Интернет вещей и проблемы энергопотребления

Интернет вещей и проблемы энергопотребления

Выпуск 11(6685) от 06 июня 2019 г.
РУБРИКА: ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

По существующим прогнозам, к 2020 г. сеть Интернета вещей будет включать до 30 млрд устройств, каждое из которых потребляет энергию. В связи с этим вопрос, какое влияние окажет Интернет вещей на развитие мировой энергетики, становится все более актуальным.

Технологии Интернета вещей оказывают комплексное влияние на развитие сферы производства и потребления энергии. Их внедрение призвано способствовать экономии электро-энергии: так, умный кондиционер будет автоматически отключен, если жителей нет в помещении. Превращение уже существующих устройств в умные путем добавления новых датчиков, электроники и дисплеев не вызывает значительного увеличения объемов энергопотребления, однако их использование предполагает энергоемкие процессы передачи больших объемов данных и их удаленной обработки. Кроме того, происходит стремительное наращивание производства и потребления устройств Интернета вещей, что также сказывается на состоянии мировой энергетики.

Выделяют четыре механизма влияния Интернета вещей на энергопотребление:

прямое (локальное) воздействие компонентов Интернета вещей на энергетические системы;

удаленное потребление энергии инфраструктурой Интернета вещей;

потребление энергии в процессе производства устройств Интернета вещей;

косвенное воздействие Интернета вещей на энергетические системы через изменение потребительского поведения, связанное с увеличением количества используемых устройств и объема потребляемых услуг.


ПРЯМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

При оценке прямого воздействия устройств Интернета вещей на энергетические системы целесообразно опираться на данные об энергопотреблении бытовой электроники. Так, за период с 1992 по 2007 гг. в США использование активной мощности бытовой электроники на фоне расширения ее функциональных возможностей и производительности выросло примерно на 30%, в то время как энергопотребление в режиме ожидания упало примерно на 60%.

По аналогии с бытовой электроникой, системы Интернета вещей обладают потенциалом для снижения энергопотреб-ления при фиксированном объеме услуг за счет более разумного использования ресурсов. Например, при помощи собираемых устройствами Интернета вещей данных можно оптимизировать промышленное энергопотребление. На базе технологий Интернета вещей в транспортном секторе внедряются адаптивные системы управления движением, снижающие проблему пробок на дорогах, что способствует более эффективному расходованию топлива. В умных домах и офисах с помощью устройств Интернета вещей оптимизируется управление температурой и освещением, обеспечивается более эффективное расходование электричества, внедряются системы на базе возобновляемых источников энергии.


УДАЛЕННОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Интернет вещей способствует растущему спросу на ИКТ, обеспечивающие удаленную передачу и обработку данных. Системы облачных вычислений, ЦОДы и телекоммуникационная инфраструктура – ​энергоемкие компоненты ИКТ. С другой стороны, наблюдается тенденция к увеличению производительности вычислительной техники: с точки зрения количества вычислительных операций на 1 кВт⋅ч производительность компьютера, выпущенного в 2010 г., в три раза выше производительности компьютера, выпущенного в 1990 г.

По существующим оценкам, системы ИКТ в 2007 г. потребляли 3,9% мирового объема электроэнергии, в 2012 г. этот показатель вырос до 4,6%, в настоящее время он составляет порядка 10%, к 2030 г.планируется рост до 21%. Проблема выделения доли энергопотребления устройств Интернета вещей в общей структуре энергопотребления систем ИКТ пока не решена.

ПРОИЗВОДСТВО УСТРОЙСТВ

Производство компонентов, отвечающих требованиям технологий Интернета вещей к обработке, передаче и отображению данных, требует дополнительных расходов материалов и энергии по сравнению с производством устройств предыдущих поколений. Стремительное увеличение числа устройств Интернета вещей приводит к общему увеличению энергопотребления при производстве компонентов, добыче и обработке материалов. За период с 1992 по 2007 гг. расходы энергии при производстве электроники, приобретаемой домашними хозяйствами США, выросли на 0,2%.

С другой стороны, одна из характерных экономических тенденций – ​дематериализация8. Так, за период с 1992 по 2007 гг. расходы энергии, необходимые для производства портативных компьютеров, сократились примерно в 5,5 раза, при этом вычислительная мощность устройств значительно возросла. Таким образом, увеличение энергозатрат при производстве бытовой электроники обусловлено прежде всего особенностями потребительского поведения, связанными с увеличением количества используемых устройств в расчете на одно домохозяйство.


ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ

Снижение ожидаемых преимуществ по улучшению эффективности энергопотребления за счет внедрения устройств Интернета вещей, по аналогии с вышеприведенным примером с бытовой электроникой, объясняется эффектом отскока, когда потребительское поведение приводит к неожиданным последствиям. За период с 1992 по 2007 гг. прямое потребление энергии бытовой электроникой в США выросло в три раза, что, как и в случае с энергозатратами на ее производство, обусловлено увеличившимся потреблением в расчете на одно домохозяйство.

Результаты исследования автономных транспортных средств, являющихся частью Интернета вещей, также показали, что их использование способно привести не к сокращению, а к увеличению расхода топлива за счет увеличения общего расстояния в пути и расширения географии поездок.

В настоящее время при внедрении технологий Интернета вещей недостаточно учитываются особенности потребительского поведения и вопросы экономической целесообразности, что способно привести к энергетическим и, как следствие, экологическим проблемам. Сложно прогнозировать долгосрочные последствия внедрения технологий Интернета вещей с точки зрения их воздействия на энергопотребление, оценить, какие именно устройства и приложения получат широкое распространение и как это повлияет на потребительское поведение. Разработка специализированных стандартов энергоэффективности для устройств Интернета вещей способна смягчить возможные негативные последствия их внедрения.

 

Hittinger Eric, Jaramillo Paulina. Internet of Things: Energy Boon or Bane? Science, April 26, 2019: https://science.sciencemag.org/content/364/6438/326


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Андрей Колесников

Я склоняюсь к общему тренду на повышение энергоэффективности за счет внедрения Интернета вещей. Это хорошо видно из приведенных примеров: снижение удельной мощности процессорных систем при повышении вычислительной мощности. Кстати, это ведет к одному эффекту, о котором мало кто говорит, – ​не нужны новые большие дата-центры для развития промышленного Интернета. Дело в том, что основные вычисления будут происходить на местах (edge computing – ​вычисления на периферии), в то время как «облака» (cloud computing) в промышленности будут исполнять в основном роль оркестранта. В энергетике внедрение систем управления на платформах Интернета вещей дает непосредственный, конкретный эффект снижения энергопотребления. Например, существенная часть так называемой концепции Индустрии 4.0 посвящена цифровой синхронизации цепочек поставки, сбыта и производства изделий промышленности, что непосредственно влияет на повышение энергоэффективности всех участников этих цепочек.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