新基建形势下能源与数据中心发展探讨

梁汉东， 吴劲松,2， 廖 霄， 朱文涛，陈 冰,2， 郑 赟， 张学昶

(1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663；2. 华南理工大学，广州 510641)

0 引言

近年来，作为数字经济的重要基石，数据中心规模不断扩大，算力不断提高，相应数据中心的能耗及运行成本也随之不断攀升。2018年中国数据中心总用电量为1 608.89亿kWh，占中国全社会用电量的2.35%，超过上海市2018年全社会用电量。据国网能源研究院有限公司预测，到2030年数据中心整体用电量将突破4 000亿kWh，占全社会用电量的比重将升至3.7%。数据中心作为“能耗巨兽”，单位密度的负载率远超传统基础设施，2019年2月，国家工信部、国家机关事务管理局、国家能源局联合发布《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，意见中提出了“2022年，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下，清洁能源应用比例大幅提升”的要求，数据对能源行业提出了巨大的考验，数据中心的高能耗不仅是数据中心行业的痛点，也是能源行业的痛点。

以目前规划中的粤港澳数据中心产业园(惠州)为例，用电负荷预估为千兆瓦级别，需要配套建设多个220kV和110kV变电站，电力供应要求高，能源需求巨大。在这种背景下，加快能源行业与数据中心行业的融合发展将极大促进数据中心高效、清洁、集约、循环的绿色发展，助力实现新基建的宏伟蓝图。

1 新基建下能源行业发展方向

以互联网、云计算、大数据、人工智能等为代表的新兴产业蓬勃发展，新经济形态——数字经济正成为我国乃至全球经济结构转型的重要驱动力，经济结构的转型升级带动能源需求也发生转变，能源消费由传统工业驱动为主逐步转向工业、服务业和生活消费共同驱动的增长模式，用能需求将向高能耗产业集群以及5G、数据中心等新业态转移。

2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会会议指出，要加快5G基站建设、特高压、城际高速铁路及城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域新基建建设。2020年6月30日，广东省工业和信息化厅印发《广东省5G基站和数据中心总体布局规划(2021-2025年)》，规划中指出：到2025年，全省实现5G网络城乡全覆盖，珠三角建成高价值数据应用集聚区，粤东、粤西、粤北地区建成9个数据中心聚集区，建成面向工业互联网、车联网、人工智能、智慧城市等的新型信息基础设施体系。“新基建”加快推动数字产业用电增长，预计数据中心大规模投产后将大幅拉升全省能源消费总量，新增数据中心年耗电量将达200亿kWh，“十四五”期间新增能耗约550万～650万t标煤，占全省能源消耗总量增量的5%～6%。

广东省新规划的9个数据中心聚集区主要集中在粤东西北，本地能源消费总量基数较低，基础设施相对珠三角地区薄弱，数据中心投产后当地能源消费增长明显，对当地城市能耗“双控”指标影响明显，这对能源行业带了巨大挑战和变革，要谋求数字经济的可持续性发展，必须从供能机制和能源技术路线出发，积极探索数据中心能耗行之有效的提质增效方法。

2 新基建下数据中心行业发展建议

目前，我国数据中心的供能模式较为单一，能源消耗几乎全部为电网电力，其中火电在供电结构中的占比70%，绿电和其他可再生能源的消费占比不足23%。数据中心在消耗巨额电量的同时，还排放出大量温室气体及其他污染物，引发“城市热岛”问题。因此，数据中心未来的用能发展方向不应仅局限于降低PUE值、提高主要用能设备能效等，还应重点关注可再生能源的开发和利用，探索基于多能互补的数据中心能源供应的多元融合模式。

2020年9月29日，广东省发改委、能源局、科技厅、工信厅以及省自然资源厅、省生态环境厅联合印发《广东省培育新能源战略性新兴产业集群行动计划(2021—2025年)》。行动计划中指定的新能源产业领域包括核能、风能、天然气及其水合物、太阳能、氢能、生物质能、地热能、海洋能、智能电网、储能等10个领域。计划明确将推进可再生能源、氢能在5G基站、特高压、充电桩、大数据中心等领域的应用。

在此背景下，站在能源行业角度，对数据中心发展提出如下建议。

(1)结合数据中心发展布局，提前谋划能源供应，做好全省及区域能源需求预判，尤其是数据中心集中区域的新增负荷预测，积极优化电网结构，提高电网供电安全保障水平，合理布局保底电源，保障数据中心负荷的可持续供应。

(2)结合近区地区电网网架情况和电源布点，合理布局数据中心站址，积极开展“变电站、储能站和电力数据中心三站合一模式”和“集数据中心和变电站、储能站、充换电站、光伏站于一体的多站融合模式”，提高能源资源整合水平。多行业数据中心融合发展需重点关注：1)积极促进电源对数据中心的就近供电；2)优先选择保底网架范围，确保电网供电可靠；3)发展数据中心业务促进电网数字化改革。

(3)数据中心行业的可持续健康发展需要在能源消费上体现出社会责任，应结合内外条件，尽可能地使用可再生能源，降低PUE值，提高运营管理和绿色用电水平。

(4)积极参与电力市场化交易，减少数据中心用能成本。数据中心作为稳定的耗电大户，建议以电力大用户的身份积极参与电力市场交易，以双边协商方式主动寻求低价电源(目前广东省仅煤电、气电参与电力市场化交易，后续逐步放开，可优选稳定的绿色电源供电)，通过中长期交易锁定基本电量需求和优惠价格，有效降低用电成本。

