日前,国家能源局在京召开例行新闻发布会。国家能源局能源节约和科技装备司副司长刘亚芳介绍,截至2022年底,全国已投运新型储能项目装机规模达870万千瓦,平均储能时长约2.1小时,比2021年底增长110%以上。

储能的发展可谓高歌猛进,这将影响到各行业的用电情况,对于依靠电能进行不间断运行的数据中心而言尤其如此。并且,储能与数据中心节能减碳关系越发密切,如何发展储能也成为数据中心重点关注话题。

(根据能量存储形式的不同,广义储能包括电储能、热储能和氢储能等。数据中心中供电是其正常运行的基础,因此,在储能方面,行业的关注集中于电储能,本文讨论的储能也特指电存储。)

数据中心为什么需要储能

对于数据中心而言,在当前阶段,变革能源供电形式的主要目的是稳定用电,并以此来进行节能减碳、削峰填谷,而储能在这些层面均能够发挥效用。

稳定用电上,数据中心用电可以分为应急电源与常用电源,在理论上,储能在这两方面均能够起到稳定发电的作用。一是储能可以替代柴发进行应急,作为数据中心的备用电源,能够在市电断电时,提供稳定的供电;二是储能能够成为数据中心的一路主供电源,通过并网为数据中心提供高安全性的日常供电。

节能减碳上,数据中心需要提升新能源的利用率,但太阳能、风能等常用新能源受自然因素影响大,供电并不稳定,不符合数据中心的用电需求。通过储能则可以解决这一问题,提升新能源供电的稳定性,最终,通过利用新能源供电达到减少碳排放的目的。换句话说,储能通过存储新能源为数据中心碳排放的降低提供了条件。

削峰填谷上,储能的形式决定了其可以选择性的在用电高峰放电,在用电低谷进行蓄能,具备调节作用,能够参与到电力市场调峰、辅助调频等行为中,让数据中心从中获益。

基于此,理想化的储能可以通过存储的形式,为数据中心提供稳定新能源供电,并能够将之用于应用或日常供电中,达到节能减碳、削峰填谷的目的。

值得一提的是,数据中心与储能的结合已经受到各个地方的重视,多个地方出台相关政策推动其发展。如去年10月,山东省工信厅发布了《关于深化改革创新促进数字经济高质量发展的若干措施》,文件提出,启动“风光储能+大数据中心”建设,数据中心可再生能源使用比例提高10个百分点、达到25%以上。

同样是去年10月,深圳市发改委发布公开征求《深圳市关于促进绿色低碳产业高质量发展的若干措施(征求意见稿)》意见的通告,文件指出,因地制宜布局储能设施。鼓励数据中心、5G基站、充电设施、工业园区等结合电网需求布局储能系统,对已并网投运且装机规模1兆瓦以上的电化学储能项目,按照实际放电量给予高0.2元/千瓦时的支持,每个项目支持期限3年,资助总额高300万元。

部分数据中心与储能结合发展政策整理

图:部分数据中心与储能结合发展政策整理

由此可见,数据中心与储能结合发展既有政策加持,也有行业需求,已经具备进一步发展的先行条件。

储能面临哪些挑战

数据中心与储能充分结合发展是大势所趋,但从目前的情况来看,储能依旧处于相对早期的阶段,与应用的理想状态还有一定差距,究其原因,主要是以下两点。

 1、庞大的能源存储需求

数据中心是高耗能产业,其运行需要的用电量十分庞大。以机柜数1000,单机柜2.5kW h的A级数据中心为例,其运营期间用电量可达到2500kW h。而对于备用电源的要求的负荷量还远不止于此,据《GB 50174-2017数据中心设计规范》,A级数据中心柴发燃料存储量宜满足12h用油,也就是说,如果想要储能取代柴发,成为此座数据中心的备用电源,至少需要3万kW h(即30WM h)电能储备。想要作为常用电源,需要的电量无疑更为庞大。

就数据中心自身而言,在当前阶段,进行如此巨大的新能源电能存储可谓挑战重重。

首先,数据中心通过新能源获取如此级别的电量本身便有较大难度。如分布式光伏虽然在数据中心应用较为广泛,技术也相对成熟,但其发电量存在上限,想要支撑数据中心运行还需进一步的突破;再比如氢能,其供能虽然更为高效,但利用难度大,技术要求高,在数据中心的应用上还处于实验性阶段,未达到大规模推广的条件。

其次,储能容量方面,数据中心备用电源的电量需求已经达到兆瓦级(MW),考虑到冗余配置的问题,在实际中对容量的要求可能会更高。但数据中心上的存储能力还相对较低,以广泛应用的电化学储能为例,其大多数产品的容量多数仅能应用于UPS,根据《GB 50174-2017数据中心设计规范》,A级数据中心中,当柴发作为备用电源时,不间断电源系统电池最少备用时间为15 min,依旧以机柜数1000,单机柜2.5kW h的A级数据中心为例,其存储量约为625kW h,远达不到兆瓦级别的容量要求。

再次,在建设上,储能设备是数据中心供配电的一部分,且占据空间较大,其建设必然会影响整个数据中心的规划布局,同时,并网过程流程复杂,会涉及多个不同系统的协调、兼容等。

