關于數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)碳中和的路徑探討

王蘭

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(xù)發(fā)展"成為世界各國社會經濟發(fā)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(lián)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(xiàn)“碳中和"。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；碳中和；實現(xiàn)路徑

1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心發(fā)展模式不可持續(xù)

近年來在“新經濟"強勁拉動下，我國IDC業(yè)務收入實現(xiàn)了連續(xù)高速增長，2020年全年規(guī)模達2238.7億元，同比增長43.3%。與數(shù)據(jù)中心產業(yè)規(guī)模擴張相對應的是,在過去10年，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超10%的速度高速遞增。2018年，全國數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心已經成為耗能大戶。

數(shù)據(jù)中心不僅能耗總量大，而且能耗水平高。根據(jù)中國互聯(lián)網數(shù)據(jù)中心發(fā)布的數(shù)據(jù)：2019年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模達到1561億元，同年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量竟然高達1763億千瓦•時，整個數(shù)據(jù)中心產業(yè)的平均能耗水平竟然高達11294千瓦_時/萬元營業(yè)收入，折合3.614噸標準煤/萬元營業(yè)收入（按320克標準煤/千瓦•時折算）。2019年我國鋼鐵業(yè)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(tǒng)計口徑、數(shù)據(jù)來源等方面可能存在一定偏差，但是數(shù)據(jù)中心產業(yè)高耗能特點是毋庸置疑的，如圖1所示。

根據(jù)國際化標準組織ISO發(fā)布的ISO14064標準，企業(yè)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(yè)價值鏈的碳排放。數(shù)據(jù)中心90%以上的碳排放屬于范圍二。由于當前中國的發(fā)電量結構中占70%以上仍為燃煤發(fā)電，發(fā)電同時伴隨著大量的溫室氣體及其它污染物排放，因此數(shù)據(jù)中心既是高耗能產業(yè)，也是高排放產業(yè)。

在全國實施“雙碳"戰(zhàn)略的宏觀背景下，如果仍沿襲傳統(tǒng)的發(fā)展模式，繼續(xù)大量消耗化石能源，維持高能耗、高排放水平，數(shù)據(jù)中心的發(fā)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(tài)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(shù)據(jù)中心。由于電費約占數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心帶來新的不確定性。

2 “碳中和"數(shù)據(jù)中心 一數(shù)據(jù)中心的終模式

近年來，出臺了一系列推動綠色數(shù)據(jù)中心建設的政策。然而，在現(xiàn)行的綠色數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)中心不可能實現(xiàn)真正的綠色，當下的綠色數(shù)據(jù)中心與“雙碳"目標要求之間存在著差距，無法適應信息產業(yè)實現(xiàn)“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(shù)據(jù)中心的終發(fā)展模式。

“碳中和"數(shù)據(jù)中心要求在滿足數(shù)據(jù)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(jié)能環(huán)保技術，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(xiàn)數(shù)據(jù)中心碳抵消,確保數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)溫室效應氣體真正的“*"。

“碳中和"數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心公約》明確要求：到2025年，歐洲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心發(fā)展條件趨于成熟

研究世界能源產業(yè)發(fā)展的規(guī)律會發(fā)現(xiàn)：由于煤炭等化石資源開采條件不斷劣化以及火電環(huán)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(guī)模經濟等因素，長期來看光伏發(fā)電、風力發(fā)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(fā)展的可再生能源產業(yè)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(chuàng)紀錄的低價，比的“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(fā)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(lián)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(guī)模經濟等因素，光伏發(fā)電、風力發(fā)電成本仍然有進一步下降的空間。根據(jù) “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(fā)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(shù)據(jù)中心,卻意味著巨大的發(fā)展機會。

在清潔能源產業(yè)大發(fā)展的背景下，從經濟角度來看，隨著可再生電力比較火力發(fā)電越來越具有成本競爭力，“碳中和"數(shù)據(jù)中心發(fā)展的基礎條件也將日益成熟。

