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100%清洁能源的“电中和”≠数据中心“碳中和”

发表于:2022-02-22 13:57:40 作者: 来源:CDCC微信公众号 浏览次数:

一、数据中心碳中和思考



数据中心参与碳交易更大作用是促进碳中和产业及市场

通过购买CCER进行“碳抵消”、通过购买绿电减少“碳排放”,这些方式单独看确实可以实现碳中和,但数据中心本身在碳产生、碳排放方面并没有减少,并不是通过调整自身去解决问题,这种碳中和更像是一种数字和形式上的中和,在全社会视角看,这些方式并不能说实现了有效中和。

可再生能源在自然界的作用我们并不完全清楚,也许其在自然界也能起到一定碳中和或者X中和的作用,在不完全了解其真实作用的情况下,过多使用也许并不是个很好的决定。如果现在生产侧能源全部用光能、风能和水能替代,会对自然界产生多大影响和连锁反应不得而知,因此加大对风电光等可再生能源的利用,短期看可能是降低碳排放的最快方式,但从碳中和视角看,并不一定是最优最好的方式。

虽然如此,为实现“双碳”目标仍需全社会全行业共同努力,现阶段碳交易、购买绿电等方式更大作用是提升碳的流通价值,促进和发展碳中和产业及市场。

数据中心自建绿电和储能更大作用是辅助调整全国能源结构

专业的人做专业的事,数据中心是用电侧,并不是供电侧,能源结构正常应由供电侧负责,而用电侧更应关注如何提升能源转换效率、如何减少整体能源使用等。


很多数据中心都在部署绿电和储能系统。以光伏为例,由于条件限制,基本无法在园区土地上直接建设,更多是利用现有楼宇进行改造,光伏发电真正并网量并不大,只能辅助解决数据中心少部分用电,更多是生活用电。储能系统对数据中心确实可以起到削峰填谷、降低绿电不稳定冲击和降低付现成本的作用,规模化之后甚至可以替代柴发机组,直接变成数据中心第三路电源,降低建设复杂度和维护难度。虽然大部分数据中心依靠自身部署的绿电和储能系统并不能完全实现碳中和,但在全社会层面看,会对建立全国分布式能源存储、调整全国能源结构、降低绿色能源不稳定对全国能源结构的冲击起到辅助支撑的作用。


数据中心光伏发电,按一平米150W、全年可用1300小时测算,不算转换系数、传输、储存和并网损耗,全年可发电不到200kWh。1个5KW机柜,按PUE=1.3、负载率50%测算,全年需电28000 kWh,可以简单得出1个机柜需要140平光伏空间,1个2000机柜独立数据中心需要400多亩的光伏空间。


数据中心碳中和不等于能源侧变革,更应是生产侧变革。


CUE的定义可能会误导碳中和重点是利用可再生能源,实际上,碳中和是排放零碳,并不一定要通过使用零碳能源来实现,更需要生产方式、生产结构和生产技术的变革。


从PUE的角度看,数据中心自身只消耗1.X中0.X的能耗,随着PUE越来越小,IT设备消耗的能耗已超数据中心总能耗的80%。公开资料显示,IT设备耗电97%都转换成了热能,只有3%用于计算,而这部分热能还需要数据中心通过制冷去中和,整个数据中心能源到算力的转换效率非常低,现阶段数据中心产业虽然在大力推广液冷等技术,但这些技术更多是实现如何降低PUE,能源浪费情况仍然存在,因此如何提升能源到算力的转换效率才是实现数据中心碳中和的核心,数据中心在生产侧变革势在必行。


数据中心碳中和是一个过程


实现双碳目标的说法存在一些小瑕疵,碳达峰并没有明确目标值,只是碳排放达到峰值,碳中和才是明确的目标。


数据中心碳中和要提前布局、尽快落地,但不建议用力过猛过快,要充分考虑经济效益和性价比。过度过早追求所谓零碳,就会像追求饮料的零糖零卡一样,看起来不错,但未必是最适合消费者的。企业要从经济角度考虑碳中和,刚投产的设备就跟风改造,性价比会很低,退网设备的报废和新设备的生产一样都会产生碳。国家已给出充足的时间过渡,企业要结合自身情况制定短期和长期计划,也要充分考虑成本和技术问题。


已建成数据中心碳中和的重点建议放到节能和逐步替换改造上,而规划中数据中心可以尝试采用全低碳架构,现阶段虽然很多企业通过购买绿电宣布已实现碳中和,但在某种程度上这样的方式提前实现碳中和,可能会降低其后期的能动性。


