數據中心用能及新能源利用探討

鐘志鯤

（普洛斯企業發展（上海）有限公司，上海 200120）

1 全國電能基本情況

截至2021年末，我國全國發電裝機容量為2.380×109kW，而著名的三峽水電站的裝機容量為2.250×107kW，全國發電總裝機容量與三峽電站裝機容量比約為100∶1（用三峽電站為一個基本單位比較容易理解全國用能情況）。2021年，我國全年發電量為 8.1×1012kW·h，用電量為 8.3×1012kW·h，用電量缺口為 2.0×1011kW·h。

近年來，我國電能總量一直處于增長態勢，與我國經濟發展的實際情況相符，充分闡釋了用能與發展一致的基本邏輯。在用電需求與供給能力之間的差距逐步擴大時，新建發電站、提高現有裝機容量的利用率、增加分布式發電的占比等措施對于統籌全國發電與用電的平衡起到重要作用。同時，開源與節流并行也是較好的解決方法之一，可以通過電網傳輸損耗的減少來增加終端可用電量。

2 新能源的發展情況

所謂新能源并沒有明確定義，只是區別于傳統能源。許多列入新能源的技術都已經歷經多年的研究，只是截至目前未被規模利用或者限于現有的技術條件無法規模擴大使用，如氫能、生物質能等。核能、光伏、風電的社會接受程度比較好，在能源體系中的占比逐步擴大，成為主流的新能源。新能源在具備綠色低污染特性的同時，也存在非常明顯的缺陷，需要在系統匹配和技術彌補上做大量工作。例如，以電傳輸分配為核心的供電體系中風光發電占比超15%后，電網調控會非常困難。在大電網的發電結構中，不同組分的特性和占比如表1所示。

表1 2021年全國發電結構

風光系統近年有長足發展，裝機功率占比已經突破20%，但發電率不高。現階段最現實的問題是是確定風光發電技術作為新能源的主要方向，加大科研能力以突破利用中的技術壁壘，同時在實踐應用中不斷發現問題并給予改進。

3 數據中心的配電結構與能源利用

2021年，中國數字經濟規模已經達到39.2萬億元，數據中心的發展對帶動社會經濟發展起到重要作用，但是其集中、巨量消耗能源的情況也倍受社會關注。在多年的互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）市場經營過程中，數據中心基礎工作的兩個核心是安全與節能，且安全優先于節能。雖然可以將兩者統籌考慮，但超出安全底線的問題必須堅持原則。數據中心能源關系如圖1所示。

圖1 數據中心能源關系

機房負荷可以分為A、B、C這3類，分別用不同的供電協調結構進行有效保障，同時匹配不同可靠性的供冷系統進行冷卻保障。系統冗余造成的能耗是無法規避的事實，合理降低是必要的，但杜絕這部分能耗幾乎不可能。截至統計，全國建成的數據機架數量為520萬架左右，其中60%以上分布于我國的東部地區。雖自2021年底開始進行“東數西算”的全國整體布局調整，但真正能完成可能需要許多年。對于這樣一個能源需求密度高、冷熱嚴重對沖、又對現代社會具有極其重要作用的產業，如何理性認知依舊是一個重大課題。

2021年，中國傳統IDC業務市場規模達到1 201.9億元，同比增長20.9%[1]。預計未來3年，中國傳統IDC業務市場規模將以18.8%的速度持續增長，到2024年市場規模預測將達到2 013.4億元。歷經多年的技術改進和實踐，絕大多數的機房已經將電源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）從 1.8 甚至更高逐步下降為1.4左右，在降低不必要的能耗方面進行了許多有益的嘗試并進行規范化。但IDC最核心的框架性節能路徑應該還是兩條主線：一是提高單能耗下的算力能力，即提高服務器能力和利用率；二是適度控制IDC發展規模，空置的數據中心即使不通電也是一種浪費。

