania energooszczędnych technologii. Technologie nowoczesne są jednak droższe. Czy i kiedy warto je zastosować? Wykonana analiza techniczno-ekonomiczna może pomóc w doborze właściwych technologii.
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Riello Delta Power Sp. z o.o. Projekt przygotowania zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w elektrowni
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków...
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w jednej z kluczowych dla polskiego systemu energetycznego elektrowni w Polsce północno-zachodniej.
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
Cel analizy
Wykonana analiza miała na celu weryfikację opłacalności stosowania nowych, droższych, ale wysokosprawnych i energooszczędnych systemów zasilania gwarantowanego i klimatyzacji w porównaniu do tańszych, prostych, klasycznych technologii, uwzględniając różną wielkość obiektów data center, moc zainstalowaną oraz przeznaczenie obiektów [1].
W każdej serwerowni i centrum przetwarzania danych nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne systemów zasilania, oraz klimatyzacji są różne. Wynika to z odmiennych lokalizacji data center, a co za tym idzie:
- różnych cen powierzchni,
- cen energii elektrycznej,
- warunków środowiskowych wpływających na koszty eksploatacji systemu klimatyzacji
- czy chociażby kosztów serwisu i utrzymania wykwalifikowanego personelu
Dlatego nie ma możliwości przeprowadzenia ogólnej analizy uwzględniającej wszystkie, a nawet większość możliwych przypadków.
Z tego powodu analiza została przeprowadzona w wersji uproszczonej, uogólnionej.
Założenia do analizy starano się tak obrać, aby w jak najbardziej możliwie trafny sposób zbadać opłacalność zastosowania różnych systemów zasilania gwarantowanego i klimatyzacji dla poszczególnych obiektów oraz aby wynik końcowy odzwierciedlał jedynie nakłady inwestycyjne, oraz koszty eksploatacyjne systemów zasilania gwarantowanego i klimatyzacji, bez ingerencji innych czynników w poszczególnych wariantach analizy.
Analiza techniczno-ekonomiczna została wykonana w kilku wariantach dla dwóch różnych obiektów [1]:
- średniej wielkości serwerowni
- oraz dużego centrum przetwarzania danych.
Celem analizy techniczno-ekonomicznej dla drugiego obiektu było zweryfikowanie opłacalności stosowania technologii dynamicznych zasilaczy UPS (DRUPS) w porównaniu do konstrukcji tradycyjnych (statycznych) w dużych centrach przetwarzania danych.
W drugim wariancie system klimatyzacji nie podlegał analizie.
Założenia do wykonanej analizy
Analizie zostały poddane dwa osobne obiekty: średniej wielkości serwerownia oraz duże centrum przetwarzania danych.
Zakłada się, że oba obiekty znajdują się w tej samej lokalizacji, na obrzeżach Warszawy, więc warunki środowiskowe są takie same. Energię elektryczną dostarcza ten sam sprzedawca energii.
Założenia wspólne dla obu obiektów [1]:
- koszt energii elektrycznej: 0,40 zł/kWh,
- liczba godzin pracy/rok: 8760,
- redundancja układu zasilania gwarantowanego: 1:1 – elementy redundantne są w stanie w pełni zastąpić elementy wchodzące w skład systemu podstawowego,
- zakładana liczba lat eksploatacji: 8,
- oba obiekty kupują energię elektryczną u tego samego sprzedawcy energii,
- oba obiekty mają te same warunki środowiskowe,
- wdrożenie każdego z wariantów nie wymaga ani ingerencji, ani modernizacji instalacji elektrycznej budynków – istniejąca instalacja elektryczna spełnia wymogi dla wszystkich wariantów,
- nakłady inwestycyjne nie są rozłożone w czasie.
