2023年2月，微軟公司的Christoph Mazur博士在歐盟儲(chǔ)能峰會(huì)上表示，“微軟認(rèn)為都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能型UPS的項(xiàng)目完全可以被應(yīng)用在其他數(shù)據(jù)中心。” 2022年7月，微軟公司愛爾蘭都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心開始使用鋰電池來作為備用電源，替代了鉛酸電池和柴油發(fā)電機(jī)。
顯然，如今微軟對(duì)擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍的信心更加充足。
無獨(dú)有偶，2022年4月，谷歌宣布在比利時(shí)Saint-Ghislain的數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能項(xiàng)目也取得了進(jìn)展。谷歌認(rèn)為這將幫助比利時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔能源的發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)這也展示了谷歌未來在全球數(shù)據(jù)中心推廣應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)的潛力。
數(shù)據(jù)中心的能耗開支過高一直是令國(guó)內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)巨頭們頭疼的問題。而數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能將有望降低數(shù)據(jù)中心的購(gòu)電成本、提高數(shù)據(jù)中心對(duì)新能源的利用率，最終降低數(shù)據(jù)中心的能耗。這將為互聯(lián)網(wǎng)巨頭們帶來很大的好處，也將成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)和能源行業(yè)協(xié)同發(fā)展的范例。
儲(chǔ)能為數(shù)據(jù)中心帶來的三個(gè)價(jià)值
儲(chǔ)能可以在提高供電穩(wěn)定性、降低能耗、獲取額外收益方面給數(shù)據(jù)中心帶來增量收益。
在分析這三個(gè)價(jià)值點(diǎn)之前，我們需要明白當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能獲取收益的前提條件和基礎(chǔ)是什么。
數(shù)據(jù)中心本身就會(huì)配置不間斷電源UPS作為備用電源，保障數(shù)據(jù)中心的用電安全性和電能質(zhì)量。UPS過去通常是用鉛酸電池作為電源，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)對(duì)鉛酸電源形成了替代趨勢(shì)。
鋰電池循環(huán)次數(shù)更高、壽命更長(zhǎng)、單位體積能量密度更高。數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能電源質(zhì)量由此得到了提升，因此具備了更高的供電可靠性和儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。
下面我們來看數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能可以獲得的益處。
穩(wěn)定用電層面，數(shù)據(jù)中心用電可以分為應(yīng)急電源與常用電源。一方面，儲(chǔ)能可以替代柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行應(yīng)急供電。另一方面，儲(chǔ)能能夠成為數(shù)據(jù)中心主供電源的來源之一。
降低能耗層面，通過配置儲(chǔ)能，數(shù)據(jù)中心可以提升新能源供電的穩(wěn)定性和利用率，峰谷儲(chǔ)能高峰放電，可以降低數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)支出和能源浪費(fèi)，最終減少碳排放。
施耐德在發(fā)表的一篇白皮書中提到儲(chǔ)能型UPS 能以非常規(guī)則的方式調(diào)節(jié)電網(wǎng)所測(cè)量到的負(fù)荷。如此可以將數(shù)據(jù)中心峰值電力容量需求最小化，使用UPS之前儲(chǔ)存好的電量，避免在用電高峰期支付高價(jià)電費(fèi)，降低容量費(fèi)用。
此外，儲(chǔ)能還能為數(shù)據(jù)中心帶來額外的經(jīng)濟(jì)收益。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的UPS往往具有大量閑置，如果能高效利用這部分閑置能源參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，不僅能更好地平衡電力供需，還能獲取電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
這種基于鋰電池的儲(chǔ)能型UPS除了可以保障數(shù)據(jù)中心備用電源的可靠性之外，還可以參與電網(wǎng)輔助服務(wù)市場(chǎng)來獲取收益，降低數(shù)據(jù)中心的用電成本。微軟的都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心就參與了愛爾蘭電網(wǎng)的調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)。
谷歌比利時(shí)的數(shù)據(jù)中心配備了5.5MWh的鋰電池儲(chǔ)能，其中的2.75MWh將用于優(yōu)化比利時(shí)電網(wǎng)的需求響應(yīng)計(jì)劃，儲(chǔ)能系統(tǒng)還將與其他分布式能源實(shí)現(xiàn)整合。該儲(chǔ)能項(xiàng)目的支持方為Fluence，儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于Fluence公司的第六代Gridstack模塊化儲(chǔ)能產(chǎn)品。
“谷歌很高興能在數(shù)據(jù)中心和能源行業(yè)的交叉領(lǐng)域內(nèi)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，特別是當(dāng)這種技術(shù)創(chuàng)新能帶來運(yùn)營(yíng)之外的效益時(shí)，”谷歌數(shù)據(jù)中心能源和基礎(chǔ)設(shè)施的高級(jí)負(fù)責(zé)人Marc Oman曾表示，“新的儲(chǔ)能項(xiàng)目就是一個(gè)很好的例子：它不僅能讓谷歌數(shù)據(jù)中心在電力中斷時(shí)能更清潔地運(yùn)行，而且通過我們的儲(chǔ)能項(xiàng)目將幫助比利時(shí)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻，保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。”
