数据中心用能及新能源利用探讨

钟志鲲

（普洛斯企业发展（上海）有限公司，上海 200120）

1 全国电能基本情况

截至2021年末，我国全国发电装机容量为2.380×109kW，而著名的三峡水电站的装机容量为2.250×107kW，全国发电总装机容量与三峡电站装机容量比约为100∶1（用三峡电站为一个基本单位比较容易理解全国用能情况）。2021年，我国全年发电量为 8.1×1012kW·h，用电量为 8.3×1012kW·h，用电量缺口为 2.0×1011kW·h。

近年来，我国电能总量一直处于增长态势，与我国经济发展的实际情况相符，充分阐释了用能与发展一致的基本逻辑。在用电需求与供给能力之间的差距逐步扩大时，新建发电站、提高现有装机容量的利用率、增加分布式发电的占比等措施对于统筹全国发电与用电的平衡起到重要作用。同时，开源与节流并行也是较好的解决方法之一，可以通过电网传输损耗的减少来增加终端可用电量。

2 新能源的发展情况

所谓新能源并没有明确定义，只是区别于传统能源。许多列入新能源的技术都已经历经多年的研究，只是截至目前未被规模利用或者限于现有的技术条件无法规模扩大使用，如氢能、生物质能等。核能、光伏、风电的社会接受程度比较好，在能源体系中的占比逐步扩大，成为主流的新能源。新能源在具备绿色低污染特性的同时，也存在非常明显的缺陷，需要在系统匹配和技术弥补上做大量工作。例如，以电传输分配为核心的供电体系中风光发电占比超15%后，电网调控会非常困难。在大电网的发电结构中，不同组分的特性和占比如表1所示。

表1 2021年全国发电结构

风光系统近年有长足发展，装机功率占比已经突破20%，但发电率不高。现阶段最现实的问题是是确定风光发电技术作为新能源的主要方向，加大科研能力以突破利用中的技术壁垒，同时在实践应用中不断发现问题并给予改进。

3 数据中心的配电结构与能源利用

2021年，中国数字经济规模已经达到39.2万亿元，数据中心的发展对带动社会经济发展起到重要作用，但是其集中、巨量消耗能源的情况也倍受社会关注。在多年的互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）市场经营过程中，数据中心基础工作的两个核心是安全与节能，且安全优先于节能。虽然可以将两者统筹考虑，但超出安全底线的问题必须坚持原则。数据中心能源关系如图1所示。

图1 数据中心能源关系

机房负荷可以分为A、B、C这3类，分别用不同的供电协调结构进行有效保障，同时匹配不同可靠性的供冷系统进行冷却保障。系统冗余造成的能耗是无法规避的事实，合理降低是必要的，但杜绝这部分能耗几乎不可能。截至统计，全国建成的数据机架数量为520万架左右，其中60%以上分布于我国的东部地区。虽自2021年底开始进行“东数西算”的全国整体布局调整，但真正能完成可能需要许多年。对于这样一个能源需求密度高、冷热严重对冲、又对现代社会具有极其重要作用的产业，如何理性认知依旧是一个重大课题。

2021年，中国传统IDC业务市场规模达到1 201.9亿元，同比增长20.9%[1]。预计未来3年，中国传统IDC业务市场规模将以18.8%的速度持续增长，到2024年市场规模预测将达到2 013.4亿元。历经多年的技术改进和实践，绝大多数的机房已经将电源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）从 1.8 甚至更高逐步下降为1.4左右，在降低不必要的能耗方面进行了许多有益的尝试并进行规范化。但IDC最核心的框架性节能路径应该还是两条主线：一是提高单能耗下的算力能力，即提高服务器能力和利用率；二是适度控制IDC发展规模，空置的数据中心即使不通电也是一种浪费。