Obiekt nr 1 – średniej wielkości serwerownia [1]:
- całkowita moc znamionowa odbiorów krytycznych: Pnkryt = 180 kW, w tym całkowita moc znamionowa odbiorów IT: PnIT = 150 kW,
- średnie zapotrzebowanie na moc odbiorów krytycznych: Pśr = 0,65·Pnkryt = 117 kW,
- redundancja układu zasilania klimatyzacji: 1:1 – elementy redundantne są w stanie w pełni zastąpić elementy wchodzące w skład systemu podstawowego.
Wariant I dla obiektu nr 1
Zasilanie gwarantowane zapewnia redundantny układ dwóch tradycyjnych, mało wydajnych, ale stosunkowo tanich zasilaczy UPS w technologii online, każdy o mocy 200 kVA oraz dwóch zespołów prądotwórczych o mocy 260 kVA każdy.
Układ chłodzenia stanowi redundantny, tradycyjny system klimatyzacji bez energooszczędnych technologii, pracujący w systemie zamkniętego zimnego korytarza. Założenia: sprawność systemu UPS: 88%, klimatyzacja – czas pracy w poszczególnych trybach (zastosowano wentylatory ON/OFF): mechaniczny (sprężarkowy) – 100%.
Wariant II dla obiektu nr 1
Zasilanie gwarantowane stanowi układ redundantny dwóch wysokosprawnych w typowym przedziale pracy zasilaczy UPS w technologii online, każdy o mocy 200 kVA oraz dwóch zespołów prądotwórczych o mocy 260 kVA każdy.
Układ chłodzenia stanowi redundantny system klimatyzacji wyposażony w tryb pośredniego free-coolingu, pracujący w systemie zamkniętego zimnego korytarza. Założenia: sprawność systemu UPS: 93%, klimatyzacja – czas pracy w poszczególnych trybach (zastosowano wentylatory z pełną regulacją obrotów): mechaniczny (sprężarkowy) – 62%, free-cooling mieszany – 32%, pełny free-cooling – 6%.
Wariant III dla obiektu nr 1
Zasilanie gwarantowane stanowi układ redundantny dwóch wysokosprawnych w typowym przedziale pracy zasilaczy UPS w technologii online, wyposażonych w tryb pracy ekonomicznej, każdy o mocy 180 kVA oraz dwóch zespołów prądotwórczych o mocy 260 kVA każdy.
Układ chłodzenia stanowi redundantny system klimatyzacji, wyposażony w tryb pośredniego free-coolingu, pracujący w systemie ECHO.
Założenia: sprawność systemu UPS: 98%, klimatyzacja – czas pracy w poszczególnych trybach (zastosowano wentylatory z pełną regulacją obrotów): mechanicznyy (sprężarkowy) – 3%, free-cooling mieszany – 11%, pełny free-cooling – 86%.
Obiekt nr 2 – duże centrum danych [1]:
- całkowita moc odbiorów krytycznych: Pnkryt = 1080 kW, w tym całkowita moc znamionowa odbiorów IT: PnIT = 900 kW,
- średnie zapotrzebowanie na moc odbiorów krytycznych: Pśr = 0,7·Pnkryt = 756 kW.
Wariant I dla obiektu nr 2
Zasilanie gwarantowane stanowi układ redundantny dwóch wysokosprawnych w typowym przedziale pracy zasilaczy UPS w technologii online, bez trybu energooszczędnego, każdy o mocy 500 kVA oraz czterech zespołów prądotwórczych o mocy 780 kVA każdy.
Wariant II dla obiektu nr 2
Zasilanie gwarantowane stanowi układ redundantny dwóch wysokosprawnych w typowym przedziale pracy zasilaczy UPS w technologii online, wyposażonych w tryb pracy ekonomicznej, każdy o mocy 500 kVA oraz czterech zespołów prądotwórczych o mocy 780 kVA każdy.
Wariant III dla obiektu nr 2
Zasilanie gwarantowane stanowi układ redundantny dwóch zasilaczy dynamicznych DRUPS, każdy o mocy 1560 kVA.
