數據中心實現碳中和的方式

張家燕

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

國際應對氣候變化目前有三個法律文件，分別是《聯合國氣候變化框架公約》《京都議定書》《巴黎協定》。其中《京都議定書》明確了溫室氣體的分類即6種，其附件還明確了產生溫室氣體的四大類行業：能源類、工業類、農業類、廢物類。

在聯合國大會上，中國提出在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標。2021年5月18日國家發改委啟動碳達峰碳中和政策體系研究，發布了1個指導意見和行動方案，陸續出臺8個重點領域的實施方案，8個重點領域包括能源（電力）、煤炭石油天然氣、工業、鋼鐵有色石化建材、交通、城鄉建設、農業、城市園區。

為了實現這一目標，各行各業都在積極行動。根據中信證券的分析數據顯示，我國碳排放來源的85%由能源活動中的能源生產端產生，發電碳排放占全部碳排放的37.6%。這是由于能源活動中大量化石能源的使用，比如目前國內的發電仍然以火力發電為主。而數據中心行業在能源活動中基本屬于能源消費端，其能源活動主要是供電部門電力能源的消耗和柴油發電機的使用，柴油發電機是用于保障數據中心不間斷供電的備用電力來源，一般不會使用，因此在火力發電為主的前提下，數據中心的碳排放絕大部分來自于供電部門電力能源的消耗。如果數據中心完全實現了碳中和，就可稱為“零碳”數據中心，在此之前可以先努力實現“低碳”。數據中心實現碳中和的方式是本文著重研究的問題。

1 研究背景

1.1 數據中心能源困局

根據中國信息通信研究院發布的《數據中心白皮書（2022年）》，從規模上看，全球數據中心新增相對穩定，我國保持快速增長。截止到2021年年底，我國在用數據中心機架規模近五年平均增速超過30%。從收入上看，全球市場平穩增長，我國維持較高增速。受新基建、數字化轉型等驅動，2021年，我國數據中心行業市場收入達到1500億元左右，近三年年均復合增長率達到30.69%。隨著數據中心規模的不斷擴大，其能耗也隨之增加，數據中心面臨巨大的能源壓力。根據智研咨詢的數據顯示，2020年中國數據中心用電量為1500億千瓦，占全社會用電量的2.0%。我國數據中心在能源供應與治理方面的主要問題有：

（1）供能模式單一：能源供應以火電為主，清潔能源發電的供應占比較低。

（2）能耗高，電源使用效率待提升：PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）是一種國內常用的數據中心電力使用效率的衡量指標。計算取所有能源與IT負載消耗的能源之比值，PUE越接近于1，表示一個數據中心電力使用效率越高，越節能。而我國的大多數數據中心的PUE值在1.5以上。

（3）余熱浪費：數據中心運行時排放了大量未被利用的中低品位余熱。如此，造成能源浪費的同時，還會導致“城市熱島”問題。

1.2 政策引導

國家近年來出臺的數據中心相關政策中，都承接了雙碳戰略，對數據中心能源、電能使用效率、平均利用率等提出了一系列指導意見。主要政策摘要如下表1所示。

表1 數據中心承接雙碳戰略相關政策

2 實現碳中和的主要技術

目前實現碳中和的技術主要有三類：

（1）“無碳技術”，指開發清潔能源技術，主要包括風力發電、太陽能發電、水力發電、地熱供暖與發電、生物質燃料、核能技術等。

（2）“減碳技術”，指實現生產消費使用過程的低碳，達到高效能、低排放。主要就是節能減排技術。

（3）“去碳技術”，指二氧化碳的捕集、封存及利用技術，主要包括碳回收與儲藏技術，二氧化碳聚合利用等技術。

數據中心碳中和采用的主要是前兩類技術，下文按照能源流動的方向，從數據中心能源供給側、能源消耗側、能源排放側來研究“零碳”數據中心實現方式。

3 數據中心實現碳中和的方式

數據中心實現碳中和不僅僅是采用幾種技術，還要配合建設方式、市場調節機制等綜合實現。下文按照能源流動的方向，從能源供給側、能源消耗側、能源排放側來研究“零碳”數據中心實現方式。

3.1 能源供給側

數據中心的碳排放絕大部分來自于供電部門火電的消耗，因此在能源供給側改變能源結構，提高可再生能源使用比例是實現“零碳”數據中心最重要的途徑?？稍偕茉窗l電主要有風電、水電、光伏發電等。

