[論文レビュー] Data Centers as Dispatchable Loads to Harness Stranded Power

Kibaek Kim, Fan Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

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ひとこと要約

本論文は、再生可能エネルギー割合の高い電力系統において、余剰となる風力発電を活用するため、データセンターを調整可能な負荷として統合することを提案する。グリッドの需要に応じて計算負荷を調整可能な柔軟なデータセンターを最適配置することで、風力の無駄（吹き出し）を最大44%削減し、平均的なグリッドコストを低下させるとともに、データセンターは本来無駄にされてしまうエネルギーを用いて、最大60–80%の稼働率を達成できる。

ABSTRACT

We analyze how both traditional data center integration and dispatchable load integration affect power grid efficiency. We use detailed network models, parallel optimization solvers, and thousands of renewable generation scenarios to perform our analysis. Our analysis reveals that significant spillage and stranded power will be observed in power grids as wind power levels are increased. A counter-intuitive finding is that collocating data centers with inflexible loads next to wind farms has limited impacts on renewable portfolio standard (RPS) goals because it provides limited system-level flexibility and can in fact increase stranded power and fossil-fueled generation. In contrast, optimally placing data centers that are dispatchable (with flexible loads) provides system-wide flexibility, reduces stranded power, and improves efficiency. In short, optimally placed dispatchable computing loads can enable better scaling to high RPS. We show that these dispatchable computing loads are powered to 60~80\% of their requested capacity, indicating that there are significant economic incentives provided by stranded power.

研究の動機と目的

• 高再生可能エネルギー比率の系統における再生可能エネルギーの吹き出しと余剰電力の増加という課題に対処すること。
• データセンターを風力発電所と併設することで、グリッド効率が向上し、再生可能エネルギー割合目標（RPS）を支援できるかどうかを調査すること。
• データセンターを固定消費者ではなく、調整可能な負荷として扱うことで得られるシステム全体の利点を検討すること。
• 調整可能な計算負荷が、グリッドの柔軟性を高め、コストのばらつきを低減し、風力発電の割合が高い状況下でのレジリエンスをどのように向上できるかを評価すること。

提案手法

• 詳細な電力系統ネットワークモデルと並列最適化ソルバを統合した計算フレームワークを開発した。
• 複数のシナリオをシミュレートした：ベースグリッド、ランダムなデータセンター配置、非柔軟負荷を伴う風力発電所と併設されたデータセンター、最適配置された調整可能なデータセンター。
• 数千の再生可能エネルギー発電シナリオを用いた確率的最適化により、不確実性下でのシステム性能を評価した。
• 調整可能なデータセンターを、吹き出しとコストを最小限に抑えるためにグリッド状態に応じてオン・オフ可能な柔軟な負荷としてモデル化した。
• 余剰電力、風力吹き出し、ディスパッチコストのばらつき、データセンターの稼働率といった指標を用いて、システムレベルの影響を定量化した。
• 大規模シミュレーションのために、高精度なテストシステム（例：WECC）とHPCリソース（アーリーウィルズ・アーガン・ナショナルラボのBluesクラスタ）を活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 データセンターを調整可能な負荷として統合することで、風力発電の割合が高い状況下でのグリッド効率と余剰電力にどのような影響を与えるか？
• RQ2 風力発電所とデータセンターを併設することで、再生可能エネルギー割合目標（RPS）の達成とシステムの柔軟性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 従来のモデルや併設型データセンターと比較して、調整可能なデータセンターは風力吹き出しを低減し、グリッドコストの安定性を向上させられるか？
• RQ4 余剰となる再生可能エネルギーで供給されるデータセンターは、どれほど実用的な稼働率に達することができるか？
• RQ5 調整可能なデータセンターの空間的配置が、システム全体のコストばらつきとネットワークレジリエンスにどのように影響するか？

主な発見

• 中程度の風力発電割合でも、風力の吹き出しと余剰電力が顕著に発生し、風力発電の50%の割合に達すると、最大83%に達する。
• 風力発電所と非柔軟負荷を伴うデータセンターを併設すると、余剰電力と化石燃料発電が増加し、RPSの目標達成を損なう。
• 調整可能なデータセンターは、風力吹き出しを最大44%削減し、特に風力発電割合が高い状況で平均グリッドコストを低下させる。
• 調整可能な負荷を導入することで、グリッドコストのばらつきが顕著に低減され、標準偏差はベースラインの1日あたり520万ドルから、風力発電50%の状況で360万ドルに低下した。
• 調整可能な負荷として運用されるデータセンターは、余剰風力の存在に応じて、最大60–80%の稼働率を達成できる。
• 風力発電割合が15%を超えると、データセンターの稼働率は低ばらつきで安定し、高再生可能エネルギー供給下でも信頼性の高い運用が可能であることが示された。