绿色创新发展研究院iGDP
随着我国数字经济蓬勃发展,数据中心耗电量快速增加,对我国电力系统低碳转型带来了新的挑战。数据中心的能源消费主要来源于IT设备以及制冷系统的电耗。根据部分研究机构的估算,目前数据中心用电量占比约占我国全社会用电量的2-3%;到2035年很可能达到4%以上。
为支持数据中心的低碳化运营和发展绿色算力,国家及多个省份已经陆续出台一系列政策文件,提出数据中心的低碳发展具体做法。
数据中心可以通过技术创新、管理优化和体制机制创新提高能效;增加可再生电力的应用比例;推广余热利用技术、积极参与电力需求侧响应等,从而实现低碳化转型。
数据中心是存放大量服务器、存储设备、交换机、路由器等网络设备设施的物理位置,是人工智能、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术重要载体。[1]我国已经明确将数据中心纳入新型基础设施范围,作为支撑新质生产力发展的重要基础设施。
图1 数据中心
近些年,随着我国数字经济发展战略深入实施数据中心用电快速增长,年均增速超过两位数。根据中国电力企业联合会发布数据[2],2018-2023年间用电量年均增长约28%;截止到2024年7月,大数据处理、云储存、云计算等互联网数据服务用电量同比增长33%。这一趋势在数据中心重点地区更为明显,例如贵州数据中心集群用电量同比增速高达43.96%。
根据多个研究机构对过去七年数据中心的电力消费量的估算,数据中心用电量约占全社会用电量的2-3%左右,2022年数据中心用电量接近湖北2023年全社会用电量;到2035年用电量占比可能达到4%,相当于河北省2023年全社会用电量。
绿色和平报告估算2018年全国数据中心总用电量为1609亿千瓦时,占全社会用电量的2.35%[3]。国网能源研究院研究估算2020年数据中心电力消费超过2000亿千瓦时,占全社会用电量的2.7%[4]。中国信通院估算[5]2023年我国数据中心在用的810万标准机架总耗电量达到1500亿千瓦时,占全社会用电量1.6%。
对于数据中心用电量未来的预测,国网能源研究院研究预测到2030年数据中心用电量将达到4000亿千瓦时,相当于用电量年均增速10%,占全社会用电量比重约3.7%左右。绿色和平、工业和信息化部和国家应对气候变化战略研究与国际合作中心2021年报告[6]预测到2035年数据中心用电量达到4505-4855亿千瓦时,占全社会用电量比重为3%-4.3%。
表1 各研究机构估算的数据中心用电量
图2 数据中心用电量历史值与预测
说明:*比重为作者根据能源局公布当年全社会用电量计算;**2023年用电量上限基于中电联增速和绿色和平报告中2018年用电量估算。
数据中心用电量剧增,对我国电力系统低碳转型提出了挑战。国家及多个省份已经出台一系列政策文件,推动数据中心的低碳化运营和绿色算力发展。
2024年7月国家发展改革委联合有关部门印发《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》(后文简称“《专项行动计划》”),提出“2025年平均单位算力能效和碳效显著提高,到2030年底,全国数据中心平均电能利用效率、单位算力能效和碳效达到国际先进水平,可再生能源利用率进一步提升,北方采暖地区新建大型及以上数据中心余热利用率明显提升”的整体目标。
《专项行动计划》的出台,进一步明确了数据中心的低碳化运营的几个主要途径实现。
首先,提升能效水平,通过提升IT设备和制冷等设备的能效,可以显著减少数据中心的电力消费和间接排放;
第二,提高可再生电力消费比例至关重要。可通过选址在可再生资源丰富的区域,建立分布式可再生发电系统并配备储能设备,或者通过购买绿电和绿证等方式减少电力间接排放;
第三,资源节约与集约利用,通过余热回收利用技术,将数据中心的废热用于供暖或其他热需求,以及参与电力需求侧管理,以支持电网可靠性与灵活性等。
图3 数据中心低碳化运营主要途径 来源:作者整理
数据中心的电力消费主要来自IT设备(服务器,存储设备,网络通信设备等),是最主要的用能设施。制冷为数据中心用能第二高的设备,制冷占总能耗的比例在10%~50%左右。其他用能设施还包括供配电系统、照明等[8,9,5]。
数据中心能效水平可通过电能利用效率以及IT设备能效指标来评估。