首先，在數據中心選址上，趨向可再生能源富集地區。一是毗鄰已有的新能源電站建設，如水電站附近。二是新能源發電自用，比如在數據中心園區屋頂排布光伏板發電。但是發電自用需要場地面積較大，不一定能夠完全滿足數據中心需要。

另一方面，風能、太陽能等可再生能源受到季節、時段等因素的影響，具有不穩定和不連續的特點，引入電力儲能設備，確保電力的安全穩定已成為可再生能源充分利用的關鍵；另外，配置儲能系統以后，在能源充足且超過負荷的時段可以通過給儲能系統充電避免棄電。

3.2 能源消耗側

能源供給結構調整還需要相當長一段時間，在實現“零碳”數據中心之前，實現“低碳”數據中心是必由之路。也就是采用全方位綠色節能技術，降低PUE，提高電源使用效率，降低總體能耗。

數據中心由很多系統構成：IT系統、空調系統、供電系統、智能化系統、消防系統等。根據一些以往數據中心運營數據統計，數據中心能耗構成中IT服務器占50%以上，其他機電系統中，能耗占比最高的是空調系統，占比30%左右，可見數據中心節能的重點一方面是降低IT服務器的能耗，另一方面是降低配套空調系統的能耗。

降低數據中心承載的IT服務器能耗的措施：除了IT設備自身元器件的升級之外，還可以根據業務類型采用定制化服務器以減少不必要的配置，以及采用虛擬化服務器提供共享資源池以減少設備數量。

降低空調系統的能耗有兩個實現方向：一是采用自然冷源減少電力消耗，比如風扇墻、江水、湖水利用，冷卻塔、間接蒸發冷等。因此在數據中心選址時，一些全年溫度適宜、自然能源豐富的地區更受青睞。二是將空調末端盡量貼近服務器和核心的發熱設備，這一趨勢從房間級空調到行級空調到機柜背板空調再到液冷技術體現得非常明顯。比如機柜背板空調以機柜為單位制冷，可以適合更高功率的機柜設備，而液冷技術將冷卻部件直接置于IT設備核心部件CPU周圍，進一步提高了機柜的適配功率。

除了IT系統和空調系統之外，其他系統也有一些降低能耗的措施：配電系統可以采用分散就近供電降低線路損耗。運維管理上可以引入AI技術實現空調智能群控，能耗監測、分析、管理，從而科學地節能。

總之，數據中心的節能不是采用幾種技術就能夠實現的，而是要因地制宜，采用合適的建設方式、選擇合適的節能技術，多專業配合實現的系統性工程。

3.3 能源排放側

數據中心在進行能源規劃時，可以結合周邊業態和用戶的能源需求，形成能源互補，構建“消供型”數據中心綜合能源系統及模式（消供型數據中心：能源消耗與供給有機結合的數據中心）。

比如在園區內建設綜合能源站，上游能源供應可綜合現有電力、天然氣、光伏等，數據中心制冷后釋放的熱量進行余熱回收，余熱回收后產生的中高溫水提供給周邊的辦公、商場等用戶。能源消耗與供給有機結合，能夠提高能源利用效率，減少碳排放。

3.4 市場調節

碳排放權交易：與礦石等能源產品一樣，碳資產既有商品屬性，又有金融屬性。2021年，全國碳排放權交易市場上線交易啟動，施行配額管控，以電力行業為突破口，率先開展交易，按照成熟度逐漸覆蓋到其他行業。隨著配額分配日趨嚴格，數據中心在條件成熟時也可以通過交易手段購買排放權。

綠電交易：綠電是相對于火電而言，主要指可再生能源轉化而來的電力。通過開展綠電交易，有需要的用戶可以與風電、光伏發電項目直接交易，以市場化方式引導綠色電力消費。綠電交易可以加快清潔能源消納，在數據中心能源供給結構完全調整到位之前，也可以采用綠電交易的方式實現“碳中和”。

4 結束語

顯而易見，在能源供給側改變能源結構，提高可再生能源使用比例是實現“零碳”數據中心最主要的方式。但是能源供給結構調整還需要相當長一段時間，在實現“零碳”數據中心之前，實現“低碳”數據中心是必由之路。這就需要采用各種方法提高能源利用效率，減少碳排放，市場調節也是一種可選方式。

數據中心由于其高能耗越來越受到社會關注，數據中心實現碳中和可采用多種方式，也可以采用市場機制作為補充。在此期間，不論是已有數據中心還是新建數據中心都應進行自身碳盤查，評估減碳空間。也可以通過信息化手段管理能源、進行碳排放的計算與分析，科學地指導數據中心碳中和的具體實施。