Principio: Consapevolezza del carbonio
Il contenuto del video è ancora valido, ma i numeri dei principi possono differire a causa della rinumerazione dei principi della Green Software Foundation.
Consapevolezza del carbonio
Non tutta l'energia elettrica viene prodotta nello stesso modo. A seconda dei luoghi e dei momenti, l'energia elettrica viene prodotta da fonti diverse con emissioni di carbonio diverse. Alcune fonti, come quella eolica, solare o idroelettrica, sono pulite e rinnovabili e non emettono carbonio. Altre fonti combustibili fossili emettono quantità variabili di carbonio per produrre energia elettrica. Le centrali alimentate a gas, ad esempio, emettono meno carbonio di quelle alimentate a carbone.
Intensità di carbonio
L'intensità di carbonio dell'energia elettrica è la misura che indica la quantità di emissioni di carbonio (CO₂eq) prodotte per ogni chilowattora di energia elettrica consumata.
L'unità di misura standard dell'intensità di carbonio è gCO₂eq/kWh, o grammi di carbonio per chilowattora.
Se il computer fosse collegato direttamente a una centrale idroelettrica, l'energia elettrica consumata avrebbe un'intensità di carbonio pari a zero gCO₂eq/kWh. Una centrale idroelettrica non emette carbonio per produrre energia elettrica. La maggior parte delle persone non può collegarsi direttamente a centrali idroelettriche. Si collega invece a reti elettriche alimentate con elettricità proveniente da diverse fonti che producono quantità variabili di carbonio. Se quindi si è collegati a una rete, l'intensità di carbonio è in genere maggiore di zero.
Variabilità dell'intensità di carbonio
L'intensità di carbonio è diversa a seconda della posizione, perché il mix energetico di alcune aree geografiche include fonti di energia più pulite rispetto ad altre.
L'intensità di carbonio cambia anche nel corso del tempo data la natura variabile dell'energia rinnovabile. Quando, ad esempio, il cielo è nuvoloso o il vento non soffia, l'intensità di carbonio aumenta perché la quantità di elettricità del mix proviene da fonti che emettono carbonio.
La domanda di energia elettrica varia nel corso della giornata e la fornitura deve soddisfare tale domanda. In alcuni casi è possibile controllare facilmente la potenza prodotta. Una centrale a carbone, ad esempio, può bruciare meno carbone. In altri casi invece non è possibile. Una centrale eolica, ad esempio, non può controllare la quantità di vento, può solo eliminare (ridurre) l'energia elettrica che è stata essenzialmente prodotta a costo zero.
In genere, come conseguenza di quanto accade nei mercati dell'energia quando la domanda di elettricità diminuisce, le fonti combustibili fossili con emissioni elevate sono le prime a essere ridimensionate, quelle rinnovabili invece sono le ultime.
La riduzione della quantità di elettricità usata nelle applicazioni consente di diminuire l'intensità di carbonio del mix energetico della rete locale.
Intensità di carbonio marginale
In genere, un impianto elettrico marginale è un sistema che può reagire rapidamente ai cambiamenti nella domanda di energia elettrica, ad esempio una turbina a gas.
Se si consuma una maggiore quantità di energia, tale energia proviene dalla centrale elettrica marginale. Non può però trattarsi di una turbina eolica o di celle solari, perché non è possibile comandare che producano di più.
Questo tipo di centrale può controllare l'energia prodotta. Le centrali alimentate da fonti rinnovabili non possono controllare il sole o il vento, quindi le centrali elettriche marginali sono spesso alimentate da combustibili fossili.
La centrale marginale emette carbonio. In qualsiasi momento si ha l'intensità di carbonio del mix energetico della rete e anche l'intensità di carbonio dell'energia che deve essere portata online per soddisfare la nuova domanda. detta intensità di carbonio marginale.
Le centrali elettriche a combustibili fossili, che hanno una soglia minima di funzionamento, raramente raggiungono lo zero. Alcune non vengono ridimensionate e sono considerate un carico di base costante sempre attivo. Per questo motivo, a volte si verifica uno scenario irragionevole, in cui si scarta (riduce) l'energia rinnovabile prodotta gratuitamente per utilizzare l'energia prodotta a costi elevati dalle centrali elettriche a combustibili fossili.
Se un nuovo carico viene soddisfatto con una fornitura proveniente da una fonte rinnovabile che altrimenti verrebbe ridotta, l'intensità di carbonio marginale è pari a zero gCO₂eq/kWh.
In alcuni momenti l'intensità di carbonio marginale è zero gCO₂eq/kWh. L'esecuzione di processi di calcolo durante questi periodi consente di azzerare l'emissione di carbonio dal consumo di energia elettrica.
Spostamento della domanda
Attualmente lo stoccaggio o il buffering nei sistemi di reti elettriche è poco flessibile. In genere l'elettricità viene prodotta, quindi la fornitura soddisfa sempre la richiesta. Se dalle fonti rinnovabili viene prodotta più energia di quanta ne sia necessaria per soddisfare la richiesta e tutte le opzioni di stoccaggio sono esaurite, tale energia pulita viene ridotta (scartata). Una soluzione consiste nello spostare i carichi di lavoro in orari e località in cui la fornitura di energia rinnovabile è maggiore, un concetto denominato spostamento della domanda.
