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關(guān)于數據中心實(shí)現碳中和的路徑探討

 更新日期:2022-03-18 點(diǎn)擊量:1445

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

要:在控制溫室氣體排放、積應對氣候變化已經(jīng)成為全球共識的當下,“綠色、低碳和可持續發(fā)展"成為世界各國社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的共同目標。目前全球已有127個(gè)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(huì )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(shí)現“碳中和"。

 

關(guān)鍵詞數據中心;碳中和;實(shí)現路徑

 

 

1 傳統的數據中心發(fā)展模式不可持續

近年來(lái)在“新經(jīng)濟"強勁拉動(dòng)下,我國IDC業(yè)務(wù)收入實(shí)現了連續高速增長(cháng),2020年全年規模達2238.7億元,同比增長(cháng)43.3%。與數據中心產(chǎn)業(yè)規模擴張相對應的是,在過(guò)去10年,我國數據中心整體用電量以每年超10%的速度高速遞增。2018年,全國數據中心總耗電量1500億干瓦•時(shí),達到了社會(huì )總用電量的2.19%。預計到2025年,占比將增加一倍,達到4.05%,數據中心已經(jīng)成為耗能大戶(hù)。

數據中心不僅能耗總量大,而且能耗水平高。根據中國互聯(lián)網(wǎng)數據中心發(fā)布的數據:2019年我國數據中心市場(chǎng)規模達到1561億元,同年我國數據中心總耗電量竟然高達1763億千瓦•時(shí),整個(gè)數據中心產(chǎn)業(yè)的平均能耗水平竟然高達11294千瓦_時(shí)/萬(wàn)元營(yíng)業(yè)收入,折合3.614噸標準煤/萬(wàn)元營(yíng)業(yè)收入(按320克標準煤/千瓦•時(shí)折算)。2019年我國鋼鐵業(yè)翹楚一寶武集團萬(wàn)元產(chǎn)值綜合能耗僅為1.4噸標準煤/萬(wàn)元,盡管在統計口徑、數據來(lái)源等方面可能存在一定偏差,但是數據中心產(chǎn)業(yè)高耗能特點(diǎn)是毋庸置疑的,如圖1所示。

image.png 

根據國際化標準組織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(gè)范圍:一是自身產(chǎn)生的碳排放,二是通過(guò)消耗電力能源產(chǎn)生的碳排放,三是產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的碳排放。數據中心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(shí)伴隨著(zhù)大量的溫室氣體及其它污染物排放,因此數據中心既是高耗能產(chǎn)業(yè),也是高排放產(chǎn)業(yè)。

在全國實(shí)施“雙碳"戰略的宏觀(guān)背景下,如果仍沿襲傳統的發(fā)展模式,繼續大量消耗化石能源,維持高能耗、高排放水平,數據中心的發(fā)展終將不被社會(huì )接受,出路必然是越走越窄。

近期,一個(gè)新動(dòng)態(tài)值得高度關(guān)注。我國全國性碳交易市場(chǎng)自今年7月16曰正式開(kāi)市以來(lái),碳交易價(jià)格一路走高,8月4曰漲停于58.70元/噸。但比較歐洲碳市場(chǎng)當前碳價(jià)55.05歐元/噸,國內碳價(jià)可謂“小荷才露尖尖角",未來(lái)還應有巨大的上漲空間。不過(guò)飆漲的碳價(jià)終將轉嫁到火電的下游廠(chǎng)商,這其中當然包括耗能大戶(hù)——數據中心。由于電費約占數據中心成本結構的50%?60% , 碳價(jià)上漲又會(huì )推動(dòng)火電價(jià)格上漲,將給依賴(lài)化石能源供能的數據中心帶來(lái)新的不確定性。

 

 

2 “碳中和"數據中心 一數據中心的終模式

近年來(lái),出臺了一系列推動(dòng)綠色數據中心建設的政策。然而,在現行的綠色數據中心評價(jià)標準中,盡管也有PUE值等評價(jià)指標,但在以火電為主的傳統電力結構下,即使PUE指標值再低,也要消耗大量火電??梢?jiàn)這樣的綠色數據中心不可能實(shí)現真正的綠色,當下的綠色數據中心與“雙碳"目標要求之間存在著(zhù)差距,無(wú)法適應信息產(chǎn)業(yè)實(shí)現“雙碳“目標的新形勢和新要求。

出路何在?只有走“碳中和"道路,才是數據中心的終發(fā)展模式。

“碳中和"數據中心要求在滿(mǎn)足數據中心安全標準的同時(shí),充分利用電力市場(chǎng)交易、清潔能源技術(shù)、節能環(huán)保技術(shù),大限度利用清潔可再生能源和各類(lèi)冷能資源,并在必要時(shí)通過(guò)碳交易手段,實(shí)現數據中心碳抵消,確保數據中心實(shí)現溫室效應氣體真正的“*"。

