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    關于數據中心實現碳中和的路徑探討
    發布時間:2022-04-14   點擊次數:157次
    周舒淇
    安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
     
    摘 要:在控制溫室氣體排放、積極應對氣候變化已經成為全球共識的當下,“綠色、低碳和可持續發展"成為世界各國社會經濟發展的共同目標。目前全球已有127個國家作出“碳中和"承諾。我國于2020年9月22日在聯合國大會上提出,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭2060年前實現“碳中和"。 
     
    關鍵詞:數據中心;碳中和;實現路徑
     
    1 傳統的數據中心發展模式不可持續
          近年來在“新經濟"強勁拉動下,我國IDC業務收入實現了連續高速增長,2020年全年規模達2238.7億元,同比增長43.3%。與數據中心產業規模擴張相對應的是,在過去10年,我國數據中心整體用電量以每年超10%的速度高速遞增。2018年,全國數據中心總耗電量1500億干瓦•時,達到了社會總用電量的2.19%。預計到2025年,占比將增加一倍,達到4.05%,數據中心已經成為耗能大戶。
          數據中心不僅能耗總量大,而且能耗水平高。根據中國互聯網數據中心發布的數據:2019年我國數據中心市場規模達到1561億元,同年我國數據中心總耗電量竟然高達1763億千瓦•時,整個數據中心產業的平均能耗水平竟然高達11294千瓦_時/萬元營業收入,折合3.614噸標準煤/萬元營業收入(按320克標準煤/千瓦•時折算)。2019年我國鋼鐵業翹楚一寶武集團萬元產值綜合能耗僅為1.4噸標準煤/萬元,盡管在統計口徑、數據來源等方面可能存在一定偏差,但是數據中心產業高耗能特點是毋庸置疑的,如圖1所示。
          根據國際化標準組織ISO發布的ISO14064標準,企業溫室氣體的排放可以劃分為3個范圍:一是自身產生的碳排放,二是通過消耗電力能源產生的碳排放,三是產業價值鏈的碳排放。數據中心90%以上的碳排放屬于范圍二。由于當前中國的發電量結構中占70%以上仍為燃煤發電,發電同時伴隨著大量的溫室氣體及其它污染物排放,因此數據中心既是高耗能產業,也是高排放產業。
          在全國實施“雙碳"戰略的宏觀背景下,如果仍沿襲傳統的發展模式,繼續大量消耗化石能源,維持高能耗、高排放水平,數據中心的發展終將不被社會接受,出路必然是越走越窄。
          近期,一個新動態值得高度關注。我國全國性碳交易市場自今年7月16曰正式開市以來,碳交易價格一路走高,8月4曰漲停于58.70元/噸。但比較歐洲碳市場當前碳價55.05歐元/噸,國內碳價可謂“小荷才露尖尖角",未來還應有巨大的上漲空間。不過飆漲的碳價終將轉嫁到火電的下游廠商,這其中當然包括耗能大戶——數據中心。由于電費約占數據中心成本結構的50%?60% , 碳價上漲又會推動火電價格上漲,將給依賴化石能源供能的數據中心帶來新的不確定性。
     
    2 “碳中和"數據中心 一數據中心的模式
          近年來,政府出臺了一系列推動綠色數據中心建設的政策。然而,在現行的綠色數據中心評價標準中,盡管也有PUE值等評價指標,但在以火電為主的傳統電力結構下,即使PUE指標值再低,也要消耗大量火電??梢娺@樣的綠色數據中心不可能實現真正的綠色,當下的綠色數據中心與“雙碳"目標要求之間存在著差距,無法適應信息產業實現“雙碳“目標的新形勢和新要求。
          出路何在?只有走“碳中和"道路,才是數據中心的發展模式。
    “碳中和"數據中心要求在滿足數據中心安全標準的同時,充分利用電力市場交易、清潔能源技術、節能環保技術,最大限度利用清潔可再生能源和各類冷能資源,并在必要時通過碳交易手段,實現數據中心碳抵消,確保數據中心實現溫室效應氣體真正的“零排放"。
          “碳中和"數據中心總體上是以清潔可再生電力為能源基礎的?!稓W洲氣候中立數據中心公約》明確要求:到2025年,歐洲數據中心使用可再生能源電力要達到75%,到2030年達到100% 。
     
