數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)碳中和的方式

張家燕

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

國際應(yīng)對(duì)氣候變化目前有三個(gè)法律文件，分別是《聯(lián)合國氣候變化框架公約》《京都議定書》《巴黎協(xié)定》。其中《京都議定書》明確了溫室氣體的分類即6種，其附件還明確了產(chǎn)生溫室氣體的四大類行業(yè)：能源類、工業(yè)類、農(nóng)業(yè)類、廢物類。

在聯(lián)合國大會(huì)上，中國提出在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。2021年5月18日國家發(fā)改委啟動(dòng)碳達(dá)峰碳中和政策體系研究，發(fā)布了1個(gè)指導(dǎo)意見和行動(dòng)方案，陸續(xù)出臺(tái)8個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的實(shí)施方案，8個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域包括能源（電力）、煤炭石油天然氣、工業(yè)、鋼鐵有色石化建材、交通、城鄉(xiāng)建設(shè)、農(nóng)業(yè)、城市園區(qū)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各行各業(yè)都在積極行動(dòng)。根據(jù)中信證券的分析數(shù)據(jù)顯示，我國碳排放來源的85%由能源活動(dòng)中的能源生產(chǎn)端產(chǎn)生，發(fā)電碳排放占全部碳排放的37.6%。這是由于能源活動(dòng)中大量化石能源的使用，比如目前國內(nèi)的發(fā)電仍然以火力發(fā)電為主。而數(shù)據(jù)中心行業(yè)在能源活動(dòng)中基本屬于能源消費(fèi)端，其能源活動(dòng)主要是供電部門電力能源的消耗和柴油發(fā)電機(jī)的使用，柴油發(fā)電機(jī)是用于保障數(shù)據(jù)中心不間斷供電的備用電力來源，一般不會(huì)使用，因此在火力發(fā)電為主的前提下，數(shù)據(jù)中心的碳排放絕大部分來自于供電部門電力能源的消耗。如果數(shù)據(jù)中心完全實(shí)現(xiàn)了碳中和，就可稱為“零碳”數(shù)據(jù)中心，在此之前可以先努力實(shí)現(xiàn)“低碳”。數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)碳中和的方式是本文著重研究的問題。

1 研究背景

1.1 數(shù)據(jù)中心能源困局

根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書（2022年）》，從規(guī)模上看，全球數(shù)據(jù)中心新增相對(duì)穩(wěn)定，我國保持快速增長。截止到2021年年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模近五年平均增速超過30%。從收入上看，全球市場平穩(wěn)增長，我國維持較高增速。受新基建、數(shù)字化轉(zhuǎn)型等驅(qū)動(dòng)，2021年，我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)市場收入達(dá)到1500億元左右，近三年年均復(fù)合增長率達(dá)到30.69%。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其能耗也隨之增加，數(shù)據(jù)中心面臨巨大的能源壓力。根據(jù)智研咨詢的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國數(shù)據(jù)中心用電量為1500億千瓦，占全社會(huì)用電量的2.0%。我國數(shù)據(jù)中心在能源供應(yīng)與治理方面的主要問題有：

（1）供能模式單一：能源供應(yīng)以火電為主，清潔能源發(fā)電的供應(yīng)占比較低。

（2）能耗高，電源使用效率待提升：PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）是一種國內(nèi)常用的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)。計(jì)算取所有能源與IT負(fù)載消耗的能源之比值，PUE越接近于1，表示一個(gè)數(shù)據(jù)中心電力使用效率越高，越節(jié)能。而我國的大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE值在1.5以上。

（3）余熱浪費(fèi)：數(shù)據(jù)中心運(yùn)行時(shí)排放了大量未被利用的中低品位余熱。如此，造成能源浪費(fèi)的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致“城市熱島”問題。

1.2 政策引導(dǎo)

國家近年來出臺(tái)的數(shù)據(jù)中心相關(guān)政策中，都承接了雙碳戰(zhàn)略，對(duì)數(shù)據(jù)中心能源、電能使用效率、平均利用率等提出了一系列指導(dǎo)意見。主要政策摘要如下表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心承接雙碳戰(zhàn)略相關(guān)政策