Se è possibile scegliere con una certa flessibilità quando e dove eseguire i carichi di lavoro, è possibile utilizzare l'elettricità quando l'intensità di carbonio è minore e di sospenderne il consumo quando è alta. È ad esempio possibile eseguire il training di un modello di Machine Learning in un momento o in un'area geografica con un'intensità di carbonio di gran lunga inferiore.
Studi come Putting a CO2 figure on a piece of computation hanno dimostrato che decisioni di questo tipo possono ridurre le emissioni di carbonio in una percentuale compresa tra il 45% e il 99% a seconda del numero di fonti rinnovabili che alimentano la rete.
Esaminare l'applicazione end-to-end, identificare le opportunità di gestire in modo flessibile i carichi di lavoro e usare l'intensità di carbonio dell'elettricità per segnalare quando o se eseguire tali carichi di lavoro.
Calcolo dell'intensità di carbonio
Diversi servizi consentono di ottenere dati in tempo reale relativi all'intensità di carbonio corrente di diverse reti elettriche. Alcuni forniscono stime sull'intensità di carbonio futura e altri indicano l'intensità di carbonio marginale.
Carbon Intensity API: risorsa gratuita per ottenere i dati sull'intensità di carbonio nel Regno Unito
ElectricityMap: sono disponibili una soluzione gratuita per uso non commerciale per i singoli Paesi/aree geografiche e soluzioni Premium per l'accesso commerciale e per più Paesi/aree geografiche
WattTime: sono disponibili una soluzione gratuita per l'area di una singola rete e soluzioni Premium per le emissioni marginali di più reti in tempo reale
Lo spostamento della domanda è la strategia basata sul trasferimento dei processi di calcolo in aree o periodi in cui l'intensità di carbonio è inferiore, ovvero in cui la fornitura di energia elettrica rinnovabile è elevata.
La strategia di modellazione della domanda è simile, ma, invece di spostare la domanda in un'area o in un periodo diverso, si modella la domanda in modo che corrisponda alla fornitura esistente.
Se la fornitura di energia rinnovabile è elevata, aumentare la domanda, ovvero eseguire più operazioni nelle applicazioni, se la fornitura è bassa, ridurre la domanda, ovvero eseguire meno operazioni nelle applicazioni.
Un ottimo esempio di questo concetto è rappresentato dai software per le videoconferenze. Anziché trasmettere costantemente alla massima qualità possibile, spesso modellano la domanda riducendo la qualità del video a favore dell'audio.
Un altro esempio è il protocollo TCP/IP. La velocità di trasferimento aumenta in risposta alla quantità di dati che è possibile trasmettere in rete.
Un terzo esempio è il progressivo miglioramento della connessione Web. L'esperienza Web migliora a seconda delle risorse e della larghezza di banda del dispositivo dell'utente finale.
Consapevolezza delle emissioni di carbonio ed efficienza in termini di emissioni di carbonio
L'efficienza in termini di carbonio può essere trasparente per l'utente finale. È possibile essere più efficienti a ogni livello nella conversione del carbonio in funzionalità utili, senza compromettere l'esperienza utente.
A un certo punto però l'efficienza trasparente in termini di emissioni di carbonio non è sufficiente. Se il costo in carbonio dell'esecuzione di un'applicazione è troppo elevato, è possibile modificare l'esperienza utente per ridurre ulteriormente le emissioni di carbonio. Nel momento in cui l'utente è consapevole che l'applicazione viene eseguita in modo diverso, l'applicazione diventa consapevole delle emissioni di carbonio.
La modellazione della domanda per le applicazioni consapevoli delle emissioni di carbonio dipende interamente dalle emissioni di carbonio. Quando il costo in carbonio dell'esecuzione dell'applicazione diventa elevato, modellare la domanda in modo che corrisponda alle emissioni di carbonio. Questa operazione può essere eseguita automaticamente oppure dall'utente.
La modellazione della domanda è collegata a un più ampio concetto di sostenibilità, basato sulla riduzione dei consumi. Si possono ottenere ottimi risultati usando le risorse in modo più efficiente, ma a un certo punto è necessario consumare meno. Gli ingegneri del software sostenibile, per essere efficienti in termini di emissioni di carbonio, quando l'intensità di carbonio è elevata, invece di spostare la domanda dei processi di calcolo dovrebbero valutare la possibilità di annullarla, riducendo così la domanda dell'applicazione e le aspettative degli utenti finali.
Modalità ecosostenibili
Le modalità ecosostenibili hanno largo uso nella vita quotidiana, ad esempio nelle automobili o nelle lavatrici. Se attivate, le prestazioni cambiano perché utilizzano meno risorse (gas/elettricità) per eseguire la stessa attività. Le modalità ecosostenibili hanno tuttavia un costo (altrimenti verrebbero sempre adottate) e per questo vengono stabiliti alcuni compromessi. Poiché si tratta di compromessi, le modalità ecosostenibili vengono quasi sempre presentate all'utente come una possibile scelta e l'utente decide se vuole adottarle e accettare i compromessi.
Anche le applicazioni software possono avere modalità ecosostenibili che, se attivate, ne modificano il comportamento potenzialmente in due modi:
Intelligenza: fornire informazioni agli utenti affinché possano prendere decisioni informate.
Automatico: l'applicazione prende automaticamente decisioni più aggressive per ridurre le emissioni di carbonio.