众所周知,数据中心是耗电大户,当前全球数据中心的用电量约占总量的3%,预计到2025年总耗电量将达1000TWh以上;我国数据中心的用电量的占比也在2%以上,连续多年以超过12%的速度增长,2020年用电量突破2000亿千瓦时,预计2030年将突破4000亿千瓦时,用电量占比将达到3.7%。按国家发改委提供的数据:火电厂平均1千瓦时(1度)供电煤耗由2000年的392g标准煤降到360g标准煤,2020年达到320g标准煤。即1千克标准煤可以发3千瓦时(3度)的电,即发4000亿千瓦时的电需要1333亿千克的标准煤。而燃烧1千克标准煤会产生2.62千克的CO2、8.5克的SO2、氮氧化合物7.4克。如果数据中心全由火电厂供电,将成为碳排放的“明星”行业。
　　
　　2021年被称作“碳中和元年”,数据中心产业链上下游企业在外部多方影响及内部自身迭代的需求之下,都开始踏上碳中和之路。近一年来,关于双碳战略的政策规划、金融市场体系、新兴节能科技蓬勃发展,正加速数据中心减碳进程。其中,选择“可再生能源+储能”已经上路。
　　
　　一、国内外数据中心利用可再生能源大势所趋
　　
　　1.国外知名企业处于领先地位
　　
　　国外一些知名的企业正在转向太阳能为其运营提供动力的一种方式。当前,苹果、亚马逊、塔吉特、沃尔玛、Switch和谷歌在太阳能装机容量方面处于领先地位。
　　
　　2022年2月3日，SpaceDC宣布与全球房地产服务公司JLL达成合作，将在菲律宾大马尼拉•卡因塔(Cainta)建设一个安全、有弹性、网络丰富的绿色数据中心，该数据中心命名为MNL1。该绿色数据中心将完全使用可再生能源——风能、地热能，并计划于2022年开放。表1为全球部分互联网科技企业100%可再生能源的目标和进展。
　　
　　2.国内力挺碳中和,正在进入快速布局和发展阶段
　　
　　中共中央总书记习近平强调,实现碳达峰碳中和是贯彻新发展理念、构建新发展格局,指出,推动能源革命要立足我国能源资源禀赋,坚持先立后破、通盘谋划,传统能源逐步退出必须建立在新能源安全可靠的替代基础上。要加大力度规划建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。要坚决控制化石能源消费,大力推动煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造“三改联动”。要加快发展有规模有效益的风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等新能源,统筹水电开发和生态保护,积极安全有序发展核电。
　　
　　中共中央、国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,是我国目前出台的最顶层碳达峰碳中和工作意见,也是各方面工作开展的纲领。
　　
　　国务院《2030年前碳达峰行动方案》,是实现2030年前碳达峰的目标而提出的具体行动方案，要求包括数据中心在内的多个行业各个领域具体的实施方案。
　　
　　在“1+N”政策体系的推动下,相关部门亦积极推动数据中心领域内的减碳版图构建。《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,将推动数据中心充分利用风能、阳能、潮汐能、生物质能等可再生能源;支持数据中心集群配套可再生能源电站;扩大可再生能源市场化交易范围,鼓励数据中心企业参与可再生能源市场交易;支持数据中心采用大用户直供、拉专线、建设分布式光伏等方式提升可再生能源电力消费;保障数据中心用地和用水资源。
　　
　　腾讯在全球27个地区拥有约60家数据中心,正致力于可再生能源的使用和节能。该公司在天津的数据中心正考虑重新使用废热,如果在冬季把数据中心的废热全部回收,据悉可以削减超过5万吨二氧化碳排放。
　　
　　腾讯控股去年5月在日本设立了首家100%采用可再生能源电力的数据中心。这是腾讯在日本的第二家数据中心,将成为最先进的节能设施。部分使用可再生能源的现有数据中心未来也将全部更换成可再生能源。
　　
　　腾讯清远清新云计算数据中心分布式光伏项目,整体规划共采用450W单晶硅组件,总装机容量为约13MWp。电站采用“自发自用、余电上网”的并网方式。清远地区年峰值日照小时数为1191.3h,系统效率设计理论值80%左右,单栋厂房屋顶面年均发电量约150万千瓦时,设计年均发电量约1200万千瓦时。
　　
　　腾讯仪征东升云计算数据中心分布式光伏项目,设计年均发电量约1200万千瓦时。