“碳中和"數據中心總體上是以清潔可再生電力為能源基礎的?!稓W洲氣候中立數據中心公約》明確要求:到2025年,歐洲數據中心使用可再生能源電力要達到75%,2030年達到100% 。

 

 

3 “碳中和"數據中心發(fā)展條件趨于成熟

研究世界能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規律會(huì )發(fā)現:由于煤炭等化石資源開(kāi)采條件不斷劣化以及火電環(huán)境成本不斷上升,長(cháng)期來(lái)看火電成本是不斷上漲的。而由于技術(shù)進(jìn)步、規模經(jīng)濟等因素,長(cháng)期來(lái)看光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電成本是不斷降低的,恰如美國經(jīng)濟學(xué)家里夫金預言:基于可再生能源的長(cháng)期生產(chǎn)邊際成本將趨于零。近年來(lái),在歐洲迅速發(fā)展的可再生能源產(chǎn)業(yè)通過(guò)實(shí)踐驗證了這一點(diǎn)。2019年9月20日,英國6個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)(總計5.5 GW )競標結果揭曉,報出創(chuàng )紀錄的低價(jià),比的“參考價(jià)格"低8-9英鎊/兆瓦•時(shí)。按照英國的電力市場(chǎng)機制和市場(chǎng)趨勢,這些風(fēng)電項目不但不會(huì )收取任何補貼,反而會(huì )向消費者回饋近6億英鎊。

今年以來(lái),我國光伏發(fā)電、風(fēng)電新建項目已經(jīng)被要求平價(jià)上網(wǎng)。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(fēng)電項目有望將度電成本下降到0.1元/千瓦•時(shí)。未來(lái)隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步、規模經(jīng)濟等因素,光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電成本仍然有進(jìn)一步下降的空間。根據 “碳達峰"要求,到2030年我國光伏、風(fēng)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(gè)不小的課題,但是對于以清潔能源為基礎的“碳中和"數據中心,卻意味著(zhù)巨大的發(fā)展機會(huì )。

在清潔能源產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的背景下,從經(jīng)濟角度來(lái)看,隨著(zhù)可再生電力比較火力發(fā)電越來(lái)越具有成本競爭力,“碳中和"數據中心發(fā)展的基礎條件也將日益成熟。

 

 

4 “碳中和"數據中心特征

“碳中和"數據中心是以清潔、綠色、可再生電力體系為基礎的,這不僅意味著(zhù)要使用光伏、風(fēng)電及水電等,還意味著(zhù)要通過(guò)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(dòng)性大、保障性弱的缺點(diǎn),滿(mǎn)足數據中心業(yè)務(wù)要求的完整供電體系。

“碳中和"數據中心并不絕對排斥化石能源,在可再生電力不足時(shí),允許使用化石能源,以保障數據中心電力供應。而使用化石能源產(chǎn)生的碳排放,則可以通過(guò)碳交易,實(shí)現碳柢消。

“碳中和"數據中心是建立在集成應用各種低碳技術(shù)創(chuàng )新和商業(yè)模式創(chuàng )新基礎上的?!疤贾泻?數據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,也可以充分利用電力交易市場(chǎng)購入清潔可再生電力(即綠電)。

“碳中和"數據中心要求大限度使用各類(lèi)冷能資源,以大限度提高能源利用效率,因此數據中心建設要遵從系統思考、長(cháng)期規劃、因地制宜、深入挖潛的原則。

 

 

5 “碳中和"數據中心實(shí)現路徑

“碳中和"數據中心概念圖如圖2所示,建設 “碳中和"數據中心是一個(gè)系統工程,要求在環(huán)境側、用電側、供電側等各個(gè)環(huán)節貫徹“碳中和"思想。

5.1 環(huán)境側

環(huán)境是影響數據中心能耗的重要因素,數據中心能耗中相當一部分是設備冷卻能耗。因此通過(guò)優(yōu)化選址,充分利用各類(lèi)冷能資源提高數據中心能效,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建設數據中心。

特別要強調的是,冷能資源利用也應拓寬思路。近年來(lái),我國大量進(jìn)口LNG以解決國內天然氣供應問(wèn)題,由于國內天然氣市場(chǎng)需求旺盛,規模龐大,我國已成為世界上LNG進(jìn)口大國之一。LNG進(jìn)口不僅帶來(lái)寶貴的天然氣,而且帶來(lái)了巨大的冷能資源。以江蘇省如東縣洋口港為例,該港口每年進(jìn)口約1000萬(wàn)噸LNG ,這些LNG汽化時(shí)大量吸熱,造成港口周邊數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(wú)法創(chuàng )造價(jià)值,而且影響了海洋生態(tài)。

