在国家提出了“2030年碳达峰、2060年碳中和”的双碳战略目标后,数据中心作为知名的“高能耗产业”,也开启了对实现碳中和可行道路的探寻。而伴随着数字经济的发展,云计算大数据、AI、联接等技术的广泛应用,数据中心的持续发展也势在必行。

如何在高速发展的同时,实现碳中和目标,是数据中心产业需要思考的问题。

真正的碳中和——清洁能源

即使不考虑疫情带来的加速作用,全球范围内的数字化进程已经势不可挡,我国亦是如此。新基建、数字经济等,已成为未来很长阶段内的经济发展主动力。数据中心作为新基建的重点项目、数字经济的基础设施,受到了从政府到行业的全面重视。

近年来,国家大力提倡数字新基建,并且提出了“全国一体化大数据中心”的构想,推进打造“东数西算”的数据中心建设格局。

根据科智咨询发布的《2020-2021 年中国 IDC 行业发展研究报告》显示,受新基建政策和国家数字化转型发展战略利好带动,2020年中国IDC行业快速发展,中国IDC业务市场总体规模达到2238.7亿元,同比增长43.3%。

数字经济的蓬勃发展,数据中心规模、数量的日益增长,也注定数据中心的能耗也必将水涨船高。特别是在云计算、大型互联网应用兴起的今天,数据中心的用电结构和用电模式已经发生了很大的变化。

对于云计算与大型互联网企业来说,数据中心不再是简单的IT承载设备,已经全面融入互联网的业务体系中。因此,数据中心的高效利用,也成为互联网企业控制成本的重要手段。特别在运营阶段,做到满负荷运转是大企成本追求的极致。同时,互联网企业更倾向于使用高密机架,单机柜功率往往在10kw甚至更高,是传统机柜的数倍。

华为云计算图1

因此,为云计算和大型互联网应用服务的数据中心耗电更加巨大。同时,因为各种节能技术的应用,这些数据中心的PUE值往往得到了较好的控制,极致情况下达到1.1都有可能。因此带来的一个问题是通过节能、提升能效等方式减排相对于整体的发展趋势来说,能减少的碳排放无异于杯水车薪。数据中心碳中和,必须寻找更加根本的解决方案。

要根本解决问题,就要探寻问题的本质。与钢铁、制造业等不同,数据中心碳排放的来源十分单一,除了建造阶段产生的碳排放和垃圾外,数据中心整个运营期间消耗的原料就只有电力。从某种角度讲,数据中心的本质就是将电力转化为算力,因此,数据中心实现碳中和也有独有的捷径——全面使用清洁能源。

对此,国家在政策方向上也多有引导。6月20日,国家能源局综合司正式下发《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》,拟在全国组织开展整县(市、 区)推进屋顶分布式光伏开发试点工作。数据中心作为一类耗电的大型建筑,十分适合使用分布式光伏发电来进行部分清洁能源替代。

不过,清洁能源替代,对数据中心来说并不是一项简单的工作。一方面,清洁能源供给目前并不算稳定,使用清洁能源的数据中心必须考量如何确保数据中心运营的可靠性。另一方,同样出于可靠性考虑,数据中心往往配备有规模庞大的柴发设备,清洁能源又如何取代柴发的后备作用一样是个难题。

这两个问题的答案其实也很一致,就是“锂电化”。

“锂电池”有多适合数据中心

为什么数据中心作清洁能源替代一定要使用锂离子电池(本文简称“锂电池”)?首先要从锂电池与传统主流的铅酸蓄电池区别说起。

首先从能量密度与占地面积看,锂电池显著优于铅酸电池。根据测算,同等容量下的锂电池,其体积、重量只有铅酸电池的1/3。数据中心出于稳定供电考虑,往往会配置2N甚至更高标准的UPS及电池室。在这种情况下,使用锂电池将比铅酸电池节省大概一半的占地面积——对于寸土寸金的数据中心机房来说,这将是很大的一笔成本节约。

其次,锂电池的使用寿命远超铅酸电池。一般的铅酸电池极限寿命在6-8年左右,循环次数多为500-800次。而在数据中心严苛的使用条件和标准下,真正的报废时限往往缩减到3-5年。而锂电池普遍使用寿命在10年左右,循环次数可达数千次。即使以数据中心的严格标准要求,服役寿命也可以达到8年,甚至达到和数据中心以及配套UPS系统同等寿命。

