‘Flex your Compute’ - Duurzamere Digitalisering

Blog door Mark de Hoop (Nationale Coalitie Duurzame Digitalisering) en Yvo Hunink (Dutch Blockchain Coalition).

De digitale infrastructuur en het energiesysteem voor de toekomst

Er ontstaat een nieuwe energie-werkelijkheid. Één waarin de belangrijkste vraag is: hoe zorgen we dat het gebruik van energie op elk moment zo veel mogelijk waarde levert? Niet per sé, hoeveel wordt er gebruikt? De negatieve energieprijzen als de zon schijnt en de wind waait zijn here-to-stay, en zullen alleen maar verder toenemen. Hoe gaan we ons gebruik van energie aanpassen op deze nieuwe werkelijkheid?

We realiseren ons steeds meer dat onze digitale producten wel degelijk energie gebruiken. De digitale infrastructuur vertegenwoordigt een flinke energievraag in het net. In potentie is het een hele ‘flexibele’ afnemer die ons kan helpen om hernieuwbare energie te integreren in het net. Zowel in de bekende grandioze vorm én in de toekomst mogelijk ook in nieuwe decentrale vormen ‘on the edge’.

Dit jaar is de Nationale Coalitie Duurzame Digitalisering opgericht, waarbij in één van de aanbevelingen van het Manifest is opgenomen dat de digitale infrastructuur flexibilisering in de energiesector mogelijk moet maken. Dat kun je onder andere doen door de vraagkant stuurbaar te maken op basis van de beschikbare energie. Hiermee creëer je een onderdeel van zogenaamde slimme energienetten en werk je aan een duurzame digitalisering, wat twee van de hoofdthema’s zijn waar zowel de DBC als de NCDD actief op zijn.

In dit blog zullen we manieren bespreken waarop digitale infrastructuur flexibiliteit kan inzetten voor een groener bestaan én een beter business model.

• Aantoonbaar 24/7 groene energie gebruiken

• Verlagen van transportkosten

• Kleinere aansluitingen
  

Maar daarvoor nog wat context over de digitale infrastructuur, het energienet én de energiemarkt.

Digitale infrastructuur en het energienet

De levering van elektriciteit aan datacenters is in 2021 gegroeid naar 3,7 miljard kilowattuur (TWh), gelijk aan 3,3 procent van het Nederlandse elektriciteitsverbruik. Meer dan een verdubbeling in 5 jaar. Lokaal in Amsterdam is dat al zo’n 15% van het totale verbruik. De groei in dataverbruik is vele malen groter vanwege efficiencyslagen. Desalniettemin is het een licht stijgende lijn en door nieuwe toepassingen zoals AI is de verwachting dat in Nederland het verbruik in 2030 substantieel zal toenemen.

Niet alleen het volume, maar ook de enorme capaciteitsvraag van het net is problematisch. Datacenters vragen transportvermogens tussen 20 en 80- mega-volt-ampère (MVA), vergelijkbaar met kleine steden van 35.000 tot 140.000 inwoners. Juist het vraagstuk rond capaciteit van transportvermogen is in Nederland op dit moment erg urgent, waarbij het uitblijven van een oplossing de energietransitie in de wacht zet. Wachten met de energietransitie is uiteraard geen optie! Dan moeten we ons energieverbruik en dus ook de digitale infrastructuur flexibeler inzetten. Flex-your-compute!

Wat bedoel je met flex?

In de zoektocht naar oplossingen van dit capaciteitsprobleem kom je al snel uit bij flexibilisering van het elektriciteitsnet, middels flexibele assets. Laat het gebruik van de digitale infrastructuur nu juist een enorme potentiële bron van flexibiliteit zijn. Met flex-your-compute bedoelen we het in de tijd, en ruimte, kunnen verschuiven van de computerberekeningen. Je verplaatst dan berekeningen naar momenten dat er hernieuwbare stroom beschikbaar is, of voldoende netcapaciteit, zodat de bits en bytes op verantwoorde wijze verwerkt kunnen worden. Of door de intensiteit te veranderen. Zo creëer je ruimte op elektriciteitsnet als de vraag hoger is dan het aanbod, of gebruik je stroom op het moment dat er een overschot aan aanbod is. De digitale infrastructuur draagt dan bij aan een flexibel en veerkrachtig energiesysteem.

