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储能系统在绿色数据中心建设中的运用研究

   日期:2020-08-14     来源:德恒律师事务所    浏览:443    评论:0    
数据中心是指用于存放计算机设备、服务器设备、存储设备、网络设备、通讯设备等IT设备,并提供制冷、供电、网络等基础条件,以实现对大量数据信息的集中处理、存储、交换、管理的场所。对数据中心而言,其最基本的两大功能即保证安全、可靠的电力供应和网络供应。

与传统能耗单元不同,数据中心为了实现上述功能,必须以24小时昼夜不停的方式运行着。在提供海量数据服务的同时,数据中心自身也在消耗着大量能源,数据中心日益增长的电力需求,已经对电力供应提出了新的挑战。而储能系统基于其对供电系统“削峰填谷”的功能能够保障电力供应的稳定性,已经成为数据中心用电稳定性的保障方式之一。本文将以数据中心的用能困境为切入点,通过介绍储能系统的优势,探讨储能系统在绿色数据中心建设中的应用。

本文来源:微信公众号 德恒律师事务所 ID:bjdeheng 作者:李德庭 焦芙蓉

一、数据中心的用能现状及存在问题

传统的数据中心一般由所在地电网或专用的发电设施提供电能,且多基于燃煤发电模式,能耗强度高,污染物排放量大。在数据中心的高速发展下,能源的极大消耗增加了数据中心的运行成本。从长远来看,这种用电模式并不利于数据中心的发展。

(一)数据中心用能现状

国际环保组织绿色和平与华北电力大学2019年联合发布了《点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》报告(下称《报告》),根据该《报告》,2018年中国数据中心机架数总计约为271.06万个,总用电量约为1,608.89亿千瓦时,占中国全社会用电量的2.35%,占第三产业用电量的14.9%,已经超过上海市2018年全社会用电量(1,567亿千瓦时)。《报告》预测,2023年中国数据中心总用电量将达到2,667.92亿千瓦时,未来5年(2019年-2023年)将增长65.51%,年均增长率将达到10.6%。

根据2019年5月国家工信部公布的《全国数据中心应用发展指引(2018)》,截至2017年底,我国在用数据中心的机架总规模达到了166万架,全国数据中心能效水平进一步提升,在用超大型数据中心平均PUE为1.63,大型数据中心平均PUE为1.54,其中2013年后投产的大型、超大型数据中心平均PUE低于1.50。全国规划在建数据中心平均设计PUE为1.5左右,超大型、大型数据中心平均设计PUE分别为1.41和1.48。此外,根据工信部2019年2月份公布的数据,截至2017年底,各类在用数据中心达28.5万个,全年耗电量超过1200亿千瓦时,约占我国全社会用电量的2%,超过全球单座发电量最高的三峡电站当年976.05亿千瓦时的发电量。

值得注意的是,由于技术原因,数据中心的实际能耗往往高于统计数据。数据中心按照用途可以分为企业自建自用和以盈利为目的两大类,在实践中,企业自建自用部分的能耗很难全部统计进去,这意味着数据中心的实际用电量远远大于上述公开数据。

(二)传统数据中心电力备用模式缺陷

除了能耗大,传统数据中心电力备用模式在实际应用中也显现出种种不足。如前所述,对于数据中心而言,保证安全可靠的电力和网络供应是其核心的两大功能。为了实现上述功能,数据中心都配备有不间断电源(UPS)。不间断电源由UPS主机和电池两部分构成,在市电供给正常时,UPS在“过滤市电杂质”后给负载供电,同时给电池充电;当市电出现异常(中断供电)时,电池放电通过UPS供给负载保证电力供应。这种电力备用模式存在以下缺陷:

1.燃煤发电污染严重

传统数据中心多基于燃煤发电模式,这种模式在数据中心的高速发展下,不仅增加了数据中心的运行成本,也产生了大量的污染物。

2.高昂的电费支出

数据中心的运营成本主要来自于电费,以山东为例,截止2019年10月底,数据中心的电费在数据中心的运营过程中占比超过70%(数据来源:山东移动济南云数据服务中心)。

