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データセンターのエネルギーコントロールの仕組み

[2020/12/14~17開催「IIJ Technical WEEK 2020」の講演資料です]

白井データセンターキャンパスでのエネルギー削減の取り組み(外気冷却とAI制御)とリチウムイオン蓄電池によるエネルギーのピークカット/ピークシフト制御の取り組みを解説します。

講演者:IIJ 基盤エンジニアリング本部 データセンター技術部 技術課 加藤 佳則

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データセンターのエネルギーコントロールの仕組み

  1. 1. 1© Internet Initiative Japan Inc. 【解説2】 データセンターのエネルギーコントロールの仕組み 白井データセンターキャンパスでのエネルギー削減の取り組み(外気冷却とAI制御) リチウムイオン蓄電池によるエネルギーのピークカット/ピークシフト制御の取り組み 株式会社インターネットイニシアティブ 2020年12月17日 データセンター技術部 加藤佳則 IIJ Technical WEEK 2020 DAY 4
  2. 2. 2 自己紹介 加藤 佳則 (かとう よしのり) 所属 基盤エンジニアリング本部 データセンター技術部 技術課 主な業務 白井データセンターキャンパスの電気設備をはじめとする各設備の運用 略歴 2007年度 IIJ新卒入社、IIJサービス基盤のサーバ構築・運用 2009年度 北陸支店技術部(現・北信越支店技術課)へ異動、サービス導入・サポート、SI、などなど 2019年度 白井データセンターキャンパス着任、電気主任技術者
  3. 3. 3 白井データセンターキャンパスの空調と課題
  4. 4. 4 白井データセンターキャンパスの空調と課題 外気冷却空調を採用 PUE= IT機器の消費電力量 空調等の消費電力量+IT機器の消費電力 ※PUE (Power Usage Effectiveness): データセンターの電力使用効率の指標 白井データセンターキャンパスの空調のイメージ サーバ室 空調機械室 排気ファン 天井上 (ホットエリアチャンバー) 天井下 (サーバ室) サーバラック 設計PUEは1.2台 給気ファン 外気と還気を混合 サーバの冷却に必要な最低限の風量をサーバ室に供給 外気取込口
  5. 5. 5 白井データセンターキャンパスの空調と課題 外気冷却空調の課題と対応 空調電力事前シミュレーション結果 • 夏季は外気冷却空調は厳しい • 高温はともかく多湿がよくない • 除湿のためにもチラー運転が必要 夏場に電力ピークが発生 蓄電池によりピークカットを行い、夏場の電力ピーク削減を試みる
  6. 6. 6 白井データセンターキャンパスの空調と課題 リチウムイオン蓄電池の採用 テスラ社製産業用リチウムイオン蓄電池(Powerpack)の採用 2019/11/1 稼動開始。空調用蓄電池としての機能に加えて、ピークカット/ピークシフトを実現 DCの空調電力の約15%の削減を目指す。 テスラ社製産業用リチウムイオン蓄電池 Powerpack
  7. 7. 7 データセンターの電力負荷と電気料金
  8. 8. 8 データセンターの電力負荷 データセンターの負荷とピークカット/ピークシフト IT電力 IT機器(サーバなど)の電力 負荷はほぼ一定 IT機器用の無停電電源装置(UPS)経由で給電 空調電力 IT機器を冷却するための空調の電力 外気温等によりIT機器の冷却に必要な電力が増減 照明等電力 IT負荷、空調負荷以外の電力 館内照明や管理設備など ピークカット
  9. 9. 9 電気料金の仕組み(参考情報) 基本料金 + 電力量料金 ※資源エネルギー庁 月々の電気料金の内訳 (https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/fee/stracture/spec.html)
  10. 10. 10 電気料金の仕組み(参考情報) 東京電力エナジーパートナー社 特別高圧需給約款 電気料金 特別高圧季節別時間帯別電力B 単価(60kV契約) 税込み 基本料金 1kW 1,606円00銭 電力量料金 ピーク時間(夏季平日13:00-16:00) 1kWh 17円49銭 昼間時間 (平日08:00-22:00) 夏季(7月~9月) 1kWh 16円89銭 その他季 1kWh 15円74銭 夜間時間 1kWh 12円31銭 ※東京電力エナジーパートナー社 Webサイトより抜粋して転記 2020年11月現在 (https://www.tepco.co.jp/ep/corporate/plan_h/plan01.html) 特別高圧季節別時間帯別電力B 電気料金計算式 料金単価 料金単価 × 契約電力 × (185-力率) / 100 電力量料金 料金単価 × 使用電力量 ± 燃料費調整額 料金 基本料金 + 電力量料金 + 再生可能エネルギー発電促進賦課金
  11. 11. 11 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価
