数据中心能源系统改造应发挥综合能源系统潜力
发布者:admin | 来源:王永真 高峰 张靖 | 0评论 | 1011查看 | 2020-01-30 10:39:47    

数据中心在支撑“云大物移智链”技术改造能源系统的同时,全年保持不间断运行,其能耗强度极高。在燃煤发电供应模式下,数据中心的高速发展导致能源极大消耗,增加数据中心运行成本的同时,也产生大量污染物。


因此,数字经济下,数据中心的能源供应优化方案将成为焦点。一方面要降低负荷侧数据中心本身能耗,另一方面要多使用绿电。在夏热冬暖、经济发达地区,天然气分布式能源更加适用于数字中心。同时,对于数据中心能源供应的顶层设计,应发挥好综合能源系统的潜力。


“云大物移智链”趋势下的数据中心能耗将快速增长


2019年10月24日,中共中央政治局针对区块链技术发展现状和趋势进行了集体学习,并肯定了区块链技术在经济发展和产业创新中的重要地位。事实上,区块链同“云大物移智”、5G技术一并,将与实体经济不断深度融合,是建设网络强国、数字中国、智慧社会,发展数字经济、共享经济,培育新增长点、形成新动能的重要支撑。而借助“去中心化”和“分布式账本”的理念,区块链能够被各行各业应用于解决“数字经济”下数据管理与交易的诚信问题,将助推“数字经济”的快速健康发展。


而“云大物移智链”技术在金融、物流、能源、交通、公益、教育、版权和保险等行业的广泛应用,也存在诸如存储空间有限、处理数据量剧增导致能耗升高等问题。数据中心作为“云大物移智链”技术的主要运营载体,是数字经济发展的重要基础设施,其在存放海量数据的同时,也为网络计算提供必要的管理与计算。


数据中心在支撑“云大物移智链”技术改造能源系统的同时,全年保持不间断运行,其能耗强度很高。作为能源行业解决方案从业者,除了关注区块链对能源系统的改造外,也需要从能源消费与供应视角关注区块链能耗需求的发展趋势,以及何种能源系统可支撑数据中心因应用区块链而带来的能源消耗。


近十年来,在数字化浪潮下,数字经济的发展对超大规模数据中心、高性能计算和存储、高速无损网络等技术的研发,提出了更高要求,数据中心的数量和能耗也持续快速增长。《全国数据中心应用发展指引2018》显示,截至2017年底,我国在用数据中心的机架总规模达166万架,比2016年增长了33.4%。超大型数据中心共计36个,机架规模达到28.3万架;大型数据中心共计166个,机架规模达到54.5万架;《点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》显示,2018年我国数据中心总用电量约160TWh,比上海市2018年全社会用电量还多,已占我国全社会用电量的2.4%。


作为比特币的底层技术,去中心化、分布式账本的区块链被很多人认为是打破信息孤岛、降低数据管理成本,进而改变商业生态的未来技术。随着信息系统冗余度的增加,数据中心的存储和交易量也将随之增长,相应的能耗将不断提高。据统计,区块链1.0的比特币模式,单个交易数据量虽仅为250b,单次存储、交易能耗却高达652kWh。据预测,2023年我国产生的数据量或达10ZB,假设部分数据要应用“区块链技术”上链存储与交易,粗略估计,如前述1/220比例的数据量通过数据指纹的形式上链,那么,2023年中国区块链技术的应用将新增能耗约536TWh,将占到2023年我国电力预测消费的5.8%,是届时区块链技术未实现规模应用下的数据中心预测能耗的2倍左右,此时数据中心的总能耗将占到2023年全社会电力消费的8.8%。实际上,2010年,信息通讯技术领域消耗的能源已经占据了德国总能耗的11%。总的来说,作为发展中国家,我国正处于“互联网+”带动的数字经济加速发展期,特别是区块链的应用,我国数据中心的能耗问题也必将越来越突出。因此,需要重视数据中心的能耗问题,寻找合理的低成本、可持续的数据中心能源供应解决方案。


