エネルギー効率化に向けた技術開発の現状――24時間365日つながり続ける通信インフラのためにHVDC

空調制御

創蓄エネ材料

通信インフラを支える電源・空調技術

NTTグループ事業における消費電力の多くを占める通信機械室・データセンタの省電力化は，地球環境問題の観点からも電力コスト削減の観点からも重要な課題の 1 つです．本稿では，安心・安全につながり続けるサステナブルインフラの実現に向けた，環境エネルギー委員会における電源・空調関連技術にかかわる議論と，最近のR&D取り組み事例を紹介します．

電源・空調の省電力化に向けた研究開発

渡辺 敏雄/矢島 寛也

松本 守彦/林橋本 英明/浦田 穣司俊宏

北林 博人
NTT環境エネルギー研究所

してきましたが，給電システム・空調・して，創エネ・蓄エネシステムを支えICT機器などのエネルギーマネジメン

る次代の材料技術の研究開発を推進しトの高度化による通信機械室・データています（図 1 ）．

NTTグループによるエネルギー効センタのさらなる省電力化を推進して

以下では，こうした研究開発の中か率化に関する技術開発のうち，本稿でいます．また通信サービスは，社会をら 3 つの取り組み事例を紹介します．

はNTT環境エネルギー研究所の電源支える基盤インフラとして，災害時をまず最初に，すでに商用段階にあるシステム，および空調システムを対象含めた持続的なサービスの提供が求めHVDC給電システムに関して，実運とした取り組みについて紹介します．

られます．
マルチソース給電制御技術，用環境下での実践的なトライアル実

NTT環境エネルギー研究所では，創エネルギー（創エネ）・蓄エネルギー証を行った結果を紹介します．そし

これまでにエネルギーロスの小さい（蓄エネ）システム（燃料電池，蓄電て次に，仮想化ソフトによるICT負荷

高 電 圧 直 流（HVDC: High Voltage池等）による電力の安定供給にも取り配置と空調の動作を最適化する技術

Direct Current）給電システムを開発組むとともに，中長期的な取り組みとな ど のDEMS（Data center Energy

太陽光発電

エネルギーマネジメントシステム

創エネシステム・分散電源導入・市販装置適用拡大

電力網
通信網
DEMS
・電力可視化技術
・空調気流適正化
・空調連係制御技術蓄エネシステム
・蓄エネ性能向上
・運転管理技術

燃料電池

図1

NTT技術ジャーナル 2014.1

創エネ材料
・CO2固定・再燃料化

通信機械室，データセンタ

マルチソース給電制御システム
・複数電源接続・制御
・需給制御アルゴリズム

14

弾込め

蓄電池

電源・空調分野の取り組み

弾込め

蓄エネ材料
・蓄電池の高エネ
ルギー密度化中長期的なエネルギーコスト削減などに向けた要素技術

HVDC給電・電力変換効率向上
・エネルキーロス低減

特 集Management System）分野の最近の整流装置

向けた新しい創蓄エネ材料の研究開発について紹介します．

分電盤

DC380 V

電力コスト削減，停電耐力の向上に⎫DC380 V対応⎬ ICT装置⎭

DC48 V

ラック

取り組み事例，そして最後に将来の⎫DC48 V対応
⎬ ICT装置⎭マイグレーション装置

DC380 V
AC200 V

DC380 V

DC380 V
DC380 V

HVDC給電システムの実運用に向けたトライアル
HVDC給電システムは開発が完了

DC380 V/DC48 V

蓄電池
AC100 Vし，現在商用段階にあります．DC380
Vに対応したICT装置も販売が開始されていますが，普及するまでの過渡期⎫AC100 V対応⎬ ICT装置⎭マイグレーション装置
DC380 V/AC100 V

においては，図 2 に示すように既設のDC48 VやAC100 VのICT装置へも給図2

電力変換装置を組み入れたHVDC給電システム構成電する必要があります．これに対しNTTグ ル ー プ で は，DC380 VをDC評価しました．これらさまざまな評価④ ICT−空調連係制御技術

