关于数据中心实现碳中和的路径探讨
作者：安科瑞电气股份有限公司时间：2022-05-11 我要发布
周莉
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：在控制温室气体排放、积极应对气候变化已经成为全球共识的当下，“绿色、低碳和可持续发展”成为世界各国社会经济发展的共同目标。目前全球已有127个国家作出“碳中和”承诺。我国于2020年9月22日在联合国大会上提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争2060年前实现“碳中和”。
关键词：数据中心；碳中和；实现路径
1 传统的数据中心发展模式不可持续
近年来在“新经济”强劲拉动下，我国IDC业务收入实现了连续高速增长，2020年全年规模达2238.7亿元，同比增长43.3%。与数据中心产业规模扩张相对应的是,在过去10年，我国数据中心整体用电量以每年超10%的速度高速递增。2018年，全国数据中心总耗电量1500亿干瓦•时，达到了社会总用电量的2.19%。预计到2025年，占比将增加一倍，达到4.05%,数据中心已经成为耗能大户。
数据中心不仅能耗总量大，而且能耗水平高。根据中国互联网数据中心发布的数据：2019年我国数据中心市场规模达到1561亿元，同年我国数据中心总耗电量竟然高达1763亿千瓦•时，整个数据中心产业的平均能耗水平竟然高达11294千瓦_时/万元营业收入，折合3.614吨标准煤/万元营业收入（按320克标准煤/千瓦•时折算）。2019年我国钢铁业翘楚一宝武集团万元产值综合能耗仅为1.4吨标准煤/万元，尽管在统计口径、数据来源等方面可能存在一定偏差，但是数据中心产业高耗能特点是毋庸置疑的，如图1所示。
根据国际化标准组织ISO发布的ISO14064标准，企业温室气体的排放可以划分为3个范围：一是自身产生的碳排放，二是通过消耗电力能源产生的碳排放，三是产业价值链的碳排放。数据中心90%以上的碳排放属于范围二。由于当前中国的发电量结构中占70%以上仍为燃煤发电，发电同时伴随着大量的温室气体及其它污染物排放，因此数据中心既是高耗能产业，也是高排放产业。
在全国实施“双碳”战略的宏观背景下，如果仍沿袭传统的发展模式，继续大量消耗化石能源，维持高能耗、高排放水平，数据中心的发展终将不被社会接受，出路必然是越走越窄。
近期，一个新动态值得高度关注。我国全国性碳交易市场自今年7月16曰正式开市以来,碳交易价格一路走高，8月4曰涨停于58.70元/吨。但比较欧洲碳市场当前碳价55.05欧元/吨，国内碳价可谓“小荷才露尖尖角”，未来还应有巨大的上涨空间。不过飙涨的碳价终将转嫁到火电的下游厂商，这其中当然包括耗能大户——数据中心。由于电费约占数据中心成本结构的50%?60% , 碳价上涨又会推动火电价格上涨，将给依赖化石能源供能的数据中心带来新的不确定性。
2 “碳中和”数据中心 一数据中心的终极模式
近年来，政府出台了一系列推动绿色数据中心建设的政策。然而，在现行的绿色数据中心评价标准中，尽管也有PUE值等评价指标，但在以火电为主的传统电力结构下，即使PUE指标值再低，也要消耗大量火电。可见这样的绿色数据中心不可能实现真正的绿色，当下的绿色数据中心与“双碳”目标要求之间存在着差距，无法适应信息产业实现“双碳“目标的新形势和新要求。
出路何在？只有走“碳中和”道路，才是数据中心的终极发展模式。
“碳中和”数据中心要求在满足数据中心安全标准的同时，充分利用电力市场交易、清洁能源技术、节能环保技术，最大限度利用清洁可再生能源和各类冷能资源，并在必要时通过碳交易手段，实现数据中心碳抵消,确保数据中心实现温室效应气体真正的“零排放”。
“碳中和”数据中心总体上是以清洁可再生电力为能源基础的。《欧洲气候中立数据中心公约》明确要求：到2025年，欧洲数据中心使用可再生能源电力要达到75%，到2030年达到100% 。
3 “碳中和”数据中心发展条件趋于成熟
