专家讲坛 | “碳中和”数据中心：概念、特征与实现路径
“碳中和”数据中心：概念、特征与实现路径
北京邮电大学经济管理学院 张永泽 张诗雨 朱雨萌
在控制温室气体排放，积极应对气候变化已经成为全球共识的当下，绿色、低碳、可持续已成为世界各国经济社会发展的共同目标。目前全球已有127个国家做出“碳中和”承诺。我国于2020年9月22日在联合国大会上提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。
一、传统的数据中心发展模式不可持续
近年来在新经济强劲拉动下，我国IDC业务收入连续高速增长，2020年全年规模实现2238.7亿元，同比增长43.3%。与数据中心产业规模扩张相适应的是，在过去10年，我国数据中心整体用电量以每年超过10%的高速递增。2018年，全国数据中心总耗电量1500亿千瓦时，达到了社会总用电量的2.19%，预计到2025年，占比将增加一倍，达到4.05%，数据中心产业已经成为耗能大户。
数据中心不仅能耗总量大，而且能耗水平高，根据中国互联网数据中心发布的数据：2019年我国数据中心市场规模达到1561亿元，同年我国数据中心耗电量竟然高达1763亿度电，整个数据中心产业的平均能耗水平竟然高达11294千瓦时/万元营业收入，折合3.614吨标准煤/万元营业收入（按320克标准煤/千瓦时折算[]）。2019年我国钢铁业翘楚--宝武集团万元产值综合能耗仅为1.4吨/万元，尽管可能存在统计口径、数据来源等方面一定偏差，但是数据中心产业高耗能特点是毋庸置疑的事实。
图1 2014-2020年中国数据中心耗电量及全社会用电量比重情况（单位：亿千瓦时，%）
根据国际化标准组织ISO发布的ISO14064标准，企业温室气体的排放可以划分为三个范围：一是自身产生的碳排放，二是通过消耗电力能源产生的碳排放，三是产业价值链的碳排放。数据中心90%以上的碳排放属于范围二。由于当前中国的发电量结构中占70%以上仍为燃煤发电，发电同时伴随着大量的温室气体及其他污染物排放，因此数据中心既是高耗能产业、也就是高排放产业。
在整个国家实施双碳战略的宏观环境下，如果仍沿袭传统的发展模式，继续依靠大量消耗化石能源，高能耗、高排放，数据中心的发展终将不被社会接受，出路必然是越走越窄。
一个新动态值得高度关注。我国全国性碳交易市场自今年7月16日正式开市以来，碳交易价格一路走高，8月4日涨停于58.70元/吨。但比较欧洲碳市场当前碳价55.05欧元/吨，国内碳价可谓：小荷才露尖尖角，未来还应有巨大的上涨空间。不过飙涨的碳价终将转嫁到火电的下游厂商，当然包括耗能大户—数据中心。由于电费占数据中心成本结构50-60%，碳价上涨再推动火电价格上涨，将给以化石能源为基础的数据中心带来新的不确定性。
二、“碳中和”数据中心——数据中心的终极模式
近年来政府出台了一系列推进绿色数据中心建设的政策，有关政策文件都明确提出推动数据中心绿色化发展[]。。但应当认识到，现行的绿色数据中心评价标准，尽管也有PUE值等评价指标，但在以火电为主的传统电力结构下，即使PUE指标值再低，数据中仍然要消耗大量火电。可见这样的绿色数据中心不可能实现真正的绿色，可见当下的绿色数据中心与双碳目标要求之间存在着差距，是无法适应信息产业实现双碳目标的新形势和新要求的。
出路何在？只有走“碳中和”的道路，才是数据中心的终极发展模式。
“碳中和”数据中心要求充分满足数据中心安全标准的同时，充分利用电力市场交易、清洁能源技术、节能环保技术，最大限度利用清洁可再生能源、最大限度利用各类冷能资源，并在必要时运用碳交易手段，实现数据中心碳抵消，确保数据中心实现温室效应气体真正的零排放，这就是“碳中和”数据中心。
“碳中和”数据中心总体上是以清洁可再生电力为能源基础的。《欧洲气候中立数据中心公约》已要求：到2025年欧洲数据中心使用可再生能源电力要达到75%，到2030年达到100%[]。
三、碳中和数据中心发展条件趋于成熟
研究世界能源产业发展的规律会发现：由于煤炭等化石资源开采条件不断劣化以及火电环境成本不断上升，长期来看火电成本是不断上升的。而由于技术进步、规模经济等因素，长期来看光伏发电、风力发电成本是不断降低的，恰如美国经济学家里夫金预言：基于可再生能源的能源长期生产边际成本将趋于零。近些年来欧洲的迅速发展的可再生能源产业实践验证了这一点。2019年9月20日，英国6个海上风电场（总计5.5GW）竞标结果揭晓，报出创纪录的低价，比政府的“参考价格”低8-9英镑/兆瓦时，按照英国的电力市场机制和市场趋势，这些风电项目不但不会收取任何政府补贴，反而会向消费者回馈近6亿英镑[]。