4 政策對數據中心用能的影響

自2006年以來，我國CO2排放量超過美國，已經連續多年成為全球最大的溫室氣體排放國。2019年我國CO2排放量為101.75億t，與美國、印度、俄羅斯以及日本CO2排放量之和相當。2020年，我國向全世界承諾的“碳達峰”和“碳中和”目標對數據中心的發展也起到重要的引導作用。2021年10月11日，國家發展改革委發布《關于進一步深化燃煤發電上網電價市場化改革的通知》、北京市發展和改革委員會發布《關于印發進一步加強數據中心項目節能審查若干規定的通知》、上海市經濟和信息化委員會與上海市發展和改革委員會聯合發布《上海市工業和通信業節能降碳“百一”行動計劃（2022—2025）》等相關政策，對數據中心的無序發展形成強大的制約[2]。各地區的政策不完全一致，包括限建、限能、超限處罰、退出以及電費上漲等多重杠桿調控，以控制IDC有序發展。

電價政策的調整一方面增加了數據中心的用能成本，另一方面也是以價格杠桿來加速節能和多能源解決方案在數據中心的落地執行。增大的電價差使得分布式光伏、儲能、三聯供等發電技術以及液冷、蒸發冷卻、氟泵等冷卻節能技術的投資回報能力增強，用戶使用這些技術的意愿增強。數據中心在未來的終極目標，電能來源應該是離網的自發電（電網只作安全后備），冷源應該是去機械制冷。

5 關于綠電

綠電的定義并不唯一，在不同的政策背景下范疇有所差別。數據中心常見的綠電基本就是光伏和風電，而且分布式光伏還不能納入綠電交易范疇。由于目前缺乏權威部門的指導和解釋，許多概念在實際應用中出現比較大的混淆和爭議，對于推動綠電的發展是不利的[3]。

鑒于此，行業并不明確指明新能源的發展方向，僅能以探索方式進行分布式光伏、儲能、采購綠電等方式改變目前的用能方式，而采購綠電方式也僅僅是社會責任的一種體現，并未根本改變用能方式的本質變化。筆者以為，對類似數據中心這樣的終端電力用戶而言，光儲一體系統、氫能系統可能是今后很長時間內為數不多的具有可行性的新能源技術方向。

6 儲能技術

無論是電動車輛、電網儲能站、終端的電子設備，甚至行業內使用多年的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統和高壓直流系統都是儲能內在需求的實現技術。任何生產與消耗不能做到完全匹配的體系，都必須設置一個中間儲存的環節。在儲能系統出現前，數據中心已經大量使用鉛酸蓄電池和發動機柴油，并積累了大量的經驗和方法來規避存在的風險。數據中心儲能的作用如圖2所示。

圖2 數據中心儲能的作用

數據中心采用儲能的意義非常多，但用戶往往只關注其經濟性，并將其安全性默認為劣勢評價，僅以此狹義方式評價一定會得到否定的決策。儲能作為分布式光伏的最佳搭檔，可以成為園區電力的核心，從技術層面逐步解決其存在的風險存在可行性。例如在蓄電池選擇上，可以選擇傳統鉛酸電池或磷酸鐵鋰電池，在經濟性和安全性上達到目前的要求。儲能系統各類電池對比如表2所示。

表2 儲能系統各類電池對比

7 數據中心與其他新能源技術的耦合

分布式光伏由于其獨特的孤島運行特性和易于部署的特性，很容易引入數據園區，輸出綠色電能[4]。氫能源雖處于起步階段，但隨著質子交換膜技術的國產化和逐步成熟以及產業鏈的逐步完善，加上用戶側絕對無污染的特性，使得氫能成為數據中心用能又一優選，亟需在氫氣的產、儲、運、加等產業環節上獲得突破性進展。蓄冷、余熱利用等技術，也是可以突破的技術方向。若這些技術能夠實現大規模的商業應用，也會納入新能源的概念。此外，數據中心可以依據電網的峰谷特性在需要時進行開啟和關閉，其動輒幾兆瓦的容量完全可以成為大電網的虛擬負載，形成虛擬電廠[5]。

8 結 論

新能源、數據中心的潛在市場很大，而且兩者存在一定的關聯關系，目前鮮有企業能將兩者緊密耦合，還缺乏成功的示范項目案例。新能源技術實現并不困難，但在數據中心的應用并不成熟，仍舊需要新技術突破和現有技術的應用經驗積累。在數據中心引入更多的新能源技術，能夠打破依靠電網供能的方式，構建分布式綠色供能模式，形成良好的社會效應。