    3 “碳中和"數據中心發展條件趨于成熟
          研究世界能源產業發展的規律會發現:由于煤炭等化石資源開采條件不斷劣化以及火電環境成本不斷上升,長期來看火電成本是不斷上漲的。而由于技術進步、規模經濟等因素,長期來看光伏發電、風力發電成本是不斷降低的,恰如美國經濟學家里夫金預言:基于可再生能源的長期生產邊際成本將趨于零。近年來,在歐洲迅速發展的可再生能源產業通過實踐驗證了這一點。2019年9月20日,英國6個海上風電場(總計5.5 GW )競標結果揭曉,報出創紀錄的低價,比政府的“參考價格"低8-9英鎊/兆瓦•時。按照英國的電力市場機制和市場趨勢,這些風電項目不但不會收取任何政府補貼,反而會向消費者回饋近6億英鎊。
          今年以來,我國光伏發電、風電新建項目已經被要求平價上網。近期,國投甘肅新能源與三一重能聯手打造的國投瓜州北大橋第七風電項目有望將度電成本下降到0.1元/千瓦•時。未來隨著技術進步、規模經濟等因素,光伏發電、風力發電成本仍然有進一步下降的空間。根據 “碳達峰"要求,到2030年我國光伏、風電總裝機將達到12億干瓦,如何消納這些發電能力將是一個不小的課題,但是對于以清潔能源為基礎的“碳中和"數據中心,卻意味著巨大的發展機會。
          在清潔能源產業大發展的背景下,從經濟角度來看,隨著可再生電力比較火力發電越來越具有成本競爭力,“碳中和"數據中心發展的基礎條件也將日益成熟。
     
    4 “碳中和"數據中心特征
          “碳中和"數據中心是以清潔、綠色、可再生電力體系為基礎的,這不僅意味著要使用光伏、風電及水電等,還意味著要通過發展包括調峰靈活電源、儲能設施等在內的一系列機制,構建起能夠克服可再生電力先天存在的間歇性大、波動性大、保障性弱的缺點,滿足數據中心業務要求的完整供電體系。
          “碳中和"數據中心并不絕對排斥化石能源,在可再生電力不足時,允許使用化石能源,以保障數據中心電力供應。而使用化石能源產生的碳排放,則可以通過碳交易,實現碳柢消。
          “碳中和"數據中心是建立在集成應用各種低碳技術創新和商業模式創新基礎上的?!疤贾泻?數據中心既可以充分利用自身條件,自建分布式的清潔可再生發電系統,也可以充分利用電力交易市場購入清潔可再生電力(即綠電)。
          “碳中和"數據中心要求最大限度使用各類冷能資源,以最大限度提高能源利用效率,因此數據中心建設要遵從系統思考、長期規劃、因地制宜、深入挖潛的原則。
     
