在“双碳”政策加速推进的同时,产业互联网爆发在即。科智咨询在《2021—2022年中国IDC行业发展研究报告》中提到:预计到2024年后,5G、AI等新兴技术趋于成熟,产业互联网生态逐步形成,数据量迅速增加,有望推动IDC产业进入新一轮的增长周期。

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中国传统IDC行业发展驱动及变化,来源:科智咨询

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2017-2024年中国传统IDC业务市场规模及预测(亿元),来源:科智咨询

高耗电与高排碳一直是禁锢数据中心产业可持续发展的核心痛点,如今,随着产业互联网生态逐步形成,梳理产业互联网爆发与数据中心产业不断增加的用电需求之间的关系、深度追踪用电与发电的源头问题,对于探索数据中心可持续发展、实现“零碳”,具有重要的路径参考意义。 

产业互联网爆发与数据中心用电

产业互联网在中国的爆发,正在倒逼中国数据中心耗电量大幅增加,大量用电需求已在路上。与此同时,数据中心作为5G、人工智能、云计算等新一代信息通信技术的重要载体,已成为数字经济底座,数据中心的高耗电带来的是经济高效发展,也正因为此,耗电大户数据中心并没有被发改委列为高耗能行业。

先来说说产业互联网。

产业互联网是继消费互联网之后数字经济的最主要驱动形式,也是释放下一轮数据中心用电需求爆发的最大源动力。2020年,美国数字经济规模高达13.6万亿美元,在美国科技股前20家上市公司中,有7家属于产业互联网公司,包括微软、亚马逊、Google母公司Alphabet、脸书等,这7家公司的市值占了前20家上市公司总市值的一半。不止如此,美国各行业领域也都有大批实力强劲的产业互联网企业,包括ADOBEINC、惠普、甲骨文、IBM、OpenText、Infor GT Nexus、E2open、One Network、True Commerce、SPS Commerce等。

再看中国,产业互联网才刚刚起步。黄奇帆在《战略与路径》一书中提到:“数字化技术综合体与各行各业结合形成产业互联网需要经历四个步骤”;“第一个步骤是数字化,第二个步骤是网络化,第三个步骤是智能化,第四个步骤是智慧化”。

中国信通院的数据显示,目前,中国的服务业、工业、农业数字经济渗透率分别为37.8%、19.5%和8.2%。在服务业领域,近年来短视频、电商直播等新型电子商务模式迅猛崛起,很多细分行业已经陆续形成了产业互联网生态;但在工业和农业领域,产业互联网仍处于初级水平,按照产业互联网形成的四个步骤来看,未来还有很大的发展空间。

再说说数据。

产业互联网爆发,数据驱动时代来临。二十年前,我国数据增长速度是每天100GB,如今已经达到每天4.4亿GB以上,数据激增了440多万倍。研究显示,2018年全球创建、捕获、复制和消耗的数据总量为33ZB(33万亿GB),两年后增长到了59ZB。在产业互联网的拉动下,预计到2025年,这一数字将达到175ZB,而中国在其中占了将近50ZB。

数据量快速增长的背后,是数据中心对用电需求的不断释放。

数据中心用电需求已在路上

早在20世纪60年代,作为早期数据中心的原型之一,世界上最先进的CDC6600在长达四、五年的时间里销量不过百台,和当时美国全社会1万亿千瓦时的年耗电量相比,耗电量可谓微乎其微。之后,随着互联网浪潮的到来,数据中心乘势而起,2011年,美国数据中心的耗电量达到1000亿度,占美国全社会耗电量4万亿度的2.5%左右。如今,随着产业互联网率先在美国爆发,到2050年,美国数据中心的耗电量将呈指数级增长。

美国数据中心用电量(2000年-2050年)

美国数据中心用电量(2000年-2050年)

目前,中国数据中心的耗电量和全社会耗电量都已经超越美国。2021年,中国数据中心耗电量超过2100亿度,占中国全社会耗电量8.3万亿度的2.6%。中国工信部原部长李毅中近期表示,当前,中国数据中心的年耗电量已经是三峡年发电量的两倍还多。

