數據中心與碳排放的探討

一、國際數據中心產業發展現狀
　　
　　1.國際數據中心能耗情況
　　
　　全球數據中心雖總能耗高,但總體能效不斷優化提升,數據中心碳排放增長備受關注。近年來,全球數據中心規模總體平穩增長,2019年全球數據中心機架數量達到750萬機架,安裝服務器6300萬臺,預計未來幾年總體規模仍將平穩增長,平均單機架功率持續提高。數據中心總能耗持續攀升,2018年全球數據中心總耗電達到205TWh,約占當年全球總用電量的1%。全球數據中心雖然總體能耗高,但是單位實例能耗強度下降,總體能效不斷優化提升。單從計算實例來看,全球數據中心能耗強度自2010年以來每年下降20%,能源效率顯著提升。
　　
　　目前,國際上,數據中心以及ICT產業的能耗和碳排放增長已經備受關注。根據華為瑞典研究院,2020年全球ICT產業的能耗約20,000億千瓦時,預計到2030年最高將增長61%至32,180億千瓦時;并且,根據研究顯示,全球ICT產業的溫室氣體排放量占比將會從2007年的1%～1.6%,增長到2040年的14%以上。
　　
　　2.國際數據中心降碳政策
　　
　　全球主要國家都承諾最晚于2050年前實現碳中和,并發布了一系列降碳政策和措施。美國政府承諾到2030年,溫室氣體排放水平比2005年減少50%～52%。最終到2050年,使美國實現碳中和。美國政府通過DCOI數據中心優化倡議、FDCCI美國聯邦數據中心整合計劃、FITARA聯邦政府信息技術采用改革法案等一系列舉措,以整合和關閉數據中心、資源虛擬化、可用性、設定數據中心PUE及服務器使用率具體標準、退役老舊機器的方式,實現了數據中心電能利用效率(以下簡稱PUE)從平均值2.0以上下降到近一半,部分服務器使用率從5%提升65%以上。
　　
　　2020年,歐盟委員會發布數字戰略,提出歐盟的ICT產業應當且能夠在2030年前實現碳中和。歐盟通過2020年歐盟數據中心能源效率行為準則的最佳實踐指南和歐洲數據中心能源效率現狀白皮書進一步細化和規范了數據中心PUE、SUE、DICE等綠色指標。
　　
　　二、我國數據中心產業發展現狀
　　
　　1.我國數據中心能耗情況
　　
　　隨著產業規模的快速增長,數據中心產業能耗不斷增長,減碳挑戰不容忽視。近年來,我國數據中心產業規模快速增長。根據中國信息通信研究院統計,2019年我國IDC行業市場收入達到878億元左右,近三年復合增長率約26%。截至2019年年底,我國在用數據中心機架總規模達到315萬架。近5年,數據中心機架規模保持平均每年30%左右的增速,未來仍將保持快速增長勢頭。
　　
　　與此同時,造成了產業能耗的迅速增長。據中國信息通信研究院研究統計,2019年中國數據中心的耗電規模在700多億度,占全國耗電規模的近1%。我國當前溫室氣體年排放量約為140億噸二氧化碳當量,其中,能源相關二氧化碳排放占全部溫室氣體排放的73%,工業生產過程二氧化碳排放約占10%,其他溫室氣體排放約為17%,數據中心減碳挑戰不容忽視。
　　
　　我國數據中心能效水平不斷提高,部分優秀綠色數據中心案例已全球領先。截至2019年年底,全國超大型數據中心平均PUE值為1.46,大型數據中心平均PUE值為1.55;規劃在建數據中心平均設計PUE值為1.41左右，超大型、大型數據中心平均設計PUE值分別為1.36、1.39，預計未來幾年仍將進一步降低。
　　
　　2.我國數據中心降碳政策
　　
　　我國頒布一系列政策積極推進數據中心產業綠色低碳發展。2020年12月,國家發改委、網信辦、工信部、國家能源局四部委聯合發布《關于加快構建全國一體化大數據中心協同創新體系的指導意見》等政策,提出強化數據中心節能技術適用和能源配套機制,推進建設綠色數據中心,實現數據中心行業碳減排。
　　
　　2021年5月,國家發改委、網信辦、工信部、國家能源局四部委聯合印發《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》,啟動實施“東數西算”工程,在實施方案中明確指出推動數據中心綠色可持續發展,加快節能低碳技術的研發應用,提升能源利用效率,降低數據中心能耗。
　　