数据中心电能利用效率(Power Usage Effectiveness, PUE),为数据中心总耗电量与数据中心IT设备耗电量的比值,数值越小表明制冷等的能源消费占比越低。世界先进水平超大数据中心的PUE可以达到1.1或更低。[10,11]据统计[5],我国2023年全国数据中心PUE约为1.48,近十年来已有明显下降,但仍存在一定能效提升空间。
《专项行动计划》中提出“到2025年底,新建及改扩建大型和超大型数据中心电能利用效率降至1.25以内,国家枢纽节点数据中心项目电能利用效率不得高于1.2”,能效目标相较于2021年发布的《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》进一步提升。
此外,随着“东数西算”工程进一步推进,近半的枢纽位于寒冷和严寒地区,可有效降低制冷能耗。此外,大型和超大型数据中心的占比不断提升,新建数据中心PUE降低,数据中心整体能源利用水平有望进一步提升。
用来衡量IT设备能效的指标主要包括算效等。算效是算力的用电效率。相关研究[12,11]认为,随着数据中心PUE降低空间越来越小,IT设备将逐步成为能效提升关注的核心。未来主要通过引导高性能算力的部署,以及集约化和高密化建设来提升单位输出算力。[13]
案例1:阿里巴巴仁和液冷数据中心
阿里巴巴仁和液冷数据中心位于杭州余杭,采用阿里单相浸没式液冷解决方案,单栋楼可部署约3万台液冷服务器,全球首座绿色等级达5A的液冷数据中心。液冷技术等助力PUE大幅降低,设计年均PUE达到1.12,运营PUE预期为1.09,达到全球领先的能效水平。由于不需要风扇、空调等大型制冷设备,也节省了约70%用地空间,大幅降低运营噪声。
参考资料:[14,15]
《专项行动计划》中提出“到2025年底,可再生能源利用率年均增长10%;到2025年底,国家枢纽节点新建数据中心绿电占比超过 80%”。为提升可再生利用率,可以通过合理选址,将数据中心建设在电源结构更绿色低碳的地区,也可以购买绿电、绿证,或建设分布式可再生能源供数据中心使用。
一些省级地区也提出了数据中心可再生能源使用比例要求,例如山东省中提出“数据中心可再生能源使用比例达到25%以上” [16]。北京市要求项目节能报告包括可再生能源利用方案,鼓励2021年及以后新建项目可再生利用量占比按每年10%增加,不含电网既有可再生能源占比情况下,到2030年达到100%。[17]《上海市推进算力资源统一调度指导意见》提出,到2025年,新建数据中心绿色算力占比超过10%。
我国西部地区可再生资源丰富,能源成本相对较低。但和我国东部数据中心相比,建设相对晚,规模更小。[14]2020年后,数据中心开始向新疆、青海、内蒙古、贵州等地区迁移。[18]随着“东数西算”工程的推进,算力供需地理布局将进一步改变,有望推动数据中心用能结构的清洁化。[19]
案例2:中国电信(国家)数字青海绿色大数据中心
中国电信(国家)数字青海绿色大数据中心(简称“数据中心”)是我国第一个实现100%可溯源绿电供应的大数据中心。数据中心电力供应来自自建的分布式光伏配电化学储能,在自建电力供应系统无法出力时,再向大电网购买清洁电力。
数据中心充分利用青海省气候凉爽的特点,实现全年自然冷却时间长达314天,无需空调制冷,数据中心PUE值可达到在1.2以下。
参考资料:[5,20]
数据中心产生大量低品位热源,可通过余热回收利用,直接用于机房采暖,或利用热泵生产更高质量热量,用于区域供暖或生活热水生产等。数据中心消耗的电能近90%会转化为热能,有研究估算2025年数据中心余热回收后可供采暖面积超过3亿平方米,相当于北京市2022-2023采暖季供暖面积的三分之一。国外一些数据中心成功回收余热用于市政供暖,并从销售热量获得收益。但目前我国数据中心余热回收利用仍处于起步阶段,面临投资成本大、冷却介质不适宜、用热距离较远等问题的挑战。[1]
此外,数据中心可作为需求侧可控负荷,可通过直接负荷控制和蓄冷空调参与电力系统需求响应,支持当地电网的可再生消纳,并获取一定收益。[11] 江苏省2024年印发《江苏省电力需求响应实施细则》,鼓励数据中心等“具备可调节负荷的用户可通过独立户号、负荷聚合商或虚拟电厂运营商参与需求响应”。
参考文献
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