Er zijn, naast het verschuiven van computerkracht, nog meer bronnen van flexibiliteit in de digitale infrastructuur. Zo is er de back-up energievoorziening (UPS) meestal in de vorm van een generator of batterijen. Hoewel het vaak ook als te riskant wordt gezien om aan de backup faciliteiten te sleutelen. Het flexibel inzetten van koelingscapaciteit is ook een manier om slimmer om te gaan met energieverbruik (Dominkovic et. al., 2023, EcoQube).

Maar de meest voor de hand liggende vorm van flexibiliteit is het schuiven van de energievraag die correspondeert met computeractiviteit. Een deel van de opdrachten voor de digitale infrastructuur hoeft niet á la minuut, uur of zelfs dag klaar te zijn. Denk bijvoorbeeld aan een algoritme ontwikkelaar die een model wil trainen of het doorrekenen van weermodellen. Het voltooien van het proces kan variëren van uren tot dagen en soms zelfs weken of maanden. Laten we het Chat-GPT zelf eens vragen..

Je kunt het uitvoeren van de leeropdracht dus doen wanneer het elektriciteitsnet de ruimte heeft, of wanneer er lokale duurzame energie aanwezig is. Je kunt er zelf als globale infrastructuur provider voor kiezen om het naar andere locaties te sturen (Data Center Dynamics, 2021). Als je digitale infrastructuur faciliteit eigenaren hier naar vraagt dan zullen ze je doorverwijzen naar de IT, zij beheren immers de servers.

De vraag is dus hoe het aanbod, de rekencapaciteit, en vraag, rekenopdrachten, kunnen worden georchestreerd. Dat zou middels een platform kunnen gebeuren waarop de digitale infrastructuur haar rekencapaciteit aanbiedt. Dat vraagt van digitale producten om tijd sensitiviteit als criterium mee te nemen. De duivelsdriehoek van softwareontwikkeling is snelheid-kosten-kwaliteit. Het schuiven van workload is een kwaliteitseis. Op dit moment ontbreekt een dergelijk platform en zijn de prikkels vanuit het energiesysteem niet sterk genoeg: de tijd die het developers kost weegt niet op tegen de kilowatturen die kunnen worden bespaard.

Het schuiven van workload in tijd en ruimte, in combinatie met lokaal gebruik van restwarmte stimuleert om alternatieve concepten te verkennen. Eurofiber heeft een PoC aangekondigd waarin zij datacenters van het formaat zeecontainers gaan bouwen die middels fiber verbonden zijn. De containers zijn verbonden middels een fibernetwerk en kunnen zo als “één computer” functioneren. Compute wordt geschoven afhankelijk van waar op dat moment beschikbare energie is, om zo bij te dragen aan netbalancering. De restwarmte wordt lokaal afgenomen. Flexibilisering ontsluit nieuwe businessmodellen waarmee wordt ingespeeld op fluctuaties in energieprijzen en de digitale infrastructuur bovendien bijdraagt aan het balanceren van het net.

Wat is de potentie van die oplossing? Echte getallen zijn er niet. Volgens een Bloomberg Finance onderzoek is er in 2030 zo’n 3,8 GW aan flexibiliteit te winnen via datacenters in Nederland, wat ongeveer 20% van het piekvermogen van het totale elektriciteitsnet is. Dat is een stuk meer dan bijvoorbeeld de verwachte 730 MW flexibele capaciteit die elektrisch voertuigen kunnen leveren. Microsoft schat een 15% reductie in CO2-intensiteit, over 16 regio’s. De SDIA hanteert een scope van 38% tot wel 80% van geïnstalleerd vermogen in 2030 in Europa die flexibel kan worden gezet. Één ding is duidelijk: daar kunnen we wat mee. Maar hoe doe je dat dan? Hierbij een 4-tal use cases voor in de digitale infrastructuur.