李毅中在清华大学第二届“碳中和经济”论坛上的演讲现场

李毅中在清华大学第二届“碳中和经济”论坛上的演讲现场

中国IDC圈数据显示,到2025年,中国数据中心和5G的耗电量将比2020年翻一倍,达到近4000亿千瓦时,占中国全社会耗电量的比例也将达到4%左右。

5G功耗(2018—2025年)

中国数据中心和5G功耗(2018—2025年)

中国环境学会碳达峰碳中和专委会秘书长柴麒敏博士在《全球碳中和进程下数智技术的应用场景与效应评估》一文中表示,到2035年,中国数据中心和5G的耗电量将是2020年的2.5—3倍,达到6951—7820亿千瓦时,预计将占中国全社会耗电量的5-7%。

数据中心的“零碳”路径选择

数据中心用电需求增加,也就意味着需要发足够多的电。

国家统计局2022年10月24日发布的统计数据显示,2022年1—9月,我国规模以上工业生产的总发电量为6.28万亿千瓦时,其中火力发电约为4.37万亿千瓦时,占全部发电量比例的69.5%,风力、太阳能新能源发电量为0.66万亿千瓦时,占全部发电量比例的10%。

2022年9月份规模以上工业生产主要数据 来源:国家统计局网站

2022年9月份规模以上工业生产主要数据 来源:国家统计局网站

也就是说,现在火力发电依然是规模以上工业生产发电的主要形式。数据中心用电也不例外,传统数据中心用电,依然有近70%都是由火力发电来的,但火力发电最大的问题就是会排放大量的二氧化碳。

关于数据中心的排碳,曾有一个非常形象的比喻:按2019年的数据测算,中国数据中心保有量约6万个,而这6万个机房每年消耗的煤炭量,刚好相当于把这些机房从地板堆到吊顶填满煤炭的量。

据《中国数字基建的脱碳之路:数据中心与5G减碳潜力与挑战》报告显示,2020年全国数据中心的碳排放量高达9485万吨,约占中国全社会碳排放量的1%。而据工信部估计,到2035年,中国数据中心和5G的碳排放量将高达2.3—3.1亿吨,约占中国全社会碳排放量的2—4%,相当于目前两个北京市的碳排放量。

显然,在火力发电主导的当下,数据中心依然是名副其实的排碳大户,减碳势在必行。具体来说,有两条解决路径。

第一,在用电一侧,减少数据中心生命周期内的碳排放。

中国通信工业协会发布的T/CA 301—2021《零碳数据中心建设标准》中给出了关于数据中心生命周期产生碳排放总量的明确计算方法,并且指出“当被考察的数据中心的碳排放总量c总=0时,该数据中心为零碳数据中心”。其中,在数据中心生命周期产生的碳排放总量公式(c总=cjc+cjs+csb+cyw+ccc+cp)中:

cjc(建筑建材生产运输阶段的碳排放)、

cjs(数据中心建设阶段的碳排放)、

csb(数据中心设备及材料生产运输阶段的碳排放)、

cyw(数据中心运行阶段能源消耗产生的碳排放)、

ccc(数据中心拆除阶段产生的碳排放)

都是正值,也就是会增加碳排放,而cp(数据中心生命周期通过植树造林、二氧化碳捕集利用与封存等技术、以及通过碳交易抵消的碳排放)是负值,会减少碳排放。

所以如果一个数据中心想达到“零碳”,就需要实现cjc、cjs、csb、cyw、ccc=cp,一方面需要尽可能降低cjc、cjs、csb、cyw、ccc的碳排放,一方面要尽可能提高cp,抵消碳排放,最终实现碳增加量和碳减少量相等,实现碳抵消。而在当前的技术水平下,碳抵消的规模还非常有限,因此,面临即将到来的产业互联网爆发,加速让碳增加指标快速下降是最有效的解决方案。

根据国际化标准组织ISO发布的ISO14064标准,企业温室气体的碳排放一共划分为三个部分,一是自身产生的碳排放,二是通过消耗电力能源产生的碳排放,三是产业价值链的碳排放。对于数据中心来说,90%以上的碳排放都来源于第二部分,结合数据中心生命周期产生的碳排放总量公式来看,就是cyw。