3.过量的电池投资

数据中心备电需要使用大量的铅蓄电池,这些电池的使用寿命通常为5年左右,为保证备电的安全性,基本每5年就需要更换一批电池。而且由于常规数据中心市电可靠性高,电池因此长期处于闲置状态,造成了很大的资源浪费。

随着数据中心数量的不断增加,数据中心电力需求也在不断增长,而上述痛点必然成为阻碍数据中心产业发展的主要矛盾。改变数据中心行业用能方式,加快清洁低碳用电步伐,已成为国家和地方多方关注的重点。

二、数据中心用能发展方向

近几年,国家和各地方纷纷出台政策严控数据中心能耗,提出能耗指标,鼓励对数据中心进行绿色节能改造、提高数据中心能效水平,如:

2019年1月21日,工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局出台的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》(工信部联节〔2019〕24号),明确要求到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的PUE达到1.4以下。

2018年5月31日,贵州省大数据发展领导小组办公室印发《贵州省数据中心绿色化专项行动方案》,要求全省范围内新建数据中心能效值(PUE/EEUE)低于1.4。

2018年9月6日,北京市政府印发《北京市新增产业的禁止和限制目录(2018年版)》(下称《目录》),该《目录》指出,北京全市范围内禁止新建和扩建互联网数据服务中的数据中心(PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外);禁止新建和扩建信息处理和存储支持服务中的数据中心(PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外)。中心城区禁止新建和扩建互联网数据服务中的数据中心,信息处理和存储支持服务中的数据中心。

2019年6月11日,上海市经济和信息化委员会印发《上海市互联网数据中心建设导则(2019)》(下称《导则》),规范上海市互联网数据中心建设。《导则》明确要求“严禁上海市中环以内区域新建IDC”“单项目规模应控制在3000至5000个机架”“PUE值严格控制不超过1.3”,旨在控制上海市互联网数据中心建设和新增能耗,实现合理布局。

2019年11月,《广州市发展改革委、广州市工业和信息化局关于加强数据中心节能审查工作有关事项的通知》一文指出,要求新建大型、超大型数据中心的电能使用效率需达到1.4以下,未达到能效准入标准的大型、超大型数据中心不予节能审查。

在控制传统能源和发展清洁能源的大趋势下,绿色节能、降低能耗已经成为数据中心的行业发展方向。2019年1月21日,工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局出台在《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》中明确提出要建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系,并提高储能系统在数据中心的重要性。具体包括:

1.加快高耗能设备淘汰。在满足可靠性要求的前提下,试点梯次利用动力电池作为数据中心“削峰填谷”的储能电池。

2.加快绿色数据中心先进适用技术产品推广应用,比如高效辅助系统,包括分布式光伏、高效照明、储能电池管理、能效环境集成监控等。

3.鼓励数据中心和节能服务公司拓展合同能源管理,研究节能量交易机制,探索绿色数据中心融资租赁等金融服务模式。

此前,2017年9月8日,浙江省机关事务管理局、浙江省发展和改革委员会、浙江省能源局联合印发的《浙江省公共机构绿色数据中心建设指导意见》,对数据中心的未来发展和建设要求,作了明确指示:

1.应用可再生清洁能源。条件适应时,数据中心宜利用太阳能发电或风力发电,而太阳能或风能发电量宜配置电池储能系统进行储存和调节。

2.采取储能措施对供电系统进行“削峰填谷”。一方面,通过在数据中心配置电池储能系统,储存谷电时段电量,补充峰电时段用电量。另一方面,在备用电源系统中,采用储能电池代替后备电池,运行于“削峰填谷”模式。

3.探索合同能源管理模式。鼓励和支持公共机构通过合同能源管理模式,对既有数据中心进行绿色改造。

从上述国家和地方法规来看,建立绿色数据中心已经成为未来数据中心发展的趋势和方向,利用太阳能或风力等可再生清洁能源进行发电,并配置储能系统进行储存和调节,可以有效促进绿色数据中心的建设。

