Dnešní zápisek bude vybočovat ze zaběhlého standardu. Mám teď spoustu práce a blog nemá takovou prioritu, což vede k nedostatku článků k publikování. Nechce se mi dávat další historický, a tak jsem vytáhl jednu ne moc starou školní práci (ve zkrácené verzi), která byla nutná k zápočtu z předmětu Ekologie. Bude se proto lišit styl psaní. Považuju ji však za zajímavou a tematicky vhodnou pro tento blog.

Úvod

Spotřeba elektronických spotřebičů je v posledních letech hojně diskutované téma i mezi laickou veřejností. Někdy slouží jako strašák při prosazování různých opatření, jindy ji výrobci sami využívají jako marketingem značně podpořenou konkurenční výhodu (viz móda někdy sporných EKO režimů myček, praček a dalších domácích spotřebičů).

Rozbor různých navrhovaných a schválených opatření o ochraně životního prostředí dotýkajících se spotřeby různých elektronických zařízení by vydal na samostatnou práci. To samé lze říci o přístupu zejména marketingových oddělení některých společností. Do těchto témat bych se proto nerad pouštěl.

V práci si nekladu za cíl nic víc než seznámit s určitými platnými nařízeními a doporučeními a konfrontovat tato průřezově s reálným vývojem spotřeby mobilní výpočetní techniky během posledních 20 let na základě vlastních měření.

Těma jsem si zvolil z jednoduchého důvodu. V dnešní přetechnizované době je výpočetní technika všudypřítomná ve firmách i domácnostech a často v hojném množství. Během let se počítače dostaly naprosto všude a jejich počty se znásobily. Většina těchto počítačů (a jejich podpůrného vybavení) je neustále připojena k elektrickým zásuvkám a spotřebovává energii i v době, kdy není potřeba (dle TCO Development jsou údajně až dvě třetiny počítačů zapnuté 24 hodin denně). Pokud se uvažuje nad touto spotřebou v souvislosti s počtem instalované výpočetní techniky, je jasné, že jde o nezanedbatelná čísla a prostor pro možné úspory energie.

Práce se věnuje především notebookům kvůli jejímu omezenému rozsahu a také kvůli trendu nasazování přenosných počítačů hojně ve firmách a domácnostem i tam, kde se není mobilita potřeba. V ČR jsou již několik let notebooky nejpoužívanějším typem osobního počítače a výrobci se s každou generací chlubí větší úsporností celého zařízení. Není na škodu tato prohlášení konfrontovat s realitou.

Zákon o hospodaření energií

V roce 2000 byl v České republice přijat zákon 406/2000 Sb. zpracovávající příslušné předpisy evropských společenství, který se (mimo jiné) přímo věnuje problematice spotřeby elektrických spotřebičů. Tento zákon zavádí důležitý prvek – tzv. energetický štítek.

U vybraných spotřebičů je výrobce povinen dle tohoto zákona dodávat štítek sdělující základní údaje o elektrické spotřebě, účinnosti a hlučnosti spotřebiče. Pro jednotlivé typy spotřebičů jsou definovány určité třídy a od jisté doby se spotřebiče nižších tříd některých kategorií nesmí prodávat.

Během let prošel zákon řadou změn, ale povinnost energetických štítků pro výpočetní techniku ani v současné době neplatí. Zákon se v tuto chvíli zaměřuje na energetický náročnější spotřebiče, jako jsou myčky, sušičky, chladničky, klimatizační jednotky a podobné.

Ministerstvo životního prostředí zvažuje rozšířit tuto množinu i o výpočetní techniku, monitory a televizory. Zatím však nemají výrobci tohoto typu spotřebičů žádnou povinnost spotřebitele o spotřebě energie informovat, což může těm ekologicky smýšlejícím komplikovat orientaci na trhu.

Program Energy Star

V první polovině 90. let vznikl v USA program Energy Star pod vládou řízenou agenturou EPA (Enviromental Protection Agency). Tento program vytvořil jednoduché zásady týkající se úspornosti a efektivity komponent výpočetní techniky na dobrovolné bázi. Na základě měření může dostat výrobce certifikaci pro svůj produkt a následně jej může označit logem Energy Star.

Do programu Energy Star se postupně zapojily také další země a společenství jako Austrálie, Kanada, Japonsko, Nový Zéland a Evropská unie. Konkrétně Evropská unie na základě dohody s USA v roce 2009 zavedla sjednocený způsob značení.

