Efficienza energetica e fonti rinnovabili nei centri di calcolo Ing. Ruggero Ricci INFN-LNF WS CCR 2009 Palau 11/5/2009.

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1 Efficienza energetica e fonti rinnovabili nei centri di calcolo Ing. Ruggero Ricci INFN-LNF WS CCR 2009 Palau 11/5/2009

2 Iniziative diffuse di riduzione dei consumi http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/pdf/CoC%20data%20centres%20nov2008/CoC%20DC%20v%201.0%20FINAL.pdf

3 Equivalenze energetiche, economiche ed ambientali 1 kWh costa 14,5 €cent (costo medio, al 3/08 in AT) 1 TeP (tonnellata equivalente di petrolio)= 4545 kWh elettrici 1 kWh = 650 g di CO 2 1 kW x 1 anno ≈ 2 TeP ≈ 12 Barili di petrolio 5,7 ton CO 2 1 W x 1 anno costa 1.27 € 1 kWanno costa 1270 €

4 PUE/DCiE: Parametri di valutazione dell’efficienza dei Data Canter Total Facility Power IT Equipment Power DCiE = X 100% What % of facility power is delivered to my IT equipment? Power Transformer Switchgear UPS Battery Backup etc. Cooling Chillers CRACs etc. IT Equipment Servers Storage Telco etc. PUE & DCiE For Efficient Facilities DCP For The Work You Do Total Facility Power IT Equipment Power Total Facility Power IT Equipment Power PUE = How efficient is my facility in delivering power to IT equipment? Power Usage Effectiveness Data Center infrastructure Efficiency

5 Uso degli indicatori energetici Typical PUE = 2.0 Google Data Center ‘E’ PUE = 1.16 Da un’indagine di LBNL 2007 la quota di cooling varia da 0,4 a 1,2 Da un’indagine di Uptime Institute su 85 DC stima media PUE = 2,5, i migliori 1,6 Il carico IT comprende anche le perdite degli alimentatori *Reference: Silicon Valley Leadership Group, Data Center Energy Forecast, Final Report July, 2008 Google E Data Center energy-weighted average PUE results from Q2-Q1’09 (to 3/15/09)

6 Esempio: costo per EE di un TIER2 Dimensionamento tradizionale senza Free Cooling Carico informatico:100 kW PUE2.0 Il carico per condizionamento e ausiliari è pari a quello informatico Costo per energia elettrica: 100 kW x 2.0 x 8760 h x 0,145 €/kWh= 254.000 €/anno Di cui circa 100.000 €/anno per il condizionamento Largo margine per interventi migliorativi che si ripaghino con ritorno immediato

7 Efficienza dei sistemi di raffreddamento Il Free Cooling Free Cooling diretto = ad aria esterna Free Cooling indiretto = il raffreddamento dell’acqua avviene mediante uno scambiatore ad aria (dry cooler) nei periodi in cui la temperatura esterna è inferiore a quella desiderata. = non utilizzare il ciclo frigorifero se la temperatura esterna lo consente Negli impianti tradizionali il chiller funziona 8760 h/anno

8 Limiti di applicabilità del Free Cooling FREE COOLING Serve lavorare a 20 °C ? Tipicamente le unità di calcolo sono ottimizzate per lavorare a 25 ° e Ur 50% Ci sono punti caldi nel DC (unità disco…) : vale la pena identificarli e migliorarne la ventilazione. Cosa si fa per aumentare la frazione di Free Cooling 1. Aumento della temperatura di funzionamento del circuito di acqua refirgerata: da 7/12 ° tipico si può aumentare (es. 16°) Le batterie di raffreddamento devono essere più grandi 2. Ottimizzazione della temperatura della sala. Da 20°C -> 23-25°C o meglio utilizzare soluzioni adattive in funzione delle stagioni. Identificazione e correzione degli HOT SPOT Dipende: dalla zona climatica e dalla temperatura scelta per il funzionamento dell’ambiente

9 Miglioramento dell’efficienza sistemi di condizionamento Nuovi ventilatori Gestione della velocità dei ventilatori Ottimizzazione dei cicli frigoriferi in funzione del carico e delle condizioni ambientali con controllo elettronico del ciclo (valvole di espansione motorizzate, regolazione dei compressori ecc.) Dimensionamento delle batterie di scambiatori Gestione ottimizzata della schiera delle macchine

10 Ottimizzazione della distribuzione dell’aria Principio: estrarre il calore alla temperatura più alta possibile, quindi il più vicino possibile alla sorgente. Le soluzioni concepite per alta densità di potenza sono anche più efficienti Limite: effettiva separazione e cortocircuiti … Soluzioni adottate per i TIER

11 UPS Google Server con batteria tampone integrata Rendimenti tipici: 92-96% a causa della doppia conversione I rendimenti sono dichiarati in condizioni di carico nominale. Vanno sommati i costi per lo smaltimento del calore prodotto Per le apparecchiature informatiche in genere non è necessaria la doppia conversione grazie ai nuovi standard EMC. In molti casi si può lavorare in “eco- mode” con rendimenti del 98% Google ha realizzato DC senza UPS !