數(shù)字經(jīng)濟(jì)能耗大戶的配儲(chǔ)之路
數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)中最重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施之一，但同時(shí)也是用電大戶。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá)2166億度，約占全國(guó)總耗電量的2.6%;碳排放量1.35億噸，占全國(guó)總排放量的1.14%。
而2021年三峽電站累計(jì)發(fā)電1036.49億千瓦時(shí)。這意味著全國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站全年的發(fā)電量。
隨著數(shù)據(jù)總量的不斷攀升，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模將越來越大，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放成為破解數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能將成為解決該問題的一把鑰匙。
數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能途徑目前主要以儲(chǔ)能型UPS為主。儲(chǔ)能型UPS同時(shí)具備電化學(xué)儲(chǔ)能功能和數(shù)據(jù)中心UPS功能，既能實(shí)現(xiàn)UPS原有的備用電源應(yīng)急供電功能，也能通過挖掘電池儲(chǔ)能潛力來獲取更多收益。
儲(chǔ)能型UPS可以降低數(shù)據(jù)中心能耗水平，同時(shí)提高能量管理的智能化水平。國(guó)內(nèi)如科士達(dá)、科華數(shù)能等企業(yè)均在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域推出了儲(chǔ)能型UPS相關(guān)產(chǎn)品。
科士達(dá)新能源產(chǎn)品總監(jiān)黎志榮向數(shù)字時(shí)氪表示如何活用數(shù)據(jù)中心里的儲(chǔ)能電池是非常關(guān)鍵的。“數(shù)據(jù)中心本身就具備大容量電池，是理想的儲(chǔ)能提供方。數(shù)據(jù)中心一方面可以通過容量租賃獲取額外收益，還可以通過參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)獲取更多收益。”
在黎志榮看來，未來數(shù)據(jù)中心的UPS要實(shí)現(xiàn)雙向的工作模式，提供類似儲(chǔ)能變流器的功能。“科士達(dá)已經(jīng)在研究如何將 UPS 和 PCS 結(jié)合，以便更好地利用數(shù)據(jù)中心已經(jīng)投入的電池資產(chǎn)。比如研發(fā)雙向UPS，過去UPS只是單向的從電網(wǎng)把交流電轉(zhuǎn)到直流電，給電池充電。未來電池還要能支撐電網(wǎng)，就需要UPS具備從直流再轉(zhuǎn)換到交流側(cè)，實(shí)現(xiàn)給電網(wǎng)供電的功能。”
儲(chǔ)能系統(tǒng)將是數(shù)據(jù)中心供配電的一部分。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)占據(jù)一定空間，必然會(huì)牽扯到整個(gè)數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃布局，提升能量密度也將是減少數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝占地面積的重要途徑。
此外，數(shù)據(jù)中心并網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜，通常會(huì)涉及多個(gè)不同系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。因此黎志榮認(rèn)為未來數(shù)據(jù)中心還需要能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的能量管理。
數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能如何降低運(yùn)行成本、提高電力交易收益
數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行要充分考慮電力系統(tǒng)的需求和數(shù)據(jù)中心本身的工作特點(diǎn)。一方面要考慮到電力市場(chǎng)交易的需求，另一方面儲(chǔ)能系統(tǒng)還要結(jié)合數(shù)據(jù)中心可以在時(shí)間上推后處理計(jì)算任務(wù)、空間上將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移至別處數(shù)據(jù)中心處理的特點(diǎn)。
在考慮電力市場(chǎng)交易時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度控制需要考慮數(shù)據(jù)中心的冗余設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)所得收益和壽命損失。微軟研究院的研究員在IEEE發(fā)表的一篇研究文章中明確考慮了數(shù)據(jù)中心的N+1分布式冗余架構(gòu)，提出了一種數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能提供頻率服務(wù)的收益優(yōu)化框架，找到數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易的最優(yōu)投標(biāo)容量和實(shí)時(shí)操作[1]。
結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身工作特點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)行本身具有的可調(diào)節(jié)性值得充分利用[2]。數(shù)據(jù)中心可以對(duì)自身的工作任務(wù)、電力負(fù)荷進(jìn)行時(shí)間上和空間上的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而可以協(xié)同儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心購(gòu)電成本進(jìn)行削減以及降低負(fù)荷峰谷差，未來甚至可能參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)獲取收益。
