数据中心综合能源技术应用白皮书

2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-02104] 数据中心综合能源技术应用白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-09发布 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 前言 随着互联网、云计算等技术蓬勃发展，数字经济已经成为发展趋势。但由于高能耗等特征，以及国家“3060”碳中和愿景，绿色、节能、低碳已是数据中心能源的发展方向。 国内外各数据中心，根据各自的特点及具体需求，提出并实践了诸多特色的绿色能源应用方式。 本白皮书分析和介绍了多种类分布式能源发电的原理、架构、应用场景以及示范案例，ODCC始终关注数据中心以及相关前沿技术的发展，联合相关单位共同编写本白皮书，为促进数据中心行业能源绿色发展提供参考，贡献力量。 起草人（排名不分先后）：万国数据刘伟民 万国数据衣斌万国数据白杨旭 万国数据孙汤庆一 中国信息通信研究院（云大所数据中心团队）吴美希中国信息通信研究院（云大所数据中心团队）宫伟文百度公司吴双鹤 I 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 目录 前言I 一、引言1 二、数据中心能源现状2 三、综合能源介绍3 （一）数据中心对能源特性的要求3 （二）能源分类：电网能源和分布式能源4 （三）能源发电类型7 （四）能源应用面临的问题8 四、分布式能源方案-光伏9 （一）基本介绍9 （二）设计要点12 （三）接入方案13 1.交流并网13 2.离网接入14 （四）光电设计15 （五）应用案例17 五、分布式能源方案-天然气19 （一）天然气特性19 （二）内燃机发电21 1.设备结构21 2.工作原理21 II 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 3.设备优缺点22 4.技术方案23 （三）燃料电池发电26 1.燃料电池介绍26 2.SOFC电堆发电32 3.SOFC热电联供方案35 （四）应用案例36 1.燃气发电36 2.燃料电池发电37 六、分布式能源方案-氢能38 （一）氢能特性38 （二）制取与存储40 1.氢能制取40 2.氢能运输41 3.氢能存储42 4.氢安全45 （三）电堆发电47 1.电堆说明47 2.系统结构49 （四）配电方案51 （五）应用案例53 1.国内氢能示范53 2.微软氢能探索54 III 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 七、分布式能源方案-核能55 （一）小型模块化核反应堆55 （二）数据中心与核电57 八、数据中心综合能源展望59 九、结束语60 IV 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 一、引言 关于能源的话题，已经成为今天全世界各国热议的话题，有关能源的发展和利用已经不仅仅是技术、架构层面，甚至包含了政治、军事、经济等重大话题。毫无疑问，能源已经成为当今时代的主题之一，数据中心作为能源消耗的重要设施，从未像今天这样引起整个行业、乃至国家、世界组织的高度重视，数据中心能源相关的各种政策层出不穷，越来越多的行业人士在研究分析；本白皮书如其名，主要从数据中心能源的技术、架构层面进行分析，重点分享数据中心分布式能源发电相关的技术方案和案例，仅一家之言，不成体系，仅作抛砖引玉之用。 本白皮书分为八个章节：第一章引言、第二章数据中心能源现状、第三章综合能源介绍、第四章～第七章为分布式能源技术方案、第八章综合能源展望。 1 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 二、数据中心能源现状 先来看数据中心整体的发展情况，参考中国信通院发布《数据中心白皮书 （2022年）》，目前国内数据中心机架数达到520万架，市场收入达1500亿元，整体规模保持快速增长。政策导向，参考工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023）》，绿色低碳将成为数据中心发展重点要求，包括对PUE、WUE、单机架功率、绿色低碳等多方面对数据中心约束。 再看中心能源情况，参考相关资料，2021年国内数据中心用电量937亿度，占全国总用电量的1.13%；到2035年，中国数据中心和5G总用电量约是2020年的2.5-3倍，将占中国全社会用电量5-7%，碳排放总量约占中国碳排放量的2-4%。 由于公用大电网的相对成熟和可靠，数据中心的能源供应绝大多数采用市电电网直供，少量采用分布式离网供电方式，从全球来看，发电结构和各国的能源结构密切相关，表2-1所示为2021年全球主要国家能源发电结构和碳排放程度。 2 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 从表中可以看出：全球化石燃料发电仍然占据主导地位，其中燃煤发电成本低，占据电力市场的主导地位。所以数据中心从电网上所用的电绝大部分都是火电供电类型。 近两年，随着国家碳中和、碳达峰政策的发布实施，数据中心用电绿色低碳化呈现快速发展趋势，从减排角度看，目前主要以绿化电网用电为主要手段，从绿电直购和绿证两个方面进行。分布式能源主要以建筑光伏为主，近年在西部和北部等风电资源丰富地区有离网风电直供，天然气三联供以试点为主，具体和区域政策及供气条件相关。 随着国家对储能的政策鼓励，在电网分时价差逐渐拉大的背景下，电化学储能逐渐兴起，通过“削峰填谷”来优化数据中心电力成本，如何实现能源和储能的技术融合创新，寻找到更优的应用场景，也是目前数据中心在能源方面探索的方向之一。 三、综合能源介绍 （一）数据中心对能源特性的要求 对于能源的供给，数据中心要求能源具有以下几个特性： 1.稳定供应；因数据中心所承载的业务特性所致，要求数据中心基础设施具有高可用性，因此现有数据中心架构多采用双路市电供电+柴发+UPS架构，目的就是为了保证数据中心的不间断供电运行，从这个角度看，为保证数据中心的持续性，无论是电网能源还是分布式能源，对于能源供给均要求是持续不间断的。 