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数据中心“碳中和”的思考
2022-05-11 16:37:29 来源:通信世界全媒体 作者:【
关键词:数据中心
 
数据中心作为能耗热点行业,如何在推动“碳中和”的工作中有效实现绿色创新,推动行业的低碳可持续发展,成为备受关注的话题。现阶段,数据中心一方面通过技术创新持续降低PUE,另一方面通过自建可再生能源、购买“绿电”、开展“碳排放”交易等手段实现“碳中和”,但更多停留在能源侧。本文从产业的角度探讨一些“碳中和”观点及其可能引发的数据中心变革,希望引起更多的行业思考。
  数据中心作为能耗热点行业,如何在推动“碳中和”的工作中有效实现绿色创新,推动行业的低碳可持续发展,成为备受关注的话题。现阶段,数据中心一方面通过技术创新持续降低PUE,另一方面通过自建可再生能源、购买“绿电”、开展“碳排放”交易等手段实现“碳中和”,但更多停留在能源侧。本文从产业的角度探讨一些“碳中和”观点及其可能引发的数据中心变革,希望引起更多的行业思考。
  数据中心“碳中和”五大思考
  数据中心参与“碳交易”,促进“碳中和”
  通过购买CCER进行“碳抵消”、通过购买“绿电”减少碳排放,这些方式单独看确实可以实现“碳中和”,但数据中心本身在碳产生、碳排放方面并没有减少,这种“碳中和”更像是一种数字和形式上的中和。从全社会视角看,这些方式并不能实现有效中和。
  可再生能源对自然界的影响很大,在一定程度上可以起到“碳中和”或者“X中和”的作用。在不完全了解其真实作用的情况下,过多使用可再生能源或许并非实现“碳中和”的良策。如果现在以光能、风能和水能替代全部生产侧能源,对自然界产生的影响以及由此产生的连锁反应不得而知。因此,加大对风能、光能等可再生能源的利用,短期看可能是降低“碳排放”的最快方式,但从“碳中和”的角度看,并不一定是最好的方式。
  虽然如此,为实现“双碳”目标全社会、全行业仍需共同努力,现阶段碳交易、购买“绿电”等方式更大作用是提升碳的流通价值,促进和发展“碳中和”产业及市场。
  自建“绿电”和储能,辅助调整全国能源结构
  数据中心是用电侧,而不是供电侧,能源结构通常应由供电侧负责,而用电侧更应关注如何提升能源转换效率、如何减少整体能源使用等。
  基于此,很多数据中心都在部署绿电和储能系统。以光伏为例,由于条件限制,基本无法在园区土地上直接建设,更多的是利用现有楼宇进行改造,光伏发电真正并网量其实不大,只能辅助解决数据中心少部分用电,更多是生活用电。储能系统对数据中心而言,确实可以起到削峰填谷、降低“绿电”不稳定冲击、降低付现成本等作用,规模化之后甚至可以替代柴油发电机组,直接变成数据中心第三路电源,降低建设复杂度和维护难度。虽然大部分数据中心依靠自身部署的“绿电”和储能系统并不能完全实现“碳中和”,但从全社会层面看,将对建立全国分布式能源存储体系、调整全国能源结构、降低绿色能源不稳定性对全国能源结构的冲击起到辅助支撑的作用。
  数据中心光伏发电按每平方米150W、全年可用1300小时测算,不计算转换系数以及传输、储存、并网的损耗,全年可发电不足200kW·h。1个5kW机柜,按PUE=1.3、负载率为50%测算,全年需电28000kW·h,可以简单得出1个机柜需要140平方米光伏空间,1个2000台机柜的独立数据中心需要26.68万平方米的光伏空间。
  “碳中和”不仅是能源侧变革,更应是生产侧变革
  CUE的定义可能会使我们误以为“碳中和”的重点是利用可再生能源,实际上,“碳中和”是碳排放量为零,并不一定要通过使用“零碳能源”来实现,而需要生产方式、生产结构和生产技术的变革。
  从PUE的角度看,数据中心自身只消耗1.X中0.X的能耗,随着PUE越来越小,IT设备消耗的能耗已超数据中心总能耗的80%。公开资料显示,IT设备消耗电能的97%都转换成了热能,只有3%用于计算,而这部分热能还需要数据中心通过制冷加以中和,整个数据中心能源到算力的转换效率非常低。现阶段数据中心产业虽然在大力推广液冷等技术,但这些技术更多是实现如何降低PUE,能源浪费情况仍然存在,因此如何提升能源到算力的转换效率才是实现数据中心“碳中和”的核心,数据中心生产侧的变革势在必行。
  数据中心“碳中和”是一个过程
  其实,实现“双碳”目标的说法存在一些小瑕疵,“碳达峰”并没有明确目标值,只是碳排放达到峰值,“碳中和”才是明确的目标。
