新能源在5G基站系統(tǒng)低碳賦能中的應(yīng)用展望

秦 宇，楊銘如，王偉云

（1.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，北京 100102；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 遼寧省分公司，遼寧 沈陽 110003；3.沈陽航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

2021年10 月，國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動方案》，方案中提出要提加強新型基礎(chǔ)設(shè)施能源結(jié)構(gòu)，采用直流供電、分布式儲能、新能源和儲能結(jié)合等模式，提高新能源的供給比重[1,2]。

5G基站為了支撐更高技術(shù)性能指標(biāo)，采用大帶寬、多天線等技術(shù)導(dǎo)致耗電顯著增加。例如，我國運營商要求 3.5 GHz 5G 基站的單載波帶寬為 100 ～ 200 MHz，而傳統(tǒng)4G基站單載波為20 MHz，增加了5～10倍。如何減碳降耗是運營商亟需解決的問題，當(dāng)前主要的降耗手段集中在用電側(cè)，設(shè)備廠商通過新工藝和新材料改進(jìn)產(chǎn)品基礎(chǔ)能耗，運營商通過設(shè)備負(fù)荷閑時開通關(guān)斷與休眠等軟件方式降低場景功耗。供電側(cè)仍主要來自傳統(tǒng)火力發(fā)電廠，新能源技術(shù)引入較少。根據(jù)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，5G基站的功耗仍然較高，是4G基站的3倍左右[3]。

將新能源引入5G基站供電側(cè)，一方面契合了國家的雙碳要求，另一方面也降低了運營過程的成本，具有重要意義。為深入探討新型能源在5G基站運維過程的低碳減排作用，本文將主要從5G基站供電角度闡述新能源在5G基站系統(tǒng)中的低碳賦能。

1 5G基站供電現(xiàn)狀

當(dāng)前，5G基站供電主要采用市電供電，集中/分布單元（Centralized Unit/Distributed Unit，CU/DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）多數(shù)都從電網(wǎng)取電，在電網(wǎng)電力供應(yīng)中斷時采用備用電池或汽/柴油發(fā)電機供電。

5G基站日常供電來自電網(wǎng)公司，我國多數(shù)地區(qū)的電網(wǎng)公司主要電力供應(yīng)仍以火力發(fā)電為主。火電廠作為燃煤大戶，CO2排放量相對較高，采用火力發(fā)電不會有效降低5G基站碳排放。另外在電網(wǎng)故障或檢修期間會停電，為保障基站運行，一般基站都采用了電池或油機提供臨時供電。如果采用油機發(fā)電，由于小型發(fā)電機發(fā)電效率不高，尾氣中含有較高含量的CO、氮氧化合物和含碳顆粒，會造成碳排放進(jìn)一步增加。

2 5G低碳供電技術(shù)展望

為了降低5G基站碳排放，可采用各種新技術(shù)降低基站本身的電力消耗，但由于5G基站高帶寬、高速率以及低延遲的技術(shù)特征，因此總體的電力消耗還是會大幅度增加，需要從供電側(cè)找到突破，采用綠色新能源供電，儲能調(diào)整電力峰谷，降低碳排放。

2.1 離網(wǎng)光伏和風(fēng)力供電

對于有較大占地面積的機房或者中西部偏遠(yuǎn)地區(qū)市電供電存在問題的機房，可以采用離網(wǎng)光伏發(fā)電的模式給5G基站供電[4]。

目前，5G基站多數(shù)的CU/DU單元為集中放置，一般在運營商的中小型局機房，機房樓頂面積較大，可以大面積鋪放太陽能電池板。在當(dāng)前化石能源價格上漲，光伏產(chǎn)業(yè)日趨成熟的背景下，光伏發(fā)電的單位成本低于電網(wǎng)價格，不但實現(xiàn)了環(huán)保，還降低了5G基站電費支出。并且5G基站的單元都是直流供電，相對交流光伏系統(tǒng)規(guī)避掉了交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）逆變設(shè)備和能耗損失。光伏功率輸出直用系統(tǒng)對比優(yōu)勢如圖1所示，轉(zhuǎn)換效率顯然會明顯提高。

圖1 光伏功率輸出直用系統(tǒng)對比優(yōu)勢

另外，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、森林、高原以及荒漠等區(qū)域，部分基站無法市電供電或經(jīng)常性停電，也可以采用小型離網(wǎng)光伏及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)給5G基站供電。日間以太陽能供電為主，夜間依靠風(fēng)力發(fā)電為主，實現(xiàn)風(fēng)光互補[5]。

2.2 鋰電池削峰填谷梯次利用

當(dāng)前，火力發(fā)電和太陽能、風(fēng)能等新能源的生產(chǎn)時間以及5G基站用電峰谷時間不對應(yīng)，如太陽能發(fā)電主要是日間，而市電使用的一個高峰則在傍晚日落以后，造成了高峰用電仍將以高碳排放的火力發(fā)電為主。電力公司為了供電平穩(wěn)，一般都采用峰谷的差異電價，如果基站的蓄電池在市電供電波谷期間充電，在波峰期間釋放電力給5G基站供電，則可以間接降低火電發(fā)電比例，提高新能供電比例，降低碳排放并降低電費支出[6]。