此外,成本方面,虽然理论上可以进行削峰填谷,但投入成本也较高,这既包括采购、建设成本,也包含储能系统的运维成本。数据中心运行周期可长达20—30年,增加或者改进储能系统均需要进行长期管理,乃至需要培养专业的技术人员进行运营维护,既增加运维难度,也增加了运维成本。

2、应用安全问题

数据中心要绿色低碳发展,更要安全稳定,这就要求各个环节所运用的技术必须是成熟的,对于相关隐患也要有多种应对方案,但储能目前存在着一定的安全隐患。

以当前已经应用较多的锂电池为例,其体积小、重量轻、使用寿命长,行业对其前景普遍看好,但即便如此,其应用进程却没有如预期一样,一个重要原因就是可能存在的安全问题。甚至可以说,近年来锂电池安全事故频发。

以电动车为例,因为锂电池故障导致失火爆炸的新闻可谓屡见不鲜,锂电池已经被贴上不安全的标签。并且,锂电池在数据中心的应用还需要配套的电池管理系统筹,通过长期实践来防止热失控等,有着不低的应用难度,这也造成了应用锂电池的疑虑。相对的,铅酸电池在安全性的表现上更加稳定,应用方案也较为简便,这就导致数据中心依旧偏爱铅酸电池。

同时,储能系统的搭建也不仅仅是锂电池,还涉及到相关储能设备的建设、氢能的探索、充足能源的输出乃至微电网的构建等,均需要更加完备的安全方案。没有安全,在数据中心上,储能也就没有应用的根基。

储能发展的可行性探索方向

数据中心是与数字化息息相关的新型基础设施,安全性、稳定性是基本要求,同时市场环境下,数据中心的建设运维也需要符合企业效益。储能作为数据中心节能降碳的必要一环,在发展过程中也需要符合这些条件,同时结合储能现有特征与不足进行发展,即储能需要稳定新能源供给,并且要在安全基础上降低储能成本,提高存储容量,增强储能的供电能力。

根据现有实践与探索,满足以上条件的发展方向有两个:一是进一步提升数据中心自身储能能力;一是数据中心通过与发电站、储能站等进行多站融合的模式来提高新能源利用的稳定性、安全性。

增强数据中心自身储能能力方面,目前具有实际意义集中表现为储能容量方面的突破。如世纪互联和清华大学能源互联网创新研究院合作的“SPEAR”创新示范工程,其储能容量达2MWh,输出功率达1MW;微软在去年6月启动的燃料电池项目,其运行功率达到了3MW,已经能够满足部分数据中心的备用电源需求。

这表明通过技术的发展,数据中心储能容量能够实现质的提升,具备替代柴发的可能,不过相关项目也具备明显的实验性质,想要进行推广和应用还需进一步增强安全性与稳定性,并且在成本上也要符合市场需要。

多站融合方面,其具备资源集约、系统融合及功能互补的特征,通过此,数据中心能够有效解决自身的“短板”问题,如其中的发电站与大型储能站,能够保证新能源充足、安全与稳定,数据中心与之充分结合后,便能够解决其在大规模新能源获取与储存容量方面遇到的困难,满足数据中心对于新能源供电的要求,最终实现绿电生产、平抑峰谷、降低排放等多重目标。

值得注意的是,在多站融合的过程中,人工智能的应用与大数据分析是极为重要的一点,这是因为多站融合涉及多个系统的协调,在进行削峰填谷时,还必须具备较高的储能资源调度预测能力和聚合能力,均需要人工智能与数据分析的支撑。

目前,多地对多站融合也多有实践,如2021年12月建成的全球首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目,其建设规模为100兆瓦/400兆瓦时,可配合风电、光伏、区域电网、云计算中心等联合运行,能够较好的满足数据中心的用电需求。

去年6月开启EPC招标的山西天镇源网荷共享储能电站项目,其建设的目的便是解决新能源发电直供数据中心的波动性、随机性、间歇性问题,能够提升数据中心绿电使用比例,促进大数据产业低碳发展。

更多的储能站项目也在规划建设中,据媒体不完全统计,仅去年12月一个月份,便有约28个新型储能项目完成并网交付,其中更是包括了多个百兆瓦级容量的独立共享储能电站并网。相关政策也在增多,据资料,2021年以来,山东、湖南、浙江、内蒙等多个省份陆续出台了储能建设指导意见,鼓励投资建设共享(独立)储能电站,采用政策倾斜的方式激励配套建设或共享模式落实新型储能的新能源发电项目,为数据中心进行多站融合打下了基石。

此外,关于储能的研讨在不断增多,如2023年2月27日 - 28日,在北京国家会议中心举行的第十七届中国IDC产业年度大典中,(点击链接了解详情:http://news.idcquan.com/news/198445.shtml多位嘉宾将就能源的利用,光储直流供电系统等进行分享与讨论,通过交流沟通,有助于储能技术的发展,能够推动储能在数据中心的应用。【报名通道已开启,打开链接:http://idcc.idcquan.com/,点击注册参会,即可报名

综合来看,储能能够推动数据中心的供电稳定,可以帮助数据中心实现节能减碳与削峰填谷。而想要做到理想化的储能,需要新能源的稳定持续供给、需要具备充足的储能容量、需要更加低廉的成本、需要更加安全的供电,通过相关技术的交流与学习,将促使数据中心在存储容量、多站融合及相关技术上的探索。而在政策与行业需求的共同推动下,相信储能将迎来更进一步的发展。

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