氣候變化和能源問題是當(dāng)前突出的全球性挑戰(zhàn)。隨著數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展,作為“耗能大戶”的數(shù)據(jù)中心,在全球“雙碳”背景下,如何實現(xiàn)綠色化轉(zhuǎn)型,創(chuàng)新節(jié)能低碳用能模式,將成為一項現(xiàn)實而緊迫的任務(wù)。

　　【受訪專家:林左鳴,男,福建漳州人,中國航空學(xué)會理事長。曾任中航工業(yè)集團董事長、黨組書記。北京航空航天大學(xué)管理學(xué)博士,研究員級高級工程師。連續(xù)多年入選《財富》中國最具影響力的50位商界領(lǐng)袖排行榜。2013年獲得CCTV中國經(jīng)濟年度人物獎,2015年入圍CCTV中國十大經(jīng)濟年度人物獎。】

　　數(shù)字經(jīng)濟將催生數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長

　　當(dāng)今社會,信息網(wǎng)絡(luò)與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。人們打電話、刷視頻、上網(wǎng)購物、預(yù)約掛號、打車出行,以及疫情防控健康寶、行程碼等等,都需要通過大數(shù)據(jù)中心進行計算處理。

　　近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)加速創(chuàng)新,數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有,正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P(guān)鍵力量。

　　國家發(fā)改委創(chuàng)新和高技術(shù)發(fā)展司司長沈竹林認為,隨著全社會數(shù)據(jù)總量的爆發(fā)式增長,中國已經(jīng)成為全球數(shù)據(jù)資源大國,成為全球大數(shù)據(jù)應(yīng)用最為活躍、最具潛力、環(huán)境最優(yōu)的國家之一。

　　我國作為數(shù)字大國,中央高度重視數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展。據(jù)新華社消息,中央政治局10月18日就推動我國數(shù)字經(jīng)濟健康發(fā)展進行第三十四次集體學(xué)習(xí)。總書記強調(diào),要充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場景優(yōu)勢,促進數(shù)字技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合,賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式,不斷做強做優(yōu)做大我國數(shù)字經(jīng)濟。

　　數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟的基礎(chǔ)。浪潮信息聯(lián)合全球知名科技市場研究機構(gòu)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)發(fā)布的《2020全球計算力指數(shù)評估報告》顯示,計算力指數(shù)平均每提高1個百分點,數(shù)字經(jīng)濟和GDP將分別增長3.3‰和1.8‰。

　　數(shù)字經(jīng)濟將催生數(shù)據(jù)中心大批量增長。數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò),用來在英特網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、試算、存儲數(shù)據(jù)信息。美國調(diào)查公司Synergy Research Group的統(tǒng)計顯示,2020年12月,全球20家主要云和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)公司運營的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心總量已達到597座,是2015年前的兩倍,其中有40%位于美國,10%位于中國,日本、德國、英國和澳大利亞共占19%。據(jù)統(tǒng)計,近八年來,我國數(shù)據(jù)增量年均增速超過30%,數(shù)據(jù)中心也由2012年的5.1萬家,增長至2019年的7.4萬家,其中超大型、大型數(shù)據(jù)中心占比達12.7%,預(yù)計2025年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達到5952億元。

　　“耗能大王”數(shù)據(jù)中心將迎來綠色低碳的重大轉(zhuǎn)型

　　我國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國,2020年二氧化碳排放量達98.94億噸,位列全球第一。中國明確提出力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo),受到國際社會的高度關(guān)注。

　　當(dāng)前,由于種種歷史原因,我國電力行業(yè)以煤電為主。2020年,我國發(fā)電總量達7779.1TWh,其中燃煤發(fā)電占63.2%、水力發(fā)電占17.0%、再生能源發(fā)電占11%、核能發(fā)電占4.7%、燃氣發(fā)電占3.2%、原油發(fā)電占0.15%(數(shù)據(jù)來源可參考BP 2020報告)。可以看出,我國主要以燃煤發(fā)電為主,清潔能源發(fā)電份額不高,電力行業(yè)勢必成為落實“雙碳”目標(biāo)的重點領(lǐng)域。

　　數(shù)據(jù)中心是不折不扣的高耗能“大王”。據(jù)《中國“新基建”發(fā)展研究報告》稱,至2025年,數(shù)據(jù)中心將占全球能耗的最大份額,高達33%。有人把數(shù)據(jù)中心比喻為“比特”企業(yè)、“瓦特”企業(yè),稱之為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的“優(yōu)等生”,能耗大戶的“壞孩子”。過去十年間,我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超10%的速度增加,2020年全國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2000億千瓦時,占全社會用電量的2.71%,2030年將突破4000億千瓦時。