V současné době program Energy Star definuje různé typy počítačových zařízení a každý typ dělí do tříd značených písmeny (A, B, C, D). Třídy se liší výkonem a výbavou produktu. U notebooků a stolních počítačů rozhoduje například počet procesorových jader a přítomnost diskrétního grafického čipu (GPU). Jednoduchý notebook se základním procesorem a integrovanou grafikou spadá do třídy A, zatímco výkonný stroj s čtyřjádrovým procesorem, velkou obrazovkou, dvěma pevnými disky a diskrétním GPU již patří do třídy C.

Pro každý typ zařízení se dělí požadavky Energy Star do tří rovin:

1. Podporované šetřící funkce: V případě notebooků a počítačů jde například o možnost vypínat při nečinnosti pevné disky a zobrazovací jednotky a přecházet do úspornějších režimů.
2. Energetická účinnost napájecího zdroje: Požadavky se různí pro integrované a samostatné zdroje a zaměřují se na:
   1. Účinnost při různých úrovních zátěže: Sleduje se účinnost zdroje pro 25, 50, 75 a 100% jmenovitého výkonu. Například pro samostatný zdroj s výkonem 75 W a napětím 10 V musí být účinnost v zátěži nejméně 0,87.
   2. Spotřeba bez zátěže: Sleduje se spotřeba napájecího zdroje, pokud je připojený počítač vypnutý (No-Load Mode). V případě samostatných napájecích zdrojů (AC-DC) s výkonem nad 50 W musí být spotřeba menší než 0,5 W.
3. Typická spotřeba energie: Zahrnuje spotřebu celého zařízení a definuje požadavky na maximální spotřebu pro různé typy a v nich různé třídy. Pracuje se s typickou spotřebou energie (TEC) v kWh za rok, která zohledňuje časové rozložení dle stavu zařízení – pro počítače a notebooky jde o stavy vypnuto (zařízení je vypnuté), spánek (zařízení je uspané, např. do RAM) a klid (zařízení je zapnuté, ale neprovádí se na něm žádná činnost). V případě notebooku třídy A by neměla být hodnota TEC vyšší než 40 kWh, pro třídu C je však hraniční hodnota 88,5 kWh.

Program Energy Star byl ve velké míře přijat výrobci výpočetní techniky již v 90. letech (tehdy s mírnějšími požadavky) a charakteristické logo s hvězdou dnes můžeme vidět na krabicích produktů, v operačních systémech i přímo po zapnutí v prostředí BIOSu.

Evropská certifikace TCO

Zejména na LCD panelech můžeme vídat posledních 10 let běžně nálepky TCO. Jde o evropskou specialitu, která na šetrnost k životnímu prostředí nahlíží mnohem komplexněji než Energy Star a neřeší pouze spotřebu. Naopak nároky na spotřebu přebírá právě z Energy Star.

Program je řízen společností TCO Development ze Švédska. Projekt vznikl v roce 1992 čistě pro posuzování (CRT) monitorů z hlediska jejich elektromagnetického vyzařování, postupně se však rozšířil o různé prvky ergonomie dalších zařízení. Od roku 1999 se již týká také klávesnic, tiskáren a počítačů (stolních i přenosných).

Dnes jde o komplexní posouzení prvků ergonomie a zátěže pro životní prostředí. Řeší tedy u notebooků vlastnosti jako homogenita podsvícení, odlesky obrazovky, kontrast kláves. Kromě toho se zabývá také dobou, po kterou výrobce poskytuje náhradní díly, nebo použitými nebezpečnými látkami (dnes dle normy RoHS).

Poslední certifikace vztažená k notebookům a stolním počítačům je označována jako TCO 06 (dle roku přijetí). Relativně přísná kritéria v kombinaci s lokálním evropským významem bohužel vyústila v menší zájem výrobců (jen u obrazovek je situace s TCO opačná).

Měření spotřeby notebooků

Větší mediální pozornosti se tlaky na snížení spotřeby výpočetní techniky dočkaly kolem na přelomu tisíciletí a od této doby se veškeré normy a doporučení postupně zpřísňují. Rozhodl jsem se proto podívat, jak se měnila spotřeba notebooků během let v praxi. Vlastními silami jsem proto přeměřil dohromady 13 notebooků. Nejstarší je z roku 1989 a nejnovější sjel z výrobní linky letos.

Všechny počítače byly měřeny v normou předepsaných stavech: vypnutí, režimu spánku (uspání do RAM) a zapnutém stavu (nečinnosti). Měřil se výhradně odběr z elektrické sítě, na kterém se podepisuje jak vlastní spotřeba notebooku, tak i účinnost napájecího zdroje.