48 VやAC100 Vに変換する電力変換装を実施し，システムを構築する際の留⑤ 給電連係制御技術

置（マイグレーション装置）を組み入意点を明確化して，実運用に向けたよ■温度・電力情報収集技術

れたHVDC給電システムの導入に向り良い給電システムとするための提言

け，2013年度は通信ビルの機械室でトを行いました．

通信機械室・データセンタの省電力化を進めるうえで，フロア内の温度分ライアルを行っています．このトライ今後，NTT環境エネルギー研究所

布や消費電力を把握する必要がありま

アルではマイグレーション装置を組みは，HVDC給電システムの普及を目す．温度や電力を把握するために，セ込んだ給電システム全体の性能・信頼指し，電力変換装置を高効率化するたンサを外付けする方法が一般的に用い性評価，設計・施工方法や保守・運用めの研究開発，事業導入に向けた技術

られていますが，計測点数に応じてセ方法の検討を行います．

支援に加え，ベンダとも協力しながらンサの物品費や施工費がかさむというNTT環境エネルギー研究所は，主DC380 Vに対応したICT装置のライ問題があります．に給電システム全体の性能・信頼性評ンアップ拡大に取り組んでいきます．

価を担っています．
性能評価としては，効率，電圧精度，およびノイズレベルなどを確認し，実運用に耐えられるこ通信機械室・データセンタの省電力化に向けた取り組み

一方で，ICT装置は，CPU温度や電圧，ファン回転数など装置の状態を監視する目的でさまざまなセンサを内蔵しています．この内蔵センサをうまとを実証しました．また，実運用では通信機械室・データセンタにおけるく活用できれば，センサコストを大幅電力の急峻な変動が予想されるため，電力消費は，ICT装置，空調機，電源に削減できる可能性があります．内蔵①商用電力の停電およびその復電時，装置の大きく 3 つに分類される，これセンサの活用に向け，複数メーカの市②装置起動による突入電流発生時，③らの機器全体を最適化していく必要が販サーバを対象として，吸気温度と消ICT装置消費電力の変動時，④ICT装あります．NTT環境エネルギー研究費電力についての実装状況を調査した置入力などの短絡時，の 4 つの状況に所では通信機械室・データセンタ全体結果，情報収集インタフェースと，収おけるICT装置の動作継続性の評価をの省電力化をねらいとし，エネルギー集したセンサデータの精度に関する課行いました．一方，信頼性評価の例と最適制御技術の研究開発に取り組んで題が明らかとなりました．

しては，個々の装置の故障率から給電います（図 3 ）．

情報収集インタフェースについてシステム全体の信頼度を算出し，マイ① 気流制御技術は，ほとんどのサーバにおいて，IPMIグレーション装置を組み込むことが，② 温度・電力情報収集技術（Intelligent Platform Management

システム全体の信頼性に及ぼす影響を③ 空調連係制御技術

Interface）を介して，吸気温度・消費NTT技術ジャーナル 2014.1

15

エネルギー効率化に向けた技術開発の現状――24時間365日つながり続ける通信インフラのために④ICT−空調連係制御

連係制御
クラウド基盤エネルギー最適制御
システム
温度，電力，トラフィックなど②温度・電力情報収集
ICT装置の内蔵センサを活用し,外付けセンサなしで，ICT装置の電力,温度等を計測

ICT装置と空調機の総消費電力を最小化するように，ICT装置の負荷配置と空調機設定を連係して制御負荷配置など

①気流制御

負荷移動

ディフューザ

空調機

ディフューザによりICT装置の吸排気方向を前後に整流して，冷却効果を向上
連係制御③空調連係制御

空調機⑤給電連係制御

設定温度など複数の空調機が最適なバランスで動作するよう制御して，マシン室全体の冷却効率を向台数制御
運転台数など図3

ICT負荷量に応じて整流装置の運転台数を最適に制御給電装置（HVDC）

データセンタ・通信機械室の省電力化に向けた取り組み（℃） ̶基準温度（外付けで測定） ̶吸気温度（内蔵センサで測定）
30

製品A

25

温度計測値

内蔵センサ
（吸気温度）

151030

製品B

25

基準温度測定点（サーバ吸気面）

内蔵センサ（メモリ温度）

2020
15100:00

吸気内蔵センサ（CPU温度）

6:00

9:00

12:00

吸気温度と基準温度の時系列グラフ

基準温度︵外付けで測定︶

吸気温度と基準温度

3:00（℃）
30282624

製品B

222018

製品A

1614121010121416182022242628（℃）
30

吸気温度（内蔵センサで測定）

吸気温度と基準温度のプロット

図4

ICT装置の内蔵センサを活用した温度・電力情報収集

機器の普及促進に取り組んでいます．

電力のセンサデータを収集可能であるや実装位置に差分があることも分かりことを確認しましたが，製品によってました．本調査結果を踏まえ，情報収センサデータの精度については，センサIDが異なることや，センサの数集インタフェースの標準化，および対応

