数据中心实现碳中和的方式

张家燕

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

国际应对气候变化目前有三个法律文件，分别是《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》《巴黎协定》。其中《京都议定书》明确了温室气体的分类即6种，其附件还明确了产生温室气体的四大类行业：能源类、工业类、农业类、废物类。

在联合国大会上，中国提出在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。2021年5月18日国家发改委启动碳达峰碳中和政策体系研究，发布了1个指导意见和行动方案，陆续出台8个重点领域的实施方案，8个重点领域包括能源（电力）、煤炭石油天然气、工业、钢铁有色石化建材、交通、城乡建设、农业、城市园区。

为了实现这一目标，各行各业都在积极行动。根据中信证券的分析数据显示，我国碳排放来源的85%由能源活动中的能源生产端产生，发电碳排放占全部碳排放的37.6%。这是由于能源活动中大量化石能源的使用，比如目前国内的发电仍然以火力发电为主。而数据中心行业在能源活动中基本属于能源消费端，其能源活动主要是供电部门电力能源的消耗和柴油发电机的使用，柴油发电机是用于保障数据中心不间断供电的备用电力来源，一般不会使用，因此在火力发电为主的前提下，数据中心的碳排放绝大部分来自于供电部门电力能源的消耗。如果数据中心完全实现了碳中和，就可称为“零碳”数据中心，在此之前可以先努力实现“低碳”。数据中心实现碳中和的方式是本文着重研究的问题。

1 研究背景

1.1 数据中心能源困局

根据中国信息通信研究院发布的《数据中心白皮书（2022年）》，从规模上看，全球数据中心新增相对稳定，我国保持快速增长。截止到2021年年底，我国在用数据中心机架规模近五年平均增速超过30%。从收入上看，全球市场平稳增长，我国维持较高增速。受新基建、数字化转型等驱动，2021年，我国数据中心行业市场收入达到1500亿元左右，近三年年均复合增长率达到30.69%。随着数据中心规模的不断扩大，其能耗也随之增加，数据中心面临巨大的能源压力。根据智研咨询的数据显示，2020年中国数据中心用电量为1500亿千瓦，占全社会用电量的2.0%。我国数据中心在能源供应与治理方面的主要问题有：

（1）供能模式单一：能源供应以火电为主，清洁能源发电的供应占比较低。

（2）能耗高，电源使用效率待提升：PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）是一种国内常用的数据中心电力使用效率的衡量指标。计算取所有能源与IT负载消耗的能源之比值，PUE越接近于1，表示一个数据中心电力使用效率越高，越节能。而我国的大多数数据中心的PUE值在1.5以上。

（3）余热浪费：数据中心运行时排放了大量未被利用的中低品位余热。如此，造成能源浪费的同时，还会导致“城市热岛”问题。

1.2 政策引导

国家近年来出台的数据中心相关政策中，都承接了双碳战略，对数据中心能源、电能使用效率、平均利用率等提出了一系列指导意见。主要政策摘要如下表1所示。

表1 数据中心承接双碳战略相关政策

2 实现碳中和的主要技术

目前实现碳中和的技术主要有三类：

（1）“无碳技术”，指开发清洁能源技术，主要包括风力发电、太阳能发电、水力发电、地热供暖与发电、生物质燃料、核能技术等。

（2）“减碳技术”，指实现生产消费使用过程的低碳，达到高效能、低排放。主要就是节能减排技术。

（3）“去碳技术”，指二氧化碳的捕集、封存及利用技术，主要包括碳回收与储藏技术，二氧化碳聚合利用等技术。

数据中心碳中和采用的主要是前两类技术，下文按照能源流动的方向，从数据中心能源供给侧、能源消耗侧、能源排放侧来研究“零碳”数据中心实现方式。

3 数据中心实现碳中和的方式

数据中心实现碳中和不仅仅是采用几种技术，还要配合建设方式、市场调节机制等综合实现。下文按照能源流动的方向，从能源供给侧、能源消耗侧、能源排放侧来研究“零碳”数据中心实现方式。

3.1 能源供给侧

数据中心的碳排放绝大部分来自于供电部门火电的消耗，因此在能源供给侧改变能源结构，提高可再生能源使用比例是实现“零碳”数据中心最重要的途径。可再生能源发电主要有风电、水电、光伏发电等。