Specifikace všech notebooků jsou uvedeny v tabulce, která je přiložena na konci dokumentu.

Nulové hodnoty v grafu značí spotřebu menší než 0,8 W, což je minimální hodnota, kterou dokáže zaznamenat použité měřicí zařízení.

Vyhodnocení

Z výsledků je jasně vidět, že se spotřebou v klidovém stavu (zapnutého notebooku) se během let nijak výrazně nehnulo ani jedním směrem a to z mnoha důvodů. Jako první je potřeba vzít v úvahu, že taková pračka nebo myčka dělají stále stejnou činnost a jejich kvalitativní charakteristiky se příliš nevyvíjí, neboť v nich není vývoj potřeba. Z tohoto důvodu se výrobci zaměřují na další parametry, jako je právě spotřeba.

Notebooky jsou s každým rokem výkonnější, mají větší paměť a nabízí více možností. Podívejme se například na nejstarší měřený notebook (1989). Jde o stroj třídy XT s 9,5MHz procesorem Intel 80C86-2, 640 kB operační paměti, 20MB pevným diskem a nepodsvícenou LCD obrazovkou s rozlišením 640×200. Obdobné parametry ani ne o deset let později měla na trhu řada handheldů, které vydržely na dvě tužkové baterie klidně 40 hodin provozu (PSION Series 3 a 5).

Projevuje se zde spíše snaha držet krok s vývojem (a stolními počítači) při udržení rozumné spotřeby, a to nejen kvůli úspoře na fakturách za elektřinu, ale především kvůli možnosti provozu na baterie. Výdrž na baterie je (nebo aspoň dříve byl) důležitý parametr, ve kterém se výrobci snaží předhánět. Vyšší výdrž představuje konkurenční výhodu. Vlastní snaha nabídnout lepší produkt než konkurence je tak mnohem větším hnacím motorem než různé normy a doporučení.

Pokud se podíváte pozorněji na vývoj režimů spánku a spotřebu ve vypnutém stavu, můžete zjistit, že nezanedbatelnou roli při snižování spotřeby má právě napájecí zdroj. Tyto krabičky vypadají stále stejně a v mnoha případech se příliš neliší ani jejich velikost a hmotnost, přesto i ony prochází komplikovaným vývojem, který má za cíl nabídnout vyšší jmenovitý výkon a zvýšit účinnost. Účinnost byla největším problémem starších napájecích zdrojů, a to především při nízkých odběrech režimu spánku nebo vypnutí, kdy jen svítí indikační diody (v takovém případě dnešní zdroje odebírají do 200 mW). Stačilo by vyměnit napájecí zdroj a některé staré notebooky by se dostaly hluboko pod spotřebu novějších strojů. Pokrok v oblasti zdrojů se zdá být neoddiskutovatelný.

Za vše totiž mluví výdrž na baterie. Zatímco vybavené notebooky s roku 1995 (s mobilními procesory 486) potřebovaly k třem hodinám provozu přibližně 25Wh baterii. Pro mnohé notebooky stejné kategorie z roku 2006 (procesory Core Duo) byla na stejnou výdrž potřeba 50Wh baterie. Srovnání odběru ze sítě a z baterie bývá nejlepším způsobem, jak zjistit účinnost napájecího zdroje. Dnešní notebooky se zdroji z 90. let by měly v nečinnosti spotřebu téměř dvojnásobnou.

Šetřit, když to jde

Z výše uvedeného by se mohlo zdát, že výrobci počítačových komponent a zařízení na úsporné technologie kašlou, ale není tomu tak. Pokud by byly dnešní procesory vybaveny šetřícími technologiemi těch ze začátku 90. let, měly by samy o sobě spotřebu okolo 35 W, takže celý notebook by nejspíš v klidovém stavu odebíral z elektrické sítě „starým zdrojem“ okolo 50 W (takový notebook by s běžnou baterií vydržel do dvou hodin).

Aby se tomu předešlo, je procesor vybaven sadou úsporných funkcí od snižování vnitřního taktu, až po regulaci napájecího napětí za chodu a vypínání celých bloků čipu. Díky tomu při nečinnosti celý běžný dnešní notebook nespotřebuje víc než 12 W, přestože si v zátěži řekne klidně o 60 W. Proto také postupně s léty stoupají jmenovité výkony napájecích zdrojů (před 20 lety měl napájecí zdroj výkon okolo 30 W).

