원칙: 탄소 인식
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탄소 인식
모든 전기를 동일한 방식으로 생산하지는 않습니다. 다양한 탄소 배출물이 다양한 자원을 사용하여 여러 위치와 시간에 전기가 생산됩니다. 바람, 태양, 수력 등의 일부 자원은 탄소를 배출하지 않는 깨끗한 재생 가능 자원입니다. 다른 화석 연료 자원은 전기를 생산하기 위해 다양한 양의 탄소를 배출합니다. 예를 들어 가스 화력 발전소는 석탄 화력 발전소보다 더 적은 탄소를 배출합니다.
탄소 집약도
전기의 탄소 집약도는 소비된 킬로와트시의 전기별로 생성된 탄소(CO₂eq) 배출량을 측정한 것입니다.
탄소 집약도의 표준 단위는 gCO₂eq/kWh 또는 킬로와트시당 탄소 그램 수입니다.
컴퓨터 플러그를 수력 발전소에 직접 꽂는다면 컴퓨터가 소비하는 전기는 zero gCO₂eq/kWh의 탄소 집약도를 가집니다. 수력 발전소는 해당 전기를 생산하기 위해 탄소를 배출하지 않습니다. 대부분의 사람은 수력 발전소에 직접 플러그를 꽂을 수 없죠. 대신 서로 다른 양의 탄소를 생성하는 자원 조합의 전기가 제공되는 전력망에 플러그를 꽂습니다. 따라서 전력망에 플러그를 꽂을 때 탄소 집약도는 일반적으로 0보다 큽니다.
탄소 집약도의 가변성
일부 지역에는 다른 지역보다 더 깨끗한 에너지원이 포함된 에너지 조합이 사용되기 때문에, 탄소 집약도는 위치에 따라 달라집니다.
또한 재생 가능 에너지의 가변적인 특성 때문에 탄소 집약도는 시간 경과에 따라서도 달라집니다. 예를 들어 날씨가 흐리거나 바람이 불지 않을 때는 조합에서 더 많은 전기가 탄소를 배출하는 자원에서 비롯되므로 탄소 집약도가 높아집니다.
전기 수요는 하루 중에도 다르며 공급은 그 수요를 충족해야 합니다. 이러한 공급 중 일부는 생산되는 전력을 쉽게 제어할 수 있습니다. 예를 들어 석탄 화력 발전소에서 태우는 석탄이 줄어들 수 있습니다. 이러한 공급 중 일부는 생산되는 전력을 쉽게 제어할 수 없습니다. 예를 들어 풍력 발전소에서 바람의 양을 제어할 수 없으며 무료로 생산되는 전기량만 버릴(축소할) 수 있습니다.
전기 수요가 감소함에 따라 에너지 시장이 작동하는 방식으로 인해 대체로 탄소 배출이 높은 화석 연료 전력원이 가장 먼저 축소되고 재생 에너지원이 가장 마지막에 축소됩니다.
애플리케이션에서 소비되는 전기량을 줄이면 지역 전력망의 에너지 조합의 탄소 집약도를 줄일 수 있습니다.
한계 탄소 집약도
일반적으로 한계 발전소는 가스 터빈과 같은 전기 수요의 변화에 신속하게 대응할 수 있는 시스템입니다.
더 많은 에너지를 소비하는 경우 해당 에너지는 한계 발전소에서 나옵니다. 그러나 더 많이 생산하도록 명령할 수 없기 때문에 풍력 터빈이나 태양 전지가 될 수는 없습니다.
해당 발전소는 출력하는 에너지를 제어할 수 있지만 재생에너지는 태양이나 바람을 제어할 수 없으므로 한계 발전소는 화석 연료로 구동되는 경우가 많습니다.
한계 발전소는 탄소를 배출하며, 언제든지 전력망 에너지 조합의 탄소 집약도 및 새로운 수요를 충족하기 위해 온라인에 도입해야 하는 에너지의 탄소 집약도가 있습니다. 이를 한계 탄소 집약도라고 합니다.
화석 연료 화력 발전소는 0에 도달하는 일이 거의 없으며 최소 작동 임계값이 있습니다. 일부는 규모가 조정되지 않으며 일관된 상시 기본 부하가 있는 것으로 간주됩니다. 이로 인해 무료로 만들어진 재생 가능 에너지를 버리고(축소하고) 화석 연료 화력 발전소에서 비용이 드는 연료로 생산된 에너지를 소비하는 비합리적인 시나리오에 도달하는 경우가 있습니다.
축소되었을 수 있었던 재생 가능 에너지의 공급으로 새 부하가 충족되는 경우 한계 탄소 집약도는 zero gCO₂eq/kWh가 됩니다.
전기의 한계 탄소 집약도가 zero gCO₂eq/kWh인 순간이 있습니다. 이러한 시간 동안 컴퓨팅을 실행하면 전기 소비에서 배출되는 탄소가 없어지게 됩니다.
수요 변동
현재는 전력망 시스템에서 스토리지 또는 버퍼링 방식이 거의 없습니다. 일반적으로 공급이 항상 수요를 충족하도록 전기가 생산됩니다. 수요를 지원하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 재생 가능 자원에서 생산되고 모든 스토리지 옵션이 가득 찬 경우 깨끗한 에너지를 축소합니다(버립니다). 한 가지 솔루션은 재생 가능 에너지가 더 많이 공급되는 시간과 위치로 워크로드를 이동하는 것입니다. 즉, 수요 변동이라는 개념입니다.
