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打造高質量產消型數據中心的綜合能源模式

作者:王永真 趙偉 高峰 來源:中國電力新聞網 發布時間:2020-05-28 瀏覽:
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數據中心的提質增效,是數字經濟特征下國家治理的新要求。當前,以數字化為代表的科技革命和產業革命,正推動著人類生活方式、生產方式、思維方式的根本性變革。

數字作為社會生活的一個關鍵生產要素,在“云大物移智鏈”和5G為代表的數字化技術的加速下,正向各個行業全面滲透。如今,海量的數據需要感知、存儲、加密、傳輸、調用、計算以及交易。進而,作為數字基礎設施的重要載體,數據中心的“規模”將不斷擴大、“算力”將不斷提高,相應地,數據中心的“能耗”及“運行成本”也很可能隨之不斷攀升。比如2018年,我國數據中心的用電量已占到我國全社會總用電量的2.4%。同時,全球來看,我國數據量在全球的占比,將從2018年的23.4%提升到2025年的27.8%。

圖1 數據中心支撐數字經濟的發展

因此,數據中心的能效治理,關系著數字經濟的可持續發展,是我國能源系統高效低碳轉型的典型場景,是新趨勢下國家治理的新要求。

一、我國數據中心的能源供應與能效治理面臨的主要問題

數據中心作為一個典型的能源消費大戶,需要可靠的電力以及巨量的冷能,以保障數據中心IT設備的安全可靠運行。當前,我國數據中心在能源供應與能效治理方面存在以下幾個主要問題。

(一)從數據中心的能源消費側看,數據中心在消費巨量電能量的同時,數據中心排放了大量未被利用的中低品位余熱。如此,造成能源浪費的同時,還會導致“城市熱島”問題。如果這些余熱能得以有效利用(余熱溫度在30℃~85℃、散熱量占到數據中心能源消費的40%左右),那么,數據中心又可以看作是一個巨大的中低品位熱源,可以用于滿足周邊用戶的供暖、熱水等需求。比如丹麥、瑞士等國家,已有采用熱泵技術回收數據中心余熱,用于周邊建筑的采暖、生活熱水或游泳池伴熱的案例,并展現了良好的熱經濟效益。再如,按現有數據中心規模,我國北方地區數據中心的可回收余熱總量約有10GW,這意味著,不需要再消費額外能源,便可實現3億㎡左右建筑的供暖,并可節省約70億元/年供暖費,以及實現CO2減排約1000萬噸。

(二)從數據中心的能源供應側看,我國數據中心供能模式單一,數據中心的能源供應以火電為主,綠電和其它能源的供應占比較低。2018年,全國數據中心火電使用所引起的CO2排放近1億噸,我國數據中心可再生能源的電力消費占比不足23%,如將這一數據提高至30%,將避免火電使用近200億kWh,這意味著將避免10個左右600MW大型火電廠的建設。同時,利用高品位火電去滿足數據中心散熱的低品位需求,存在數據中心供能側與用能側能量能級的不匹配,導致系統能量損失大、能耗高。而熱(冷)電聯供系統的供能特性,恰與數據中心冷電負荷特性存在著良好的匹配性,即供能和用能的熱電比接近、冷電負荷穩定。如數據中心天然氣聯供系統的能源利用率可高達90%以上,1m?天然氣可等效4~10kWh的電力,理論上具有良好的熱經濟性。如上海騰訊青浦數據中心的天然氣聯供系統的供電量,已占到整個數據中心供電量的39%,制冷量占到30%。但是,現有一些天然氣聯供在數據中心的應用案例,存在系統多能供應認識與設計不足、多能互動的不協調,以及氣源和氣價等問題,引起數據中心天然氣聯供系統設備利用率低、系統經濟性差的問題。

(三)從數據中心建設和運維的角度看,我國數據中心帶寬資源的分配現狀,加之各省對新基建的需求和響應,我國數據中心結構性過剩與業務量不均衡問題或將更為嚴重。同時,數據中心為保證“算力”的高可靠性,其能源系統多采用冗余的設計及運行策略,對供能系統運行與數據業務量缺乏精細監控與協同聯動。再次,當前我國數據中心的能效評價及運維存在局部、粗放等問題,如多基于能量的“數量”層次,而忽略了能量“品位”的影響。以上現象,共同導致我國數據中心的資源利用率不高的問題,以及IT設備的低負載、高能耗運行以及制冷系統的過大設計,由此帶來能源的極大浪費及運行成本增加。如我國大部分數據中心的電能利用效率在1.5以上,甚至有的超過2.0還多,我國數據中心的能耗成本占到數據中心運維總成本的70%左右,而空調所用電費約占其中的40%。遠高于發達國家數據中心能耗水平。最后,我國數據中心的服務主體、運營模式及市場機制均還比較單一,數據中心的提質增效存在著很大的潛力空間。