摸清碳家底建立碳清单是关键


国外先进企业提出的各种碳中和目标都是建立在摸清碳排放家底的基础上,这些企业已建立了十多年的内部碳排放清单,建立了碳排放管理平台,少数企业更是建立了整个供应链的碳排放清单,像管理财务一样对碳排放进行精细化和数字化管理。


现阶段,大部分企业并不清楚碳排放核算和碳中和计算标准,并没有真正开展碳盘查、核算碳排放量,也并不清楚自身的减碳空间,碳排放(包括直接排放、用电排放和其他排放)基本都是通过计算而不是通过测量得到,企业在制定碳达峰碳中和计划前,摸清碳家底和建立碳清单是非常关键的一个环节,建立全生命周期的数字化碳管理平台也是必要环节。



二、碳中和引发的数据中心变革


数据中心碳中和过程,除引入绿色能源、购买CCER等能源侧的变革之外,更应该深入开展的是产业变革、架构变革、技术变革、业务变革和运维变革,现阶段数据中心产业在碳中和所做的变革还远远不够。


数据中心产业变革



数据中心的碳中和,一定不是使用了100%清洁能源的电中和,一定是整个数据中心与外部自然界的中和,终极目标是一个新数据中心建成,气体排放、污染物、碳排放等等对当地无影响,与自然界和谐共处。这不是某个行业能推动实现的,需要整个数据中心产业上下游形成多行业联动,才能达到这种平衡状态。

以节能为例,数据中心前期节能更多是围绕基础设施建设和运维开展,以实现降低PUE为目标。实际上数据中心产业对碳中和最大的支持不是节约能耗,而是提升能耗算力的转化效率,这就需要全产业的支持。重点应该改变的是占比达到80%的IT行业,而不是占比只有20%的基础设施行业。由于各种现实原因,相关行业自身改变的意愿并不强烈,而相应的行业政策和数据中心服务商也没有制定相关鼓励策略推动这方面的转变。

因此,需要CDCC这样的行业组织牵头,推动数据中心上下游全产业的联动和变革,达到降低数据中心整体能耗、提升数据中心整体效率的目的,站在社会的角度做出行业的贡献。

数据中心架构变革

从碳中和视角看,数据中心园区应该作为一个整体考虑。从土地到建筑再到设备、从用水到用电再到网络,整个园区呼入能源、输出算力、排放碳和热。而这个过程中要实现零碳的排放,一方面需要呼入绿色能源,另一方面更应该从架构上提高基础设施、网络和IT设备的能源利用率,提升数据中心整体能源到算力转化效率,而不是仅仅降低PUE。

数据中心各子系统应该作为一个整体考虑。比如在做数据中心制冷系统设计时,要将基础设施制冷系统的冷却侧、冷冻侧和末端侧与IT系统的散热和风扇联动在一起,实现整体的节能,避免出现由于IT风扇能耗过大导致总能耗上升但PUE下降的情况。

数据中心各机房也应该作为一个整体考虑。以气流组织为例,在现有封闭冷通道的架构中,冷热空气的气流运动均涉及大量方向的调整,冷风从末端空调向前进入机房,再从通风地板向上到冷通道,再通过IT风扇向左右吹到热通道,再自然向上,然后借助诱导风机向后回到末端空调上方,最后向下吸入末端空调,形成循环。可以看到,机房内制冷过程中气流涉及多次方向调整,而每次方向调整均需要消耗能量。因此数据中心在架构上需要做大胆的变革,比如考虑将空调的送风系统和回风系统分开设计,实现冷气流方向和IT设备风扇方向保持一致,减少气流碰撞造成的能耗损失。

数据机柜一样应该作为一个整体考虑。由于云平台的优越性,现阶段各业务系统基本都部署在云平台上,但单个服务器性能有限,部署时基本会采用几十甚至几百台服务器虚拟化的方式形成云池,一般1个机柜会部署十多台性能一样的服务器,虽然CPU、内存和存储形成云资源统一使用,但服务器自身的主机、配电和风扇等制冷系统仍是独立设计和使用的,会造成一定的能耗浪费。因此大胆设想,IT设备商将数据机柜作为一台大服务器去整体设计,将服务器内配电、制冷和运算整体布局,能极大提升单机柜的效率,既可以提升算力,又可以提升能耗利用率。

数据中心架构变革均涉及系统性调整,并不是某一个专业可以实现的,实际落地难度会更大,因此仍然需要整个行业和行业组织去开展更多前瞻性的思考和探索,去推动架构变革的落地。