1. Markt-Matching

Door elektriciteit te gebruiken wanneer de opwek plaatsvindt, of zo lokaal mogelijk opslaan, kunnen we veel knelpunten wegnemen. Marktwerking kan daarin helpen. Er zijn vele markten beschikbaar waar men op dit moment energie op kan verhandelen: de Day-Haead markt, Intraday markt, onbalansmarkt, congestie markt. Dit alles maakt het niet simpel. En dan komen er in de toekomst mogelijk nog meer markten bij, zoals lokale P2P energiemarkten, waar energiecoöperaties een rol in lijken te gaan spelen.

Ook veranderen bepaalde diensten door nieuwe rollen in de markt, bijvoorbeeld hoe aanbieders van dynamische energiecontracten de purchase power agreement aan het veranderen zijn. Op de flexibiliteit markt is steeds vaker een aggregator aanwezig die stuurbare flexloads bij elkaar brengt en op verschillende markten kan aanbieden. Deze nieuwe rollen worden beide gestuurd door automatisering die het mogelijk maakt om met kleinere gebruikers gezamenlijk virtueel als grotere gebruiker te acteren.

Het equivalent van zo’n aggregator in de IT zou eruit kunnen zien als een platform waarop rekenkracht kan worden ingekocht. Net zoals diverse leveranciers concurreren op de energiemarkt, ontstaat er dan concurrentie tussen aanbieders van rekenkracht. We stellen ons voor dat een gebruiker haar voorkeuren aangeeft, bijvoorbeeld met betrekking tot prijs, beschikbaarheid en co2 intensiteit. Een aanbieder biedt rekenkracht diensten aan, en speelt daarmee in op de diverse energiemarkten. Zo zouden rekenopdrachten binnen de digitale infrastructuur schuiven naar de tijd en locatie die het beste past bij de gestelde criteria. Daarmee worden bestaande assets optimaler gebruikt, wat betekent dat de rekening bij de netbeheerder naar beneden kan. Door juiste prikkels te creëren kan handel bijdragen aan balanceren van het net.

Al met al zijn er veel opties om contracten aan te gaan voor energiedienstverlening en levering. Met de stijgende onbalans en congestie door de invloed van duurzame energie, stijgt de prijs van de volumes op deze markten ook nog eens. Tot nu toe is de prikkel om energie-signalen te integreren in workload scheduling in de digitale infrastructuur niet sterk en duidelijk genoeg geweest. De toenemende onbalans en fluctuatie door wind en zon, in combinatie met gebruik van restwarmte, brengen hier verandering in.

2. Aantoonbaar 24/7 Duurzaam

Een aan populariteit groeiende methode is zogenaamde 24/7 Carbon-Free Energy. Door de United Nations wordt dit gedefinieerd als: “...elke kilowattuur van elektriciteitsgebruik wordt geleverd vanaf koolstofvrije bronnen van elektriciteit, elk uur van de dag, op elke locatie.” De DBC Coalitiepartners Microsoft en Energy Web Foundation zijn dit concept in de praktijk aan het brengen voor een datacenter in Amsterdam, samen met het bedrijf FlexiDAO dat daarbij ook gebruik maakt van blockchain technologie.