目前沿我國海岸線(xiàn)從南到北,密集的LNG進(jìn)口終端已經(jīng)構成一條連綿的點(diǎn)線(xiàn)。其中相當一部分分布于東南沿海發(fā)達的大中城市周邊,這些城市對于數據中心有著(zhù)巨大的需求,如果能充分挖掘區域內LNG冷能資源,一定能為數據中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng )造新的模式。

5.2 供電側

實(shí)現數據中心“碳中和"是一項系統工程,數據中心供電側如何大限度開(kāi)發(fā)利用清潔可再生電力尤為關(guān)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(chǎng)有光伏發(fā)電和風(fēng)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(chǎng)地等因素 ,一般難以解決數據中心供能問(wèn)題。

二是通過(guò)電力交易市場(chǎng)購入綠電。數據中心耗電量巨大,因此多數場(chǎng)景下需要外部電力供應。如果能夠通過(guò)電力交易,購入光伏發(fā)電、風(fēng)電 、水電等“零碳綠電",可以確保數據中心的“碳中和"特質(zhì)。

三是儲能供能。在大量使用可再生電力的背景下,儲能環(huán)節對于保證數據中心用電的安全性和連續性具有特別重要的作用??山M合使用電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、制氫儲能等技術(shù)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(mǎn)足數據中心災備要求。

上述供能方式僅在此情形下,備發(fā)機組運轉時(shí)會(huì )產(chǎn)生碳排放,需采取必要的碳抵消措施。因此,數據中心*可以實(shí)現“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(shù)降低用電側能耗??傮w技術(shù)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(diǎn),大限度利用冷能資源。

 

 

6安科瑞為數據中心提供的c解決方案

6.1 精密配電管理解決方案

AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息,并可通過(guò)通訊將數據上傳到動(dòng)環(huán)監控系統,實(shí)現對整個(gè)數據機房的實(shí)時(shí)監控和有效管理,為實(shí)現綠色IDC提供可靠保證。

6.1.1交流系統

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(guò)壓/欠壓,缺相,過(guò)流,輸入分路和輸出分路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統計,實(shí)現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

2)配置方案-示意圖

 

image.png 

 

            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

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(guò)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計,實(shí)現電壓、電流、功率等參數的越限功能。

2)配置方案-示意圖

image.png 

 

             配置方案

              多功能儀表          PZ72L-DE

 霍爾傳感器          AHKC-F-  XXA/5V

 開(kāi)關(guān)電源            SBD-30  (48V)

 

 

 

產(chǎn)品規格

型號

功能

AMC16Z-ZA

AMC16Z-FAK48

AMC16Z-FAK24

AMC16Z-ZD

AMC16Z-FDK48

AMC16Z-FDK24

AMC16Z-KA

AMC16Z-KD

測量系統

交流




直流





進(jìn)線(xiàn)

電壓

/

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電流

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有功功率

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無(wú)功功率

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功率因數

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有功電能

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無(wú)功電能

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零地電壓零序電流

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漏電流

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溫度濕度

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/

/

出線(xiàn)回路

路數

2

24+24

12+12

2

24+24

12+12

48

48

電壓

/

/

/

電流

/

/

/

/

有功功率

/

/

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/

無(wú)功功率

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/

功率因數

/

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/

有功電能

/

/

/

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無(wú)功電能

/

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/

/

/

/

電力質(zhì)量分析

進(jìn)線(xiàn)回路

電壓電流總諧波

/

/

/

/

/

/

/

電流、電壓2~31次分次諧波

/

/

/

/

/

/

/

出線(xiàn)回路

電壓、電流總諧波

/

/

/

/

/

/

電流、電壓2~31次分次諧波

/

/

/

/

/

/

開(kāi)關(guān)量輸入

無(wú)源

6

/

/

6

/

/

/

24+24

有源

/

24+24

12+12

/

24+24

12+12

24+24

/

繼電器輸出

■(2路)

/

/

■(2路)

/

/

/

/

通訊

Modbus-RTU

1路

 

           型號

功能

AMC16Z-ZJY

AMC16Z-FJY

測量系統

DC240/DC336


進(jìn)線(xiàn)

電壓

/

絕緣電阻

/

出線(xiàn)回路

路數

2

12+12

絕緣電阻

/

繼電器輸出

■(2路)

/

通訊

Modbus-RTU


2路

1路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

說(shuō)明:■為標配功能。

 