　　
　　2021年11月30日,万国数据发布首份环境、社会及治理报告,提出“绿色智能基础设施连接可持续未来”的愿景,成为国内首家承诺2030年同时实现碳中和及100%使用可再生能源的数据中心企业。
　　
　　二、数据中心行业直接应用
　　
　　可再生能源主要模式数据中心行业中最流行的两种零碳排放途径是直接使用可再生能源和使用可再生能源额度(RECs),如图1所示。
　　
　　1.市场化交易直接采购可再生能源电力,使用可再生能源信用额度(RECs)
　　
　　通过电力市场直接采购可再生能源电力是指电力用户直接与可再生能源电力企业或售电公司进行交易采购可再生能源电量。国家相关主管部门正在探索建立和完善相关交易制度。在这种情况下,数据中心运营商购买可再生能源和相关的可再生能源信用额度。在可再生能源发电地远离数据中心的情况下,运营商将可再生能源转售回电网,并使用可再生能源信用额度抵消其碳排放。这是整个数据中心行业的普遍做法,也是谷歌成为全球最大可再生能源企业买家的一大原因。这种方法的好处在于,即使数据中心不一定使用可再生能源,但依然可使用可再生能源供应商来获得客户对新项目的投资。换言之,这种方法可以向电网输送越来越多的可再生能源,供大家使用。
　　
　　目前根据交易区域分为省间市场化交易和省内市场化交易方式,根据结算周期分为中长期交易和现货市场;
　　
　　根据成交方式分为双边协商、集中撮合和集中竞价等方式,根据交易频次分为季度交易、月度交易和日前交易等方式。交易量也不断增长。如2019年,由可再生能源发电企业与电力大用户通过电力交易平台进行交易的中长期交易(即“大用户直购电”),以及可再生能源与火电发电权交易组成的可再生能源省内市场化交易电量合计达571亿千瓦时,同比增长34%。
　　
　　2.直接使用可再生能源̶分布式可再生能源电站
　　
　　可再生能源(RenewableEnergy)是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源,其具有取之不尽,用之不竭的特点,属于能源开发利用过程中的一次能源。
　　
　　可再生能源对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用,主要包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能和海洋能等。
　　
　　分布式可再生能源发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则,就近发电,就近并网,就近转换,就近消纳,充分利用当地可再生能源资源,同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。一定程度上替代和减少了化石能源消费。
　　
　　2.1太阳能发电
　　
　　2.1.1光伏发电
　　
　　光伏发电指通过光伏发电系统将太阳能转化为电能的过程。通常系统主要由太阳光伏组件、汇流箱、逆变器、变压器及配电设备构成,同时再加上监控系统、有功无功控制系统、功率预测系统、五防系统及无功补偿装置等辅助系统组成一套完整的光伏发电系统。光伏发电的原理图如图2所示。
　　
　　2.1.2光热发电
　　
　　光热发电利用能源为太阳能,通过聚光器将低密度的太阳能聚集成高密度的能量,经由传热介质将太阳能转化为热能,通过热力循环做功实现到电能的转换。
　　
　　我国《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》明确将光热发电作为我国“十二五”太阳能发电科技的重点规划内容之一。国际能源署《能源技术展望2010》报告预计到2050年,光热发电的装机容量将达到10.89亿千瓦,产生的电力占总发电量的11.3%。光热发电的原理图如图3所示。
　　
　　2.风力发电
　　
　　风力发电是指把风的动能转为电能。风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
　　
　　我国风电装机规模世界第一。2021年12月,国家发改委、能源局印发了第一批以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设项目清单,建设规模总计97.05GW。1月25日,据国家能源局发布最新数据显示,2021年,中国海上风电大增。截至目前,中国海上风电累计装机规模达到2638万千瓦,超越英国,跃居世界第一。2021年的风电招标量仍处于高位,业内分析预计2022年新增装机量将在4500万～5000万千瓦之间。在业内,2022年被称为“中国海上风电平价元年”。因为期望中的平价缓冲期并未到来,大多数企业仍将面临艰难的过渡期；度电价格“腰斩”,使得国内海上风电市场进入了以“加速降本增效”为主题的全新竞争阶段。风力发电的原理图如图4所示。