FlexiDAO registreert en creëert een overzicht van de daadwerkelijke CO2 waarde van je afname, het piekverbruik en het volume van afname, vertelt Annie Chen, Web3 engineer bij FlexiDAO. Bij de productie wordt er hernieuwbare opwek geregistreerd en gecontroleerd door een certificeerder. Na goedkeuring wordt er een certificaat uitgegeven, dat wordt “getokeniseerd” op de Energy Web Chain, waardoor het certificaat verankerd wordt aan een eigenaar. In de toekomst kan er ook een applicatie gebouwd worden waardoor deze certificaten verhandelbaar worden. De afnemer kan door een inkoopstrategie op de matching van energie, op tijd én locatie, op elk moment van de dag elektriciteit te gebruiken met een zo laag mogelijke koolstofwaarde. FlexiDAO helpt bij het tot stand laten komen van deze inkoopstrategie. Daarmee kan een datacenter duurzaamheidsclaims beter onderbouwen en wordt er lokale productie van hernieuwbare energie gestimuleerd.

In de huidige markt wordt veel gewerkt met renewable energy certificates (RECs), waarbij het afgeven van een garantie dat het certificaat niet dubbel verkocht is (double spending) onwijs veel manuele handelingen vereist en tijdrovend is voor alle betrokken partijen. Dit komt o.a. vanwege verouderde IT systemen waarbij geen API’s aanwezig zijn bij issuing bodies en er veel met pdf en excel gewerkt wordt voor het rondsturen van certificaten. Dat vereist dus veel werk om fraude met double spending te voorkomen. Ook zijn duurzame energiecontracten op basis van RECs doorgaans over een langere periode vastgezet, wat inhoudt dat het zonnepark waar je RECs van hebt, op sommige momenten niet voldoende of te veel energie produceert dan je gebruikt. Dit levert een mismatch tussen administratieve en fysieke werkelijkheid op.

Daarom is er een nieuw type standaard, genaamd Granular Certificates (GCs) en soms aangeduid als Timely Environmental Attribute Certificates (T-EACs) gebruikt. Deze GCs gaan over maximaal 60 minuten aan productie, en geven daarmee een veel hogere dichtheid die voor een intra-day inkoopstrategie gebruikt kan worden. Echter, als RECs al veel administratieve problemen geven, dan kun je je voorstellen dat het werken met GCs nog veel meer administratieve problemen kan geven.

Er zijn een aantal redenen waarom blockchain FlexiDAO helpt om een oplossing te bieden. Om te beginnen wordt er gewerkt met een single source of truth die double spending van certificaten helpt voorkomen, maar ook gemakkelijk gebruikt kan worden voor het genereren van rapportages. Daarnaast wordt het tokeniseren van energie certificaten gebruikt om eigenaarschap te waarborgen en in de toekomst ook handel van GCs mogelijk te maken via smart contracts.

Naast dat deze methode je als datacenter een duurzamer imago geeft, en mogelijk ook de energierekening naar beneden haalt, kan het in de toekomst ook mogelijk worden om carbon credits te verdienen. Dit komt omdat met een inkoopstrategie om 24/7 carbon free in te kopen, er een duidelijke case voor 'additionaliteit' is, namelijk het bewijs dat je daadwerkelijk minder uitstoot genereert dan wanneer je geen inkoopstrategie gebruikt. Hoewel de inkoopstrategie i.c.m. van GCs nog niet tot een geaccepteerde methode voor carbon credits behoor. Met het werk van Microsoft, Energy Web en FlexiDAO in Amsterdam, lijkt dat echter een kwestie van tijd omdat het uitvoerbaar wordt.

3. Verlagen van piekvermogen door achter de meter optimalisatie

Het flexibeler inzetten van je asset betekent ook dat je de piekmomenten uit je afname naar beneden kan brengen. Dat heeft als resultaat dat je minder transportvermogen hoeft af te nemen bij de netbeheerder. Dat bespaart kosten en levert ruimte op het net op voor andere bedrijvigheid. Op verschillende plekken laten gebruikers zien dat dit kan, soms groepen bewoners maar ook steeds vaker bedrijventerreinen.