　　2021年7月,工信部印發《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》(以下簡稱《三年行動計劃》),明確用3年時間,基本形成布局合理、技術先進、綠色低碳、算力規模與數字經濟增長相適應的新型數據中心發展格局。綠色低碳作為新型數據中心發展的重要基本原則之一,要堅持綠色發展理念,支持綠色技術、綠色產品、清潔能源的應用,全面提高新型數據中心能源利用效率。
　　
　　3.我國數據中心綠色低碳等級評估情況
　　
　　我國數據中心綠色等級評測起步較早。十多年來,基于已經發布的《互聯網數據中心技術及分級分類標準》等行業標準,信通院云大所推動ODCC和綠色網格持續開展“數據中心綠色等級評估工作”,這為我國數據中心行業的綠色發展起到了很大的推動作用。我國的數據中心綠色等級評估主要從能源效率、節能技術、綠色管理等三個維度進行評判。
　　
　　此外,還設置了數據中心的創新性探索和綠色建筑等加分指標。在能源效率方面，主要衡量數據中心的電能利用效率，即PUE值,PUE值越接近1，數據中心能源利用效率越高。在節能技術方面，主要考慮了數據中心的IT設備、制冷設備、供配電設備及其他硬件設備對節能技術的應用情況。在綠色管理方面，數據中心綠色等級評估主要考察的是數據中心企業在綠色節能方面的管理水平和手段。
　　
　　我國數據中心低碳等級評測處于快速發展階段。為更好地推動數據中心產業節能減排,數據中心低碳等級評估應運而生。數據中心低碳等級評估為開放數據中心委員會(ODCC)聯合工信部新聞宣傳中心、中國信息通信研究院今年新推出的評估項目。其中根據數據中心建設運營所處的階段(未投產、投產不滿一年、投產一年以上),劃分為規劃類、設計類和運營類三種。
　　
　　三、我國數據中心產業發展存在的問題
　　
　　1.我國數據中心技術相對落后,能效水平低
　　
　　我國數據中心IT設備算效水平相對較低。IT設備是數據中心能耗的最主要部分,占比50%以上,其算效水平直接決定了其能耗水平。根據中國信息通信研究院研究統計,當前我國數據中心平均算效,與國際先進水平相比仍存在較大差距。與此同時,目前,我國數據中心的虛擬化、云計算、算力平臺優化、算力調度等技術研究和應用不足,硬件節能、軟硬件協同、軟件優化的體系化水平仍有待提升。
　　
　　我國數據中心冷卻設備能效水平低。冷卻設備是數據中心非IT設備能耗的主要來源,在總能耗中占比達到30%。隨著云計算數據中心的單體規模越來越大,無論對于局部散熱還是整個數據中心散熱,風冷技術均趨于能力極限,且每年會產生大量的電力消耗。因此,亟需加大研發投入和測試實驗,高效利用自然冷卻資源推進綠色數據中心優化升級。
　　
　　我國數據中心備用電源設備柴發等仍直接產生大量碳排放。數據中心對供電等級要求較高,除了兩路市電接入、不間斷電源、后備電池以外,還需配置柴油發電機作為備用電源,柴發開啟會直接產生大量的溫室氣體排放。以氫能為代表的新能源則能解決這個問題。一方面,氫燃料電池可以替代柴油發電機在緊急斷電時維持數據中心的運轉;另一方面,氫能可以與電網整合,解決可再生能源的波動性,特別是季節性的波動性。目前,國際上微軟成功測試了氫燃料電池,為一排數據中心服務器連續供電48小時。但是當前氫能大規模利用主要受限于制備技術和儲運成本。我國的堿性電解槽的成本約$200/kW，兆瓦級的質子交換膜(PEM)電解槽系統的成本約$1400/kW。
　　
　　2.市場化采購可再生能源機制有待進一步完善
　　
　　我國數據中心市場化采購可再生能源機制仍有待完善。
　　
　　一是目前我國電力系統的調度方式是分散化的,通常以省份為主體,分散式的電力調度增加了高比例可再生能源系統實現平衡的難度,無法統籌實現可再生能源分配。
　　
　　二是數據中心參與市場化交易可再生能源體系亟待完善。當前我國交易可再生能源的方式主要依靠電力交易合同和綠色電力證書,但大量數據中心仍未取得電力市場化交易資格,電力交易中心可再生能源跨區交易較少。由于電能自身的特點，電力用戶在使用電能時，無法區分出其來源及生產地點。
　　
　　三是數據中心應用可再生能源動力不足。可再生能源應用未納入數據中心碳減排考核體系,數據中心使用可再生能源為非必要條件,企業可自行選擇使用與否,數據中心應用可再生能源的積極性不足。