Analiza została wykonana metodą całkowitego kosztu posiadania TCO (ang. Total Cost Of Ownership).
Wynikiem analizy TCO jest całkowita suma kosztów pozyskania, instalacji, eksploatacji i utrzymania danych aktywów (np. systemów). W uproszczeniu jest to całkowita suma wydatków na dany system przez cały cykl jego życia.
Metoda ta jest niezwykle użyteczna i praktyczna w szacowaniu, zarządzaniu, a także racjonalizacji kosztów w odniesieniu do poprawy efektywności energetycznej inwestycji informatycznych małej oraz średniej skali [2, 3].
Najważniejszy w metodzie TCO jest system klasyfikowania kosztów, który obejmuje koszty bezpośrednie (takie, których poniesienie przypisuje się do określonego produktu, systemu, czy innego nośnika kosztów), oraz koszty pośrednie (które nie są bezpośrednio związane z danym produktem, systemem czy innym nośnikiem kosztów).
W metodzie TCO najważniejsza jest zatem odpowiednia klasyfikacja oraz wzięcie pod uwagę wszystkich kosztów, które wpływają na całkowity koszt posiadania danego systemu.
W przypadku wykonywanej analizy, gdy nakłady inwestycyjne nie są rozłożone w czasie, czyli są ponoszone tylko w początkowym etapie inwestycji, całkowity koszt posiadania można obliczyć z następującej zależności (1) [4]:
gdzie:
TCO – całkowity koszt posiadania,
CAPEX – nakłady inwestycyjne,
OPEX – koszty eksploatacyjne,
SERWIS – koszty obsługi i serwisu,
obc. – obciążenie chwilowe,
obcmax – obciążenie maksymalne,
obcmin – obciążenie minimalne,
W celu sprawdzenia niezależnie od siebie opłacalności stosowania systemu zasilania gwarantowanego i klimatyzacji, dla poszczególnych obiektów poddanych analizie, została wykonana [1]:
- analiza TCO dla systemu zasilania gwarantowanego,
- analiza TCO dla systemu klimatyzacji,
- całkowita analiza TCO – dla systemu zasilania gwarantowanego oraz systemu klimatyzacji.
Na podstawie danych katalogowych urządzeń wchodzących w skład systemów zasilania gwarantowanego oraz danych udostępnionym przez firmę EST Energy, zostały zebrane i wyszczególnione nakłady inwestycyjne zawierające zgodnie z założeniami:
- koszty zasilaczy UPS,
- koszty projektu,
- koszty eksploatacyjne, przeglądów i remontów.
Na podstawie danych o sprawności zasilaczy obliczone zostały średnie straty mocy systemu gwarantowanego zasilania w ciągu roku oraz obliczony został koszt strat mocy. Następnie został obliczony całkowity koszt posiadania dla każdego roku, zaczynając od roku zerowego.
Dla systemu klimatyzacji analiza okazała się nieco bardziej skomplikowana ze względu na brak konkretnej sprawności systemu w zależności od wielkości obciążenia.
W tym przypadku należało oszacować zużycie energii elektrycznej dla każdego rozpatrywanego wariantu klimatyzacji, uwzględniając trzy tryby pracy:
- tryb mechaniczny,
- free-cooling częściowy
- oraz pełny free-cooling.
Dzięki danym udostępnionym również przez firmę EST Energy, możliwe było obliczenie średniego rocznego zużycia energii dla różnych wariantów klimatyzacji, a następnie obliczenie kosztu energii elektrycznej pobieranej przez system chłodzenia w ciągu jednego roku.
Uwzględnienie nakładów inwestycyjnych oraz dodatkowych kosztów bezpośrednich i pośrednich pozwoliło sporządzić analizę całkowitego kosztu posiadania.
Zostały również sporządzone wykresy ilustrujące wyniki analizy.
Wykresy dla poszczególnych przypadków mają przebieg idealnie liniowy, co wynika z charakteru przyjętych założeń, które były stałe i uśrednione dla każdego roku.