12 Utenze IT = gli alimentatori Fraction of Rated Load20%50%100% 80 PLUS80% 80 PLUS Bronze82%85%82% 80 PLUS Silver85%88%85% 80 PLUS Gold87%90%87% http://www.80plus.org Un PSU tradizionale usato per server di livello base aveva un rendimento del 60-70% (fino al 2005) Obiettivi di rendimento di CSCI (Climate Savers Computing Initiative) Valutazione economica: un PS 80 Plus gold da 500 W caricato al 50% (η = 90%) rispetto a uno 80 Plus (η = 80%) risparmiamo 25 W - Minor carico termico - Risparmio economico di 30 €/anno Oggi quasi tutti i PSU sono almeno “80 Plus”.

13 Quanto vale il PUE dei nostri CED ? Misuriamo e confrontiamo i PUE dei nostri CED Misurare per migliorare PUE= Ptot/Pcalcolo Pcalcolo= Potenza fornita alle apparecchiature informatiche = P in uscita all’UPS P tot= Potenza al punto di consegna, o somma delle potenze fornite in ingresso

14 Efficienza del processo informatico Useful Work Total Facility Power DCP = How Much Work Can My IT Equipment Do, In My Facility? Data Center Productivity Secondo UPTIME INSTITUTE il 10% - 30% dei server oggi non produce nulla ! Definizione in fase di regolamentazione internazionale La maggior parte dei server aziendali sono utilizzati al di sotto del 20 % (indagine LBNL 2007)

15 Active Power Management Soluzioni per la riduzione dei consumi dei server a livello di: Livello processore: AMD propone una regolazione della tensione e della frequenza di clock del processore ottenendo una riduzione dei consumi del 75% in stato Idle Livello sistema operativo: Microsoft Window Server 2008 Livello element manager: HP e IBM Sistemi di terze parti: es. PDU per la gestione remota dell’alimentazione.

16 PC e Power management L’hardware è progettato per gestire 40.000 cicli on-off PC DESKTOP Potenze medie Conven zionale ENERGY STAR Qualified "active" mode115 W109 W "idle" mode84 W60 W "sleep" mode6 W4 W "off" mode3 W2 W Fonte: LBNL2007 elaborato da Energy Star * 8 ore al giorno per 210 giorni lavorativi

17 Fonti rinnovabili: Fotovoltaico Tecnologie e rendimenti: Silicio monocristallino: 15-18% Silicio policristallino: 12-17 % Silicio amorfo: 6% Film sottile (CdT): 10% Energia elettrica prodotta è immessa in rete e “scambiata”. Non ha senso pensare all’autosufficienza “in isola”

18 Fotovoltaico - Costi Chiavi in mano Impianti domestici: 5.500 €/kWp (fonte EnelSi-2008) Impianti industriali es. sviluppato da 330 kWp Su copertura inclinata / moduli in silicio monocristallino Superficie occupata: 2600 mq (pari a 4300 mq di copertura piana) Costo: 1.65 M€ (pari a 5.000 €/kWp installato) Tempo di ritorno dell’investimento: 10 anni Dati irraggiamento medio annuo: 1.714 kWh/m2. Produzione max annua prevista: 400.000 kWh

19 Fotovoltaico - incentivi Riferimenti sul fotovoltaico: http://www.enea.it http://www.enel.it/enelsi/offerta/doc/FV_guida_impianti_2008.pdf L’incentivo è sull’energia prodotta ed è garantito per 20 anni. Inoltre il secondo vantaggio è - sull’energia prodotta e consumata (quindi non acquistata) - oppure ceduta sulla rete. CONTO ENERGIA Tra 2 anni il conto energia quasi sicuramente finirà o sarà ridimensionato

20 Esempio per impianto 3 kWp potenza impianto [kW]3 costo impianto (IVA incl.) € 5.610 costo totale (IVA incl.) € 16.830 costo manutenzione annua € 150 manut. straordinaria (inverter dopo 10 anni) € 1.500 costo assicurazione annua € 100 costo energia elettrica € 0,165 tipologia: parz. integrato rendimento del sistema0,83 perdita di efficienza annua 0,85% tasso inflazione annuo energia elettrica4% tasso inflazione2%

21 Impianto 3 kWp

22 Iniziative in corso INFN per PV LNF: studio di fattibilità per realizzazione di impianti di grandi dimensioni tramite terzi con il meccanismo di cessione del diritto di superficie. La redditività è di circa 2-4 €/mq-anno o il godimento dell’energia prodotta. LNF ragionevolmente hanno a disposizione circa 8000 mq. LNL LNS ……

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27 Fotovoltaico per 1 TIER2 Potenza media:200 kW elettrici Fabbisogno annuo: 1,7 x 10 6 kWh Producibilità di un impianto fotovoltaico tipico installato al sud : 1500 kWh/kWp Potenza PV necessaria 1200 kWp Superficie solare necessaria con pannelli in silicio cristallino (210 kWh/mq/anno):8000 mq Costo approssimativo(4500 €/kWp)5,4 M€ Costo evitato annuo per EE245 k€ Incentivi per integrazione parziale (0,04 €/kWh) 680 k€

28 Riferimenti http://www.google.com/corporate/green/datacenters/ http://www.thegreengrid.org/ http://www.greenm3.com/ http://www.energystar.gov/ http://www.80plus.org http://www.energysavers.gov/