E企研究院 · 2023年01月10日 · 海南

《考察报告》连载十三|“东数西算”与能源结构及气候环境

能源供给与能效

在国家发展改革委等部门关于同意 8 个区域启动建设全国一体化算力网络国家枢纽节点的复函(以下简称《复函》)中,对 10 个数据中心集群有几个共性要求,包括高能效、低碳、可再生能源使用率显著提升。可再生能源从供给侧、提高能效从消费侧,都是达成低碳的必要手段。

可再生能源和储能

10 个集群在各自所在区域,能源结构和气候环境都有比较优势。4 个“西算”节点的定位是“可再生能源丰富、气候适宜、数据中心绿色发展潜力较大”,以甘肃枢纽下属的庆阳市为例:

  • “十一五”以来,可再生电力发展从无到有,类型逐渐增多,从风电起步逐渐发展壮大,相继增加了光伏和生物质发电;
  • 装机容量不断扩大,从 2012 年的 198.5MW(兆瓦),增加到 2020 年的 723.41MW,9 年时间增长了 524.91MW,年均增加 58.32MW,其中风力发电装机容量 648.5MW、光伏发电装机容量 62.91MW、生物质发电装机容量 12MW;
  • 发电量也由 2012 年的 0.81 亿千瓦时(kWh,度),逐渐增加到 2020 年的 14.45 亿千瓦时,9 年时间增长了 13.64 亿千时,年均增长 1.52 亿千瓦时。
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    然而,定位是“用户规模较大、应用需求强烈”的 4 个“东数”节点,区域内部也不乏可再生能源丰富之地,譬如粤港澳大湾区枢纽选择的韶关是广东主要的电源基地之一,截至 2021 年底发电装机容量达 811 万千瓦(kW)、年发电量 270 亿度(千瓦时),富余 100 亿度,可再生电力装机容量 387 万千瓦(3870MW)、占比 47.7%。韶关市大工业电价全省最低。

此外,张家口数据中心集群的怀来县、张北县都有较为丰富的风电和光伏发电供应,长三角地区的海上风电也有很大的发展潜力。所以,“东数”节点确实应该“重点统筹好城市内部和周边区域的数据中心布局,实现大规模算力部署与土地、用能、水、电等资源的协调可持续,优化数据中心供给结构,扩展算力增长空间”。

远离高楼鳞次栉比的闹市区,数据中心可以部署分布式光伏,就地获取可再生能源。低层数据中心屋面(楼顶)面积相对较大,便于安装光伏板,譬如腾讯青浦数据中心就有一座机房楼在屋面安装了光伏板,新一代的 T-Base 超大规模园区如清远、仪征更是 8 座机房楼的屋面都铺满光伏板,其中腾讯云仪征数据中心分布式光伏项目在 2022 年 2 月 22 日正式全容量并网发电,总装机容量达 12.92 兆瓦,是江苏省目前最大的数据中心屋顶分布式光伏项目。数据中心屋顶 28000 多块高效单晶硅光伏组件所生产的绿色清洁电能,将经过逆变器、变压器等流程处理后接入数据中心中压电力方仓,供数据中心内服务器以及空调系统使用。并网后,项目平均年发电量将超过 1200 万千瓦时,相当于每年节约标煤约 3800 吨,对应减少约 1 万吨二氧化碳排放量。
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接近市区的多层数据中心,可以在机房楼的南向安装光伏板,形成建筑立面光伏幕墙,如万国数据在上海外高桥的上海三号数据中心,和天津市的江天数据(北辰)云数据中心。无论屋面还是立面,光伏板的总发电量与数据中心的用电量相比,贡献仍然偏低,不过光伏板还可以减少阳光直射到建筑物上的热量聚集,有利于降低夏季数据中心在散热方面的空调能耗。综合起来,长期的投资回报有一定吸引力。

光伏与风电一样易受天气变化影响而难以保持稳定供应,储能装置可以缓解这一问题。2021 年 7 月 15 日,世纪互联新一代荷储 IDC 项目在佛山智慧城市数据中心正式合闸,该项目以数据中心为主要负荷对象,将楼顶安装的光伏系统与楼外的储能系统互联,与市电共同为数据中心供电,预计每年可消纳 8 万度(千瓦时)太阳能,以节约电费。完整的储能系统由储能集装箱、PCS 仓、环网柜组成,配备 2MWh(兆瓦时)储能容量作为“电力蓄水池”,输出功率为 1MW(兆瓦),与光伏发电系统在交流侧耦合,最终在数据中心 10kv(千伏)高压侧并网,使数据中心形成一个负荷可变、可调的复合体,并根据电网及新能源发电需求,调整充放电策略。
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储能系统积极参与电网的负荷侧响应,一方面有利于帮助电网平滑风光等间歇性新能源,实现电网负荷曲线平衡,保证电网安全稳定运行;另一方面,还有利于提高可再生能源消纳比例。储能系统在电费低谷期充电、在电费高峰期放电,充放频率约为每天两充两放,可根据电价政策随时调整充放策略,结合负荷侧响应收益,以此供给数据中心使用,提高了自充自用的经济性。据测算,该储能系统每年带来的收益约为百万级。