　　數(shù)據(jù)中心能耗主要來源于IT設(shè)備、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等,其中由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等構(gòu)成的IT設(shè)備系統(tǒng)耗能占45%,散熱制冷設(shè)備耗能占40%,供配電系統(tǒng)占10%,照明系統(tǒng)占5%左右。

　　高耗能就等于高排放。隨著“兩碳”目標(biāo)的推進實施,我國傳統(tǒng)煤炭能源將加快退出主體地位。中央提出,期間我國非化石能源消費比重將增加到20%左右,“十五五”期間將達到25%左右。在這樣的背景下,高能耗的數(shù)據(jù)中心將迎來低碳排放、高效利用的綠色轉(zhuǎn)型。

　　國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心低能減排的有益探索

　　中央提出“雙碳”目標(biāo)后,國內(nèi)大數(shù)據(jù)中心特別是頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè),圍繞打造“綠色數(shù)據(jù)中心”,作了大量有益的探索。評價數(shù)據(jù)中心能耗的一個重要指標(biāo)是PUE(Power Usage Effectiveness),它是數(shù)據(jù)中心消耗能源與IT負載使用的電源之比,其基準(zhǔn)值通常少于2,越接近1表明能效水平越好,綠色化程度越高。

　　阿里千島湖數(shù)據(jù)中心,采取湖水冷卻方法降低能耗,使其年平均PUE低于1.3。千島湖年平均氣溫17度,深層湖水通過完全密閉管理為服務(wù)器降溫,再流經(jīng)2.5公里的景觀水道,最后自然冷卻后再回到湖里。這套系統(tǒng)使數(shù)據(jù)中心90%的時間不依靠湖水之外的制冷能源,節(jié)省制冷能耗超過八成。

　　百度云計算(陽泉)數(shù)據(jù)中心,2015年光伏發(fā)電項目成功運行并完成并網(wǎng)發(fā)電,每年發(fā)電量約12萬千瓦時,成為中國首個應(yīng)用太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的數(shù)據(jù)中心。目前,該中心在數(shù)據(jù)存儲規(guī)模、計算能力和環(huán)保節(jié)能三個方面,均處于亞洲一流水平,有6項技術(shù)入選工信部綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)目錄。2020年百度簽約風(fēng)電量較上年增長50%,達到4500千瓦時,為基礎(chǔ)設(shè)施底座提供了綠色動力。

　　騰訊天津濱海數(shù)據(jù)中心,自2010年12月起開服,至2018年服務(wù)器總量突破10萬臺,是國內(nèi)運行時間最長的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。他們采取自然冷卻、高壓直流、智能調(diào)優(yōu)、余熱回收等技術(shù),大力推進節(jié)能減排。利用第四代T-block技術(shù)采取更高效率的制冷和供配電架構(gòu),使擁有30萬臺服務(wù)器的園區(qū)一年節(jié)省2.5億度電。機房余熱通過熱泵機進行升溫,實現(xiàn)了綠色能源的辦公樓采暖,每年可減少能耗標(biāo)媒525噸,相當(dāng)于減少1310噸二氧化碳的排放量。

　　燃氣輪機:數(shù)據(jù)中心響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)的最優(yōu)配置

　　燃氣輪機全稱燃氣渦輪發(fā)動機,是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn),將燃料的能量轉(zhuǎn)換為有用功的內(nèi)燃式動力機械,是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。

　　燃氣輪機主要用于發(fā)電機組、分布式能源、電網(wǎng)調(diào)峰、機動電源、艦船驅(qū)動、長距離管輸增壓等。根據(jù)Maximize Market Research統(tǒng)計,2020年全球燃氣輪機市場中,有約32%市值的燃氣輪機應(yīng)用于發(fā)電行業(yè)。

　　據(jù)了解,我國正在建設(shè)以大規(guī)模可再生能源發(fā)電為主體,安全高效的新型電力系統(tǒng),但風(fēng)光發(fā)電有 “靠天吃飯”的不穩(wěn)定性,燃氣輪機可以憑借其良好的功率爬坡能力與儲能系統(tǒng)配合,為特定區(qū)域范圍內(nèi)的新型電力系統(tǒng)提供“增量儲能”效果,在不棄光不棄風(fēng)的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)容量的穩(wěn)定性和可調(diào)度性。

　　目前,全球燃氣輪機市場被美國通用電氣(GE)、德國西門子、日本三菱3家企業(yè)壟斷。為加快推進我國燃氣輪機發(fā)展,國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《依托能源工程推進燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》,組織了第一批燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展24個示范項目,其中電力調(diào)峰項目7個、分布式能源項目13個。

