原則: 炭素配慮
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炭素配慮
すべての電力が同じ方法で生成されるわけではありません。 電力は、さまざまな場所および時間に、さまざまな電力源を使用して生成され、炭素排出量は変動します。 風力、太陽光、水力などの一部の電力源は、炭素を排出しないクリーンで再生可能なソースです。 他の化石燃料源は、発電するためにさまざまな量の炭素を排出します。 たとえば、ガスを燃料とする火力発電所から排出される炭素量は、石炭を燃料とする火力発電所よりも少なくなります。
炭素強度
電力の炭素強度は、消費電力 1 キロワット時あたりに生成される炭素 (CO₂eq) 排出量の測定値です。
炭素強度の標準単位は、gCO₂eq/kWh、または 1 キロワット時あたりの炭素のグラム数です。
コンピューターが水力発電所に直接接続されている場合、コンピューターが消費する電力の炭素強度は、zero gCO₂eq/kWh になります。 水力発電所は、発電するために炭素を排出しません。 ほとんどの人は、水力発電所に直接接続することはできません。 代わりに、さまざまな量の炭素を生成するさまざまなソースから電力が供給される電力網に接続します。 このため、供給網に接続すると、通常、炭素強度はゼロより大きくなります。
炭素強度の変動
一部の地域には、他よりもクリーンなエネルギー源を含むエネルギー ミックスがあるため、炭素強度は場所によって変化します。
また、炭素強度は、再生可能エネルギーの変動性によっても、時間と共に変化します。 たとえば、曇っていたり、風が吹いていなかったりするときは、ミックス内の電気の多くが、炭素を排出する電力源から供給されるため、炭素強度が増加します。
電力需要は昼間に変動し、供給によってその需要を満たす必要があります。 その供給の一部は、生成される電力を簡単に制御できます。たとえば、石炭火力発電所では燃焼させる石炭を減らすことができます。 生成される電力を簡単に制御できない供給もあります。たとえば、風力発電所では、風が吹く量を制御することはできず、基本的に無料で作られた電気を捨てる (削減する) しかありません。
電力需要が減少するにつれてエネルギー市場が機能する方法の副産物として、通常、高排出の化石燃料源は最初に縮小され、再生可能エネルギーは最後に縮小されます。
アプリケーションで消費される電力量を削減することにより、ローカル供給網のエネルギー ミックスの炭素強度を低減できます。
限界炭素強度
通常、限界発電所は、ガスタービンなどの電力需要の変化に迅速に対応できるシステムです。
より多くのエネルギーを消費する場合、そのエネルギーは限界発電所から供給されます。 ただし、その役割を風力タービンや太陽電池に任せることはできません。発電量を増やすよう制御することができないからです。
その発電所では、出力するエネルギーを制御できることができます。 再生可能エネルギーは太陽や風を制御できないため、多くの場合、限界発電所は化石燃料によって電力を供給されます。
限界発電所は炭素を排出し、常時、供給網内のエネルギー ミックスの炭素強度を満たすだけでなく、新しい需要を満たすためにオンラインにする必要があるエネルギーの炭素強度もあります。 これは限界炭素強度と呼ばれます。
化石燃料発電所がゼロに達することはめったになく、最小機能しきい値が設定されています。 スケーリングされないものもあり、それらは一貫して常に稼働しているベースロードと見なされます。 このため、コストがかかる燃料で作られた化石燃料発電所からのエネルギーを消費するために、無料で作成された再生可能エネルギーを廃棄 (削減) するという不適切なシナリオに到達することがあります。
新しい負荷が、それ以外の場合は削減されている再生可能な電力源からの供給で満たされる場合、限界炭素強度は zero gCO₂eq/kWh になります。
電力の限界炭素強度が zero gCO₂eq/kWh になる時点があります。 このようなときに計算を実行すると、電力消費によって炭素は排出されません。
需要シフト
現在、電力網システムでの蓄電やバッファリングの方法はほとんどありません。 通常、電気は生成されるため、供給によって需要は常に満たされます。 需要を支えるのに必要な量よりも多くのエネルギーが再生可能エネルギーから生成され、すべての蓄電オプションがいっぱいになった場合、そのクリーンなエネルギーを削減 (廃棄) します。 1 つの解決策は、ワークロードを再生可能エネルギーの供給量が多い時間と場所にシフトすることです。これは、需要シフトと呼ばれる概念です。