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△ 佛山智慧城市数据中心的楼顶安装有光伏系统,楼外有储能系统(离楼近的是柴发)

这种为城区的数据中心增加分布式光伏+储能装置的做法,也符合《实施方案》中所倡导的“在城市城区内部,加快对现有数据中心的改造升级,提升效能。”

另外,像余热回收这种节能手段,也是在(靠近)城区的数据中心更容易找到消费市场。

规模、气候和利用率

上一节以庆阳和韶关为例,旨在说明“东数”区域内部也不乏能源结构和气候环境较好之处,而不是直接对比后发的西北部城市与发达的东南部城市的基建水平。况且,在数据中心的建设上,这两个地区都处于起步阶段。
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△ 乌兰察布满达 220kV 变电站,远处依次是快手、UCloud、阿里巴巴、苹果和华为的数据中心

“数字中国万里行”几年来见证了“东数”区域内核心城市 200 公里范围多个超大规模数据中心集群的崛起,包括京津冀区域的张北,长三角区域的南通与仪征,粤港澳大湾区的清远与河源。但是这些“价值洼地”的容量毕竟有限,通常只能优先满足一个超大规模客户的需求,像怀来这样接纳了字节跳动和腾讯两大客户的,还不多见。

“西算”区域的内需相对较小,丰富的资源供给可以充分向数据中心倾斜,毕竟“输煤不如输电,输电不如输信息”。况且,风能和光能虽好,却也只能从“输电”起步。
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△ 贵安华为云数据中心,一街之隔是以山洞数据中心闻名的腾讯贵安七星数据中心

近年来我国的数据中心领域有“南贵北乌”的说法:“北乌”即内蒙古乌兰察布,和林格尔数据中心集群中的集宁大数据产业园所在地;“南贵”就是贵安数据中心集群所在的贵安新区。在贵、乌两地都建有超大规模数据中心的客户是华为和苹果(Apple),此外贵安新区还有 30 万台服务器规模的腾讯贵安七星数据中心和三大电信运营商的数据中心,乌兰察布还有阿里巴巴、UCloud、快手的数据中心。

这么多家客户的超大规模数据中心云集于一地,对供电能力的需求可想而知。乌兰察布的可再生能源非常丰富,以风电而言,有效风场面积达 6828 平方公里,占内蒙古的三分之一;技术可开发量达 6800 万千瓦,占全国的十分之一。2020 年 12 月底,乌兰察布风电基地一期 600 万千瓦(6GW)示范项目首台风机顺利发电,这也是全球陆上单体最大风电项目、国家能源局批复的首个大规模可再生能源平价上网示范项目。

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华为在乌兰察布规划了三个数据中心园区,全部建成后服务器总量将达到 50 万台,而贵安华为云数据中心单一园区就规划了两倍的服务器容量,占地面积达 1521 亩,是贵安新区重点打造的 12 个大型数据中心里最大的一个。2021 年中我们考察贵安电子信息产业园时看到,贵安新区已有和在建的 220 千伏(kV)和 500 千伏变电站在 5 座以上,保证充足的电力输入;110 千伏变电站在 10 座以上,便于数据中心接入使用。

贵安新区为贵安华为云数据中心配套建设了华为 1 号 110 千伏变电站,接入贵安新区的第一个 220 千伏变电站林卡变,后者还为此进行了扩建。华为 1 号 110 千伏变电站在建设期间克服了疫情的不利影响,从破土动工到建成投运仅用了 9 个月,创下贵安电网 110 千伏变电站项目施工建设纪录。

“西算”区域的气候环境也普遍优于“东数”区域,数据中心可以有更多的时长使用自然冷源,利于提高能效。《实施方案》考虑到了这一区别,在 PUE 指标上,“东数”枢纽节点的 6 个数据中心集群控制在 1.25 以内,“西算”枢纽节点的 4 个数据中心集群控制在 1.2 以内,看起来差距不大,其实并不那么好跨越。
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△ 华为乌兰察布云数据中心采用 FusionCol 间接蒸发制冷模块,以充分利用自然冷源

张家口数据中心集群可以算是“东数”区的例外:从怀来到张北,接近乃至越过胡焕庸线,海拔也逐渐升高,距离和林格尔数据中心集群不远,气候环境条件相似,一年的自然冷却时长都可以达到 10 个月以上,甚至 11 个月。

然而,位于南方且地势偏低的长三角和粤港澳大湾区,就没有这么优越的气候环境了。特别是粤港澳大湾区,固然冬季还可以正常施工,甚至也不用考虑防冻,但在一年的其他时间里,要经常面对高温、高湿的挑战。如果不采用某种形式的液冷,这些地方的数据中心在自然冷却时长和 PUE 指标上很难与“西算”区的数据中心匹敌,这也是目前为止阿里巴巴最大的浸没式液冷集群落地在杭州的原因之一。

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