　　
　　可再生能源除太阳能和风力以外,还有生物质能、潮汐能、地热能和海洋能等。由于篇幅所限,这里就不再一一介绍了。
　　
　　三、储能系统的应用
　　
　　储能系统包括能量和物质的输入和输出、能量的转换和储存设备。储能系统往往涉及多种能量、多种设备、多种物质、多个过程,是随时间变化的复杂能量系统,需要多项指标来描述它的性能。常用的评价指标有储能密度、储能功率、蓄能效率以及储能价格、对环境的影响等。
　　
　　储能主要包括热能、电能、电磁能、电化学能等能量的存储,储能技术方法见表2。储能技术的研究、开发与应用主要是以储存热能、电能为主,广泛应用于太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收以及工业与民用建筑和空调的节能等领域。
　　
　　当前,在数据中心可再生能源+储能的标配中应用最多的是蓄电池、氢燃料电池和超级电容器。
　　
　　1.蓄电池储能
　　
　　锂电池用于储能在数据中心已得到广泛应用,再加上电动汽车的发展,使其在市场内的需求不断扩增。电化学储能近年来发展迅速,全球装机规模从2012年的不到1吉瓦增长到2020年的超过13吉瓦,贡献了同期电力储能装机的主要增量,其中又以锂电池应用最广。储能锂电池就像是超大型的“电池”,在持续放电能力、响应速度和使用寿命等方面均有较大优势,可以在发电侧、用户侧和电网侧等许多场景应用。
　　
　　但目前大部分锂电池依旧在充放电循环次数、使用寿命、安全性、材料回收及其对环境的影响等方面存在问题。行业内已有很多实验室、工厂与企业着力于改进锂电池的产能、提高能量密度、增加电池寿命与改善材料。锂电池储能的投资成本也是数据中心运营商注重考虑的项目,图5给出了磷酸铁锂电池储能系统的成本构成。
　　
　　大规模锂电池工作原理图如图6所示。大规模储电电池体系的直流母线电压通常在300～900V,需要由上百个单体电池串并联组成,通常将单体电池先制作成标准的电池模块,然后多个模块串联扩展至所需的额定电压。
　　
　　2.超级电容器储能
　　
　　超级电容器是一种介于电解电容器和可充电电池之间的大容量的电容器。其电容值远高于其他电容,但受限于较窄的电压范围,它们通常是电解电容器每单位体积或质量所能存储能量的10到100倍,能够比电池更快的充放电,并且比可充电电池允许更多的充电和放电循环。
　　
　　根据其存储原理,超级电容器有三种类型:
　　
　　①双电层电容器(EDLCs),具有比电化学赝电容高的双电层电容的活性炭电极或衍生物;
　　
　　②赝电容器具有高电化学赝电容的过渡金属氧化物或导电聚合物电极;
　　
　　③混合电容器具有不对称电极,其中一个主要表现为静电电容,另一个主要是电化学电容,例如锂离子电容器。
　　
　　超级电容器会与电解电容器和可充电电池竞争,尤其是锂离子电池。表3对三种主要的级电容器系列与电解电容器和电池的主要参数进行了对比。
　　
　　3.氢燃料电池储能
　　
　　氢燃料电池是使用化学元素氢,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池实际是一种发电装置。
　　
　　微软的氢燃料电池计划基于以下考虑:柴油发电机很昂贵,而且它们在99%以上的寿命时间里都是不工作的。由于氢燃料电池的成本在过去几年中大幅下降,可以探索将其作为一种替代品。
　　
　　Azure数据中心装有燃料电池、储氢罐和电解槽,可以将水分子转化为氢气和氧气,并与电网整合,提供负载平衡服务。
　　
　　例如,在风能或太阳能生产过剩的时期,电解槽可以打开,将可再生能源储存为氢气。然后,在需求量大的时期,可以启动氢燃料电池为电网发电。
　　
　　四、结束语
　　
　　数据中心是用电大户,是实现碳中和需要重点关注的行业,利用可再生能源是必须的,可再生能源+储能是标配还是刚需,还需要国家政策的支持和技术创新的进步,但是不管今后如何发展,可再生能源+储能是可期的、极有前途的行业。
　　
　　作者简介
　　
　　曲学基,《数据中心建设+》编委会副主任,中国航天科技集团高级工程师。
　　
　　编辑：Harris