研究世界能源产业发展的规律会发现：由于煤炭等化石资源开采条件不断劣化以及火电环境成本不断上升，长期来看火电成本是不断上涨的。而由于技术进步、规模经济等因素，长期来看光伏发电、风力发电成本是不断降低的，恰如美国经济学家里夫金预言：基于可再生能源的长期生产边际成本将趋于零。近年来，在欧洲迅速发展的可再生能源产业通过实践验证了这一点。2019年9月20日，英国6个海上风电场(总计5.5 GW )竞标结果揭晓，报出创纪录的低价，比政府的“参考价格”低8-9英镑/兆瓦•时。按照英国的电力市场机制和市场趋势，这些风电项目不但不会收取任何政府补贴，反而会向消费者回馈近6亿英镑。
今年以来，我国光伏发电、风电新建项目已经被要求平价上网。近期，国投甘肃新能源与三一重能联手打造的国投瓜州北大桥第七风电项目有望将度电成本下降到0.1元/千瓦•时。未来随着技术进步、规模经济等因素，光伏发电、风力发电成本仍然有进一步下降的空间。根据 “碳达峰”要求，到2030年我国光伏、风电总装机将达到12亿干瓦，如何消纳这些发电能力将是一个不小的课题，但是对于以清洁能源为基础的“碳中和”数据中心,却意味着巨大的发展机会。
在清洁能源产业大发展的背景下，从经济角度来看，随着可再生电力比较火力发电越来越具有成本竞争力，“碳中和”数据中心发展的基础条件也将日益成熟。
4 “碳中和”数据中心特征
“碳中和”数据中心是以清洁、绿色、可再生电力体系为基础的，这不仅意味着要使用光伏、风电及水电等,还意味着要通过发展包括调峰灵活电源、储能设施等在内的一系列机制，构建起能够克服可再生电力先天存在的间歇性大、波动性大、保障性弱的缺点，满足数据中心业务要求的完整供电体系。
“碳中和”数据中心并不绝对排斥化石能源，在可再生电力不足时，允许使用化石能源，以保障数据中心电力供应。而使用化石能源产生的碳排放，则可以通过碳交易，实现碳柢消。
“碳中和”数据中心是建立在集成应用各种低碳技术创新和商业模式创新基础上的。“碳中和”数据中心既可以充分利用自身条件，自建分布式的清洁可再生发电系统，也可以充分利用电力交易市场购入清洁可再生电力（即绿电）。
“碳中和”数据中心要求最大限度使用各类冷能资源，以最大限度提高能源利用效率，因此数据中心建设要遵从系统思考、长期规划、因地制宜、深入挖潜的原则。
5 “碳中和”数据中心实现路径
“碳中和”数据中心概念图如图2所示，建设 “碳中和”数据中心是一个系统工程，要求在环境侧、用电侧、供电侧等各个环节全方位贯彻“碳中和”思想。
5.1 环境侧
环境是影响数据中心能耗的重要因素，数据中心能耗中相当一部分是设备冷却能耗。因此通过优化选址，充分利用各类冷能资源提高数据中心能效，尤为重要。所谓优化选址，就是应选择气候条件适宜、绿电供应充足的地区建设数据中心。
特别要强调的是，冷能资源利用也应拓宽思路。近年来，我国大量进口LNG以解决国内天然气供应问题，由于国内天然气市场需求旺盛，规模庞大，我国已成为世界上LNG进口大国之一。LNG进口不仅带来宝贵的天然气，而且带来了巨大的冷能资源。以江苏省如东县洋口港为例，该港口每年进口约1000万吨LNG ,这些LNG汽化时大量吸热，造成港口周边数平方干米海域平均温度比周边海域水温低了4°C左右。这些冷能完全放空，不仅无法创造价值，而且影响了海洋生态。
目前沿我国海岸线从南到北，密集的LNG进口终端已经构成一条连绵的点线。其中相当一部分分布于东南沿海发达的大中城市周边，这些城市对于数据中心有着巨大的需求，如果能充分挖掘区域内LNG冷能资源，一定能为数据中心产业发展创造新的模式。
5.2 供电侧
实现数据中心“碳中和”是一项系统工程，数据中心供电侧如何最大限度开发利用清洁可再生电力尤为关键，有以下四种供能方式可供选择。
一是自备清洁可再生电厂有光伏发电和风力发电两种形式，电力自发自用。这种供电方式最为便捷，但是受限于场地等因素 ，一般难以完全解决数据中心供能问题。
二是通过电力交易市场购入绿电。数据中心耗电量巨大，因此多数场景下需要外部电力供应。如果能够通过电力交易，购入光伏发电、风电 、水电等“零碳绿电”，可以确保数据中心的“碳中和”特质。
三是储能供能。在大量使用可再生电力的背景下，储能环节对于保证数据中心用电的安全性和连续性具有特别重要的作用。可组合使用电化学储能、压缩空气储能、制氢储能等技术手段。