    5 “碳中和"數據中心實現路徑
          “碳中和"數據中心概念圖如圖2所示,建設 “碳中和"數據中心是一個系統工程,要求在環境側、用電側、供電側等各個環節貫徹“碳中和"思想。
    5.1 環境側
          環境是影響數據中心能耗的重要因素,數據中心能耗中相當一部分是設備冷卻能耗。因此通過優化選址,充分利用各類冷能資源提高數據中心能效,尤為重要。所謂優化選址,就是應選擇氣候條件適宜、綠電供應充足的地區建設數據中心。
          特別要強調的是,冷能資源利用也應拓寬思路。近年來,我國大量進口LNG以解決國內天然氣供應問題,由于國內天然氣市場需求旺盛,規模龐大,我國已成為世界上LNG進口大國之一。LNG進口不僅帶來寶貴的天然氣,而且帶來了巨大的冷能資源。以江蘇省如東縣洋口港為例,該港口每年進口約1000萬噸LNG ,這些LNG汽化時大量吸熱,造成港口周邊數平方干米海域平均溫度比周邊海域水溫低了4°C左右。這些冷能完全放空,不僅無法創造價值,而且影響了海洋生態。
          目前沿我國海岸線從南到北,密集的LNG進口終端已經構成一條連綿的點線。其中相當一部分分布于東南沿海發達的大中城市周邊,這些城市對于數據中心有著巨大的需求,如果能充分挖掘區域內LNG冷能資源,一定能為數據中心產業發展創造新的模式。
    5.2 供電側
          實現數據中心“碳中和"是一項系統工程,數據中心供電側如何最大限度開發利用清潔可再生電力尤為關鍵,有以下四種供能方式可供選擇。
          一是自備清潔可再生電廠有光伏發電和風力發電兩種形式,電力自發自用。這種供電方式最為便捷,但是受限于場地等因素 ,一般難以完數據中心供能問題。
          二是通過電力交易市場購入綠電。數據中心耗電量巨大,因此多數場景下需要外部電力供應。如果能夠通過電力交易,購入光伏發電、風電 、水電等“零碳綠電",可以確保數據中心的“碳中和"特質。
          三是儲能供能。在大量使用可再生電力的背景下,儲能環節對于保證數據中心用電的安全性和連續性具有特別重要的作用??山M合使用電化學儲能、壓縮空氣儲能、制氫儲能等技術手段。
          四是備發靈活電源機組。在各種突發事件下,需要合理配置發電機組保障設備不間斷供電。在大量使用可再生電力的情況下,備發靈活電源更是不可或缺。從快速反應、調峰出力角度看,選用燃氣輪機+ 天然氣為備用靈活電源,完全可以滿足數據中心災備要求。
          上述供能方式僅在此情形下,備發機組運轉時會產生碳排放,需采取必要的碳抵消措施。因此,數據中心完全可以實現“零碳排放"。
    5.3 用電側
          用電側主要包括IT設備耗能、空調耗能、建筑本身能耗等,應當集成運用各種能源環保技術降低用電側能耗??傮w技術發展方向應是:提高設備能效,適應清潔可再生電力供電特點,最大限度利用冷能資源。
     
    6安科瑞為數據中心提供的能效監控解決方案
    6.1 精密配電管理解決方案
          AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。
    6.1.1交流系統
          1)功能要求:
          遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度;輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度;
          遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
          2)配置方案-示意圖
     
     
    配置方案 
    多功能儀表       PZ72L-E4
    電流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A
    6.1.2直流系統
          1) 功能要求
          遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;
          遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
          2)配置方案-示意圖
     
    配置方案
    多功能儀表          PZ72L-DE
     霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V
     開關電源            SBD-30  (48V)
     
     
     
    產品規格
            
    說明:■為標配功能。
     
    配套附件
     
    6.2 AMB智能小母線管理系統
          數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來,隨著數據中心建設的快速發展和更高需求,智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中,具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點,即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊,將數據上傳至動環監控中心。
          1)交流系統功能:
          遙測:三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度,系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率;
    6.2 AMB智能小母線管理系統
          遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;    
          2)直流系統功能:
          遙測:電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率;
          遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;                             
     
    產品介紹
           
     
    說明:■為標配功能。
     
    7結語
          首先,基于清潔可再生能源的“碳中和"數據中心發展模式,才是數據中心發展模式,才能使數據中心產業發展擺脫當前的被動局面。其次,隨著清潔可再生電力價格不斷下降,“碳中和"數據中心發展的經濟可行性將曰益完備。再次,“碳中和"數據中心的建設與運行,是建立在全新的能源技術體系之上的。需要系統集成清潔能源技術、制冷及冷能利用技術、儲能技術、靈活電源技術等,還需要充分利用電力交易、碳交易等手段以及數據中心商業模式創新。最后,“碳中和"數據中心的發展迫切需要國家政策的支持和,應當以綠電使用比重,而非PUE值作為數據中心評價標準。
     
    參考文獻: 
    【1】張詩雨,朱雨萌.“碳中和"數據中心的概念、特征與實現路徑
    【2】鄭佩洪.高速公路數據中心機房管理現狀與展望[J].公路交通科技 ( 應用技術版 ),2019,172(04):324-326.
    【3】鄭卓文,葉青,任忠惠.一種IDC機房資源管理系統設計方案[J].信息通信 ,2017,180(12):210-211.
    【4】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版
     


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