  数据中心“碳中和”要提前布局、尽快落地,但不建议用力过猛过快,要充分考虑经济效益和性价比。过早、过度追求所谓“零碳”,就会像饮料追求“零糖”“零卡”一样,看起来不错,但未必适合消费者。企业要从经济角度考虑“碳中和”,刚投产的设备就跟风改造,性价比会很低,退网设备的报废和新设备的生产同样会产生碳。国家已给出充足的时间过渡,企业要结合自身情况制定短期和长期计划,同时充分考虑成本和技术问题。
  已建成数据中心的“碳中和”路径建议重点放在节能和逐步替换改造上,而规划中的数据中心可以尝试采用全低碳架构。现阶段虽然很多企业通过购买“绿电”宣布实现“碳中和”,但以这样的方式提前实现“碳中和”,可能会在某种程度上降低其后期的能动性。
  摸清“碳家底”、建立碳清单是关键
  国外先进企业提出的“碳中和”目标,都建立在摸清“碳排放”家底的基础上,这些企业已建立了10年以上的内部“碳排放”清单,还建立了“碳排放”管理平台,少数企业更是建立了整个供应链的“碳排放”清单,像管理财务一样对“碳排放”进行精细化和数字化管理。
  现阶段,大部分企业并不清楚“碳排放”核算和“碳中和”计算标准,并没有真正开展碳盘查、核算“碳排放”量,也不清楚自身的减碳空间,“碳排放”(包括直接排放、用电排放和其他排放)基本都是通过计算而不是通过测量得到的。企业在制定“碳达峰”“碳中和”计划前,摸清“碳家底”和建立“碳清单”是非常关键的环节,建立全生命周期的数字化碳管理平台也是必要环节。
  “碳中和”引发的数据中心五大变革
  在数据中心实现“碳中和”的过程中,除引入绿色能源、购买CCER等能源侧的变革之外,更应该深入开展产业变革、架构变革、技术变革、业务变革和运维变革,目前数据中心产业针对“碳中和”所做的变革还远远不够。
  数据中心产业变革
  数据中心的“碳中和”,一定不是使用了100%清洁能源的“电中和”,而是整个数据中心与外部自然界的中和,其终极目标是:新建成数据中心的气体排放、污染物排放、碳排放等对当地无影响,与自然和谐共处。这不是某一行业能推动实现的,需要整个数据中心产业上下游形成多行业联动,才能达到上述平衡状态。
  以节能为例,数据中心前期节能更多围绕基础设施建设和运维开展,以降低PUE为目标。实际上,数据中心产业对“碳中和”最大的支持不是节约能耗,而是提升能源的转化效率,这就需要全产业的支持。重点应改变占比达到80%的IT行业,而不是占比仅20%的传统基础设施行业。
  因此,需要行业组织牵头,推动数据中心上下游全产业链的联动和变革,达到降低数据中心整体能耗、提升数据中心整体效率的目的,为社会发展做出行业的贡献。
  数据中心架构变革
  从“碳中和”视角看,数据中心园区应作为一个整体考虑。从土地到建筑再到设备、从用水到用电再到网络,整个园区呼入能源、输出算力、排放碳和热。而这个过程中要实现“零碳”的排放,一方面需要呼入绿色能源,另一方面更应该从架构上提高基础设施、网络和IT设备的能源利用率,提升数据中心整体能源到算力的转化效率,而不仅是降低PUE。
  数据中心各子系统应该作为一个整体考虑。比如在设计数据中心制冷系统时,要将基础设施制冷系统的冷却侧、冷冻侧、末端侧与IT系统的散热、风扇联动在一起,实现整体节能,避免出现由于IT风扇能耗过大导致总能耗上升,而PUE下降的情况。
  数据中心各机房也应作为一个整体考虑。以气流组织为例,在现有封闭冷通道的架构中,冷热空气的气流运动均涉及大量方向的调整,冷风从末端空调向前进入机房,再从通风地板向上到冷通道,通过IT风扇向左右吹到热通道,之后自然向上,借助诱导风机向后回到末端空调上方,最后向下吸入末端空调,形成循环。可以看出,在机房内的制冷过程中气流方向多次调整,而每次调整均需要消耗能量。因此数据中心在架构方面需要做出大胆变革,比如考虑将空调的送风系统和回风系统分开设计,实现冷气流方向和IT设备风扇方向一致,减少气流碰撞造成的能耗损失。
  数据中心机柜同样应作为一个整体考虑。基于云平台的优越性,目前各业务系统基本部署在云平台上,但单个服务器性能有限,部署时将几十甚至几百台服务器以虚拟化的方式形成云池,一般1台机柜部署10多台性能一样的服务器,虽然CPU、内存和存储形成云资源统一使用,但服务器的主机、配电和风扇等制冷系统仍是独立设计和使用的,这会造成一定的能耗浪费。因此不妨大胆设想,IT设备商将数据中心机柜作为一台大服务器进行整体设计,将服务器内配电、制冷和运算整体布局,极大提升单机柜的效率,既可以提升算力,又可以提升能耗利用率。
  数据中心架构变革均涉及系统性调整,不是某一专业可以实现的,实际落地难度更大,因此需要整个行业开展更多前瞻性的探索,以推动架构变革的落地。