4 “碳中和"數(shù)據(jù)中心特征

“碳中和"數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)中心業(yè)務要求的完整供電體系。

“碳中和"數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)碳柢消。

“碳中和"數(shù)據(jù)中心是建立在集成應用各種低碳技術創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新基礎上的?！疤贾泻?數(shù)據(jù)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(fā)電系統(tǒng)，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(shù)據(jù)中心要求大限度使用各類冷能資源，以大限度提高能源利用效率，因此數(shù)據(jù)中心建設要遵從系統(tǒng)思考、長期規(guī)劃、因地制宜、深入挖潛的原則。

5 “碳中和"數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)路徑

“碳中和"數(shù)據(jù)中心概念圖如圖2所示，建設 “碳中和"數(shù)據(jù)中心是一個系統(tǒng)工程，要求在環(huán)境側、用電側、供電側等各個環(huán)節(jié)貫徹“碳中和"思想。

5.1 環(huán)境側

環(huán)境是影響數(shù)據(jù)中心能耗的重要因素，數(shù)據(jù)中心能耗中相當一部分是設備冷卻能耗。因此通過優(yōu)化選址，充分利用各類冷能資源提高數(shù)據(jù)中心能效，尤為重要。所謂優(yōu)化選址，就是應選擇氣候條件適宜、綠電供應充足的地區(qū)建設數(shù)據(jù)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(guī)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?guī)砹司薮蟮睦淠苜Y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(shù)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*放空，不僅無法創(chuàng)造價值，而且影響了海洋生態(tài)。

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(fā)達的大中城市周邊，這些城市對于數(shù)據(jù)中心有著巨大的需求，如果能充分挖掘區(qū)域內LNG冷能資源，一定能為數(shù)據(jù)中心產業(yè)發(fā)展創(chuàng)造新的模式。

5.2 供電側

實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心“碳中和"是一項系統(tǒng)工程，數(shù)據(jù)中心供電側如何大限度開發(fā)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(fā)電和風力發(fā)電兩種形式，電力自發(fā)自用。這種供電方式為便捷，但是受限于場地等因素 ，一般難以解決數(shù)據(jù)中心供能問題。

二是通過電力交易市場購入綠電。數(shù)據(jù)中心耗電量巨大，因此多數(shù)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(fā)電、風電 、水電等“零碳綠電"，可以確保數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)對于保證數(shù)據(jù)中心用電的安全性和連續(xù)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(fā)靈活電源機組。在各種突發(fā)事件下,需要合理配置發(fā)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(fā)靈活電源更是*。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，*可以滿足數(shù)據(jù)中心災備要求。

上述供能方式僅在此情形下，備發(fā)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(shù)據(jù)中心*可以實現(xiàn)“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(huán)保技術降低用電側能耗?？傮w技術發(fā)展方向應是：提高設備能效，適應清潔可再生電力供電特點，大限度利用冷能資源。

6安科瑞為數(shù)據(jù)中心提供的c解決方案

6.1 精密配電管理解決方案

AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，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(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

6.1.1交流系統(tǒng)

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(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)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(tǒng)

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(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)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(guī)格

說明：■為標配功能。

配套附件

6.2 AMB智能小母線管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)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(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

1）交流系統(tǒng)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(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)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(tài)、電壓/電流諧波含量、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、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(tài)、開關跳閘；    

2）直流系統(tǒng)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(tài)、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(tài)、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(shù)據(jù)中心發(fā)展模式，才是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的模式，才能使數(shù)據(jù)中心產業(yè)發(fā)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(shù)據(jù)中心發(fā)展的經濟可行性將曰益完備。再次，“碳中和"數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)中心商業(yè)模式創(chuàng)新。后，“碳中和"數(shù)據(jù)中心的發(fā)展迫切需要國家政策的支持，應當以綠電使用比重，而非PUE值作為數(shù)據(jù)中心評價標準。

參考文獻：

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【3】鄭卓文,葉青,任忠惠.一種IDC機房資源管理系統(tǒng)設計方案[J].信息通信 ,2017,180(12):210-211.

【4】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版