Wyniki przeprowadzonej analizy dla obiektu nr 1
Analiza TCO dla systemu zasilania gwarantowanego
Tab. 1. przedstawia zestawienie danych użytych do analizy całkowitego kosztu posiadania systemu zasilania gwarantowanego. Na podstawie tych danych została wykonana analiza TCO, zgodnie z przyjętymi założeniami.
Wyniki tej analizy przedstawia tab. 2. oraz ilustrują rys. 1. i rys. 2.
Wyniki przeprowadzonej analizy przedstawione na rys. 1. ilustrują zmienność całkowitego kosztu posiadania w kolejnych latach.
Linie obrazujące koszty TCO dla każdego z wariantów przecinają się w okolicach początku piątego roku eksploatacji.
Punkty przecięcia linii oznaczają moment, w którym dany wariant zaczyna być bardziej opłacalny od wariantu, z którym dochodzi do przecięcia wykresów.
W tym przypadku po piątym roku eksploatacji wariant III zaczyna być bardziej opłacalny od wariantu I oraz II.
Wynika z tego, że w tym przypadku już w okresie pięcioletniej eksploatacji zaczyna bardziej opłacać się stosowanie wysokowydajnych technologii zasilania.
W przypadku zastosowania najbardziej ekonomicznego wariantu nr III, po 8 latach eksploatacji można osiągnąć oszczędność na poziomie 145 000 zł w porównaniu do zastosowania wariantu I.
Analiza TCO dla systemu klimatyzacji precyzyjnej
Tab. 3. przedstawia dane dotyczące pracy systemu klimatyzacji w różnych trybach pracy.
Tab. 4. przedstawia z kolei zestawienie danych użytych do analizy całkowitego kosztu posiadania systemu klimatyzacji.
Na podstawie tych danych została wykonana analiza TCO zgodnie z przyjętymi założeniami. Wyniki analizy przedstawia tab. 5.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że najbardziej opłacalny jest wariant III. Wariant ten cechuje się znacznie większymi nakładami inwestycyjnymi niż te w wariancie I oraz II.
Wariant III wykazuje jednak znacznie niższe koszty operacyjne w porównaniu do pozostałych przypadków (wariant I oraz wariant II), zaczynając przynosić oszczędności już po czwartym roku od rozpoczęcia funkcjonowania inwestycji.
Po 8-letnim okresie eksploatacji zastosowanie tego wariantu może przynieść oszczędności rzędu 670 000 zł w porównaniu do najtańszej opcji systemu klimatyzacji (wariant I).
Tab. 3. Dane dotyczące poszczególnych trybów pracy systemu klimatyzacji, średniego rocznego czasu pracy oraz średniego zużycia energii w danym trybie [1]
Całkowita analiza TCO dla systemów zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji precyzyjnej
Tab. 6. przedstawia wyniki dla łącznej analizy całkowitego kosztu posiadania systemu zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji precyzyjnej.
Na rys. 3. zostało przedstawione graficzne porównanie analizowanych wariantów.
Łączna analiza przeprowadzona dla systemu zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji wykazała opłacalność zastosowania nowych technologii osiąganą po około 4,5 roku od początku funkcjonowania inwestycji.
Dzięki zastosowaniom energooszczędnych technologii możliwe jest uzyskanie nawet do 815 000 zł oszczędności w stosunku do wariantu I po 8 latach eksploatacji.
Tab. 6. Wyniki dla łącznej analizy TCO systemu zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji precyzyjnej [1]
Wyniki przeprowadzonej analizy dla obiektu nr 2
Celem analizy techniczno-ekonomicznej dla obiektu numer 2 było sprawdzenie opłacalności stosowania technologii dynamicznych zasilaczy UPS (DRUPS) w porównaniu do konstrukcji tradycyjnych (statycznych) w dużych centrach przetwarzania danych.