今年以来，我国光伏发电、风电新建项目已经被要求平价上网。最近国内已出现度电成本为0.1/KWH的风电项目。未来随着技术进步、规模经济等因素，光伏发电、风力发电成本仍然有进一步下降空间。根据碳达峰要求，到2030年，我国光伏、风电总装机将达到12亿千瓦，如何消纳这些发电能力将是一个不小的课题，但是对于以清洁能源为基础的“碳中和”数据中心，却意味着巨大的发展机会。
在清洁能源产业大发展的背景下，从经济角度来看，随着可再生电力比较火力发电越来越具有成本竞争力，碳中和数据中心发展的基础条件也将日益成熟。
四、“碳中和”数据中心特征
归纳起来，“碳中和”数据中心有如下特征：
1.“碳中和”数据中心是以清洁、绿色、可再生电力体系为基础的，这不仅意味着要主要使用光伏、风电及水电等，还意味着要通过发展包括调峰灵活电源、储能设施等在内，构建起能够克服可再生电力先天存在的间歇性大、波动性大、保障性弱的不足，能够满足数据中心业务要求的完整供电体系。
2.“碳中和”数据中心并不绝对排斥化石能源，在可再生电力存在不足时，允许使用化石能源，以保障数据中心电力供应。由于使用化石能源而产生的碳排放，则可以通过碳交易，实现碳抵消。
3.“碳中和”数据中心是建立在集成运用各种低碳技术创新和商业模式创新基础上的，碳中和数据中心既可以充分自身条件，自建分布式的清洁可再生发电系统，也可以充分利用电力交易市场购入清洁可再生电力（即绿电）。
4.“碳中和”数据中心要求最大限度使用各类冷能资源，以最大限度提高能源利用效率，这就要求对于数据中心建设要从遵从系统思考、长期规划、因地制宜、深入挖潜的原则。
图2 “碳中和”数据中心概念图
五、“碳中和”数据中心实现路径
建设“碳中和”数据中心是一个系统工程，要求在环境侧、用电侧、供电侧等各个环节全方位贯彻碳中和思想。
1．环境侧
环境是影响数据中心能耗的重要因素，数据中心能耗中相当一部分就是设备冷却能耗。因此通过优化选址，以充分利用各类冷能能源来提高数据中心能效，尤为重要。所谓优化选址，就是应选择气候条件适宜、绿电供应充足的地区建设数据中心。
这里特别要强调的是，冷能资源利用也应当拓宽思路。近年来，我国大量进口LNG已解决国内天然气供应问题，由于国内天然气市场需求旺盛，规模庞大，我国已是世界上最大LNG进口国之一。LNG进口不仅是带来宝贵的天然气，而且来带了巨大的冷能资源。以江苏如东洋口港为例，每年进口近1000万吨LNG，这些LNG汽化大量吸热，造成港口周边数平方公里海域平均温度比周边海域水温低了4度左右，这些冷能完全放空，不仅无法创造价值，而且影响了海洋生态。
目前沿海岸线从南到北，我国密集的LNG进口终端已经构成一条连绵的点线。这些设施相当一部分都在发达的东部沿海大中城市周边，这些城市对于数据中心有着巨大的需求，如果能充分挖掘这些LNG冷能资源，一定能为数据中心产业发展创造新的模式。
2．供电侧
要实现数据中心碳中和是一个系统工程，数据中心供电侧如何最大限度开发利用清洁可再生电力尤为关键，可有四种供能方式：
1）自备清洁可再生电厂，可以有光伏发电和风力发电两种形式，发电自发自用。这种供电方式最为便捷，但是受限于场地等因素，一般难以完全解决数据中心供能问题。
2）通过电力交易市场购入绿电。数据中心耗电量巨大，因此多数场景下需要外部电力供应。如果能够通过电力交易，购入光伏发电、风电、水电等零碳绿电，可以确保数据中心的“碳中和”特质。
3）储能供能。在大量使用可再生电力的背景下，储能环节对于保证数据中心用电的安全性和连续性将具有特别重要作用。可组合使用电化学储能、压缩空气储能、制氢储能等技术手段。
4）备发灵活电源机组。在各种突发事件下，需要合理配置发电机组保障设备不间断供电。在大量使用可再生电力情况下，备发灵活电源更是不可或缺。从快速反应、调峰出力角度看，选用燃气轮机 天然气为备用灵活电源，完全可以满足数据中心灾备要求。
仅在此情形下，备发机组运转时会产生碳排放，如采取必要的碳抵消措施，数据中心完全可以实现零碳排放。
3．用电侧
用电侧主要有：IT设备耗能、空调耗能、建筑本身能耗等。应当集成运用各种能源环保技术降低用电侧能耗。总体技术发展方向应是：1）、提高设备能效；2）、适应清洁可再生电力供电特点；3）、最大限度利用冷能资源。
五、结论与思考
1.基于清洁可再生能源的“碳中和”数据中心发展模式，才是数据中心发展终极模式，才能使数据中心产业发展摆脱当前被动局面；
2.随着清洁可再生电力价格不断下降，“碳中和”数据中心发展的经济可行性将日益具备；
3.“碳中和”数据中心的建设与运行，是建立在全新的能源技术体系之上的。需要系统集成清洁能源技术、制冷及冷能利用技术、储能技术、灵活电源技术等等，需要充分利用电力交易、碳交易等手段，需要数据中心商业模式创新；
4.“碳中和”数据中心发展迫切需要国家政策的支持和引领，应当以绿电使用比重，而非PUE值作为数据中心评价标准。
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