配套附件

圖片

名稱(chēng)

型號

輸入

輸出

備注

image.png 

進(jìn)線(xiàn)電流互感器

AKH-0.66I

XXA

5A

測量型

image.png 

出線(xiàn)電流互感器

AKH-0.66-W-9N

50A

50mA

內孔徑Φ9mm

AKH-0.66-W-12N

100A

內孔徑Φ12mm

image.png 

AKH-0.66-W-20

200A

50mA

內孔徑Φ20mm

image.png 

AKH-0.66-W-30N

200A~400A

50mA

內孔徑31*13mm

image.png 

AKH-0.66K-φ10

50A

50mA

內孔徑Φ10mm

AKH-0.66K-φ16

100A

內孔徑Φ16mm

AKH-0.66K-φ24

200-300A

內孔徑Φ24mm

AKH-0.66K-φ36

300-600A

內孔徑Φ36mm

image.png 

AKH-0.66Z-10

50A

50mA

內孔徑Φ10mm

image.png 

AKH-0.66/EMS

50A

10mA

直接式

image.png 

霍爾電流傳感器

AHKC-F

XXA

5V

42.5*12.5

image.png 

霍爾電流傳感器

AHKC-BS

100A

5V

20.5*10.5

image.png 

直流漏電流傳感器

AHLC-LTA

10mA-2A

5V

內孔徑Φ20mm

image.png 

開(kāi)關(guān)電源

D-20

220V

±15V

霍爾傳感器配套使用

image.png 

SBD-30

±48V

±15V

圖片

KDYA-DG75-24

AC220V

DC24V

觸摸屏配套使用

 

6.2 AMB智能小母線(xiàn)管理系統

數據中心小母線(xiàn)系統是數據中心末端母線(xiàn)供配電系統的俗稱(chēng)。近年來(lái),隨著(zhù)數據中心建設的快速發(fā)展和更高需求,智能小母線(xiàn)系統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(diǎn),即插式插接箱給各個(gè)機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊,將數據上傳至動(dòng)環(huán)監控中心。

1)交流系統功能:

遙測:三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無(wú)功電能、電纜溫度,系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率;

遙信:過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、過(guò)頻率、頻率越限、零地電壓、零線(xiàn)電流、溫/濕度告警,開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘;    

2)直流系統功能:

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(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流/功率;

遙信:過(guò)電流2段閥值越限、過(guò)/欠壓、過(guò)功率告警、缺相、溫/濕度告警,開(kāi)關(guān)狀態(tài)、開(kāi)關(guān)跳閘;                             


產(chǎn)品介紹

         型號

功能

AMB100-A

AMB100-A/W

AMB110-A

AMB110-A/W

AMB100-D

AMB100-D/W

AMB110-D

AMB110-D/W

測量系統

交流





直流






電參量

電壓

電流

有功功率

無(wú)功功率

/

/

/

/

功率因數

/

/

/

/

有功電能

無(wú)功電能

/

/

/

/

電參量

零地電壓、零序電流

/

/

/

/

漏電流


電力質(zhì)量分析

電壓、電流總諧波

/

/

/

/

電流、電壓2~63次分次諧波

/

/

/

/


機柜溫度、濕度


電纜溫度

■(8路)

■(8路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

■(4路)

開(kāi)關(guān)量輸入

無(wú)源

2

2

2

2

4

4

4

4

有源

3

3

3

3

3

3

3

3

繼電器輸出

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)

■(2路)


Modbus-RTU

1路

 

 

說(shuō)明:■為標配功能。

 

 

7結語(yǔ)

首先,基于清潔可再生能源的“碳中和"數據中心發(fā)展模式,才是數據中心發(fā)展的模式,才能使數據中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展擺脫當前的被動(dòng)局面。其次,隨著(zhù)清潔可再生電力價(jià)格不斷下降,“碳中和"數據中心發(fā)展的經(jīng)濟可行性將曰益完備。再次,“碳中和"數據中心的建設與運行,是建立在全新的能源技術(shù)體系之上的。需要系統集成清潔能源技術(shù)、制冷及冷能利用技術(shù)、儲能技術(shù)、靈活電源技術(shù)等,還需要充分利用電力交易、碳交易等手段以及數據中心商業(yè)模式創(chuàng )新。后,“碳中和"數據中心的發(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值作為數據中心評價(jià)標準。

 

 

參考文獻:

1】張詩(shī)雨,朱雨萌.“碳中和"數據中心的概念、特征與實(shí)現路徑

2】鄭佩洪.高速公路數據中心機房管理現狀與展望[J].公路交通科技 ( 應用技術(shù)版 ),2019,172(04):324-326.

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

4】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版