　　
　　3.碳減排管理制度和標準體系建設有待完善
　　
　　我國數據中心能耗標準建設缺失。目前,我國在數據中心綠色標準體系以及綠色測評機制和評價指標體系方面開展了大量的工作。在標準建設方面,近日發布的《溫室氣體排放核算與報告要求數據中心》團體標準中,也對輸出熱指標做出了核算要求。但是在節能減碳方面仍缺乏指導性強、體系完善的標準,包括缺乏節能減碳規劃設計、設計能效評估、節能減碳改造的標準以及節能減碳評估和驗收標準等。與之相對應,數據中心液冷等新技術和新產品標準和規范也需要加快制定。
　　
　　四、數據中心實現“碳中和”的政策建議
　　
　　1.完善可再生能源市場化采購機制
　　
　　數據中心是國家“新基建”的重要組成部分,在用電負荷方面具有穩定的優點,有利于消納可再生能源,因此,將數據中心作為可再生能源交易試點對象較為適宜。建議將可再生能源的應用發展、能源轉型以及氣候變化與數據中心的發展相結合,實現融合發展,并出臺完善相關支持政策。擴大可再生能源市場化交易的試點地區及參與企業范圍,讓更多類型、不同規模的企業用戶有機會參與可再生能源采購。
　　
　　鼓勵有條件的數據中心企業直接投資建設可再生能源項目、鼓勵新增數據中心園區建設配套光伏、風電等可再生能源電站。在編制網絡建設規劃、電網基站規劃時需要充分考慮對數據中心的需求。推動數據中心項目在地區落地時,建議同步出臺鼓勵數據中心就近投資建設風電、光伏等可再生能源電站的相關政策,這將有力地促進數據中心在靠近可再生能源生產中心進行建設。
　　
　　2.加強綠色債券等金融工具應用
　　
　　加強應用綠色票據、綠色債券等金融工具。近年來,我國綠色金融市場發展迅速,綠色債券、綠色票據等金融產品已發展成熟。2019年,我國貼標綠色債券發行總量在全球排名第一,其中在綠色債券發行主體中非金融企業所占的比重越來越大,但目前我國的綠色債券發行主體多是能源企業和交通企業,互聯網科技企業目前尚未發行過綠色債券。我國數據中心企業應當積極探索應用綠色票據、綠色債券等多種金融工具進行融資,此外,跨國中資企業應當通過進入國際資本市場的渠道,不斷拓寬我國數據中心企業綠色低碳轉型發展的融資途徑。
　　
　　3.建立碳減排精細化管理制度
　　
　　建立數據中心能耗在線監測國家平臺,優化完善相關功能,提升對數據中心能耗在線監測數據的接入能力。推進數據中心用能數據上傳,積極對接能耗在線監測國家平臺。加快能耗監測體系建設,全面監測各類設備能耗相關數據,確保各項指標真實、準確。科學開展數據中心能耗預測預警,促進人工智能、大數據在數據中心能源管理全流程中的應用,定期分析數據中心節能降耗進展情況,及時預測節能降耗主要指標的完成情況。鼓勵數據中心開展第三方碳排放核查,制定數據中心能源數據信息披露標準,進一步提升信息披露力度,不斷豐富能源信息和碳信息披露內容,逐步實現碳減排的精細化管理。
　　
　　4.加快數據中心碳減排標準制定
　　
　　加快制定和完善數據中心碳減排標準體系。分析數據中心生命周期各階段的碳減排標準化需求,跟蹤和借鑒國際先進標準和評價方法,完善數據中心碳減排標準體系及關鍵標準研制,加快研究制定數據中心IT設備、供配電、制冷等碳減排技術標準體系以及碳足跡等碳減排管理標準體系,發揮標準化工作對數據中心低碳發展的支撐作用。深入開展數據中心綠色測評工作。建立健全數據中心及相關IT設備綠色低碳測評機制和評價指標體系,建立公開透明的測評結果發布渠道。鼓勵第三方機構創新低碳評價及服務模式,向數據中心提供咨詢、檢測、評價、審計等服務,為低碳新技術、新產品、新政策、新標準的研究制定和應用建言獻策,助力數據中心低碳發展。
　　
　　五、結語
　　
　　目前,5G、云計算、人工智能等新一代信息技術快速發展,信息技術與傳統產業加速融合,數字經濟蓬勃發展。在中國提升氣候目標與雄心的背景下,關于碳排放的約束政策將加碼。在綠色、低碳的時代背景下,面對數據中心產業發展面臨的諸多問題,我國政府應完善可再生能源市場化采用機制,加強綠色債券等金融工具應用,建立數據中心碳同排精細化管理制度,推動加快數據中心碳減排標準制定,努力實現2030年碳達峰、2060年碳中和的目標。