三、储能系统简介

储能系统根据技术路径不同,可以分为机械储能(如抽水蓄能、压缩空气、分论储能等)、电磁储能(如超导储能、电容器、超级电容等)和电化学储能(铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂电池等)。储能系统能够起到提高电能质量、通过调峰填谷节省电费开支、频率控制等作用,并可以作为备用电源。

按照应用场景的不同,储能主要分为电源侧储能、电网侧储能和用户侧储能。电源侧储能是指装设并接入在常规电厂、风电场、光伏电站等电源厂站内部的储能设施;电网侧储能是指在专用站址建设,直接接入公用电网的储能设施。用户侧储能是指在用户内部场地或邻近建设的储能设施。数据中心储能系统属于用户侧储能。

四、储能系统在数据中心的运用场景

如前文所述,数据中心在提供海量数据服务的同时,必须保证用电的安全性和连续性,而电化学储能能够起到提高电能质量、通过调峰填谷节省电费开支、频率控制和作为备用电源等作用,因此两者结合就有了基础。根据数据中心用能情况不同,储能系统有不同的应用场景。储能系统在数据中心的主要应用场景如下:

(一)作为数据中心的后备电源

传统上,数据中心需要使用大量的铅蓄电池作为备用电源,这些电池的使用寿命通常为5年左右,为保证备电的安全性,基本每5年就需要更换一批电池。而且由于常规数据中心市电可靠性高,很少放电,电池一直处于浮充状态,电池状态不可知,需要通过定期的假负载测试来检验电池的性能。储能型数据中心,电池每天都会放电,放电后电压一目了然,很容易判断电池好坏,有助于及时剔除不良电池,同时也省去了每年做假负载测试的费用。

(二)数据中心可再生能源搭配储能系统

目前,数据中心受限于能耗要求和碳排放配额,发展受阻,运用可再生能源发电已经成为建设绿色数据中心的一大趋势。但鉴于数据中心的用电特征,数据中心不能仅仅依靠太阳能发电或风力发电等可再生能源自发自用,一方面,其成本较高;另一方面,光伏发电或风力发电等可再生能源发电具有不连续的特点,而且还存在弃光弃风等现象,稳定性较差。因此,可再生能源若要取代传统能源实现大规模应用,必须保证其供电的安全可靠。

储能系统在可再生能源发电系统中的应用可以解决上述的供电不平衡问题,将可再生能源发电系统与储能系统相结合,能够起到负荷调节、存储电量、配合新能源接入、提高电能质量等作用。通俗来说,将储能系统比喻为一个蓄水池,先将通过光伏系统或风力系统发电的电量储存起来,在用电高峰的时候再释放使用,这样既能保证可再生能源发电系统的供电稳定性,也能减少对电能的浪费。

(三)数据中心利用储能系统的“削峰填谷”功能减少电费开支

“削峰填谷”,利用峰谷电价差获取收益,是目前储能系统应用较普遍的商业模式,也是效益最高的一种商业模式。

所谓“削峰填谷”,即利用国家的峰谷电价政策,通过储能电池的充放电过程调节用户用电曲线,在电价处于低谷时进行充电储能,在电价处于高峰时将储存的电量释放出去,从而利用峰谷电价差赚取差价。配置储能设施的园区或建筑基于峰谷电价机制,将供热、供冷系统和储能设施协同调度,实现智能化用电,节省电费支出。

数据中心采用储能模式,相比于传统模式,一方面可以保证电力供应的稳定性和持续性,不会轻易断电。另一方面,可以利用“削峰填谷”模式获得收益,在夜间低谷电价时充电,白天高峰电价时放出部分电量,可以有效减少数据中心的电费开支。