二、相關建議

因此,基于以上我國數據中心能效治理的現狀、存在的問題以及重大需求,筆者基于能源互聯網的視角,從關鍵技術和宏觀機制出發,以能源互聯網的典型方法論——“產消者”、“綜合能源系統”、“多目標優化”及“頂層規劃”為手段,提出我國數據中心提質增效的幾點建議。

(一)探索基于余熱回收的產消型數據中心綜合能源系統的能源消費與供應路徑。深入洞悉不同氣候區及不同性能數據中心的能耗及能效特征,鼓勵壓縮式熱泵、高效換熱、吸收/吸附式制冷、相變蓄能與水蓄能等中低品位熱能高效回收與利用技術在數據中心余熱回收(供暖、加熱、甚至制冷等)上的應用推廣,并探索其低成本、規模化推廣的技術路線及商業模式。有條件的地區,特別是經濟發達以及能源稟賦不足地區,應系統考慮數據中心能源系統上下游用戶的能源供應與消費的時空互補特性,積極構建及培育“產消型”數據中心綜合能源系統及模式(產消型:能源生產與消費的有機結合)。非常有必要將產消型數據中心能源系統的規劃納入所在區域及園區的冷熱電氣等能源系統的規劃,統一施策,做好數據中心及其周邊園區能源供應與消費的統籌規劃和共建共贏。

圖2 基于天然氣聯供的數據中心綜合能源系統供能示意

(二)打造基于多能互補的數據中心能源供應的多元融合模式。因地制宜,因時制宜,研究和推廣自建綠電、直購綠電、采購綠色電力證書以及電力現貨市場化交易等方式在數據中心供能上的應用。積極倡導高壓直流供電技術在數據中心的推廣示范,提高綠電供應的可靠性、降低綠電供應的投資運維成本,全方位培育綠電在數據中心的應用路徑。架構基于能量綜合梯級利用的聯供系統的設計及評價體系,特別是電力緊張區域,優化數據中心天然氣的市場供應價格及天然氣管道配氣費,合理設計天然氣聯供系統在數據中心能源系統的容量占比及運行策略。應充分結合自然或免費冷源,因地制宜,鼓勵利用LNG汽化吸熱過程、山區溶洞低溫空氣、江河湖海低溫水源等用于滿足數據中心散熱需求的應用及示范。應立足數據中心當地資源稟賦及負荷特性,構建綠色電力、天然氣聯供、自然冷源以及光熱、儲能等技術的數據中心多能互補能源系統,推動綠電與其他能源在數據中心供能上的多元互動的潛力及方式。

圖3基于天然氣聯供的數據中心綜合能源系統供能示意

(三)抓好數據中心“算力”、“排放”、“能效”與“成本”的頂層規劃與同步優化。積極統籌、合理規劃各省市數據中心的建設數量和規模,優化數據中心可承載的帶寬和資源,堅持集中式與分布式數據中心協調發展原則,提高我國數據中心整體的資源利用率。探究數據中心“算力”、“能效”、“成本”的系統性同步優化手段,研究人工智能在數據中心能耗監控與動態控制方面的應用,健全數據中心能源系統的完善度評價模型、指標及標準,更全、更深、更精細地挖掘數據中心能耗的各個環節以及細節。提倡基于地理分布的數據中心結構性布局,包括5G邊緣數據中心與大數據中心的融合,以匹配區域電價、計算能力和帶寬的差異。探究數據中心與變電站、儲能站、充換電站等集于一體的“多站融合”建設與運營模式,打造多行業數據中心融合發展與共享共贏的健康生態。

圖4 數據中心的系統優化與頂層規劃

數據中心能源系統的提質增效在數字經濟快速發展的趨勢下已經越顯至關重要,是數字經濟背景下我國國家治理的新要求。因此,應前瞻性地做好數據中心能源系統的提質增效,探索基于余熱回收的產消型數據中心綜合能源系統的能源消費與供應路徑,打造基于多能互補的數據中心能源供應的多元融合模式,抓好數據中心“算力”、“排放”、“能效”與“成本”的頂層規劃與同步優化,實現數據中心供能的高效化、低成本和清潔化,定能打好數字經濟穩健發展的堅實底座,這也是國家國家社會科學基金重大項目(編號19ZDA081):面向國家能源安全的智慧能源創新模式與政策協同機制研究的一個重要內容。

 

關鍵字:數據中心

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