在解决cyw这个问题上,PUE是目前国内外普遍接受和采用的衡量能效的核心指标。PUE(公式为PUE=数据中心能耗÷IT设备能耗)一词最早在2007年由绿色网格组织(The Green Grid,TGG)提出,2016年,施耐德电气借鉴了美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)和绿色网格组织(The Green Grid,TGG)共同发布的《PUE:综合全面的检查度量标准》一文,给出了一套标准的PUE计算指南。

施耐德电气发布的PUE计算指南图示

施耐德电气发布的PUE计算指南图示

中国银河证券研究院2022年6月发布的《ICT“双碳”新基建,IDC温控新机遇》报告指出,数据中心总能耗包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施(包括安防设备、灭火、防水、传感器以及相关数据中心建筑的管理系统等)。在传统数据中心(非绿色低碳数据中心)中,由服务器、存储和网络通信设备等构成的IT设备能耗占比在45%左右。也就是说,PUE这个能效指标考量的主要是降低55%部分(数据中心总能耗-IT设备能耗)的能耗,从而让PUE值尽可能趋近于1,达到减少碳排放的目的。在剩下的55%能耗中,有40%都是空调系统能耗,这也是为何空调系统一直是数据中心提高能效的重点环节,液冷技术也因此受到越来越多的关注。

传统数据中心空调系统及服务器系统能耗占比较大(单位:%)

传统数据中心空调系统及服务器系统能耗占比较大(单位:%)

2022年1月,国家发展改革委等部门发布的《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》提出,数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率要明显提升,全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下,国家枢纽节点进一步降到1.25以下。因此2022年以来新建的数据中心,要求采用新的标准,也就相当于空调系统的能耗不能超过数据中心总能耗20%,PUE值因此出现下降,

但问题是,PUE属于约束性的能效指标,面对即将大规模爆发的产业互联网,它无法从根本上解决下面两个核心问题:一是由于数据中心的数量暴增,引起的IT设备能耗的直接增加;一是数据中心只要用电,就会产生排碳。

第二,在发电一侧,从根本上减少发电过程中的碳排放。

近年来,为了更彻底地减少排碳,实现数据中心可持续发展,以可再生能源为代表的“零碳发电”开始受到越来越多的关注。

斯坦福大学教授马克·雅各布森(Mark Z.Jacobson)在《可再生能源》(Renewable Energy)杂志上发表的一篇论文中提到:在考虑各类可再生能源发电技术的建设周期所带来的一系列机会成本(比如核电建设周期为5—17年,碳排放会大幅提高2.3—74倍)后,专门测算了各类发电技术的平均度电碳排放(g-CO2e/kWh),具体数据如下:

平均度电碳排放数据1

平均度电碳排放数据

屋顶光伏:0.8-15.8克/千瓦时

公共事业级光伏:7.85-26.9克/千瓦时

光热发电:6.43-25.2克/千瓦时

陆地风电:4.8-8.6克/千瓦时

海上风电:6.8-14.8克/千瓦时

地热:29-79克/千瓦时

水电:61-109克/千瓦时

波浪能:26-38克/千瓦时

潮汐能:14-36克/千瓦时

核电:78-178克/千瓦时

生物质:86-1788克/千瓦时

天然气+碳捕捉与贮存:230-412克/千瓦时

煤电+碳捕捉与贮存:282-876克/千瓦时

根据雅各布森的测算,核电、生物质等可再生能源发电导致的碳排放数值非常高。而完全依靠风能、水和太阳能,再加上储能的能源系统(解决可再生能源发电不稳定的核心问题),不仅可以实现可再生能源不间断供电,还能够完全实现100%可再生能源电力供应。

从这个角度来看,通过可再生能源(包括氢能)解决发电问题,储能技术是必不可少的。

总之,在“双碳”政策和产业互联网爆发的大背景下,数据中心要想实现真正意义上的可持续发展,需要关注以下两个方面:一方面,通过降低空调系统、电源系统、网络通讯等设备的能耗,不断减少数据中心生命周期内用电侧导致的碳排放;另一方面,通过储能、氢能等技术,不断提高可再生能源在发电侧的比例。与数据中心可持续发展相关的蒸发冷却、液冷、氢能、储能等很多核心技术,也正是在这个大背景开始受到越来越多的关注。

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