워크로드를 실행하는 시기와 위치를 유연하게 조정할 수 있는 경우 탄소 집약도가 더 낮을 때 전기를 소비하고 탄소 집약도가 더 높을 때 일시 중지할 수 있습니다. 예를 들어 탄소 집약도가 훨씬 더 낮은 다른 시간 또는 지역에서 기계 학습 모델을 학습시키는 경우입니다.
Putting a CO2 figure on a piece of computation(계산에 CO2 수치 배치)과 같은 연구에 따르면 이러한 조치는 전력망을 구동하는 재생 가능 에너지의 수에 따라 탄소 배출물을 45%~99%까지 줄일 수 있습니다.
애플리케이션을 전체적으로 살펴보고 워크로드와 관련하여 유연성을 발휘할 기회를 식별하고, 전기의 탄소 집약도를 사용하여 해당 워크로드를 실행할지 여부 또는 실행할 시기를 알립니다.
탄소 집약도 계산
몇 가지 서비스를 사용하여 다양한 전력망의 현재 탄소 집약도와 관련된 실시간 데이터를 얻을 수 있습니다. 일부 서비스는 향후 탄소 집약도를 예측하고, 일부는 한계 탄소 집약도를 제공합니다.
탄소 집약도 API: 영국의 탄소 집약도 데이터를 위한 무료 리소스입니다.
ElectricityMap: 비상업적 단일 국가/지역 사용을 위해 무료로 제공되고, 상용 및 여러 국가/지역 액세스를 위한 프리미엄 솔루션이 제공됩니다.
WattTime: 단일 전력망 지역에서 무료로 제공되고, 다중 전력망 및 실시간 한계 배출물에 대한 프리미엄 솔루션이 제공됩니다.
수요 변동은 탄소 집약도가 낮은(또는 재생 가능 전기의 공급이 높은) 지역 또는 시간으로 컴퓨팅을 이동하는 전략입니다.
수요 조정은 비슷한 전략이지만 수요를 다른 지역 또는 시간으로 이동하는 대신 기존 공급과 일치하도록 수요를 조정합니다.
재생 가능 에너지의 공급이 높은 경우 수요를 늘리고(애플리케이션에서 더 많은 작업 수행) 공급이 낮은 경우 수요를 줄입니다(애플리케이션에서 더 적은 작업 수행).
이 개념의 좋은 예는 화상 회의 소프트웨어입니다. 지속적으로 최고 품질로 스트림하는 대신 오디오를 우선으로 하고 비디오 품질을 낮춰 수요를 조정하는 경우가 많습니다.
또 다른 예는 TCP/IP입니다. 전송 속도는 네트워크를 통해 브로드캐스트할 수 있는 데이터의 양에 따라 증가합니다.
세 번째 예는 웹의 점진적인 향상입니다. 웹 환경은 최종 사용자 디바이스의 리소스와 대역폭에 따라 향상됩니다.
탄소 인식과 탄소 효율
탄소 효율은 최종 사용자에게 드러날 수 있습니다. 사용자 환경을 동일하게 유지하면서 탄소를 유용한 기능으로 변환하는 모든 수준에서 효율성을 높일 수 있습니다.
그러나 어느 시점에서는 투명하게 탄소 효율을 높이는 것으로는 충분하지 않습니다. 지금 애플리케이션을 실행하는 탄소 비용이 너무 많이 들면 탄소 배출물을 더 줄이도록 사용자 환경을 변경할 수 있습니다. 애플리케이션이 다른 방식으로 실행된다는 것을 사용자가 인식하게 되면 탄소를 인식하는 애플리케이션이 된 것입니다.
수요 조정 탄소 인식 애플리케이션은 탄소의 공급과 관련이 있습니다. 애플리케이션을 실행하는 탄소 비용이 커지면 탄소 공급과 일치하도록 수요를 조정합니다. 이 작업은 자동으로 처리되거나 사용자가 선택할 수 있습니다.
수요 조정은 소비를 줄이기 위한 지속 가능성의 광범위한 개념과 관련이 있습니다. 리소스를 더욱 효율적으로 활용하여 더 큰 효과를 얻을 수 있지만 이와 동시에 소비도 줄여야 합니다. 지속 가능한 소프트웨어 엔지니어가 탄소 효율이 높다는 것은 탄소 집약도가 높을 때 수요 변동 컴퓨팅 대신 취소를 고려하여 애플리케이션의 수요와 최종 사용자의 예상치를 줄이는 것을 의미합니다.
에코 모드
에코 모드는 예를 들어 차량이나 세탁기 같이 일상에서 종종 사용됩니다. 이 모드의 스위치를 켜면 동일한 작업을 수행하는 데 소비되는 리소스(가스/전기)가 더 적어서 성능이 변합니다. 이 경우 비용이 발생하지 않는 것이 아닙니다(무료라면 항상 에코 모드를 선택할 것). 즉, 절충이 따릅니다. 절충이 발생하기 때문에 에코 모드는 거의 항상 사용자에게 옵션으로 제시되고 사용자는 에코 모드를 사용하고 절충을 수용할지 여부를 결정합니다.
소프트웨어 애플리케이션에는 설정하면 다음 두 가지 방식으로 애플리케이션 동작을 변경하는 에코 모드가 있을 수 있습니다.
인텔리전스: 정보 기반 결정을 내릴 수 있게 사용자에게 정보를 제공합니다.
자동: 애플리케이션은 탄소 배출물을 줄이기 위한 더 적극적인 결정을 자동으로 내립니다.