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数据中心是现代经济体系中一大排碳源
发布时间:2023-01-12   来源:机房气体消防工程   阅读:52
  近日,中国工程院院士邬贺铨表示,中国数据量快速增长,算力已经成为国家的战略选择。信息技术对传统产业减排的贡献十倍于信息技术自身引起的碳排放,目前中国数据中心的碳排放占全社会比例较全球平均水平高出一倍,中国应下决心降低数据中心的碳排放。

  邬贺铨指出了三种数据中心减碳的技术:向西部以及向低碳环境的地区发展;使用氢燃料以及储能电池;使用可再生能源,提高高压直流。

  数据中心碳排放

  在确定一个数据中心的碳排放量时,我们需要先准确理解用来说明测量数据的术语。

  数据中心的碳足迹定义为与一个数据中心总耗电量相等的碳排放。

  数据中心总体碳排放情况

  数据中心完整的碳排放情况包括:(1)数据中心生命周期各阶段的“隐含碳”;(2)数据中心楼宇本身的碳排放;(3)运营过程中的耗能所产生的碳排放量。

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  数据中心生命周期各阶段的“隐含碳”

  “隐含碳”包括所有材料和设备的生产、运输和报废过程这部分碳排放。

  数据中心产品生命周期里的各个碳排放阶段

  假设,数据中心内有一台新服务器,它在制造和运输过程中产生的“隐含碳”应当加到该服务器所在数据中心的总体碳足迹中(包括制冷、耗水、耗电、原材料供应商的排烟以及员工交通工具)。单就员工交通工具(驾车或商务飞行出差)来说,其所产生的碳排放也是非常多的。

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  数据中心楼宇本身的碳排放

  我们可以从下面的表格大致了解大楼本身的碳排放:

  建筑建材隐含碳明细表

  *表内的负数实际上代表对二氧化碳排放有正面作用(即,超出了二氧化碳排放的中和值),因为使用的是回收材料。

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  运营过程中的耗能所产生的碳排放量

  此为我们本次专题的重点~本期我们暂不展开详细讨论。接下来的几期,不二师兄将介绍它的影响因素,以及将介绍一种用于评估数据中心碳足迹的简单办法。

  数据中心能耗与碳排放的相关性

  影响数据中心运营过程中碳足迹的主要因素有三个:1.数据中心位置;2.IT负载;3.电气效率。

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  第一个关键因素:数据中心位置

  气候变量,比如室外温度和湿度都是能耗的影响因素。处于极端温度和湿度条件的地理区域会消耗更多的能源,因为数据中心的物理基础设施需要工作更长时间来保持稳定且适当的温度和湿度。

  数据中心所在地区的本地发电站也会对数据中心的碳足迹产生很大影响。

  数据中心所处地理位置的独特性也会影响“减排”的频率。减排反映的是本地市电电网中峰荷发电厂的平均使用率。当能耗需求降低时,峰荷发电厂就会减少使用(或者关闭使用)。这里的 “减排”只针对矿物燃料发电机。过去,峰荷发电厂通常是陈旧低效的设备。而现在大多数峰荷发电厂已经被更换为更加洁净、更加高效的设备,但仍然只在电能需求高峰期使用。

  通常用电高峰期出现在工作日的早晨和下午临近傍晚前后。在这些时间段中,许多工作场所还没下班或者人们已经下班回家开始准备晚餐并且打开空调或采暖(视数据中心所处具体地理位置和季节而定)。而这些时间段正是峰荷发电厂可能投入工作的时间段,从而导致本地数据中心碳足迹升高。

  *峰荷发电厂会增加电气碳排放在数据中心碳足迹中所占的比率

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  第二个关键因素:IT负载

  IT负载反映出数据中心内IT设备的能耗需求。IT负载包含组成IT业务架构的所有IT硬件,如服务器、路由器、计算机、存储设备、通信设备以及用以保护他们的安保系统、消防系统和监控系统。负载可能增加(受业务处理需求增加的影响),也可能减少(受虚拟化或整合的影响)。负载越高,就需要越多的电能来保证数据中心正常工作,相应的碳足迹也越高。

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  第三个关键因素:电气效率

  不幸的是

  对数据中心物理基础设施过大选型的传统做法对数据中心总体效率有着负面影响,因此也会影响到碳足迹。数据中心过大选型是为了规避在低估数据中心容量时可能产生的失误。过大选型导致设备得不到充分利用(比如服务器一天24小时都会插电,但是实际很少被用到)。

  幸运的是

  “边成长边投资”的模块标准化的扩展原则可以帮助优化设备使用率。此外,经过改进的容量计划软件现在已经可以帮助我们更精确地估算数据中心的容量以及耗电量。 数据中心内的许多因素都会对效率产生影响。从数据中心总体设计(服务器行的方向、电源架构、 制冷架构、服务器设计、冗余水平、IT负载等)到具体的技术设备部署(UPS、冷水机、节能模式)都会影响到效率。

  数据中心降碳方式及案例

  三种数据中心减碳技术助力“碳中和”

  信息技术对于碳减排发挥着巨大作用。邬贺铨以一份国际咨询报告举例,到2030年,信息技术在12个主要领域实现的碳减排是121亿吨,这个数字相当于当年碳排放的20%。

  “我们同时看到,信息技术自身的碳排放是12.5亿吨,在2030年,占全球2%左右。信息技术碳排放里面,主要包括三部分:端用户设备、数据中心和网络设备。其中数据中心大概占到29%。”

  “但是,信息技术对传统产业减排的贡献十倍于信息技术自身引起的碳排放,当然我们国家数据中心的碳排放,占全社会的比例比全球平均水平多一倍,所以还是要下决心降低数据中心的碳排放。”邬贺铨表示。