  数据中心技术变革
  随着数据中心储能系统的大力发展,其供电方式也可以同步优化。比如当前讨论较多的“双路市电+储能”替代“双路市电+一路油机”,储能系统替代柴油发电机能有效减少碳排放和污染物排放。同时,储能系统替代油机,蓄冷罐也可以考虑取消,制冷系统的复杂度将有效降低,维护工作量也将减少,由人员操作失误引起的故障也将同比例降低。
  在利用自然资源方面,不应只关注室外冷空气和地下水资源,还有城市地下供水管路资源可以利用。以北方地区为例,地下管网自来水水温常年在10摄氏度左右,且具备流量大、稳定性高等特点,可尝试通过板换等方式为数据中心提供辅助冷源。
  在能源循环利用方面,以北方数据中心为例,一边通过制冷中和IT设备产生的热能,一边又在利用额外的电能进行辅助加热,包括办公区供暖、生活用水加热、冷塔补水管路和蓄冷罐电伴热保温、油机水套加热等,余热浪费非常大。在采用开式冷却塔的数据中心,水资源的浪费也非常大。数据中心园区应积极收集余热和废水,并加以循环利用,也许在不久的将来,就可以建立养殖和灌溉等系统,打造出像“稻田养鱼”一样的自循环生态系统。
  在选址方面,除近期比较热门的海底数据中心之外,水电站周边建数据中心貌似是最好的选择。一方面水力发电提供不间断的电力供应;另一方面水流带走热量,为数据中心提供安全稳定的冷却系统。此外随着航天科技的发展,平流层数据中心也能充分发挥太阳能发电、低温散热、污染小等优势。
  数据中心业务变革
  数据中心基础设施和用户IT系统在可靠性方面存在多重叠加。数据中心基本以政府、金融和互联网用户为主,用户对业务连续性的要求比较高,从安全角度考虑,用户业务系统需以双活、两地三中心或异地灾备等方式部署。以金融用户为例,一般1套业务系统需要部署于两地三中心,也就是需要部署6套UPS(每套均为N+1)、9路外接电源(每中心2路市电和1路油机发电)。从宏观角度看,为确保1套业务系统的稳定运行,全部配套资源的利用率和负载率均不会很高,以UPS为例,每台UPS均无法达到最佳的工作效率,不仅资源浪费较大,而且能源浪费也较多。
  业务系统需要在连续性和低碳节能之间找到平衡,业务架构有必要进行变革优化。比如,可以将主备等多系统看作一个整体,只需保证整体可用性而无需保证每个独立系统的可用性。数据中心也需要进行针对性的调整优化,比如可以多个数据中心承接整套业务系统SLA,而不是某个数据中心单独承接SLA。
  在云业务部署方面,以云存储为例,为保证业务安全一般会设置3份以上数据备份,单服务器甚至单机柜掉电,在虚拟化层面自动切换,不会对业务产生影响。但现阶段用户为了使用方便和维护安全,更多是将整套云平台部署在一个机房、一套UPS下,一旦动力或制冷出现问题,整个列头或机房将不可用,业务没有切换的余地。因此,从充分发挥云平台优势的角度考虑,云平台机柜应采取物理分散的方式,部署在不同机房和不同区域。
  云计算的特点是可以根据业务需求动态分配与调整资源,理论上能耗应随业务调整而调整,但很多云系统并没有呈现出这种状态,能耗与业务量并没有形成线性关系,原因在于集成商和应用商更关注系统的QOS和SLA,没有对系统进行能耗优化。数据中心行业要联合基础设施企业、IT硬件和软件行业,在业务稳定和节能低碳间找到平衡。
  程序代码是最容易被忽视的环节,因为程序编写更多以结果为导向。研究表明,使用不同编程语言的数据中心能耗差别很大;相同编程语言,不同人编写,能耗差别也较大。因此需要建立相应的评价机制,在代码可用和低碳节能间找到平衡。
  数据中心运维变革
  数据中心除常规的节能和低碳措施以外,在运维方面要尝试与业务系统建立更多关联并更紧密地结合,甚至要针对不同用户开展不一样的精细化服务,比如开展业务预测性服务等,目的是更精确地控制动力和制冷系统能耗。同时,也可以协同用户将应用系统与电力的“峰谷平”紧密结合在一起,多利用谷区域进行数据备份、同步及大数据分析运算等后台应用,起到节能降碳的作用。
  数据中心实现“碳中和”,不应是数据中心运营商通过自建、购买“绿电”等方式简单实现的,也不是数据中心运营商独自能实现的。其应当是一个长期的过程,需要从数据中心行业整体考虑,通过产业链上下游共同努力,通过不断变革提升能源到算力的转换效率,并建立类似“海绵城市”和“稻田养鱼”的自循环体系,实现数据中心与自然的充分融合。
      

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