五、数据中心储能系统应用模式

数据中心储能系统可以由数据中心业主自行投资建设和运营,或者采用合同能源管理模式。

合同能源管理(Energy Management Contract,EMC)是指节能服务公司通过与数据中心业主签订服务合同,给数据中心业主提供节能改造的相关服务,并从数据中心业主节能改造后获得的节能效益中收回投资并取得利润的一种商业模式。其实质就是以减少的能源费用支付节能项目全部成本和投资的节能业务方式。相对于传统的能源管理和节能改造模式,合同能源管理是一种市场机制,其核心在于不仅能为项目节能减排从而实现社会效益目标,也能为合同双方带来经济效益。数据中心也可以采用合同能源管理模式进行投资。

合同能源管理模式有节能效益分享模式、承诺节能效益模式、能源费用托管模式、融资租赁模式等多种模式,实践中采用比较多的是节能效益分享模式。

节能效益分享模式是由节能服务公司投资或双方共同投资,由节能服务公司对储能系统进行建设。项目建设施工完成后,经节能服务公司与数据中心业主共同确认节能量后,双方按照合同约定的比例分享节能效益。分享的原则即:节能改造项目实施的前几年中所获得的经济效益,节能服务公司占据的比例较大,节能客户占据的比例较小。在合同期结束后,储能系统无偿移交给数据中心业主使用,数据中心业主享有未来产生的全部节能收益。

六、储能项目的立项及并网

(一)储能项目实行备案制

根据国家发展改革委、财政部、科学技术部、工业和信息化部、国家能源局关于《促进储能技术与产业发展的指导意见》(发改能源〔2017〕1701号)和国家发展改革委办公厅、科技部办公厅、工业和信息化部办公厅、能源局综合司印发的《贯彻落实<关于促进储能技术与产业发展的指导意见>2019-2020年行动计划》通知(发改办能源〔2019〕725号),储能项目实行备案制。

对于独立的储能项目,除《政府核准的投资项目目录》已有规定的,一律实行备案制。项目按照属地原则备案,备案机关及其权限由省、自治区、直辖市和计划单列市人民政府规定。企业按照地方有关规定向主管部门备案。

(二)储能项目并网

1.电网接入

对于有并网需求的储能项目,根据《国家电网有限公司关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》(国家电网办〔2019〕176号),不同的储能应用场景对应适用不同的管理办法。电源侧储能和独立的纯调峰调频储能接入电网参照常规电源接入电网的管理办法执行。用户侧储能接入电网参照分布式发电接入电网的管理办法执行(并非所有的储能项目都需要接入电网,实践中有些用户侧储能项目并无并网需求)。

上述文件要求,电网企业应公平无歧视为储能项目提供电网接入服务。对于符合要求的储能系统,电网公司应准予接入并将其纳入电网调度管理。

2.并网调度协议和购售电合同

a.国家层面

关于储能项目的并网,虽然有《电化学储能系统接入配电网技术规定》(NB∕T 33015-2014)、《电化学储能系统接入配电网运行控制规范》(NBT 33014-2014)等行业标准,但这些都是技术层面上的规范和标准,在法律层面上国家尚未出台统一的并网规制。

国家发展改革委、财政部、科学技术部、工业和信息化部、国家能源局发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》(发改能源〔2017〕1701号)鼓励储能与可再生能源场站作为联合体参与电网运行优化,接受电网运行调度,实现平滑出力波动、提升消纳能力、为电网提供辅助服务等功能。电网企业应将联合体作为特殊的“电厂”对待,在政府指导下签订并网调度协议和购售电合同,联合体享有相应的权利并承担应有的义务。

此外,国家电网公司发布了一系列储能项目设计、并网测试等方面的企业内部技术标准和规范,但未见发布有关储能项目并网验收、并网调度协议签订、并网调度的统一规范。

b.地方层面

国家能源局南方监管局发布的《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则(试行)》,适用于南方区域地市级及以上电力调度机构直接调度的、并与电力调度机构签订并网调度协议的、容量为2MW/0.5小时及以上的储能电站,其他类型储能电站参照执行。根据该细则,储能电站应与电力调度机构签订并网调度协议,实时充放电等相关信息应接入电力调度机构技术系统。储能电站不得在尖峰时段充电,不得在低谷时段放电。

