林左鸣：数据中心响应“双碳”目标的行动策略

　　气候变化和能源问题是当前突出的全球性挑战。随着数字经济的发展,作为“耗能大户”的数据中心,在全球“双碳”背景下,如何实现绿色化转型,创新节能低碳用能模式,将成为一项现实而紧迫的任务。

　　【受访专家:林左鸣,男,福建漳州人,中国航空学会理事长。曾任中航工业集团董事长、党组书记。北京航空航天大学管理学博士,研究员级高级工程师。连续多年入选《财富》中国最具影响力的50位商界领袖排行榜。2013年获得CCTV中国经济年度人物奖,2015年入围CCTV中国十大经济年度人物奖。】

　　数字经济将催生数据中心爆发式增长

　　当今社会,信息网络与人们的生产生活息息相关。人们打电话、刷视频、上网购物、预约挂号、打车出行,以及疫情防控健康宝、行程码等等,都需要通过大数据中心进行计算处理。

　　近年来,随着互联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等技术加速创新,数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有,正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。

　　国家发改委创新和高技术发展司司长沈竹林认为,随着全社会数据总量的爆发式增长,中国已经成为全球数据资源大国,成为全球大数据应用最为活跃、最具潜力、环境最优的国家之一。

　　我国作为数字大国,中央高度重视数字经济发展。据新华社消息,中央政治局10月18日就推动我国数字经济健康发展进行第三十四次集体学习。总书记强调,要充分发挥海量数据和丰富应用场景优势,促进数字技术与实体经济深度融合,赋能传统产业转型升级,催生新产业新业态新模式,不断做强做优做大我国数字经济。

　　数据中心是数字经济的基础。浪潮信息联合全球知名科技市场研究机构国际数据公司(IDC)发布的《2020全球计算力指数评估报告》显示,计算力指数平均每提高1个百分点,数字经济和GDP将分别增长3.3‰和1.8‰。

　　数字经济将催生数据中心大批量增长。数据中心是全球协作的特定设备网络,用来在英特网络基础设施上传递、加速、展示、试算、存储数据信息。美国调查公司Synergy Research Group的统计显示,2020年12月,全球20家主要云和互联网服务公司运营的超大规模数据中心总量已达到597座,是2015年前的两倍,其中有40%位于美国,10%位于中国,日本、德国、英国和澳大利亚共占19%。据统计,近八年来,我国数据增量年均增速超过30%,数据中心也由2012年的5.1万家,增长至2019年的7.4万家,其中超大型、大型数据中心占比达12.7%,预计2025年我国数据中心市场规模将达到5952亿元。

　　“耗能大王”数据中心将迎来绿色低碳的重大转型

　　我国是世界上最大的能源生产国和消费国,2020年二氧化碳排放量达98.94亿吨,位列全球第一。中国明确提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标,受到国际社会的高度关注。

　　当前,由于种种历史原因,我国电力行业以煤电为主。2020年,我国发电总量达7779.1TWh,其中燃煤发电占63.2%、水力发电占17.0%、再生能源发电占11%、核能发电占4.7%、燃气发电占3.2%、原油发电占0.15%(数据来源可参考BP 2020报告)。可以看出,我国主要以燃煤发电为主,清洁能源发电份额不高,电力行业势必成为落实“双碳”目标的重点领域。

　　数据中心是不折不扣的高耗能“大王”。据《中国“新基建”发展研究报告》称,至2025年,数据中心将占全球能耗的最大份额,高达33%。有人把数据中心比喻为“比特”企业、“瓦特”企业,称之为高新技术产业的“优等生”,能耗大户的“坏孩子”。过去十年间,我国数据中心整体用电量以每年超10%的速度增加,2020年全国数据中心耗电量突破2000亿千瓦时,占全社会用电量的2.71%,2030年将突破4000亿千瓦时。

　　数据中心能耗主要来源于IT设备、照明系统、空调系统、供配电系统等,其中由服务器、存储和网络通信设备等构成的IT设备系统耗能占45%,散热制冷设备耗能占40%,供配电系统占10%,照明系统占5%左右。

　　高耗能就等于高排放。随着“两碳”目标的推进实施,我国传统煤炭能源将加快退出主体地位。中央提出,期间我国非化石能源消费比重将增加到20%左右,“十五五”期间将达到25%左右。在这样的背景下,高能耗的数据中心将迎来低碳排放、高效利用的绿色转型。

　　国内大型数据中心低能减排的有益探索

　　中央提出“双碳”目标后,国内大数据中心特别是头部互联网企业,围绕打造“绿色数据中心”,作了大量有益的探索。评价数据中心能耗的一个重要指标是PUE(Power Usage Effectiveness),它是数据中心消耗能源与IT负载使用的电源之比,其基准值通常少于2,越接近1表明能效水平越好,绿色化程度越高。

　　阿里千岛湖数据中心,采取湖水冷却方法降低能耗,使其年平均PUE低于1.3。千岛湖年平均气温17度,深层湖水通过完全密闭管理为服务器降温,再流经2.5公里的景观水道,最后自然冷却后再回到湖里。这套系统使数据中心90%的时间不依靠湖水之外的制冷能源,节省制冷能耗超过八成。

　　百度云计算(阳泉)数据中心,2015年光伏发电项目成功运行并完成并网发电,每年发电量约12万千瓦时,成为中国首个应用太阳能光伏并网发电技术的数据中心。目前,该中心在数据存储规模、计算能力和环保节能三个方面,均处于亚洲一流水平,有6项技术入选工信部绿色数据中心先进适用技术目录。2020年百度签约风电量较上年增长50%,达到4500千瓦时,为基础设施底座提供了绿色动力。