2.绿色低碳；在保证稳定供应的前提下，数据中心目前非常关注能源发电所带来的环境影响，通常以能源发电的碳排放因子强度来表征能源的绿色程度，碳排放因子越低，表示能源的含碳量越低，使用时所排放的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、粉尘颗粒越少，零碳能源的碳排放因子为零。 3 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 3.发电高效；从能源到电力的转换，是能源类型的一种变化，基于能量守恒定律，能换的转换效率是无法突破100%的；在实际能源发电过程中，发电转换效率的高低同样值得关注，高效率转换减少了能源的损失浪费；从用户侧角度看，高效率转换也降低了所产出电力的碳排放强度。 （二）能源分类：电网能源和分布式能源 能源的分类有很多种，按照能源产生方式、按照环保类型、按照生长周期、按照使用类型等等；下表3-1详细列出了按照不同分类方式，所对应的能源类型。 本文从用户侧视角，按照用电方式，将能源分类为电网能源（叫公网能源更为恰当）和分布式能源。电网能源是由多种能源混合组网形成的，在不同地区所混合的能源类型和比例均有不同，具有容量大、可靠性高的特点。分布式能源具有多样性，通常部署在负荷周边进行直接供电，具有容量小、发电灵活的特点。 从稳定性角度对比，主要受能源发电稳定性和电网输配电稳定性两个因素的影响，通常电网能源的发电源较多，输配电线路冗余配置，因此电网能源的稳定性要高于分布式能源。 4 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 表3-2所示为2020年国内城市电网供电可靠性统计数据，从中可以看出国家电网供电的可靠性均保持在99.9%以上，对应平均停电时间8.76小时，这在分布式能源上需要通过高冗余的设计才能够做到；值得一提的是，并不是所有国家的电网可靠性都能够达到这个水平，据统计，美国电网在2020年平均停电小时数达到22.4小时，对应可靠性指数97.7%，全球还有很多国家的电网可靠性比这还要低，因此在可靠性上，电网高于分布式能源是相对的。 从绿色低碳角度对比，电网能源和分布式能源都有对应的碳排放因子，通常碳排放因子低的能源更加绿色；区域电网本身的碳排放强度是受地理位置、用户用电特性所影响的，目前绿电直购、绿证都是市场化用电的手段，其本身所改变的是自身用电的市场化碳排放因子，而区域电网的碳排放强度的降低并不会一蹴而就，电网所属的能源池结构不会直接受到影响。分布式能源的碳排放强度更加明确，采用绿色低碳的分布式能源相对灵活且意义深远。 5 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 表3-3所示为2019年全球主要国家和我国内地各区域电网的度电碳排放因子，数字越小代表能源发电所产生的碳排放越少，电网越绿色，这和国家、地区的 能源结构是紧密相关的，以法国举例来讲，2018年法国核电装机占比47.5%，发电量占比却达到71.6%，比上一年增长3.7%，这确保了法国发电的低碳水平，同年法国度电碳排放为0.061kg/kwh。然而未来法国计划减少核电份额，以发展可再生能源取代核电的发展，这将对该国发电的碳排放产生一定影响。 关于分布式能源的定义有很多种说法，包括国际分布式能源联盟、美国能源部、国家发改委、能源局、中国能源网等等，都进行多定义和说明，本白皮书所指的分布式能源为部署在用户负荷周边、高效利用、就地控制的发电能源类型。主要包括光伏、风电、柴油、天然气、氢能、核能等。 表3-4列出了以上能源类型的碳排放因子，值得说的是此处碳排放因子是一个综合数值，由CO2、CH4、N2O的碳排放因子综合组成，白皮书末尾附有详细的计算方法和碳排放因子数值。从中可以看出很清晰的对比出各类能源的含碳量，但同时，在进行能源发电时，度电碳排放是由能源本身的碳排放强度和发电效率综合计算得出，因此提高能源发电的效率意义同样重大。 6 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 （三）能源发电类型 能源转换成电能供给数据中心使用，转换效率会影响能源的消耗量和碳排放，最终都将体现在用电成本上，高能源效率会使整个数据中心用电受益；从一种能源转换成为电能的过程具有多样性，从原理上来讲，主要分成以下三类： 1、磁生电；闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流。电磁感应定律是目前大多数能源发电的基本原理，主要通过能源到动能到电能的多重转换来实现发电；所应用的能源发电类型包括煤炭发电、风力发电、生物质发电、水力发电、海洋发电、地热发电、核电等等。 从发电技术角度看，运用磁生电的技术主要包括：内燃机技术、燃气轮机技术、水轮机技术等。 内燃机技术：也叫做往复式发动机技术，用于分布式发电的往复式发动机以汽油、柴油、燃气等为燃料，发动机通过燃烧旋转推动发电机转子旋转做功发电，目前数据中心柴油发电机、天然气内燃机均为此种发电技术。 蒸气轮机技术：通过烧锅炉产生高温高压水蒸气来推动发电机转子旋转做功发电的过程，目前火电站通过燃烧煤炭、天然气、工业废料、垃圾等实现这一过程；地热发电、生物质发电、核电等均采用类似过程，区别在于产生蒸汽的方式有所区别。 水轮机技术：通过水产生的能量推动水轮机转动进行发电，典型的水利发电包括三峡水电工程、抽水蓄能工程等；海洋发电的原理类似，区别在于产生势能的方式为潮汐作用。 风机技术：风本身吹动所带来的能量带动风叶的旋转进行发电，因此风力发电对风力强度和持续性具有要求，选址多选在风资源丰富的地区。 2、光生电；太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。基于光生伏打效应，光伏发电利用太阳能电池板将太阳光能直接转化为电能。 7 2数据中心综合能源技术应用白皮书ODCC-2022-02104 3、化学反应：电子的持续流动形成电流，这便是化学反