Spotřeba ovšem není jen o procesoru. Téměř polovina spotřeby při nečinnosti jde na vrub LCD panelu. Zde se v letech 2009 a 2010 plynule přešlo z CCFL podsvícení na LED, čímž se kromě spotřeby snížil také obsah nebezpečných látek v zařízení (zde především rtuť).

Byť se klidová spotřeba běžných notebooků v letech příliš neměnila, jeden zlom přece jen nastal. Týká se výkonných modelů. V posledních dvou letech se jejich klidová spotřeba značně přiblížila k těm běžnějším. Čtyřjádrové procesory již dnes nemají takovou spotřebu, LED podsvícení je úsporné i při větších úhlopříčkách a výkonné grafické karty je možné odpojit od napájení (a používat integrované jádro).

Výrobci komponent mají řadu šetřících technologií patentovanou. Právě tyto patenty hrají velkou roli v konkurenčním boji a stávají se předmětem různých soudních sporů.

Závěr

Než jsem začal psát tuto práci, neměl jsem jasný přehled, jak je nastavena legislativa a doprovodné programy. Nakonec se zdá, že z pohledu spotřeby není problém vyhovět požadavkům Energy Star libovolnému dnes prodávanému notebooku běžných značek. Na základě svých mnohaletých zkušeností redaktora si troufám říct, že při hledání úsporného notebooku již není nutné ani připlácet. Spotřebitel dnes v podstatě může vzít skoro cokoli v ceně nepřesahující 10 000,- Kč.

Měření ukázalo, že průměrný notebook dnes při nečinnosti (resp. méně náročné činnosti, jako je psaní textu) stejně úsporný jako ten před skoro 20 lety. Rozdíl je ovšem v napájecích zdrojích, které o řád snížily spotřebu v režimu spánku a při vypnutí. Takový pokrok jde na ruku uživatelům, kteří obvykle nemají potřebu odpojovat napájecí zdroj s notebookem ze zásuvky, například přes noc.

V porovnání s další počítačovou technikou vychází spotřeba notebooků velmi dobře. Běžné stolní počítače se pohybují mezi  70 a 90 W (opět bez zátěže). K notebooku by se dal lépe přirovnat například Wifi router, což je krabička prakticky v každé domácnosti. Takové routery s Wifi totiž mají spotřebu okolo 12 W a běží 24 hodin denně (úsporné gigabitové switche bez Wifi mají spotřebu 5 W). Možná také proto není pro notebooky co do spotřeby zavedena žádná přísná norma.

Daleko více se od roku 2006 řeší používání nebezpečných látek při výrobě. Všechna spotřební elektrická zařízení dnes musí splňovat normu RoHS (Restriction of the use of Hazardeous Substances), která omezuje například použití olova a rtuti. Lze předpokládat, že právě omezování škodlivých látek přímo v zařízení i ve výrobních procesech bude tím hlavním tlakem na zvyšování šetrnosti výrobků k životnímu prostředí.

Snižování spotřeby očekávám v budoucnu také. Ne však kvůli nařízením. Současné marketingové protěžování úsporného provozu hraje do karet platformě ARM. Podpora ARMu u nové verze majoritního operačního systému (Windows 8) zcela jistě způsobí odhalování ještě úspornějších produktů společnosti Intel v rámci zachování dominance na trhu s (přenosnými) osobními počítači.

Zdroje

[1]    Zákon o hospodaření energií 406/200 Sb. a příslušné změny : http://portal.gov.cz/wps/portal/_s.155/701/.cmd/ad/.c/313/.ce/10821/.p/8411?PC_8411_li=0&PC_8411_name=o%20hospoda%C5%99en%C3%AD%20s%20energi%C3%AD&PC_8411_ps=10&#10821

[2]    ENERGY STAR 5.0 qualified Notebook computers :
http://www.eu-energystar.org/en/database/?cmd=selectform;table=ce_notebook

[3]    Final Version 2.0 EPS (External Power Supplies) Specification : http://www.energystar.gov/index.cfm?c=archives.power_supplies

[4]    Rozhodnutí EK ke koordinaci programů označování energetické účinnosti kancelářských přístrojů sťítky :
http://www.eu-energystar.org/downloads/legislation/20090624/L161_16_20090624_cs.pdf

[5]    TCO Certified Notebooks 4.0 Criteria documents :
http://www.tcodevelopment.com/pls/nvp/Document.Show?CID=4146&MID=919