首先，在数据中心选址上，趋向可再生能源富集地区。一是毗邻已有的新能源电站建设，如水电站附近。二是新能源发电自用，比如在数据中心园区屋顶排布光伏板发电。但是发电自用需要场地面积较大，不一定能够完全满足数据中心需要。

另一方面，风能、太阳能等可再生能源受到季节、时段等因素的影响，具有不稳定和不连续的特点，引入电力储能设备，确保电力的安全稳定已成为可再生能源充分利用的关键；另外，配置储能系统以后，在能源充足且超过负荷的时段可以通过给储能系统充电避免弃电。

3.2 能源消耗侧

能源供给结构调整还需要相当长一段时间，在实现“零碳”数据中心之前，实现“低碳”数据中心是必由之路。也就是采用全方位绿色节能技术，降低PUE，提高电源使用效率，降低总体能耗。

数据中心由很多系统构成：IT系统、空调系统、供电系统、智能化系统、消防系统等。根据一些以往数据中心运营数据统计，数据中心能耗构成中IT服务器占50%以上，其他机电系统中，能耗占比最高的是空调系统，占比30%左右，可见数据中心节能的重点一方面是降低IT服务器的能耗，另一方面是降低配套空调系统的能耗。

降低数据中心承载的IT服务器能耗的措施：除了IT设备自身元器件的升级之外，还可以根据业务类型采用定制化服务器以减少不必要的配置，以及采用虚拟化服务器提供共享资源池以减少设备数量。

降低空调系统的能耗有两个实现方向：一是采用自然冷源减少电力消耗，比如风扇墙、江水、湖水利用，冷却塔、间接蒸发冷等。因此在数据中心选址时，一些全年温度适宜、自然能源丰富的地区更受青睐。二是将空调末端尽量贴近服务器和核心的发热设备，这一趋势从房间级空调到行级空调到机柜背板空调再到液冷技术体现得非常明显。比如机柜背板空调以机柜为单位制冷，可以适合更高功率的机柜设备，而液冷技术将冷却部件直接置于IT设备核心部件CPU周围，进一步提高了机柜的适配功率。

除了IT系统和空调系统之外，其他系统也有一些降低能耗的措施：配电系统可以采用分散就近供电降低线路损耗。运维管理上可以引入AI技术实现空调智能群控，能耗监测、分析、管理，从而科学地节能。

总之，数据中心的节能不是采用几种技术就能够实现的，而是要因地制宜，采用合适的建设方式、选择合适的节能技术，多专业配合实现的系统性工程。

3.3 能源排放侧

数据中心在进行能源规划时，可以结合周边业态和用户的能源需求，形成能源互补，构建“消供型”数据中心综合能源系统及模式（消供型数据中心：能源消耗与供给有机结合的数据中心）。

比如在园区内建设综合能源站，上游能源供应可综合现有电力、天然气、光伏等，数据中心制冷后释放的热量进行余热回收，余热回收后产生的中高温水提供给周边的办公、商场等用户。能源消耗与供给有机结合，能够提高能源利用效率，减少碳排放。

3.4 市场调节

碳排放权交易：与矿石等能源产品一样，碳资产既有商品属性，又有金融属性。2021年，全国碳排放权交易市场上线交易启动，施行配额管控，以电力行业为突破口，率先开展交易，按照成熟度逐渐覆盖到其他行业。随着配额分配日趋严格，数据中心在条件成熟时也可以通过交易手段购买排放权。

绿电交易：绿电是相对于火电而言，主要指可再生能源转化而来的电力。通过开展绿电交易，有需要的用户可以与风电、光伏发电项目直接交易，以市场化方式引导绿色电力消费。绿电交易可以加快清洁能源消纳，在数据中心能源供给结构完全调整到位之前，也可以采用绿电交易的方式实现“碳中和”。

4 结束语

显而易见，在能源供给侧改变能源结构，提高可再生能源使用比例是实现“零碳”数据中心最主要的方式。但是能源供给结构调整还需要相当长一段时间，在实现“零碳”数据中心之前，实现“低碳”数据中心是必由之路。这就需要采用各种方法提高能源利用效率，减少碳排放，市场调节也是一种可选方式。

数据中心由于其高能耗越来越受到社会关注，数据中心实现碳中和可采用多种方式，也可以采用市场机制作为补充。在此期间，不论是已有数据中心还是新建数据中心都应进行自身碳盘查，评估减碳空间。也可以通过信息化手段管理能源、进行碳排放的计算与分析，科学地指导数据中心碳中和的具体实施。