数据中心而言,稳定、持续的供电是其正常运行的基本条件。为保证电量供给,数据中心采取了多种举措,其中,市电+柴发+UPS是大型数据中心中较为主流的方式,即通过电网供电与备用电源的结合进行持续供电。近年来,数据中心还在此方面不断探索,如三路市电的应用,将变电站的第三路电源用于数据中心的备用电源。而伴随数据中心节能减碳力度的加大,尤其是“零碳”发展趋势下,提高新能源供电,将新能源供电与电网结合实现稳定供电的进程不断加快。

新能源应用于数据中心面临多重挑战

伴随产业规模的扩大,数据中心用电量在持续上升,具备巨大的消纳潜力,能够增强电网负荷侧灵活互动能力,较好的满足新能源发电面临的消纳问题,而新能源的使用又能够推动数据中心节能减碳,从这一角度看,新能源发电与数据中心可谓天生契合。

不过,新能源发电想要在数据中心上完成消纳却并不是一件易事。

风能、太阳能分布较广且总量巨大,但受地域、天气等自然环境影响较大,随机性和波动性等特点比较明显,电力输出不稳定,且能量密度低,转化效率较差,这与数据中心稳定供电的要求相悖。

氢能方面,其能源能效高,供电稳定,但在技术、安全、运输等方面有着更高的要求标准,其发展还受到技术成熟度、经济性等多重因素影响,在高度重视安全性的数据中心,广泛应用还欠缺相应的条件。

同时,数据中心运行用电耗能巨大,目前新能源供电量较难满足其需求,供需双方处于不平衡的状态,想要扩大消纳,还需要围绕数据中心,以其现有条件扩大新能源发电量,利用相关技术和解决方案提升供电效率,减少资源浪费。

由此可见,新能源发电在数据中心上应用存在一定挑战,但随着“双碳”目标临近,“东数西算”工程全面启动,降低碳排放已经成为数据中心亟待解决的问题,提升新能源使用比例不再是一个备选,而是要着重发展的必选。

如何优化新能源利用

数据中心需要的电能供给是持续、稳定的,因此,想要提高新能源使用,需要结合多种手段提升发电量,并推动新能源成为应急电源与常用电源。结合现有实践与探索,主要包括以下方式:

发电量方面,加强分布式光伏建设

数据中心涉及大量土建,尤其近年来,大型数据中心兴起,产业园建设不断增多,数据中心建筑面积动辄数万平方米,这为分布式光伏设备的铺设提供了基本条件。而分布式光伏具备就近建设、就近供电,成本较低的特点,通过大量的建设,能够较大幅度提升新能源的供电量。

目前,数据中心在此方面也展开诸多实践,并在发电量、耐用性等方面均取得了相当的成果。以中国电信安徽智算中心为例,该智算中心在机楼楼顶建设面积铺设了1000余平方米光伏晶板,装机容量为185KW,年发电量可达到19万度。设计使用年限也长达25年。

中国电信安徽智算中心(图片来源于中国电信安徽公众号)

中国电信安徽智算中心(图片来源于中国电信安徽公众号)

不过也应注意,数据中心是一个整体,任何环节的变动都会对建设、运行产生影响。分布式光伏的部署必然对建筑承重、线路等有所要求,数据中心在布置分布式光伏时,尤其是在节能改造过程中,要成分结合自身实际,通过运用BIPV(建筑光伏一体化)等技术来提升光伏能效。

应急电源方面,利用储能提高新能源供电稳定性

数据中心为保证供电的稳定,会采用电网结合应急电源的方式。其中,应急电源中,柴发应用范围最广。柴发在日常维护、使用时均会产生较多碳排放,是数据中心进行降碳的重要部分。如何开发新能源,使之能够作为稳定的应急电源也成为数据中心热门课题。想要做到这一点,便必须利用储能。(数据中心储能包括储电、蓄冷等,本文储能特指电能存储)

这也符合应急电源的性质,应急电源在绝大部分时间处于静止状态,储能设施能够利用此时间来进行风、光新能源充能。

具体来看,储能的有效布置涉及到多个方面,包括相关设备的优化,如锂电池的研发;储能方式的革新,如飞轮储能等储能方式的应用;设计建设的创新发展,储能设备是数据中心的一部分,其建设将影响整个布局,如何减小体积,增强与不同数据中心适用性均需要进行思考;储能系统在技术成熟度、成本上的保证,设置应急电源最基本的需要便是保证数据中心的平稳运行,这就要求储能技术不仅仅是先进,更重要的是成熟,且成本上符合商业效益要求,具备实施的条件。