數(shù)據(jù)中心工作任務(wù)可分為延遲敏感型和延遲容忍型兩大類。網(wǎng)絡(luò)交易、網(wǎng)頁瀏覽等用戶服務(wù)請(qǐng)求就是典型的延遲敏感型工作。而圖像處理、計(jì)算處理等需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的用戶請(qǐng)求就屬于延遲容忍型工作任務(wù)。
延遲敏感型工作可以進(jìn)行空間調(diào)度操作，即從一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心調(diào)度至另一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心。延遲容忍型任務(wù)則可以進(jìn)行時(shí)間調(diào)度操作。
基于工作負(fù)載時(shí)空靈活性的電力負(fù)荷調(diào)節(jié) 來源：中國(guó)知網(wǎng)[2]
2022年5月，阿里巴巴與華北電力大學(xué)合作開展的可再生能源消納驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心“算力-電力”優(yōu)化調(diào)度項(xiàng)目以試運(yùn)行方式參與了華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)。
在電力系統(tǒng)調(diào)峰信號(hào)的引導(dǎo)下，阿里巴巴位于江蘇省南通數(shù)據(jù)中心的部分算力負(fù)載轉(zhuǎn)移到了河北省張北數(shù)據(jù)中心繼續(xù)運(yùn)行。這次調(diào)度就是利用了數(shù)據(jù)中心空間上的可調(diào)度性。
這是全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心和電力系統(tǒng)間以促進(jìn)可再生能源消納為目標(biāo)的第一次協(xié)同調(diào)度，也是國(guó)內(nèi)首次跨區(qū)域“算力-電力”優(yōu)化調(diào)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
此外，由于數(shù)據(jù)中心工作任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性要求很高，因此選擇更具有實(shí)時(shí)性的高效優(yōu)化方法也非常重要。可以解耦多時(shí)段的馬爾可夫決策過程方法MDP和可以加快計(jì)算收斂、降低求解復(fù)雜度的交替方向乘子法ADMM都是值得考慮的方法[3]。
數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力市場(chǎng)交易是更值得關(guān)注的領(lǐng)域。
周鈺等人以惠州某數(shù)據(jù)中心 (規(guī)劃萬臺(tái)機(jī)柜) 項(xiàng)目為例，針對(duì)數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能的運(yùn)行模式及設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。該數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能項(xiàng)目擬規(guī)劃規(guī)模為 90 MW/180 MWh。
經(jīng)過經(jīng)濟(jì)測(cè)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供不間斷備用電源之外，同時(shí)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用服務(wù)，獲取電力市場(chǎng)輔助服務(wù)收益。項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率8.3%，動(dòng)態(tài)回收期7.05年[4]。
目前數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易方面尚未推出明確、完善的政策機(jī)制。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的各類電力交易市場(chǎng)鮮有考慮數(shù)據(jù)中心作為第三方市場(chǎng)參與電力市場(chǎng)交易的規(guī)則和方案。數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)也在關(guān)注期待這一類政策的落地。
綜合來看，在考慮配置儲(chǔ)能的情況下，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)實(shí)現(xiàn)最小運(yùn)行成本和最佳峰谷套利策略的目標(biāo)制定調(diào)度計(jì)劃，同時(shí)還要考慮日內(nèi)電力交易的實(shí)時(shí)性和不確定性，綜合運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)幫助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)降低能耗、提升收益的目標(biāo)。
展望
數(shù)據(jù)中心+儲(chǔ)能，可以有效提升數(shù)據(jù)中心用電安全穩(wěn)定性和質(zhì)量，同時(shí)還可以充分利用儲(chǔ)能電池資源進(jìn)行峰谷價(jià)差套利以及參與電力輔助服務(wù)獲取收益，能夠降低數(shù)據(jù)中心電費(fèi)開支，提高整個(gè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。
數(shù)據(jù)中心和儲(chǔ)能將成為算力、電力融合發(fā)展的典型代表。未來，數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施將更好地與新型電力系統(tǒng)協(xié)同互動(dòng)，形成支持源網(wǎng)荷儲(chǔ)良性運(yùn)行的重要力量。
參考文獻(xiàn)：
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5. 施耐德
6. Energy storage news
來源：36氪 文：張丞
評(píng)論