Visiona tietoliikenteen nollaenergia

Voisivatko tietoliikenteessä käytettävät tekniset ratkaisut kehittyä niin, että meillä olisi joskus käytössä 0-energiatietoliikenne? Asiakaspäällikkö Tapio Rauma käy käsiksi kysymykseen.

Tapio Rauma VTT

Sähköisen tietoliikenteen historia on pitkä, mutta vielä riittää insinööreillä kehittämistä.

Ensimmäisistä lennättimen versioista kului kymmeniä vuosia ensimmäiseen puhelinkeskusteluun, jossa puhelimen keksijä Graham Bell lausui kuuluisat sanat ”Mister Watson, come here, I need you” apulaiselleen Thomas Watsonille.

Nyt näyttää siltä, että hädin tuskin ehditään ottaa käyttöön 4G, ennen kuin 5G jo työntyy katukuvaan. Vajaan kymmenen analogisen ja digitaalisen puhelinjärjestelmän kehityskulkuun on kulunut likimain sama aika kuin lennättimestä ensimmäiseen puheluun. Samaan aikaan tiedonsiirto on siirtynyt yhä enemmän langassa kulkevasta sähkömagneettisesta säteilystä langattomaksi ilmassa siirrettäväksi radioliikenteeksi.

Langaton tietoliikenne ei lopulta ole langatonta. Jopa taskussa kulkeva mobiililaite toimii vain rajoitetun ajan itsenäisesti, ja se täytyy lataamisen vuoksi kytkeä tunneiksi sähköverkkoon säännöllisin väliajoin. Se siitä langattomuudesta.

Tukiasema, johon mobiililaite ottaa radioteitse yhteyttä, toimii myös sähköllä eli on liitetty sähköverkkoon. Tukiasema saattaa jo nykyisin kommunikoida eteenpäin langattomasti, mutta ilman sähköjohtoa se ei toimi. Sähkön merkitys vain kasvaa, kun huomioidaan tukiasemia ja muita verkon komponentteja ohjaamaan tarvittavat järjestelmät.

Taustalla suuret energiamäärät

Tietoliikennejärjestelmien osuutta energiankulutuksessa ja hiilidioksidipäästöjen tuottajana on arvioitu monin tavoin. Yleensä tietoliikenne on tehdyissä arvioissa yhdistetty ICT-järjestelmien kokonaisuuteen, johon se luontevasti liittyykin. ICT-laitteiden hiilijalanjälki on vielä alle 5 % kokonaisuudesta, mutta sen osuus kasvaa koko ajan. Yleisesti uskotaan, että jatkossakin kulutus kaksinkertaistuu noin viiden vuoden sykleissä.

Tällä hetkellä Euroopassa toimivien tietoliikenneverkko-operaattoreiden sähkölasku on noin 20 % kulubudjetista (OPEX). Suomalaisten operaattoreiden vuotuinen kulutus on yli 0,5TWh, mikä vastaa Kemijoen suurimman vesivoimalaitoksen vuosituotantoa ja Loviisassa käytettävän ydinreaktorityypin noin 1,5 kuukauden tuotantoa.

Sitä saa mitä tilaa

Tietoliikenteen vaatimaa energiankulutusta ei oikeasti ole vielä optimoitu. Voimavarat on käytetty tavoiteltujen suurten tiedonsiirtokapasiteettien aikaansaamiseen, ja sen eteen on luonnollisesti tehty kaikki voitava.

Tavoitteiden saavuttamiseksi on tarvittu tehokkaampia moniydinprosessoreilla varustettuja laskentakomponentteja, ja ne on vieläpä sijoitettu yhä pienempiin koteloihin. Seurauksena on suurempi energiankulutus ja lämpenemisongelmien vuoksi suurempia sähköä kuluttavia jäähdytystarpeita. Lisäksi aiempaa korkeampien taajuuksien käyttöönotto edellyttää tiheämpää tukiasemaverkkoa, jolloin sähköä kuluttavien tukiasemien määrä kasvaa.

Mistä apua vaivaan?

Kymmeniä vuosia sitten rakennusteollisuudessa oli tilanne, jossa aikansa teknologialla hyvin rakennettu omakotitalo kulutti nykymittapuun mukaan huomattavasti energiaa lämmitykseen. Materiaaleja parantamalla, säätelyn kautta puuttumalla ja ennen kaikkea ihmisten energiatietoisuuden kasvamisen seurauksena nykyisin voidaan normaalikeinoin rakentaa hyvin vähän energiaa kuluttava rakennus. Jos asiaan panostetaan vielä enemmän, saattaa rakennus jopa tuottaa energiaa. Kyseessä on tuolloin +-energiarakennus.

Rakennusten muuttuminen +-energisiksi on tapahtunut useiden teknisten parannusten ja apuvälineiden myötä. Sellaisia ovat esimerkiksi ikkunoiden kehittyminen, eristyksien laadullinen ja määrällinen lisääminen, lämmitysteknologioiden hyötysuhteen parantaminen, lämpöpumpputeknologian käyttöönotto ja lisäksi erilaisten talokohtaisten uusien energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, hyödyntäminen.