  邬贺铨指出了三种数据中心减碳的技术:一是向西部以及向低碳环境的地区发展,利用当地的可再生能源;是改变制冷方式,使用氢燃料以及储能电池;三是使用可再生能源,提高高压直流。

  自身革新+外力助推

  ——数据中心碳中和全景

  1、全生命周期降碳:

  数据中心碳中和的必然路径

  据产业测算,到2025 年,若要完全满足中国数据量的增长,需要430万个IDC机柜。赛迪数据也显示, 2020-2025年间需要建设的机柜数约为 203万个。数据中心数量的增长,毋庸置疑会带来能耗的增长。

  因此,无论是新建数据中心,还是改造老旧数据中心,都需要从数据中心产业的全生命周期去考虑其节能减排的路径。

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  布局侧:选址自然条件优越区域

  数据中心选址是首要一步,也是关键一步。

  2021年,我国正式提出启动东数西算工程。不容置否,部分中西部地区在自然条件上得天独厚的优势将有效助力数据中心减排。

  节能降耗方面,数据中心的制冷系统能耗占了总能耗的40%左右,而西部地区海拔高,环境温度低,利于散热,更加节能。华为云在贵州省贵安新区选址建设数据中心,采用直通风自然冷却,冷风经大楼百叶窗送进机房,热风经热通道从楼顶排出,极大提高了制冷效率,使能效比降至1.12。

  电力供应方面,选址风电、水电、光电等清洁能源丰富的地区,可以有效提高数据中心绿电使用比率。UCloud优刻得上海青浦数据中心屋面全面采用光伏发电系统铺设,以确保温室气体零排放。

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  设计侧:系统考察整体要素

  数据中心的建筑设计需考虑机架、布线、配电、制冷、散热、服务器、处理器等多个因素,是一个复杂的系统“工程”。

  华为云贵安数据中心在初期设计阶段多管齐下,采用多种技术,覆盖整个数据中心环节。在供电环节,用功率半导体替换铜器件,进一步降低供电损耗;在服务器运行时,运用人工智能算法进行削峰平谷以实现服务器间负荷均;在散热环节,充分利用贵州的自然环境优势,引入了液冷技术、直通风自然冷却和中温冷冻水系统,提升了设备密度与能效比。

  合理又智能的设计可以在很大程度上减少数据中心多方面能耗。

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  用能侧:可再生能源+储能创新应用

  数据中心的能源使用结构会直接影响碳排放量。《中国数字基建的脱碳之路:数据中心与5G减碳潜力与挑战(2020-2035)》指出,加速向100%可再生能源转型可以从根本上帮助数字基础设施产业减少碳排放,是行业迈向碳中和的优先路径。

  在新能源方面,秦淮数据提出在2030年实现100%可再生能源目标;数据港提出 2030 年实现运营范围内所有新一代超大规模数据中心100%采用可再生能源。

  在储能方面,科华数据研发了“数据中心后备储能管理系统”,通过新能源及综合智慧能源管理,打造“源、网、荷、储”一体化系统,推进数据中心等细分场景的低碳优化建设与运营。

  提升可再生能源比率,优化储能系统,对节能减排有直接影响。

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  运维侧:智能技术提升运维能效

  新型数据中心逐渐迭代发展,其运维手段也有所升级。

  2020年,科华数据基于对大数据分析和AI技术的智慧能源管理节能项目研究,打造了AI Energy Expert(智慧能源专家系统),将AI深度学习算法应用在数据中心,通过建模、采集、实验、训练、制定策略,自动寻找各制冷环节最佳能效点;同时,引入AI智慧算法,通过AI实时寻优,可获得大型数据中心机房精密空调温度的群控策略、冷水机组和水泵等制冷系统的最优控制策略,实现数据中心总体能耗最优的智慧运行。

  依靠数字化手段,引入智能化技术,是进一步优化能源效率和运维效率、实现“绿色低碳数据中心”的必经之路。

  2、完善配套体系:

  打造数据中心减排良好环境

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  监管侧:政府+第三方机构齐发力

  数据中心碳中和目标的实现,亦缺少不了外力作用。相关政策的约束和第三方机构的监督会敦促数据中心更严格地落实碳中和规划。

  工信部发布的《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》明确指出,建立绿色数据中心全生命周期评价机制,完善能效监测体系,实时监测PUE、水资源利用效率(WUE)等指标,深入开展工业节能监察数据中心能效专项监察。

  除了政府政策,也出现了具有公益性质的第三方服务机构,主要向数据中心提供咨询、检测、评价、审计等服务,这一做法创新了绿色评价及服务模式。目前,已有多家数据中心自主利用第三方服务机构开展绿色评测,并依据评测结果开展有实效的绿色技术改造和运维优化。

  在监督实施上,严格节能降碳相关政策执行,通过绿色电价、节能监察、环保监督执法等手段加大落实力度。

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  工具侧:市场、资本助力数据中心碳中和

  市场做为“无形的手”,在数据中心碳减排的后端扮演了重要角色。无论是碳排放权交易市场还是绿电交易市场,数据中心都积极参与其中以降低能耗。

  在绿电交易方面,万国数据计划在未来10年内向中广核新能源采购绿色电力,合计采购电量不低于20亿千瓦时,同时双方将就绿电交易、绿证交易、新能源投资、“源网荷储”一体化等服务及相关领域展开深度合作。

  此外,金融机构及资本则需根据绿色政策进行合理地投融资、借贷款、利率调整等资源配置行为,打造绿色金融产品以助推数据中心减排。人民银行宣布创设碳减排支持工具这一结构性货币政策工具,支持数据中心等重点领域的碳减排技术发展。
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