Rys. 3. Porównanie wyników łącznej analizy TCO systemu zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji precyzyjnej [1]
Analiza TCO dla systemu zasilania gwarantowanego
Analiza techniczno-ekonomiczna dla obiektu nr 2 ze względu na wprowadzenie w wariancie III zespołu dynamicznego DRUPS wymagała uwzględnienia większej liczby czynników wpływających na całkowity koszt posiadania systemów.
Należało uwzględnić różnice wynikające z eksploatacji systemów UPS oraz DRUPS.
Dane wykorzystane do analizy przedstawia tab. 7a. i tab. 7b., natomiast jej wyniki pokazuje tab. 8.
Graficzne porównanie wyników zostało przedstawione na rys. 4.
Tab. 7. Zestawienie danych do analizy dla obiektu numer 2 dla zasilania gwarantowanego [1] - część A
Tab. 7. Zestawienie danych do analizy dla obiektu numer 2 dla zasilania gwarantowanego [1] - część B
W przypadku zastosowania technologii DRUPS nakłady inwestycyjne są większe o około 161 000 zł w porównaniu do wariantu II i o około 450 000 zł w porównaniu do wariantu I.
Poniesiona różnica kosztów początkowych zwraca się jednak już po niecałych dwóch latach użytkowania i układ DRUPS zaczyna generować oszczędności, które wyniosą po ośmiu latach eksploatacji systemu około 830 000 zł w porównaniu do wariantu II i aż 1 370 000 zł w porównaniu do wariantu I.
Warto zauważyć, że system UPS wariantu I i system DRUPS wariantu II mają taką samą sprawność równą 93%, a ich koszty eksploatacyjne są odmienne. Wynika to z tego, że bardzo duży wpływ na wysokość kosztów eksploatacyjnych zasilaczy UPS ma koszt eksploatacyjny dla baterii związany z koniecznością ich wymiany na nowe i utylizacji starych co pięć lat.
Wnioski końcowe
Poszczególne technologie systemów zasilania gwarantowanego oraz klimatyzacji wykazują różną efektywność energetyczną [1]. Zawsze większa wydajność systemów generuje wyższe nakłady inwestycyjne.
Dodać należy, że często wyższa efektywność energetyczna danej technologii niesie za sobą pewne zmniejszenie bezpieczeństwa infrastruktury teleinformatycznej centrum danych. Przykładowo, poprzez zastosowanie technologii free-coolingu pośredniego narażamy urządzenia IT na obecność wody lodowej w pomieszczeniu serwerowni, która w przypadku wycieku może spowodować ich uszkodzenie.
Wykonana analiza potwierdziła opłacalność stosowania wysoko wydajnych technologii do zasilania gwarantowanego oraz chłodzenia zarówno w małych, jak i dużych obiektów typu data center.
Bardziej zaawansowane technologie wykazały się dużo niższymi kosztami eksploatacji w porównaniu do tańszych, mniej zaawansowanych technologii w analizowanych 8-letnim okresie.
Dla obiektu małej serwerowni przełożyło się to na możliwość uzyskania oszczędności już po czterech latach w przypadku wykorzystania technologii UPS z trybem pracy ekonomicznej oraz technologii klimatyzacji pracującej w układzie ECHO, która pozwala w bardzo dużym stopniu na wykorzystanie free-coolingu. Druga część analizy potwierdziła opłacalność stosowania dynamicznych zasilaczy UPS (DRUPS) w dużych centrach danych.
Analiza wykazała, że inwestycja zacznie przynosić oszczędności już od drugiego roku użytkowania.
Tak szybkie uzyskanie możliwości oszczędności wynika z tego, że bardzo duży wpływ na wysokość kosztów eksploatacyjnych zasilaczy UPS ma koszt eksploatacyjny baterii związany z koniecznością ich wymiany na nowe i utylizacji starych co pięć lat.
* * *
Autorzy artykułu dziękują firmie EST Energy za materiały i informacje pomocne do napisania artykułu.