ワークロードをいつどこで実行するかについて柔軟に対応できる場合は、炭素強度が低いときに電力を消費し、炭素強度が高いときに一時停止することができます。 たとえば、別の時間に、または炭素強度がはるかに低い地域で機械学習モデルをトレーニングします。
「計算の一部として CO₂ の数字を算出する」などの研究は、これらの措置により、供給網に電力を供給する再生可能エネルギーの数に応じて、45% から 99% の炭素量を削減できることを示しています。
アプリケーションをエンドツーエンドで確認し、ワークロードに関して柔軟に対応できる機会を特定し、電力の炭素強度を使用してこれらのワークロードを実行するタイミングまたは実行するかどうかを示します。
炭素強度の計算
いくつかのサービスを使用すると、さまざまな電力供給網の現在の炭素強度に関するリアルタイムのデータを取得できます。 将来の炭素強度の推定値を提供するものや、限界炭素強度を提供するものもあります。
Carbon Intensity API: 英国の炭素強度データの無料リソース
ElectricityMap: 1 つの国または地域に関する非商用の使用は無料。商用および複数の国または地域へのアクセス用はプレミアム ソリューション
WattTime: 1 つの電力供給網地域用は無料。複数の電力供給網およびリアルタイム限界排出用はプレミアム ソリューション
需要シフトは、炭素強度が少ない地域または時間にコンピューティングを移動したり、または再生可能な電力の供給が多いときに別の方法を採用するという戦略です。
需要形成は同様の戦略ですが、要求を別の地域または時間に移動するのではなく、既存の供給に適合するように要求を形成します。
再生可能なエネルギーの供給量が多い場合は、需要を増やします (アプリケーションでより多くのことを実行します)。供給が少ない場合は、需要を減らします (アプリケーションで行うことを減らします)。
この概念の好適な例として、ビデオ会議ソフトウェアがあります。 常に可能な限り最高の品質でストリーミングするのではなく、多くの場合はビデオの品質を下げてオーディオの優先順位を調整することで、需要を形成します。
別の例として TCP/IP があります。 転送速度は、ネットワーク経由で配信できるデータの量に応じて増加します。
3 番目の例は、Web を使用したプログレッシブ エンハンスメントです。 Web エクスペリエンスは、エンド ユーザーのデバイスのリソースと帯域幅に応じて向上します。
カーボン対応と炭素効率
炭素効率は、エンド ユーザーに対して透過的にすることができます。 ユーザー エクスペリエンスを維持しながら、炭素から有用な機能への変換のあらゆるレベルで効率を高めることができます。
しかし、ある時点で、透過的に炭素効率を高めるだけでは不十分になります。 現時点でアプリケーション実行の炭素排出コストが高すぎる場合は、さらに炭素排出量を削減するようにユーザー エクスペリエンスを変更することができます。 ユーザーがアプリケーションの実行方法が異なることに気付いた時点で、それはカーボン対応アプリケーションになります。
カーボン対応アプリケーションの需要形成は、炭素の供給に関することです。 アプリケーション実行の炭素排出コストが高くなったときは、炭素の供給に適合するように需要を形成します。 これは自動的に行われるか、ユーザーが選択することができます。
需要形成は、消費量を減らすという、持続性のより広範な概念に関連しています。 リソースについての効率を上げることで多くのことを達成できますが、ある時点で、使用量を減らすことも必要になります。 持続可能なソフトウェア エンジニアにとって、炭素効率を高めることは、炭素強度が高いときにはコンピューティングの需要シフトを行うのではなく、そのキャンセルを検討することを意味します。それにより、アプリケーションの需要とエンド ユーザーの期待を削減します。
エコモード
エコモードは日常生活で、たとえば自動車や洗濯機などによく使われています。 オンに切り替えると、同じタスクを実行するために消費するリソース (ガスや電気) が減り、パフォーマンスが変化します。 コストがかからないわけではありません (そうでなければ常にエコモードを選択するでしょう)。そのため、トレードオフが発生します。 トレードオフであるため、エコモードはほとんど常にユーザーに選択肢として提示され、ユーザーはそれを使用して妥協を受け入れるかどうかを決定します。
ソフトウェア アプリケーションには、適用するとアプリケーションの動作が 2 つの方法で変更されるエコモードを使用することもできます。
インテリジェンス: 情報に基づいた意思決定を行うことができるように、ユーザーに情報を提供します。
自動: 炭素排出量を削減するために、より積極的な決定がアプリケーションによって自動的に行われます。