现有数据中心能源供应与消费存优化空间


数据中心一般由所在地电网或专用的发电设施提供电能,且多基于燃煤发电模式。电能主要用于IT系统及设备、空调散热系统、照明设备等三个部分。据《全国数据中心应用发展指引2018》报告,全国在用超大型数据中心平均PUE为1.63,大型数据中心平均PUE为1.54。


传统的数据中心有四大用能特征。


一是能耗强度高。数据中心机架的额定负荷在2kW到8kW之间,一个大型数据中心的机架数量可达3000个以上。数据机房单位面积能耗约为800-1000W/㎡,能耗成本也是数据中心运行成本的主要部分。


二是冷负荷需求较大。机架主机消耗的电能95%以上变成了热能,加上其它建筑冷负荷,为了保障主机的安全运行,需要大量的冷能来维持数据中心的恒温恒湿环境,数据中心的热(冷)电比往往在1左右,甚至大于1。


三是供能可靠性要求高。数据中心几乎需要全年不间断运行,对电能、冷能供应的安全性要求极高,一般需要2路以上市电供应以及大量不间断电源做备用。


四是用能负荷及热电比稳定。数据中心能量一般用于较为恒定的计算量及空调系统,表现出全年及典型日较为稳定的负荷特征,同时空调冷负荷能耗与其他电力的能耗之比恒定。


在燃煤发电供应模式下,数据中心的高速发展导致能源极大消耗,增加数据中心运行成本的同时,也产生大量污染物。如,2018年全国数据中心使用火电约为117TWh,造成SO2排放23436吨,NOx22264吨,CO29855万吨。


因此,数据中心的能源供应优化方案成为焦点。


一方面要降低负荷侧数据中心本身能耗。包括采用更节能的机架、服务器及机组运行策略和配电系统,空调散热系统能耗的优化,自然或免费冷源的使用。


另一方面要多使用源侧清洁、绿色的电力。我国贵州“数字经济”近几年的快速发展,也离不开其“凉爽、多水”的生态环境和能源资源优势,给数据中心的布置创造了天然的优良条件。


原因之一是贵州全年气温适中,夏季较为凉爽,喀斯特地貌丰富,可以降低数据中心的空调能耗和成本。


原因之二是丰富的水力资源以及较低的水电成本,降低了数据中心的耗电成本,为大数据及其相关企业的发展降低了运营成本。而对于在北方需要供暖的地区,可采取直接或间接的方式对数据中心的余热进行回收利用。


天然气适用于为夏热冬暖、经济发达地区数据中心供能


位于夏热冬暖地区的广东省,是我国未来城市发展、数字经济发展的先行区,社会发展程度高,能源需求大且能源资源禀赋不足。


但相对于贵州,广东省,特别是粤港澳大湾区的大数据产业则没有上述“凉爽、多水”和“低成本绿电”的比较优势,且粤港澳大湾区地处夏热冬暖地区,能源供给对外依存度极高。这会导致数据中心的空调负荷、PUE值、运营电力成本都较高。


同时,不同于贵州,粤港澳大湾区经济发展指数高、城市化发展程度高,数据中心周边也存在大量的工业、办公及居民用能负荷刚需。同时此类经济发达地区往往也是“数字经济”规模比较靠前的区域。如继续按照原有数据中心市电供应方式,粤港澳大湾区数据中心的电力供应将会越来越紧张。


进而,构建匹配夏热冬暖负荷特性、计及数据中心用能特征的园区能源供应系统,也将成为粤港澳大湾区高质量可持续发展的基础保障。综合能源系统就是通过能源的梯级利用、综合利用、耦合互补和互联互济等方式,实现区域用户能量的高效、清洁、经济和可靠供应。从综合能源系统效率来讲,天然气分布式能源系统效率高,特别适合热电比稳定且适中的数据中心的负荷特征。


进而,应结合当地资源优势,因地制宜,构建基于天然气分布式能源系统、匹配资源和负荷特征的数据中心综合能源系统。


相较于传统的电力分供系统,构建的数据中心综合能源能源系统具备七大特点:


一是系统就近布置,采用天然气发电,余电可上网,是电力供应紧张、电网容量不足区域新建用电强度极高数据中心的优选方案。


二是系统分布式就近布置,可孤网运行,能源供应可靠性高,可提高数据中心能源供应抗风险能力,符合数据中心用能的可靠性要求。


三是能量梯级利用,既发电又供冷,且系统输出热电比与数据中心负荷热电比较匹配,供需之间损失小,系统综合能源利用效率可达70%以上,符合区域发展的高效原则。


四是系统运行清洁环保,天然气分布式能源系统的年碳排放以及污染物较煤电分供排放低,符合区域清洁发展的环保倡议。


五是与煤电以及绿电分供系统相比,天然气分布式能源系统投资虽高,但年运行费用低,保证了有效的投资回报率,降低了数据中心的运行成本,具备经济可行性。


六是系统运行灵活,可作为电网的调峰电源,并可设置储冷、储电等单元,结合当地分时、梯级电价以及天然气成本进行灵活运行。


七是具备良好的扩展互动功能,可与周边用能单元集成,共筑能源互联网生态,实现区域能源参与者的友好互动、多方共赢。



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▲ 基于天然气联供的数据中心综合能源系统供能示意图


因此,如上图所示,当地数据中心能源系统基于天然气分布式能源系统,并引入原动机烟气余热回收有机朗肯热功循环和低品位热能利用的地源热泵系统,与电网供电和电压缩制冷相结合,构建天然气多能互补冷热电综合能源系统,将有力支撑数据中心及其周边区域的冷、热、电需求,保证综合能源系统较好的能量、经济、环境和社会效益。


用综合能源系统做好数据中心能源供应“顶层设计”


实际上,虽然我国天然气大量依靠进口,但就国际天然气市场来看,天然气的资源端和供应端都是宽松的。自2016年以来,国家发布了相关政策鼓励天然气分布式能源在数据中心的应用。如,上海腾讯青浦数据中心的天然气分布式能源系统的供电量占整个数据中心供电量的39%,制冷量占到30%。但由于气价波动、气源供应、运行设计以及系统性规划的缺乏,以及对天然气分布式能源系统性能评价认识的不足,部分项目实际运行的效益也受到了一些争议,面临着气价波动、规划不合理导致设备利用率和系统经济效益低的问题。


因此,在数据中心规划前期,有必要统筹规划,因地制宜,基于天然气分布式能源及绿色电力供应,打造天然气与绿色电力的多能互补综合能源系统,做好数据中心能源供应的“顶层规划”,才能有助于数据中心的高效、绿色、经济和可靠运行。将分布式能源系统提前纳入园区基础设施一体化建设规划,同时能源服务企业提前介入,有利于提升园区专业化高质量全生命周期的能源服务,提升园区环境品质和用户舒适度同时,对招商引资具促进作用。基于天然气分布式能源,打造面向数据中心及其园区的多能互补综合能源系统的“顶层设计”。


在规划前期,做好相似负荷特征数据中心用能系统的案例调研,结合区域发展总规及控规(天然气管网、LNG门站和电网规划、绿电发展规划),从能的“量”和“质”视角,做好数据中心内部余热资源及其周边负荷特征、资源品质以及时空分布的辨识。在概念阶段,结合天然气分布式能源系统、余热回收系统、多能互补综合能源系统及能源互联网的基本特征,基于网络耦合及启发式方法,统筹冷、热、电、气等能源供应设备的转化特性,架构满足计及数据中心及其周边能源负荷需求的能源供应拓扑。


在综合规划方面,确定数据中心用能的边界及约束条件。考虑灰色模型及能源价格,制定系统运行策略,基于能源枢纽规划方法,进行计及数据中心的综合能源系统的系统配置(容量及数量)、能量-经济-环境的多属性综合评价与比选,避免设备利用率低的问题。在场景刻画上,基于业主、政府、社会等多用户需求,基于区域供能短、中、长期规划及情景分析,设计考虑运营环境及用户感受的供能价格体制,刻画计及数据中心的多能互补综合能源系统物理层、信息层和应用层的技术场景、建设模式和服务模式。


(作者均供职于清华大学能源互联网创新研究院)

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