　　根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測,2035 年全國燃氣發(fā)電裝機容量規(guī)模2.4億千瓦,相當(dāng)于未來15年約新增1.4億千瓦,即需要布局約4667臺30兆瓦級燃氣輪機。以每臺價值1000萬美元進行計算,僅此項,未來15年發(fā)電用燃氣輪機的市場規(guī)模將達到466.7億美元。

　　燃氣輪機作為分布式能源,可通過冷熱電三聯(lián)供方式,實施能源的梯級利用,綜合能源利用效率在70%以上,并在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式,是數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的優(yōu)先配置。

　　據(jù)中科招商航空科技有限公司負責(zé)人田姍介紹,他們正在研發(fā)的 40兆瓦燃氣輪機,可作為數(shù)據(jù)中心分布式能源,每小時提供4萬度電力,超60%熱轉(zhuǎn)化率可用于數(shù)據(jù)中心機柜制冷,與傳統(tǒng)能源供應(yīng)方式相比,二氧化碳減排54%,節(jié)能36%。該型號的輕型燃氣輪機我國擁有自主可控技術(shù)。同時,他們正在抓緊研發(fā)10兆瓦、12兆瓦、16兆瓦、25兆瓦、30兆瓦等系列型譜的燃氣輪機,可應(yīng)用于不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心,市場空間巨大。

　　隨著制氫、儲氫技術(shù)、燃氣輪機燃燒室技術(shù)和控制技術(shù)的進步,基于氫燃料的燃氣輪機將使氫能成為一種零碳排放的清潔能源、21世紀(jì)的終極能源,最終實現(xiàn)能源“脫碳”的夢想。

　　“雙回路”模式將成為“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心的用能主體

　　2020年12月16日,“國家(中衛(wèi))新型互聯(lián)網(wǎng)交換中心”在甘肅中衛(wèi)正式掛牌。與會專家認為,我國數(shù)據(jù)中心在東部城市“擠破頭”趨于飽和,存在能耗指標(biāo)緊張、電力成本高,大規(guī)模發(fā)展局限性大等問題,主張“東數(shù)西移、東數(shù)西儲、東數(shù)西算”,讓西部云基地成為聚集、聚能、聚智的創(chuàng)業(yè)福地、產(chǎn)業(yè)高地。

　　2021年5月24日,國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國家能源局等四部門聯(lián)合印發(fā)《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》,明確提出布局全國算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點,啟動實施“東數(shù)西算”工程,構(gòu)建國家算力網(wǎng)絡(luò)體系。

　　“東數(shù)西算”工程啟動后,將在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝,以及貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏建設(shè)全國算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點,優(yōu)化我國東部地區(qū)算力資源緊張、西部地區(qū)算力需求不足的不平衡狀況。新疆也將建設(shè)國家云計算數(shù)據(jù)中心和國家重要基礎(chǔ)信息資源的戰(zhàn)略備份基地。

　　新疆、內(nèi)蒙等西部地區(qū)是我國“富氣、富風(fēng)、富光”地區(qū),特別適宜發(fā)展風(fēng)電、光電等清潔能源。比如新疆,截止2020年10月風(fēng)電裝機突破2000萬千瓦,年發(fā)電量可達437億千瓦時,相當(dāng)于1400萬噸標(biāo)準(zhǔn)媒的電能,減排二氧化碳3780萬噸、二氧化硫11.9萬噸、氮氧化合物10萬噸。

　　在新疆、內(nèi)蒙、甘肅、寧夏等西部地區(qū),建設(shè)全國算力國家樞紐節(jié)點等超大型數(shù)據(jù)中心,可充分發(fā)揮西部風(fēng)能、太陽能、天燃氣等資源優(yōu)勢 ,探索建立“清潔能源+燃氣輪機”雙回路用能模式,確保任何一個回路出現(xiàn)問題,另一個回路能夠頂上去。

　　其中燃氣輪機機作為冷熱電聯(lián)供動力系統(tǒng),可根據(jù)數(shù)據(jù)中心機柜數(shù)量、用能需求等,采取“小機組、多臺份”級聯(lián)方式靈活擴容,以實現(xiàn)能源利用效能最大化和最優(yōu)化。

　　總之,燃氣輪機具有良好的調(diào)峰性能,可與風(fēng)電、光電等清潔能源組成數(shù)據(jù)中心最佳的用能模式。這種 “雙回路”用能模式,符合國家“綠色集約” “節(jié)能降耗”要求,可構(gòu)成覆蓋電能使用效率、算力使用效率、可再生能源利用效率等指標(biāo)在內(nèi)的數(shù)據(jù)中心綜合節(jié)能評價標(biāo)準(zhǔn)體系,擴大綠色能源對數(shù)據(jù)中心的供給,是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的實際舉措和切實可能的路徑。

　　(組稿:中國航空學(xué)會科技咨詢委員會副主任 孟彥)

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