(5)降低单位能耗PUE值，推动综合能源供应系统与数据中心产业融合发展。综合能源并不是代替主力电网，其生命力是从底层解决问题，在提升可靠性的同时，实现绿色能源的消纳，数据中心和综合能源实现高度融合和互补。

(6)运用大数据、人工智能和IOT等新兴技术，在能源的需求侧和供给侧实现管理智能化，实时监测数据中心通过电网的电力流量，协助能源供应方改变能源组合，调整化石能源使用量，增加可再生能源产量，对多个来源产生的能源输出供应进行管理，以便实时匹配空间和时间的需求变化，以最好的方式分配能源资源。此外，还可应用大数据、人工智能技术，基于机器学习算法的预估，提升数据中心负载，优化冷却系统，提升数据中心的用电管理效率，最终减少数据中心的总用电量。

3 绿色数据中心能源转型应用场景及发展思路

3.1 数据中心能源供应多能互补模式

(1)因地制宜，因时制宜。充分结合自然或免费冷源，鼓励利用LNG汽化吸热过程、山区溶洞低温空气、江河湖海低温水源等用于满足数据中心散热需求的应用及示范。

(2)立足数据中心当地资源及负荷特性，构建绿色电力、天然气冷热电联供、自然冷源以及光热、储能、余热余压等技术的数据中心多能互补能源系统，推动绿电与其他能源在数据中心供能上的多元互动潜力及方式，促进数据中心能源结构优化调整。数据中心多能互补供给示意图详见图1。

图1 数据中心多能互补供给示意图

3.2 全方位培育绿电在数据中心的应用

按照国家可再生能源信息管理中心2017年6月公布的《绿色电力证书资源认购交易实施细则(试行)》的规定，绿色电力证书(简称“绿证”)是指信息中心按照国家相关管理规定，依据可再生能源上网电量，通过国家能源局可再生能源发电项目信息管理平台，向符合资格的可再生能源发电企业颁发的具有唯一代码标识的电子凭证。

目前中国绿证由于其替代补贴的目的，价格普遍高于国际水平，如果通过大批量采购绿证来提高可再生能源的应用比例，意味着额外增加了电力成本。平价上网、配额制等支持性政策落实以后，绿证成本将大幅下降，企业釆购绿证的意愿将会大幅度提高。未来，可积极研究和推广自建绿电、直购绿电、采购绿色电力证书以及电力现货市场化交易等方式在数据中心供能上的应用，通过提高绿电供应的可靠性，降低绿电供应的投资运维成本，参与电力市场化交易寻求低价绿电等手段，全方位培育绿电在数据中心的应用路径。

3.3 数据中心“多站融合”建设模式

据统计，我国接近90%的变电站、公用配电房地处于居民、工商业负荷中心。电力企业可充分利用抽水蓄能电站、变电站等土地资源，就近供电的电力优势和丰富的通信网络资源，因地制宜、集约高效开展数据中心建设，研究和推广数据中心与变电站、储能站、充换电站、光伏电站等集于一体的“多站融合”建设与运营模式，探索低成本、规模化推广的创新能源供应技术路线及商业模式，打造多行业数据中心融合发展与共享共赢的健康生态，实现数据中心供能的高效化、低成本和清洁化，助力数字经济稳健发展。多站合一业务模式示意图详见图2。

图2 多站合一业务模式示意图

3.4 建设能源大数据中心

能源大数据中心聚焦政府、行业、企业、电力客户各方数据应用诉求，推出端到端的能源大数据行业解决方案，通过对各种数据汇聚整合、挖掘分析，促进政府决策科学化、社会治理精准化、公共服务高效化。能源大数据中心示意图详见图3。

图3 能源大数据中心示意图

目前，河南建设“绿色基地、安全可靠、运营规范、平台开放、数据融合、应用智能”的能源大数据中心，构建高可用性、高开放性、高聚合度特性的泛在聚合的“能源信息互联平台”；青海能源大数据中心以新能源发电为切入点，集成光伏、风电、石油、煤炭、天然气等能源数据，构建了源网荷一体化的能源工业互联网平台；上海打造“一体化智慧城市能源大脑”，通过能源监控、分析、管理、交易、服务、应用等功能服务，支撑政府对全社会不同行业能源利用情况的全面监管，提高全社会的能源利用效率。

未来，能源大数据中心将汇聚电力、经济、金融、交通、环境等更多行业数据，形成以电力为核心的能源大数据生态圈。通过数据融合，进一步挖掘跨行业、跨领域数据价值，为改善民生、节能减排、行业发展提供全方位数据增值服务，并将从市场需求、产品服务、合作共研、盈利模式等方面探索设计能源数据商业运营模式，为生态圈持续发展集聚创新动能。

此外，应用先进信息技术改变传统的单一供能方式，通过用能行为与环境预测、数据中心运行数据分析，基于5G技术的实时态势感知，以及大数据分析结果进行快速、准确调控供能系统开度和用能余度，实现“源网荷储”一体化的供需协调、智能平衡和高效协同，促使数据中心能耗的降低，促进数据中心与生态环境的和谐发展。

4 结束语