4 政策对数据中心用能的影响

自2006年以来，我国CO2排放量超过美国，已经连续多年成为全球最大的温室气体排放国。2019年我国CO2排放量为101.75亿t，与美国、印度、俄罗斯以及日本CO2排放量之和相当。2020年，我国向全世界承诺的“碳达峰”和“碳中和”目标对数据中心的发展也起到重要的引导作用。2021年10月11日，国家发展改革委发布《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》、北京市发展和改革委员会发布《关于印发进一步加强数据中心项目节能审查若干规定的通知》、上海市经济和信息化委员会与上海市发展和改革委员会联合发布《上海市工业和通信业节能降碳“百一”行动计划（2022—2025）》等相关政策，对数据中心的无序发展形成强大的制约[2]。各地区的政策不完全一致，包括限建、限能、超限处罚、退出以及电费上涨等多重杠杆调控，以控制IDC有序发展。

电价政策的调整一方面增加了数据中心的用能成本，另一方面也是以价格杠杆来加速节能和多能源解决方案在数据中心的落地执行。增大的电价差使得分布式光伏、储能、三联供等发电技术以及液冷、蒸发冷却、氟泵等冷却节能技术的投资回报能力增强，用户使用这些技术的意愿增强。数据中心在未来的终极目标，电能来源应该是离网的自发电（电网只作安全后备），冷源应该是去机械制冷。

5 关于绿电

绿电的定义并不唯一，在不同的政策背景下范畴有所差别。数据中心常见的绿电基本就是光伏和风电，而且分布式光伏还不能纳入绿电交易范畴。由于目前缺乏权威部门的指导和解释，许多概念在实际应用中出现比较大的混淆和争议，对于推动绿电的发展是不利的[3]。

鉴于此，行业并不明确指明新能源的发展方向，仅能以探索方式进行分布式光伏、储能、采购绿电等方式改变目前的用能方式，而采购绿电方式也仅仅是社会责任的一种体现，并未根本改变用能方式的本质变化。笔者以为，对类似数据中心这样的终端电力用户而言，光储一体系统、氢能系统可能是今后很长时间内为数不多的具有可行性的新能源技术方向。

6 储能技术

无论是电动车辆、电网储能站、终端的电子设备，甚至行业内使用多年的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统和高压直流系统都是储能内在需求的实现技术。任何生产与消耗不能做到完全匹配的体系，都必须设置一个中间储存的环节。在储能系统出现前，数据中心已经大量使用铅酸蓄电池和发动机柴油，并积累了大量的经验和方法来规避存在的风险。数据中心储能的作用如图2所示。

图2 数据中心储能的作用

数据中心采用储能的意义非常多，但用户往往只关注其经济性，并将其安全性默认为劣势评价，仅以此狭义方式评价一定会得到否定的决策。储能作为分布式光伏的最佳搭档，可以成为园区电力的核心，从技术层面逐步解决其存在的风险存在可行性。例如在蓄电池选择上，可以选择传统铅酸电池或磷酸铁锂电池，在经济性和安全性上达到目前的要求。储能系统各类电池对比如表2所示。

表2 储能系统各类电池对比

7 数据中心与其他新能源技术的耦合

分布式光伏由于其独特的孤岛运行特性和易于部署的特性，很容易引入数据园区，输出绿色电能[4]。氢能源虽处于起步阶段，但随着质子交换膜技术的国产化和逐步成熟以及产业链的逐步完善，加上用户侧绝对无污染的特性，使得氢能成为数据中心用能又一优选，亟需在氢气的产、储、运、加等产业环节上获得突破性进展。蓄冷、余热利用等技术，也是可以突破的技术方向。若这些技术能够实现大规模的商业应用，也会纳入新能源的概念。此外，数据中心可以依据电网的峰谷特性在需要时进行开启和关闭，其动辄几兆瓦的容量完全可以成为大电网的虚拟负载，形成虚拟电厂[5]。

8 结 论

新能源、数据中心的潜在市场很大，而且两者存在一定的关联关系，目前鲜有企业能将两者紧密耦合，还缺乏成功的示范项目案例。新能源技术实现并不困难，但在数据中心的应用并不成熟，仍旧需要新技术突破和现有技术的应用经验积累。在数据中心引入更多的新能源技术，能够打破依靠电网供能的方式，构建分布式绿色供能模式，形成良好的社会效应。