図 4 に示すように，吸気面で測定した

16

NTT技術ジャーナル 2014.1

特 集能となってきています．

基準温度との差分があること，またそま，空調電力を最大40％削減できるこの差分が製品によって異なることを確こういった状況の下，NTT環境エ認しました．今後は，センサ精度要件

ネルギー研究所ではICT装置と空調機

なお，今後は実クラウド環境を想定の標準化を推進するとともに，センサを連係制御することで，消費電力の削した最適制御アルゴリズムの開発と実データを補正することによって，製品減を目指す，ICT−空調連係制御に取証実験を進める予定です．

差分を解消する技術の検討を進める予り組んでいます．各ICT装置の吸気温定です．

度が上限を逸脱しない条件で，ICT装■ICT−空調連係制御技術

置と空調機の総消費電力が最小となるとを確認しました．

創エネ・蓄エネシステムを支える
次代の材料技術

ICT装置と空調機はそれぞれ独立しように，ICT装置の負荷配置と空調設

最後に，私たちは創エネ・蓄エネのて運用されており，空調機はICT装置定を連係制御する手法，および連係制研究開発における中長期的な取り組みの吸気温度が上限を逸脱しないように御における最適化問題を効率良く解くとして，キーとなる材料や部品を生みマージンを持って運用されています．

手法を新たに開発しました．

出し，創エネ・蓄エネシステムを支え

ICT装置は，空調機の冷却のしやすさ

ICT−空調連係制御技術による空調る次世代の材料研究も行っています．などはあまり考慮されずに，処理効率電力削減実証の結果を図 5 に示しま■藻類による高効率CO2固定技術等の観点で運用されていることが多くす．ICT装置への負荷を均一に配置し，創エネ材料研究としては，中長期的あります．もし，空調機にとって冷却機器の吸気温度が上限を逸脱しないよなエネルギーコスト削減に向けて，持しやすい場所でICT負荷を動作させる

うに空調機を運用した場合を図 5（a）

続可能なグリーン電力により化石エネことができれば，空調効率の改善が可に，ICT装置の負荷配置を最適な配置

ルギー依存度（価格変動・CO2排出コ能となります．近年，仮想サーバのラに移動し，ICT装置と空調機を連係制ストリスクなど）を低減するために，イブマイグレーションのように，ICT御した場合の比較を図 5（b）に示しま

グリーン燃料とグリーン発電とCO2固負荷配置を動的かつ柔軟に変更できる

す．負荷を再配置することで，ICT装定・再燃料化からなるグリーンエネルようになり，このような制御が実現可置の吸気温度を適正範囲内に保ったまギー技術に注力しています．
ここでは，グリーン燃料にもつながるCO2固定・再燃料化を目指した藻類による高効率（a）連係制御前（b）ICT−空調連係制御

風量設 固定 定調
温機
度固定
空調機

空ラック
ICT装置最適化
ロジック

CO2固定技術を説明します．

ICT−空調 空調設定
空連係制御
調藻類（特に微細藻類）は，①陸生植機

タスク
配置

空調機

物に比べて増殖速度が極めて高い（倍加時間が数時間），②単位面積当りのCO2固定量が森林に比べて約10倍と高い，③脂質含有率が高く，食料と競合0.9 kW消費しない燃料資源として有効，という特1.5 kW消費