2 實(shí)現(xiàn)碳中和的主要技術(shù)

目前實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)主要有三類：

（1）“無碳技術(shù)”，指開發(fā)清潔能源技術(shù)，主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、地?zé)峁┡c發(fā)電、生物質(zhì)燃料、核能技術(shù)等。

（2）“減碳技術(shù)”，指實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)消費(fèi)使用過程的低碳，達(dá)到高效能、低排放。主要就是節(jié)能減排技術(shù)。

（3）“去碳技術(shù)”，指二氧化碳的捕集、封存及利用技術(shù)，主要包括碳回收與儲(chǔ)藏技術(shù)，二氧化碳聚合利用等技術(shù)。

數(shù)據(jù)中心碳中和采用的主要是前兩類技術(shù)，下文按照能源流動(dòng)的方向，從數(shù)據(jù)中心能源供給側(cè)、能源消耗側(cè)、能源排放側(cè)來研究“零碳”數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)方式。

3 數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)碳中和的方式

數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)碳中和不僅僅是采用幾種技術(shù)，還要配合建設(shè)方式、市場調(diào)節(jié)機(jī)制等綜合實(shí)現(xiàn)。下文按照能源流動(dòng)的方向，從能源供給側(cè)、能源消耗側(cè)、能源排放側(cè)來研究“零碳”數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)方式。

3.1 能源供給側(cè)

數(shù)據(jù)中心的碳排放絕大部分來自于供電部門火電的消耗，因此在能源供給側(cè)改變能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源使用比例是實(shí)現(xiàn)“零碳”數(shù)據(jù)中心最重要的途徑。可再生能源發(fā)電主要有風(fēng)電、水電、光伏發(fā)電等。

首先，在數(shù)據(jù)中心選址上，趨向可再生能源富集地區(qū)。一是毗鄰已有的新能源電站建設(shè)，如水電站附近。二是新能源發(fā)電自用，比如在數(shù)據(jù)中心園區(qū)屋頂排布光伏板發(fā)電。但是發(fā)電自用需要場地面積較大，不一定能夠完全滿足數(shù)據(jù)中心需要。

另一方面，風(fēng)能、太陽能等可再生能源受到季節(jié)、時(shí)段等因素的影響，具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點(diǎn)，引入電力儲(chǔ)能設(shè)備，確保電力的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵；另外，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)以后，在能源充足且超過負(fù)荷的時(shí)段可以通過給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電避免棄電。

3.2 能源消耗側(cè)

能源供給結(jié)構(gòu)調(diào)整還需要相當(dāng)長一段時(shí)間，在實(shí)現(xiàn)“零碳”數(shù)據(jù)中心之前，實(shí)現(xiàn)“低碳”數(shù)據(jù)中心是必由之路。也就是采用全方位綠色節(jié)能技術(shù)，降低PUE，提高電源使用效率，降低總體能耗。

數(shù)據(jù)中心由很多系統(tǒng)構(gòu)成：IT系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。根據(jù)一些以往數(shù)據(jù)中心運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成中IT服務(wù)器占50%以上，其他機(jī)電系統(tǒng)中，能耗占比最高的是空調(diào)系統(tǒng)，占比30%左右，可見數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點(diǎn)一方面是降低IT服務(wù)器的能耗，另一方面是降低配套空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

降低數(shù)據(jù)中心承載的IT服務(wù)器能耗的措施：除了IT設(shè)備自身元器件的升級(jí)之外，還可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型采用定制化服務(wù)器以減少不必要的配置，以及采用虛擬化服務(wù)器提供共享資源池以減少設(shè)備數(shù)量。