值得一提的是,经过多项实验与测试,氢能燃料电池已经证实了其作为数据中心备用电源的可行性与可操作性。微软在此前表示已经成功部署了一套3兆瓦的氢燃料电池系统,经过测试,这套系统可以在断电长达数小时的条件下,支撑其数据中心正常运行。

常用电源方面,探索微电网提升新能源使用比率

“双碳”目标下,数据中心必须持续提升“减碳”能力,直至实现数据中心“碳中和”,即零碳。想要达成“零碳”,就必须减少数据中心主要用电部分——日常运行中的碳排放。对新能源的利用也应放在此方面,将其从照明能源、应急电源升级成常用能源,通过与电网并网运行,长时间为数据中心运行提供稳定供电。目前来看,微电网是实现这一目标过程中不可或缺的一部分。

微电网示意图(图片来源于电缆网)

微电网示意图(图片来源于电缆网)

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统,既可与大电网联网运行,也能在电网故障或需要时与主网断开单独运行。其提出是为了实现分布式电源的灵活、高效应用,解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。完整的微电网解决方案可对各种现场分布式发电资产进行智能协调,进而优化用电成本和提高电力稳定性,同时能够最大限度地利用可再生能源,实现降低碳排放目标。

在应用于数据中心时,理论上来讲,微电网能够整合冷热电联产、新能源、燃料电池和储能,具备孤网运行能力,在电网发生故障时,能够保证供电安全;同时,更具备日常输送电能的能力,在与市电电源并网运行的情况下,为数据中心供电,最大化的消纳新能源。换句话说,通过微电网,新能源能够持续、稳定为数据中心运行供电。

当然,数据中心中的微电网想要实现以上所说,需要基于三个基本条件:

一,匹配的智能化能力,应用于数据中心的微电网需要连接电网及多个设备,且能够精细化运行,可以精准把控电力需求情况,对储能侧、发电侧等实现有效调度,以减少资源浪费,实现新能源充分利用,而想要做到这一点,则依赖于高智能化,只有通过智能化手段,才能实现精准协调;

二,更低的应用成本,这主要是通过技术攻关来实现。目前,在此方面微电网已取得较多创新,以在设备及线路异常信息方面的研究突破为例,其可有效减少设备故障率,提升供电可靠性与电能质量,加强消纳能力,降低设施投资成本;

三,充足的新能源发电量及更加完善的储能系统,数据中心运行需要大量的电力,以单机柜6KW,机柜数3000架的数据中心为例,其每小时耗电将达到1.8万度,想要完全支撑起其运行,需要大规模布置新能源发电设备,将多种新能源方式与储能进行结合,其中也包括氢能等高效能能源的利用,目前,在这一点上数据中心还处于初期阶段。

以此来看,微电网的应用能够推动新能源成为数据中心常用能源,但想要真正实现还任重而道远,需要在多方面逐步进行优化升级。

数据中心也正在开展实践,迈出探索步伐,如张北云计算基地绿色数据中心新能源微电网示范项目110千伏升压站综合楼主体工程,规划在张北云计算产业基地构建由2个微电网组成的群,每个微电网内包括电源、配网、负荷三部分,升压站为这三部分共用,光伏、风电、储能发的电都经升压站主变后送出。

稳定的供电是数据中心正常运行的基础,是其持续赋能数字经济发展的关键条件,但高耗电也成为数据中心碳排放不断增加的原因。在绿色转型发展趋势下,数据中心未来的电力来源必然是以新能源为基础。这离不开电网结构的优化,新能源供电整体的提升,同样也需要数据中心也自身为基础,不断提升新能源的利用比率。而伴随着分布式新能源发电的发展,储能的优化,微电网的进步,新能源将逐步成为数据中心的常用能源,为整个数据中心提供稳定供电。并且伴随相关解决方案实践的逐步深化,数据中心也有望参与到电力市场中,配合电网调峰向电网送电,从耗能大户成为新能源电力的市场供给方。

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