数据中心技术变革

随着数据中心储能系统的大力发展,数据中心供电方式也可以同步优化。比如现阶段讨论比较多的双路市电+储能替代双路市电+一路油机,储能系统替代柴发能有效减少碳排放和污染排放。同时,储能系统替代油机,蓄冷罐也可以考虑取消,制冷系统的复杂度将有效降低,维护工作量也将减少,由于人员操作失误引起的故障也会同比例降低。

在利用自然资源方面,不应只关注室外低温冷空气和地下水资源,还有城市地下供水管路资源可以利用。以北方地区为例,地下管网自来水水温常年在10度左右,还具备流量大、稳定性高等特点,可尝试通过板换等方式为数据中心提供辅助冷源。

在能源循环利用方面,以北方数据中心为例,一边通过制冷去中和IT产生的热能,一边又在利用额外的电能进行辅助加热,包括办公区供暖、生活用水加热、冷塔补水管路和蓄冷罐电伴热保温、油机水套加热等,余热浪费非常大。采用开式冷却塔的数据中心,水资源的浪费也非常大。数据中心园区应该积极收集余热和废水,循环利用,也许在不久的将来,建立养殖和灌溉等系统,打造成像“稻田养鱼”一样的自循环生态系统成为可能。

在选址方面,除近期比较热门的海底数据中心之外,水电站周边建数据中心貌似是最好的选择,一方面水力发电提供不间断的电力供应,另一方面水流带走热量,为数据中心提供安全稳定的冷却系统。此外随着航天科技的发展,平流层数据中心也能充分发挥太阳能发电、低温散热、污染小等特点。

数据中心业务变革

数据中心基础设施和客户IT系统在可靠性方面存在多重叠加。数据中心客户基本以政府客户、金融客户和互联网客户为主,客户对业务连续性的要求均比较高,从安全角度考虑,客户业务系统都需要部署为双活、两地三中心或异地灾备等方式。以金融客户为例,一般1套业务系统需要部署在2地3中心上,也就是需要部署6套UPS(每套均为N+1),需要9路外接电源(每中心2路市电1路油机)。从宏观角度看,为确保1套业务系统的稳定运行,全部配套资源的利用率和负载率均不会很高,以UPS为例,每台UPS均无法达到最佳的工作效率,不仅资源浪费较大,而且能源浪费也较多。

业务系统需要在连续性和低碳节能之间找到平衡,业务架构有必要进行变革优化。比如,可以将主备等多系统看做一个整体,只需保证整体可用性而不需保证每个独立系统可用性。数据中心也需要进行针对性的调整优化,比如可以多个数据中心承接整套业务系统SLA,而不是每个数据中心单独承接SLA。

在云业务部署方面,以云存储为例,为保证业务安全一般会设置3份以上数据备份,单服务器甚至单机柜掉电,在虚拟化层面会自动切换,不会对业务产生影响。但现阶段客户从维护安全和使用方便的角度,更多是将整套云平台部署在一个机房、一套UPS下,一旦动力或制冷出现问题,整个列头或机房将不可用,业务没有切换的余地,因此从充分发挥云平台优势的角度,云平台机柜应该采取物理分散的方式,部署在不同机房和不同区域。

云计算的特点,是可以根据业务需求动态分配调整资源,理论上能耗应该随业务调整而调整,但很多云系统并没有呈现出这种状态,能耗与业务量并没有线性的关系,很大原因在于集成商和应用商更关注系统的QOS和SLA,没有对系统进行能耗优化。数据中心行业要结合基础设施、IT硬件和软件行业,在业务稳定和节能低碳间找到一种平衡。


程序代码是最容易被忽视的环节,因为程序编写更多是以结果为导向,研究表明不同编程语言,能耗差别很大,相同编程语言,不同人编写,能耗差别也较大,所以需要建立相应评价机制,在代码可用和低碳节能间找到平衡。



数据中心运维变革

数据中心除常规的节能和低碳措施之外,在运维方面要尝试与业务系统建立更多关联和更紧密的结合,甚至不同客户要开展不一样的精细化服务,比如进行业务预测性服务等,目的是更精确地控制动力和制冷系统能耗。同时,也可以协同客户将应用系统与电力的峰谷平紧密结合在一起,多利用谷区域进行数据备份、同步、大数据分析运算等后台应用,起到一定节能降碳的作用。

数据中心实现碳中和,不是数据中心运营商通过自建、购买绿电等方式简单实现,也不是数据中心运营商独自能实现的。一定是一个长期的过程,需要从数据中心行业整体思考,通过产业上下游共同努力,不断地变革以提升能源到算力的转换效率,并建立类似海绵城市和稻田养鱼的自循环体系,实现数据中心和自然的充分融合。


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