数据中心节能降碳之算电协同：背景、技术、实践和展望

算力设施减排路线与协同发展

背景

• 算力需求增长：多元信息消费场景驱动异构算力需求，AI发展推动算力设施（数据中心）规模增长，其用电量快速增长，部分区域出现“电荒”问题。
• 能耗统计问题：现有数据中心能耗统计方法存在较大不确定性，预计2030年用电量达5257亿kWh，占全社会用电量比例将显著提升。
• 中美对比：中国数据中心单位算力碳排高，亟需提升芯片技术，走中国特色算电协同之路，以绿色瓦特赋能劣势比特。
• 算电协同目标：提升算力与电力基础设施布局利用率，优化供需匹配，实现综合能效提升和清洁普惠发展。

技术路线

• 减排路线：算力设施“运营”阶段排放大于“制造”阶段，需结合节能低碳与绿电、绿证等措施实现减排。
• 节能路径：
  • 1.0（设备级）：局部链条上单设备能效提升，接近技术天花板。
  • 2.0（系统级）：多链条上多设备系统级能效提升，综合能效接近天花板，需结合热力学第二定律，如梯级利用、热电联产、余热回收。
  • 3.0（运行优化）：算效-电效-热效动态匹配，实现多系统多目标协同优化。
  • 4.0（跨区域调度）：打破时空错配，实现区域级算力时空跨区域调度与匹配。
• 算力综合能源系统（DC-IES）：构建算力、电力、热力协同模式，挖掘数据中心内部灵活性资源，提升能源利用效率和可再生能源消纳能力。
• 算电协同技术：
  • 算电协同型算力业务时空迁移：利用数据中心用能侧调节灵活性，结合储能实现可再生能源消纳。
  • 算热耦合型算力余热再利用：利用液冷技术提升余热回收能效，如CO2直膨热泵、吸收式制冷等。
  • 打造零水零碳算力中心：结合直接空气捕集技术，实现余热利用和碳减排。

实践案例

• 国际行动：Facebook、Google、Microsoft等企业通过碳强度调节、参与电网辅助服务等方式实现算电协同。
• 我国行动：中国移动、腾讯、阿里等企业开展算电协同示范工程，国家层面推动“东数西算”工程，建设全国一体化算力网。
• 平台建设：信通院、北理工等发布算电协同管理平台、展示平台，推动技术应用和标准化建设。

面临问题

• 多主体壁垒：算力市场不对称性、多主体性，算力任务画像难构建。
• 跨区域协同：规模小，体量少，单一主体内为主。
• 绿电直连：绿电占比低，经济性问题高，现有国标不含电网隐含绿电。
• 算冷协同：热控安全可控性挑战，需实现算力-冷力协同全栈控制。

发展建议

• 扩大试点示范：鼓励东数西算、东数东算、地数天算等多模式发展。
• 实行token计费：体现算力产品的“商品”特性，体现碳约束作用。
• 构建算力业务多维画像：为算电协同调度提供数据支撑。
• 加强系统科普：形成全行业算电协同理念共识。
• 加快术语、标准、评价体系建设：推动算电协同规范化发展。
• 培养多学科交叉人才：深化与相关企业、协会、政府部门的合作。
• 从设备供应向多链条解决方案转变：提升系统节能减排绩效。
• 加强基础研究：推动算力综合能源系统多链条解决方案研究。