Het bedrijf Spectral, bekend van het eerste Nederlandse blockchain project genaamd Jouliette, heeft in meerdere projecten aangetoond dat de piek van de transportcapaciteit flink naar beneden gebracht kan worden door flexibiliteit in te zetten. Hoewel er op dit moment geen gebruik gemaakt wordt van blockchain, door de complexiteit en het bestaande vertrouwen in de gemeenschappen waar ze meer werken, is het decentrale denken nog duidelijk zichtbaar in het project Schoonschip. Hierbij is aangetoond dat er 300% méér aansluitvermogen geïnstalleerd kan worden dan er contractueel bij de netbeheerder is vastgelegd. Dit concept wordt nu flink opgeschaald in andere projecten, bijvoorbeeld voor Schiphol Trade Park waar daarmee de limieten worden gemanaged. Ook DISTRO Energy, spinoff van DBC partners Havenbedrijf Rotterdam en Docklab, werkt aan gelijksoortige infrastructuur.

4. Kleinere aansluiting en decentralisatie

Op termijn, wanneer er meer bewijs komt uit de hiervoorgenoemde vorige case dat de transportkosten inderdaad naar beneden kunnen, kunnen datacenters ook bij de ontwikkeling van de infrastructuur al rekening gaan houden met kleinere aansluitingen. Dit zal naast de vaste kosten voor aansluiting, ook de investeringskosten naar beneden brengen, doordat de aansluiting minder complex is projecten makkelijker inpasbaar worden in het bestaande net en de wachttijden in theorie ook naar beneden kunnen. Uiteindelijk kan een datacenter dan ook sneller in operatie. Dit betekent meer ruimte op het net, ook voor concurrenten. Voor gezonde marktwerking en beschikbaarheid van het elektriciteitsnet is dat zeer belangrijk.

Maar er is nog een ander perspectief wat zulke kleinere aansluitingen brengen. Het wordt namelijk ook kansrijker om datacenters van significant formaat inpasbaar te maken in lokale stedelijke omgevingen. In de toekomst lijkt hier meer vraag naar te komen, omdat er meer en meer computaties lokaal uitgevoerd dienen te gaan worden door de inpassing van smart city technologieën in de buitenruimte. Zowel om data netwerken minder te belasten, robuuster te maken tegen aanvallen, maar ook vanuit privacy oogpunt. Een voorbeeld daarvan is het Living Lab Scheveningen van Gemeente Den Haag, dat eigen edge computing faciliteiten gebouwd heeft waar algoritmes van use cases lokaal kunnen draaien, om zo te voorkomen dat privacy-gevoelige informatie opgeslagen hoeft te worden in de cloud.

Er is nog weinig geschreven over de flexibiliteit in termen van verschuifbaar energiegebruik van decentrale datacenters voor smart-city toepassingen. Omdat de real-time data van sensoren vaker direct verwerkt moet worden lijkt de business case vooral in de koeling mechanismen te zitten en het gebruik van restwarmte. Dit lijkt dan ook een belangrijk nieuw onderzoeksveld voor de komende jaren. Het is duidelijk dat ook decentrale datacenters gebruik kunnen maken van platformen zoals aangeboden door FlexiDAO, Equigy en DISTRO Energy waarbij blockchain technologie een essentiële rol speelt.

Conclusie
We bewegen toe naar een energiesysteem waarin de fluctuaties in aanbod ons dwingen om de vraag te laten meebewegen. De digitale infrastructuur kan hierin een rol spelen dankzij de flexibele natuur van de workload en lijkt daarmee nieuwe businessmodellen te kunnen aanboren. De kansen liggen in slimmere markt-matching, optimalisering strategieën op duurzaamheid, lagere transportkosten én kleinere decentrale aansluitingen waardoor er in theorie nieuwe inkomsten of kostenbesparingen gerealiseerd kunnen worden. In de kern van oplossingen zijn veel organisaties actief met blockchain technologie, echter altijd in synergie met algoritmen en Internet of Things toepassingen. Het doel is flexibel, de methode is decentraal, de technologie is een lappendeken met heel veel disciplines in elkaar verweven voor een nieuwe flexibele governance rondom de energiemarkt.