降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗有兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方向：一是采用自然冷源減少電力消耗，比如風(fēng)扇墻、江水、湖水利用，冷卻塔、間接蒸發(fā)冷等。因此在數(shù)據(jù)中心選址時(shí)，一些全年溫度適宜、自然能源豐富的地區(qū)更受青睞。二是將空調(diào)末端盡量貼近服務(wù)器和核心的發(fā)熱設(shè)備，這一趨勢從房間級(jí)空調(diào)到行級(jí)空調(diào)到機(jī)柜背板空調(diào)再到液冷技術(shù)體現(xiàn)得非常明顯。比如機(jī)柜背板空調(diào)以機(jī)柜為單位制冷，可以適合更高功率的機(jī)柜設(shè)備，而液冷技術(shù)將冷卻部件直接置于IT設(shè)備核心部件CPU周圍，進(jìn)一步提高了機(jī)柜的適配功率。

除了IT系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)之外，其他系統(tǒng)也有一些降低能耗的措施：配電系統(tǒng)可以采用分散就近供電降低線路損耗。運(yùn)維管理上可以引入AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)智能群控，能耗監(jiān)測、分析、管理，從而科學(xué)地節(jié)能。

總之，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能不是采用幾種技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，而是要因地制宜，采用合適的建設(shè)方式、選擇合適的節(jié)能技術(shù)，多專業(yè)配合實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性工程。

3.3 能源排放側(cè)

數(shù)據(jù)中心在進(jìn)行能源規(guī)劃時(shí)，可以結(jié)合周邊業(yè)態(tài)和用戶的能源需求，形成能源互補(bǔ)，構(gòu)建“消供型”數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)及模式（消供型數(shù)據(jù)中心：能源消耗與供給有機(jī)結(jié)合的數(shù)據(jù)中心）。

比如在園區(qū)內(nèi)建設(shè)綜合能源站，上游能源供應(yīng)可綜合現(xiàn)有電力、天然氣、光伏等，數(shù)據(jù)中心制冷后釋放的熱量進(jìn)行余熱回收，余熱回收后產(chǎn)生的中高溫水提供給周邊的辦公、商場等用戶。能源消耗與供給有機(jī)結(jié)合，能夠提高能源利用效率，減少碳排放。

3.4 市場調(diào)節(jié)

碳排放權(quán)交易：與礦石等能源產(chǎn)品一樣，碳資產(chǎn)既有商品屬性，又有金融屬性。2021年，全國碳排放權(quán)交易市場上線交易啟動(dòng)，施行配額管控，以電力行業(yè)為突破口，率先開展交易，按照成熟度逐漸覆蓋到其他行業(yè)。隨著配額分配日趨嚴(yán)格，數(shù)據(jù)中心在條件成熟時(shí)也可以通過交易手段購買排放權(quán)。

綠電交易：綠電是相對(duì)于火電而言，主要指可再生能源轉(zhuǎn)化而來的電力。通過開展綠電交易，有需要的用戶可以與風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目直接交易，以市場化方式引導(dǎo)綠色電力消費(fèi)。綠電交易可以加快清潔能源消納，在數(shù)據(jù)中心能源供給結(jié)構(gòu)完全調(diào)整到位之前，也可以采用綠電交易的方式實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

4 結(jié)束語

顯而易見，在能源供給側(cè)改變能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源使用比例是實(shí)現(xiàn)“零碳”數(shù)據(jù)中心最主要的方式。但是能源供給結(jié)構(gòu)調(diào)整還需要相當(dāng)長一段時(shí)間，在實(shí)現(xiàn)“零碳”數(shù)據(jù)中心之前，實(shí)現(xiàn)“低碳”數(shù)據(jù)中心是必由之路。這就需要采用各種方法提高能源利用效率，減少碳排放，市場調(diào)節(jié)也是一種可選方式。

數(shù)據(jù)中心由于其高能耗越來越受到社會(huì)關(guān)注，數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)碳中和可采用多種方式，也可以采用市場機(jī)制作為補(bǔ)充。在此期間，不論是已有數(shù)據(jù)中心還是新建數(shù)據(jù)中心都應(yīng)進(jìn)行自身碳盤查，評(píng)估減碳空間。也可以通過信息化手段管理能源、進(jìn)行碳排放的計(jì)算與分析，科學(xué)地指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心碳中和的具體實(shí)施。