最后是使用环境更宽泛。锂电池的工作环境比铅酸电池更广泛,可以在30℃左右的环境下正常工作,同时也降低了运维管理的难度。

这些优势不仅让锂电池比铅酸电池更加适合目前数据中心的技术需求,还能够为数据中心带来进一步的好处——增加数据中心清洁能源替代的可行性。

能量密度大、循环次数多的特性,使得锂电池具备了常年“充电-放电”循环的可能性。当数据中心使用清洁能源,特别是就近使用风、光等具有波动性的绿色电力时,可以通过锂电池在电网供电能力强的时候存储电力,在供电能力下降时释放出来供给给数据中心使用,从而保证了清洁能源供给的稳定性。这一功能,在铅酸电池的体系下,几乎是不可能完成的任务。

这一特性,也常常被用作数据中心企业平衡“峰谷电价”之用——在电网用电低谷期、阶梯电价较低的时段用锂电池蓄电。在用电高峰期、阶梯电价较高的时段通过锂电池放电减少电网直供电量,进而降低用电成本。

锂电普及还待行业发力

虽然有如上种种好处,但锂电池在数据中心行业的普及度却并不如预想。根据Frost & Sullivan发布的《全球数据中心锂离子电池分析报告》显示,2020年,锂离子电池占全球数据中心电池市场的份额仅为15%。预计需要到2025年,这一比例才能显著上升至38.5%。

预计需要到2025年,这一比例才能显著上升至38.5%

目前来讲,影响锂电池在数据中心应用的主要因素有两个:成本与安全。

成本上,锂离子电池通常比铅酸电池贵1.3到2倍,不过这一情况正在好转。Frost & Sullivan预计,锂离子电池价格可能会稳步下降,到2028年,电池价格将低于$100/kWh。这一趋势将抵消对初始成本的担忧。此外,锂电池的高密度、低体积、长寿命、易运维等特性,也大幅降低了全生命周期的使用成本,抵消了初始成本投入。

另一个阻碍就是用户对锂电池安全性的担忧。由于电动汽车、电动自行车、储能站对锂电池的大规模应用,也让锂电池热失控引起的起火甚至爆炸新闻屡见报端,让大众甚至行业人士都对锂电池的安全性持怀疑态度。

毋庸置疑,目前来讲,锂电池的安全事故确实频发。不过从根源看,锂电池安全问题更是一个系统性的问题。谨慎选择锂电池种类,购买优质的锂电池产品,并且在UPS设计、电池管理、日常运维等方面协同发力,就可以很好地解决锂电池安全问题。

“锂进铅退”进行时

虽然在生产过程、报废处理等方面还是受到了一些环保方面的质疑,但数据中心行业要实现绿色能源的应用和普及,实现真正的碳中和,最终还是需要锂电池体系的支撑。产业内有远见的引领企业也一直在做相关的探索。

2020年底,谷歌宣布在比利时的超大数据中心安装首个基于锂电池的电力系统。这套系统的策略不仅仅是简单的取代铅酸电池,还将用于取代传统的柴油发电机,彻底实现清洁能源的替代。谷歌宣布,这是其走向零碳数据中心的第一步。

在国内,华为则一直在锂电UPS领域进行着耕耘,并且更加重视通过自身技术能力夯实“数字底座”,研发更适合新基建、碳中和时代需求的产品并且赋能行业,来实现全产业的进步。

据华为方面透露,目前华为在国内的数据中心UPS业务中,客户选用智能锂电UPS的比例已经高达30%,远超市场15%的占比。

华为云计算图2

华为智能锂电UPS(SmartLi UPS)以锂电特性为核心进行全面设计,为目前业界最高密度UPS,充分发挥锂电池的高密度、低体积的优势。采用华为智能锂电UPS的数据中心,相比同功率但采用铅酸电池UPS系统的数据中心可提高10%的出柜率。

在安全方面,华为智能锂电UPS在材料上采用最稳定、安全的磷酸铁锂电芯,确保热失控的情况下不起火,不产生氧气。并自带完整的三级iBMS管理单元和多重保护单元,电池模块冗余设计进一步提升可用性。此外,搭载智能化特性iPower,基于AI大数据分析,可预测风扇,电容和开关寿命,轻载下预测母排温度,变被动告警为AI预测性维护,可有效规避热失控发生。

在可用性方面,华为智能锂电UPS采用了锂电智能均压技术,新旧电池可以混用,支持分期部署,降低成本的同时增加了部署灵活性。同时在柜内实现N+1的可靠容错,增加了UPS整体的可靠性。

今年4月,华为智能锂电UPS凭借业界超高可靠性、超高功率密度、超高效率、超强智能特性,荣获InteropTokyo 2021特别奖。

相信随着华为等领跑者企业的持续创新和努力探索,锂电UPS及锂电池将迅速普及到数据中心产业中,惠及互联网基础设施。随着“锂进铅退”进程的加速,数据中心清洁能源替代也将进入加速期,助力数据中心产业碳中和的早日实现,为我国碳达峰碳中和目标实现作出积极贡献。

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