四是备发灵活电源机组。在各种突发事件下,需要合理配置发电机组保障设备不间断供电。在大量使用可再生电力的情况下，备发灵活电源更是不可或缺。从快速反应、调峰出力角度看，选用燃气轮机+ 天然气为备用灵活电源，完全可以满足数据中心灾备要求。
上述供能方式仅在此情形下，备发机组运转时会产生碳排放，需采取必要的碳抵消措施。因此，数据中心完全可以实现“零碳排放”。
5.3 用电侧
用电侧主要包括IT设备耗能、空调耗能、建筑本身能耗等，应当集成运用各种能源环保技术降低用电侧能耗。总体技术发展方向应是：提高设备能效，适应清洁可再生电力供电特点，最大限度利用冷能资源。
6安科瑞为数据中心提供的能效监控解决方案
6.1 精密配电管理解决方案
AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现全方位绿色IDC提供可靠保证。
6.1.1交流系统
1）功能要求：
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度；输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相,过流，输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2）配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表 PZ72L-E4
电流互感器 AKH-0.66-30I-XXA/5A
6.1.2直流系统
1) 功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表 PZ72L-DE
霍尔传感器 AHKC-F- XXA/5V
开关电源 SBD-30 （48V）
产品规格
说明：■为标配功能。
配套附件
6.2 AMB智能小母线管理系统
数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控中心。
1）交流系统功能：
遥测：三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度，系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率；
6.2 AMB智能小母线管理系统
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
2）直流系统功能：
遥测：电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
产品介绍
说明：■为标配功能。
7结语
首先，基于清洁可再生能源的“碳中和”数据中心发展模式，才是数据中心发展终极模式，才能使数据中心产业发展摆脱当前的被动局面。其次，随着清洁可再生电力价格不断下降，“碳中和”数据中心发展的经济可行性将曰益完备。再次，“碳中和”数据中心的建设与运行，是建立在全新的能源技术体系之上的。需要系统集成清洁能源技术、制冷及冷能利用技术、储能技术、灵活电源技术等，还需要充分利用电力交易、碳交易等手段以及数据中心商业模式创新。最后，“碳中和”数据中心的发展迫切需要国家政策的支持和引领，应当以绿电使用比重，而非PUE值作为数据中心评价标准。
参考文献：
【1】张诗雨，朱雨萌.“碳中和”数据中心的概念、特征与实现路径
【2】郑佩洪.高速公路数据中心机房管理现状与展望[J].公路交通科技 ( 应用技术版 ),2019,172(04):324-326.
【3】郑卓文,叶青,任忠惠.一种IDC机房资源管理系统设计方案[J].信息通信 ,2017,180(12):210-211.
【4】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版
笔者简介：
周莉，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，Email:2885187315@qq.com，手机：18702110578（同微信），QQ:2885187315