国网江苏电力有限公司于2017年9月发布的《客户侧储能系统并网管理规定(试行)》,对内部机构职责分工、并网工作流程、储能项目运行管理等做出了比较细致的规定。2018年7月16日,国网江苏电力有限公司发布了对《客户侧储能系统并网管理规定(试行)》相关内容的补充说明,根据该补充说明,用户储能电站无需签订《并网调度协议》、无需安装调度自动化相关设备、改为签订《供用电合同》补充协议。

2020年6月,国网新疆电力公司发布了《新疆电网储能电站调度运行管理规定》,根据该规定,凡并入新疆电网运行的储能电站,必须根据并网要求与相关电网经营企业签订《并网调度协议》,并服从电网调度的统一调度管理。

目前关于储能项目尚缺少统一和明确的并网规则,有鉴于此,我们建议,有关储能项目并网流程、并网调度协议和购售电合同签订事宜应与项目所在地电力公司确认。

七、储能项目的电价政策

目前,对于储能项目的电价,国家层面尚未出台单独的电价政策。2018年6月21日,国家发展和改革委员会印发《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》(发改价格规〔2018〕943号),其中明确健全促进节能环保的电价机制,鼓励市场主体签订包含峰、谷、平时段价格和电量的交易合同。利用峰谷电价差、辅助服务补偿等市场化机制,促进储能发展。该意见并未明确储能项目的电价政策。

在地方层面,2020年4月29日,山东省发展和改革委员会印发《关于开展储能峰谷分时电价政策试点的通知》(鲁发改价格〔2020〕618号),开展储能峰谷分时电价政策试点,这是国内首个关于储能电价政策的文件。该通知对储能电价政策、试点范围、条件等作了明确规定。其中明确对于参与储能峰谷分时电价政策试点的用户,电力储能技术装置低谷电价在现行标准基础上,每千瓦时再降低3分钱(含税)。

综上,目前储能项目仍是依靠峰谷电价差,在低谷电价时段充电、高峰电价时段放电,实现峰谷差套利,降低用电成本。

八、储能项目的补贴政策

目前,国内对于储能项目的补贴政策少之又少。在国家层面,尚未有文件进行明确;在地方层面,部分地方政府发布了本地化的储能项目补贴政策。

2018年9月17日,合肥市人民政府印发《关于进一步促进光伏产业持续健康发展的意见》(合政〔2018〕101号),支持光伏储能系统的应用。对于建成运行的光伏储能系统,项目中组件、储能电池、逆变器采用工信部相关行业规范条件公告企业产品或《合肥市推荐应用光伏产品导向目录》推荐产品的,自项目投运次月起对储能系统按实际充电量给予投资人1元/千瓦时补贴,同一项目年度最高补贴100万元。

2019年3月24日,苏州工业园区管委会印发了《苏州工业园区绿色发展专项引导资金管理办法》(苏园规〔2019〕1号)(下称《管理办法》),针对工业园区储能项目出台了补贴政策。根据该《管理办法》,对在园区备案实施、且已并网投运的储能项目,自项目投运后按发电量(放电量)补贴3年,每千瓦时补贴业主单位0.3元。

2020年3月25日,新疆发改委下发关于征求《新疆电网发电侧储能管理办法》意见函,鼓励发电企业、售电企业、电力用户、独立辅助服务提供商投资建设电储能设施,要求充电功率在1万千瓦以上,持续充电时间2小时以上,对根据电力调度结构指令进入充电状态的电量给予0.55元/千瓦时的补偿。

九、结语

高能耗、高污染、高成本制约着数据中心的发展,寻找降低能耗的合理途径迫在眉睫。数据中心的负载特性、运营方式和国家峰谷电价的政策,都给储能系统在数据中心的应用提供了发展机遇。在数据中心配置储能系统,运用可再生清洁能源可以减缓数据中心的碳排放,节约运行成本,获得收益,是现阶段数据中心的最佳选择。随着数据中心的高速发展,储能系统必将在数据中心领域得到更广泛的应用。 
 

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