[논문 리뷰] Data Centers as Dispatchable Loads to Harness Stranded Power

Kibaek Kim, Fan Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 01.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지 비중이 높은 전력망에서 방치된 풍력 에너지를 활용하기 위해 데이터 센터를 조정 가능한 부하로 통합하는 방안을 제안한다. 그리드 수요에 따라 계산 부하를 조절할 수 있는 유연한 데이터 센터를 최적의 위치에 배치함으로써, 이 시스템은 풍력 폐기량을 최대 44% 감소시키고, 평균 그리드 비용을 낮추며, 기존에 낭비되는 에너지를 활용해 데이터 센터가 전체 용량의 60–80%를 이용할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고재생에너지 비중 그리드에서 증가하는 재생 에너지 폐기 및 방치 전력 문제를 해결한다.
• 데이터 센터를 풍력 발전소와 함께 배치함으로써 그리드 효율성을 향상시키고 재생 에너지 비율 기준(RPS)을 지원할 수 있는지 탐구한다.
• 고정 소비자로 간주하는 것이 아니라 조정 가능한 부하로 간주함으로써 데이터 센터가 갖는 체계적 이점을 탐색한다.
• 조정 가능한 계산 부하가 고풍력 비중 수준에서 그리드의 유연성 향상, 비용 변동성 감소, 내구성 향상에 어떻게 기여할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 세부적인 전력 그리드 네트워크 모델과 병렬 최적화 솔버를 결합한 계산 프레임워크를 개발했다.
• 기본 그리드, 무작위 데이터 센터 위치, 고정 부하를 갖는 풍력+데이터 센터 공동 배치, 최적 위치에 설치된 조정 가능한 데이터 센터를 포함한 여러 시나리오를 시뮬레이션했다.
• 수천 개의 재생 에너지 발전 시나리오에 걸쳐 확률적 최적화를 수행하여 불확실성 하에서의 시스템 성능을 평가했다.
• 조정 가능한 데이터 센터를 그리드 상태에 따라 켜거나 끌 수 있는 유연한 부하로 모델링하여 폐기량과 비용을 최소화했다.
• 방치된 전력, 풍력 폐기량, 조정 비용 변동성, 데이터 센터 용량 활용도 등의 지표를 사용해 체계 수준의 영향을 정량화했다.
• 대규모 시뮬레이션을 위해 고정밀도 테스트 시스템(예: WECC)과 HPC 자원(아르곤 국립연구소의 Blues 클러스터)을 활용했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 데이터 센터를 조정 가능한 부하로 통합할 경우 고풍력 비중 수준에서 그리드 효율성과 방치된 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 풍력 발전소와 함께 데이터 센터를 공동 배치함으로써 재생 에너지 비율 기준(RPS) 목표와 시스템의 유연성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 모델이나 공동 배치된 데이터 센터 모델 대비 조정 가능한 데이터 센터가 풍력 폐기량 감소와 그리드 비용 안정성 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ4 방치된 재생 에너지로 구동될 경우 데이터 센터가 얼마나 많은 용량을 실제로 활용할 수 있는가?
• RQ5 조정 가능한 데이터 센터의 공간적 위치가 전체 시스템의 비용 변동성과 네트워크 내구성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중간 수준의 풍력 비중에서도 풍력 폐기량과 방치 전력이 심각하게 발생하며, 풍력 비중 50% 수준에서 최대 83%의 풍력 발전량이 폐기된다.
• 풍력 발전소와 함께 데이터 센터를 고정 부하로 함께 운영할 경우 방치 전력과 화석 연료 기반 발전이 증가하여 RPS 목표를 뒷받침하지 못한다.
• 조정 가능한 데이터 센터 도입으로 풍력 폐기량이 최대 44% 감소하고, 특히 고풍력 비중 수준에서 평균 그리드 비용이 낮아진다.
• 조정 가능한 부하 도입으로 그리드 비용 변동성이 크게 감소한다—기본 시나리오 대비 표준편차가 풍력 비중 50% 수준에서 일일 $5.2M에서 $3.6M로 감소한다.
• 조정 가능한 부하로 운영될 경우 데이터 센터는 전체 용량의 60–80%를 활용할 수 있으며, 이는 방치된 풍력 에너지의 가용성에 의해 주도된다.
• 풍력 비중 15% 이상 초과 시 데이터 센터 용량 활용도는 변동성이 낮고 안정적으로 유지되어 고재생 에너지 공급 수준에서 신뢰할 수 있는 운영이 가능하다는 것을 시사한다.