空調消費電力合計：32.1 kW

空調消費電力合計：18.4 kW（c）ICT装置吸気温度の頻度プロット

0．
4

ただし，効率的な培養条件を探索す

過冷却るにあたり，光合成活性と強い相関を連係制御前
0．
3

徴から，その利用が注目されています．

ICT−空調連係制御

頻持つ色素（クロロフィルなど）量は吸度光度法や高速液体クロマトグラフ

0．
2（HPLC: High Performance Liquid0．
1

Chromatography）法など前処理を必
0．
01620

図524
ICT装置吸気温度

ICT装置と空調機の連係制御

28（℃）

要とする高度分析が必要であり，評価が容易ではありませんでした．色素量は，CO2固定量評価に必要なパラメー
タである細胞濃度，および全有機炭素NTT技術ジャーナル 2014.117エネルギー効率化に向けた技術開発の現状――24時間365日つながり続ける通信インフラのために

電解液
負極値︐およびy = ‒3.7963x + 155.08
R2 = 0.9669

値

培養液

RG

リチウム
y = ‒4.4792x + 90.24
R2 = 0.9735

図7

空気極

O2Li2O2

リチウム空気電池構造（放電時）(mg/L)

0CO2e‒

リチウム
金属

検量線

160
R 140120
1008060
G 40200e‒

51015
クロロフィル濃度2025

色素量x mg/L

RGB情報を解析し，検量線から微細藻類の成長を推定ている電解液の揮発・漏洩防止，および酸素透過性向上を空気極の構造最適化も踏まえた材料探索によって進めていきます．

図6

実験装置構成と色素量の測定イメージ

今後の展開
濃 度（TOC: Total Organic Carbon）

ネルギー密度の高いリチウムイオン電ＮＴＴ研究所では，環境エネルギーとも相関があります．
そこで私たちは，池の一桁上のエネルギー密度を目指す委員会の議論を踏まえながら，通信イリアルタイムかつ非破壊で実施可能なリチウム空気電池技術について説明しンフラの電力コスト削減や停電耐力向

簡易測定法，デジタルカメラ画像のます．

上（電力の安定供給）に向けた電源・RGB値から藻類の色素量を定量化する技術に着手しました．

リチウム空気電池の構成は，正極（空気極），電解液，負極と大きく分類でその結果，デジタルカメラ画像のきます（図 7 ）．私たちは，それらのRGB値と藻類の色素（クロロフィル）

中でも，電気化学反応の中心となり電濃度の相関を一次関数で近似し，画像池性能を大きく左右する空気極の性能情報から濃度測定を可能とする技術を向上を目指しています．空気極には，確立し，色素量と相関を持つ細胞濃度，リチウムイオンと空気中の酸素との反およびTOCの推定を可能としました

応場，電解液の揮発・漏洩防止，酸素（図 6 ）．これにより，低コストな市販透過といった機能が必要です．反応場のデジタルカメラ等を用いて，リアルとしての機能の向上については，新たタイムかつ非破壊で藻類の培養速度とに酸化ルテニウム触媒を空気極に担持その状態を把握でき，培養条件の探索させ，ジメチルスルホキシド系電解液を加速できると考えています．今後はと組み合わせ，充放電容量の拡大（1000本技術を活用して，高効率なCO2固定mAh/g 〜）および充放電エネルギーとなる培養条件を探索します．

効率の向上（80％〜）等の充放電特性■リチウム空気電池技術を向上させました．

蓄エネ材料研究においては，中長期二次電池の性能は，大きく分けて充的な停電耐力の向上，太陽光・風力発放電容量・充放電エネルギー効率と充電といった自然エネルギー（再生可能放電サイクル数で評価されます．これエネルギー）の利用率の向上を目指しまでの研究では，上記のとおり，充放て，高エネルギー密度蓄電池技術に注電容量・充放電エネルギー効率の性能力しています．

を向上させてきました．今後は，充放中でも，既存電池としてもっともエ18

NTT技術ジャーナル 2014.1

電サイクル数の向上につながると考え空調関連の技術開発を，これからも積極的に推進していきます．

（後列左から）渡辺 敏雄/ 松本 守彦/
浦田 穣司/ 北林 博人（右上）（前列左から）矢島 寛也/ 林俊宏/

橋本 英明
給電技術，エネルギーマネジメント技術から次代の創蓄エネ材料技術まで幅広い
R & Dの取り組みを通じて，地球環境保護，電力コスト削減に向けた通信機械室・データセンタの省電力化を推進します．

◆問い合わせ先
NTT環境エネルギー研究所
TEL 0422-59-4221
FAX 0422-59-5682
E-mail watanabe.toshio lab.ntt.co.jp