Mutta voisivatko tietoliikenteessä käytettävät tekniset ratkaisut kehittyä niin, että meillä olisi joskus käytössä 0-energiatietoliikenne? Vastaus on tietysti kyllä. Esimerkiksi laitteiden energiankulutusta voidaan pienentää nykyistä vähemmän energiaa kuluttavalla elektroniikalla. Kehittynyt akkuteknologia yhdessä energian harvestoinnin (aurinko, tuuli, värähtelyt, jne.) auttaa kohti sähkölangatonta tietoliikennettä. Laitteissa käytettäviä ohjelmistoja ei ole optimoitu juurin lainkaan. Lisääntyneeseen jäähdytystarpeeseen on reagoitu rakentamalla aiempaa parempia jäähdyttimiä.

0-energiatietoliikenne täytyy käsittää tilanteeksi, jossa tietoliikennelaitteet toimivat energian näkökulmasta optimaalisesti ja kykenevät toimimaan huomattavan pitkiä aikoja ilman ulkoista energialähdettä. Termi energia-autonominen laite tulee yhä tutummaksi. Kehitystyötä on monella suunnalla jo nyt käynnissä.

J. F. Kennedyn kuuluisaa kuumatkaan liittyvää puhetta erittäin vapaasti lainaten: ”Emme me tutki tätä siksi, että se on helppoa. Me tutkimme tätä siksi, kun se on erittäin vaikeaa. Tämä on niin suuri haaste, että se kelpaa meille.”

Tapio Rauma, asiakaspäällikkö
Twitter: @TapioRauma

Vision – zero energy telecommunications

Could the technical solutions used in telecommunications be developed to the point where ‘zero energy’ is achieved? Here’s Key Account Manager Tapio Rauma’s answer. Tapio Rauma VTT

Much room for technical development remains, despite the long history of electric communications.

Decades elapsed between the first version of the telegraph and the first phone call, in which the inventor of the telephone, Graham Bell, uttered the famous words, “Mister Watson, come here, I need you,” to his assistant Thomas Watson.

It now seems that 4G barely had time to settle in before 5G began hitting the streets. The development cycle of just under ten analogue and digital telephone systems has been completed in about the time that separated the telegraph from the first phone call. In the same period, the transmission of data has shifted continuously from cable-based, electromagnetic signals to wireless radio traffic.

Wireless communication is not ultimately wireless. Even pocket devices only work independently for a limited time; to be recharged, they need to be connected to the power grid for hours at a time, at regular intervals. So much for being wireless.

Base stations, which mobile devices connect to via radio signals, also depend on the power grid. While a base station can already communicate wirelessly, it cannot work without electricity cables. Given the need for base stations and other systems to control network components, electricity is becoming even more important.

Because of large energy needs

A range of evaluations have been performed of electricity consumption by, and carbon dioxide emissions from, telecommunications systems. Naturally, such assessments tend to link telecommunications to ICT systems as a whole. The carbon footprint of ICT devices remains under 5% of the total, but their share is growing continually. It is generally believed that power consumption will continue to double in cycles of around five years.

The electricity bill of European telecommunication network operators accounts for around 20% of their overall cost budget (OPEX). Finnish operators use over 0.5 TWh per year, which is equal to the annual production of Kemijoki’s largest hydropower plant and around 1.5 months of production by the type of nuclear reactor used in Loviisa.

You get what you order

The energy consumption of telecommunications has not yet been properly optimised. Resources have been allocated to achieve huge data transmission capacity; naturally, every effort has been made to succeed in this, which has required faster computing components, equipped with multi-core processors, in smaller and smaller casings. This has resulted in greater power consumption and greater, electricity-guzzling cooling needs due to problems with overheating. In addition, the move to higher frequencies requires a denser base-station network, increasing the number of electricity-consuming base stations.

What’s the solution?

Ten years ago, the construction industry had reached the point where a detached house, well constructed based on the technology of its time, was gorging on heating energy by current standards. It is now possible to build very low-energy buildings using conventional methods, due to improvements in building materials, regulations and, above all, greater public awareness of energy issues. With more investment in the issue, buildings can even produce energy. This means plus-energy construction.

The advent of plus-energy buildings has been made possible by a number of technical improvements and tools. These include the development of windows, qualitative and quantitative improvements in insulation, more-efficient heating technologies like the introduction of heat pump technology, and a range of new energy sources – such as solar and wind power – integrated into buildings.

But could the technical solutions used in telecommunications be developed to the point where ‘zero energy’ is achieved? The answer is, of course, yes. For example, the power consumption of devices could be reduced using electronics that consume less energy than now. Together with energy harvesting (solar, wind and vibrations etc.) and fuel cells, advanced battery technology is moving us into the age of telecommunications without power cables. The software used in devices has not been optimised at all. Additionally, rising cooling needs have led to the construction of better coolers instead of more efficient hardware and software.

Zero energy telecommunications should be viewed as a situation in which telecommunications devices function optimally in terms of energy consumption, and for long stretches without external energy sources. The term ‘energy autonomous device’ will become more and more familiar. Development is now happening on several fronts.

To quote very freely from J.F.Kennedy’s famous speech on the lunar missions: “We choose to study this not because it is easy, but because it is very hard. This is a challenge big enough for us to get our teeth into.”

Tapio Rauma, Key Account Manager
Twitter: @TapioRauma