傳統(tǒng)基站采用的是鉛酸電池，充放電次數(shù)較低，如果每日都要進(jìn)行削峰填谷，則很快就將達(dá)到循環(huán)使用壽命。通過高循環(huán)鋰電池淘汰鉛酸電池是當(dāng)前熱門方向，2020年退役的動力電池高達(dá)2×105 t，但對退役電池回收還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，回收經(jīng)濟性差，且這些電池可以剩余400～2 000次的實際循環(huán)次數(shù)，相對傳統(tǒng)鉛酸電池200次的循環(huán)次數(shù)仍優(yōu)勢巨大，在5G基站利舊動力電池側(cè)消納退役動力電池的優(yōu)選方案[7]。

2.3 其他新型儲能技術(shù)

相對于鋰電池，還有更綠色環(huán)保的新型儲能技術(shù)可以應(yīng)用在5G基站，包括超級電容和機械儲能等。目前，新型儲能技術(shù)在通信行業(yè)的應(yīng)用較少，但是由于應(yīng)用潛力較大、環(huán)境污染小等優(yōu)點，仍是各國的研究熱點。

超級電容器的主要優(yōu)點包括百萬次的超長充放電循環(huán)壽命、寬廣的工作溫度范圍（-40～70 ℃）、充電快、功率密度高以及維護(hù)要求低等。另外，其全生命周期均沒有有毒化學(xué)和金屬污染，是非常綠色環(huán)保的儲能技術(shù)，適合配合化學(xué)電池進(jìn)行儲能，為市電經(jīng)常短時中斷的站點供電[8]。

機械儲能主要包括壓縮空氣儲能和飛輪儲能等，由于目前有較大功率消納和設(shè)備占地要求，因此可以用于大型通信機房儲能，暫不適合離散的5G基站分布需求[9]。

3 5G新能源供電改造碳排放收益模擬分析

以北方某城市某5G基站進(jìn)行離網(wǎng)光伏發(fā)電結(jié)合鋰電池儲能為例，站點供電方式為傳統(tǒng)市電供電，備電采用鉛酸蓄電池。該站日統(tǒng)計最高功耗為3.68 kW，最低功耗為1.73 kW，平均功耗為2.72 kW，日耗電為65 kW·h，一天24 h的功耗分布如圖2所示。

圖2 某5G基站24 h功耗圖

該站擬改造方案為樓頂鋪設(shè)光伏供電+利舊梯次鋰電池，日間光照充足時，通過光伏供電，并將剩余電力存儲在鋰電池中，夜間通過利舊鋰電池放電給5G基站供電。已知所在地區(qū)單位面積太陽能發(fā)電功率曲線和5G基站耗電功率面積，可推算出光伏輸出功率要求與儲能電池所需容量。具體通過使用PVSYST模擬軟件分析，在完善地理信息和氣象等數(shù)據(jù)，確定電池板安裝方向和角度，光伏側(cè)需配置單機標(biāo)稱功率為250 Wp的光伏組共計100件，由4組件串聯(lián)成組串，再把25組串進(jìn)行并聯(lián)，標(biāo)稱功率為 25.0 kWp，電池側(cè)配置 5 980 Ah/51 V 的退役電池組件115套并聯(lián)，電池組存儲容量為276 kW·h，一年的發(fā)電量和用電量如圖3所示。由圖3可知，光伏的發(fā)電除了供給基站和電池儲能，還有太陽能板采光和系統(tǒng)等的耗電損失，在設(shè)計時都需要考慮。另外雖然用戶用電量恒定，但由于不同月份光照差異大，導(dǎo)致不同季節(jié)電池存儲的電量差異明顯，因此鋰電池的選取非常重要，合適的電池容量才能確保整套系統(tǒng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

圖3 耗電及發(fā)電模擬

煙煤 CO2排放量為 2.54 kg/kg ，按火電廠每 300 g煤可以發(fā)電1 kW·h計算，5G基站用電來自火電廠時，每kW·h耗電會產(chǎn)生CO2的排放量為0.762 kg[10]。按該基站平均功率為2.72 kW計算，如果新能源供電比例增加10%，那么CO2的年排放將減少1 815.63 kg，具體參數(shù)計算如表1所示。

表1 某基站CO2年減排量估算

至2021年底，全國5G基站數(shù)量將達(dá)到1.4×106臺，按上述功率及增加10%的新能源發(fā)電供給比例計算，全國5G基站年可降低CO2碳排放量高達(dá)2.9×106t[11]。

4 結(jié) 論

我國是5G基站保有量最多的國家，未來為了實現(xiàn)高容量熱點覆蓋和工業(yè)化萬物互聯(lián)的需求，還將有數(shù)百萬的5G基站入網(wǎng)，通過離網(wǎng)光伏、風(fēng)光互補以及退役動力鋰電池利舊儲能等新能源在5G基站系統(tǒng)中的賦能，可以非常有效降低碳排放，為2030碳達(dá)峰方案共享行業(yè)力量。