  12. 12. 12 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 蓄電池の検証・評価 Powerpackが持つ2つの制御モードにて機能及び性能確認 1.SITEモード 蓄電池の充放電を行う閾値(kW)を設定し、これに基づき制御(静的制御) 負荷電力が設定値を下回れば充電、上回れば放電 2.OPTICASTERモード 実測負荷から機械学習し、充放電タイミングを自動的に判断し制御(動的制御) 季節別時間帯別の電気料金メニューも設定して考慮
  13. 13. 13 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 検証・評価スケジュール 蓄電池稼働開始 2019/11/01 令和1年11月 令和2年01月 令和2年03月 令和2年05月 令和2年07月 令和2年09月 令和2年11月 高圧電力 06/24 - 08/30 特別高圧季時別電力 08/30 - 高圧電力 01/29 - 03/25 特高季時別 (その他季) 03/25 - 05/25 特高季時別 (夏季) 05/25 - 06/24 OPTICASTERモード検証 2020/01/29 - 2020/06/24 OPTICASTERモード運用 2020/06/24 - SITEモード検証 2019/11/01 - 2020/01/29 閾値都度見直し 1.SITEモード検証期間 負荷電力を見つつ閾値を都度見直し 2.OPTICASTERモード検証期間 設定する電気料金メニューを切り替えながら挙動確認
  14. 14. 14 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 OPTICASTERモード - ピークカット/ピークシフト動作 評価 • 設定した最低容量を常時確保し制御されている • 電気基本料金の算出条件(30分平均値)に基づき充放電制御されている。 • 蓄電池の停止や、過電流発生など構内設備への影響、系統への逆潮流発生による逆電力継電器動作は無し
  15. 15. 15 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 OPTICASTERモード – 特高季時別料金を考慮した動作 評価 • 電気料金メニューの季節別時間帯別電力量料金の単価差を考慮して、充放電が制御されている。 特別高圧季節別時間帯別電力B(夏季)設定にて確認 ②単価の高い時間帯に放電①単価の低い時間帯に充電 ③単価切替前に充電量に余力があれば放電 (ピーク帯~16時、昼間帯~22時)放電
  16. 16. 16 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 夏場のピークカット効果 2020/06/24~ OPTICASTERモード運用期間 2020/07 2020/08 2020/09 2020/08 負荷電力比で10.8%削減 =年間ピーク ピークカット効果による受電削減量 2020/09 特別高圧への受電昇圧工事に伴い前半は蓄電池停止 また、8月に比べ気温も落ち着き負荷電力が減ったことから ピークカット効果がほぼゼロとなった。
  17. 17. 17 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 2020年8月のある日の電力推移 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30 受電電力 負荷電力 空調電力(蓄電池効果含む) 空調負荷 IT負荷 負荷電力ピーク 受電電力ピーク 受電ピークカット効果 10.8% (空調電力の約27%に相当) 空調のみの ピークカット効果 空調負荷ピーク 空調電力ピーク IT負荷はほぼ一定 受電 IT負荷 空調負荷 負荷電力ピーク時の空調電力削減分 (=負荷電力ピークの削減分)
  18. 18. 18 電力のピークカット/ピークシフトの検証と評価 効果の考察 • ピークカット/ピークシフト制御及び負荷傾向はほぼ想定通り • 負荷電力と受電電力のピークタイミングは異なることがある • 受電点でのピークカット実績は10.8% • 空調負荷の割合から、単純計算で約27%分に相当 (目標値15%) • 蓄電池容量に比べて負荷がまだ少ないため目標より大きな実績 (目標はフル実装時) • 動作がほぼ想定通りのため、空調電力15%削減は達成見込み • 空調負荷の事前シミュレーション結果による • IT負荷割合も想定通りの場合
  19. 19. 19 まとめ
  20. 20. 20 まとめ 蓄電池でピークカット効果があることが確認できた • 裏方である電気設備の利活用ができた • データセンターの電力負荷パターンでもピークカット/ピークシ フトは動作した • 負荷電力比10.8%のピークカット効果があった
  21. 21. 21 中長期の計画 ICTサービスインフラ最適化の追求、環境対策の推進 外気冷却空調や 高効率設備の導入で 電力使用量を削減 DC電力需要の平準化 により ピーク電力を抑制 DCのエネルギー リソースとして蓄電池 の活用シーンを拡大 これまで 今回 将来 ICTサービスインフラ最適化の追求、環境対策の推進 新しい概念のデータ センターの実現 電力をただ消費するだけのデータセンターにおける「静」なる電源 システムから、「動」なる電源システムへの改革に向けて取り組む 蓄電池の特性とノウハウを活用して新たなサービスやビジネスモデルを計画していく
  22. 22. 22 IIJ-BKLT999-0001 ご清聴いただきありがとうございました。

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