　　腾讯天津滨海数据中心,自2010年12月起开服,至2018年服务器总量突破10万台,是国内运行时间最长的超大规模数据中心。他们采取自然冷却、高压直流、智能调优、余热回收等技术,大力推进节能减排。利用第四代T-block技术采取更高效率的制冷和供配电架构,使拥有30万台服务器的园区一年节省2.5亿度电。机房余热通过热泵机进行升温,实现了绿色能源的办公楼采暖,每年可减少能耗标媒525吨,相当于减少1310吨二氧化碳的排放量。

　　燃气轮机:数据中心响应“双碳”目标的最优配置

　　燃气轮机全称燃气涡轮发动机,是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转换为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。

　　燃气轮机主要用于发电机组、分布式能源、电网调峰、机动电源、舰船驱动、长距离管输增压等。根据Maximize Market Research统计,2020年全球燃气轮机市场中,有约32%市值的燃气轮机应用于发电行业。

　　据了解,我国正在建设以大规模可再生能源发电为主体,安全高效的新型电力系统,但风光发电有 “靠天吃饭”的不稳定性,燃气轮机可以凭借其良好的功率爬坡能力与储能系统配合,为特定区域范围内的新型电力系统提供“增量储能”效果,在不弃光不弃风的情况下实现系统容量的稳定性和可调度性。

　　目前,全球燃气轮机市场被美国通用电气(GE)、德国西门子、日本三菱3家企业垄断。为加快推进我国燃气轮机发展,国家发展改革委和国家能源局联合印发《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》,组织了第一批燃气轮机创新发展24个示范项目,其中电力调峰项目7个、分布式能源项目13个。

　　根据前瞻产业研究院预测,2035 年全国燃气发电装机容量规模2.4亿千瓦,相当于未来15年约新增1.4亿千瓦,即需要布局约4667台30兆瓦级燃气轮机。以每台价值1000万美元进行计算,仅此项,未来15年发电用燃气轮机的市场规模将达到466.7亿美元。

　　燃气轮机作为分布式能源,可通过冷热电三联供方式,实施能源的梯级利用,综合能源利用效率在70%以上,并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式,是数据中心节能减排的优先配置。

　　据中科招商航空科技有限公司负责人田姗介绍,他们正在研发的 40兆瓦燃气轮机,可作为数据中心分布式能源,每小时提供4万度电力,超60%热转化率可用于数据中心机柜制冷,与传统能源供应方式相比,二氧化碳减排54%,节能36%。该型号的轻型燃气轮机我国拥有自主可控技术。同时,他们正在抓紧研发10兆瓦、12兆瓦、16兆瓦、25兆瓦、30兆瓦等系列型谱的燃气轮机,可应用于不同规模的数据中心,市场空间巨大。

　　随着制氢、储氢技术、燃气轮机燃烧室技术和控制技术的进步,基于氢燃料的燃气轮机将使氢能成为一种零碳排放的清洁能源、21世纪的终极能源,最终实现能源“脱碳”的梦想。

　　“双回路”模式将成为“东数西算”数据中心的用能主体

　　2020年12月16日,“国家(中卫)新型互联网交换中心”在甘肃中卫正式挂牌。与会专家认为,我国数据中心在东部城市“挤破头”趋于饱和,存在能耗指标紧张、电力成本高,大规模发展局限性大等问题,主张“东数西移、东数西储、东数西算”,让西部云基地成为聚集、聚能、聚智的创业福地、产业高地。

　　2021年5月24日,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局等四部门联合印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》,明确提出布局全国算力网络国家枢纽节点,启动实施“东数西算”工程,构建国家算力网络体系。

　　“东数西算”工程启动后,将在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝,以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏建设全国算力网络国家枢纽节点,优化我国东部地区算力资源紧张、西部地区算力需求不足的不平衡状况。新疆也将建设国家云计算数据中心和国家重要基础信息资源的战略备份基地。

　　新疆、内蒙等西部地区是我国“富气、富风、富光”地区,特别适宜发展风电、光电等清洁能源。比如新疆,截止2020年10月风电装机突破2000万千瓦,年发电量可达437亿千瓦时,相当于1400万吨标准媒的电能,减排二氧化碳3780万吨、二氧化硫11.9万吨、氮氧化合物10万吨。

　　在新疆、内蒙、甘肃、宁夏等西部地区,建设全国算力国家枢纽节点等超大型数据中心,可充分发挥西部风能、太阳能、天燃气等资源优势 ,探索建立“清洁能源+燃气轮机”双回路用能模式,确保任何一个回路出现问题,另一个回路能够顶上去。

　　其中燃气轮机机作为冷热电联供动力系统,可根据数据中心机柜数量、用能需求等,采取“小机组、多台份”级联方式灵活扩容,以实现能源利用效能最大化和最优化。

　　总之,燃气轮机具有良好的调峰性能,可与风电、光电等清洁能源组成数据中心最佳的用能模式。这种 “双回路”用能模式,符合国家“绿色集约” “节能降耗”要求,可构成覆盖电能使用效率、算力使用效率、可再生能源利用效率等指标在内的数据中心综合节能评价标准体系,扩大绿色能源对数据中心的供给,是实现“双碳”目标的实际举措和切实可能的路径。

　　(组稿:中国航空学会科技咨询委员会副主任 孟彦)

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