2022年“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报告.pdf
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1、数据中心绿色高质量发展研究报告“碳达峰、碳中和”背景下国家信息中心|贵州省大数据发展管理局|华为技术有限公司|粤港澳大湾区大数据研究院2022年5月在数字经济时代数据成为重要的生产要素,与土地、资本和劳动力等有形的生产要素不同,数据需要通过挖掘利用才能显示其价值。数据挖掘是大数据产业链中主要一环,数据挖掘需要算力,发展算力已成为世界上主要国家的战略选择。算力包括支持科学计算的超算、专用于人工智能计算的 AI 中心、政企单位自建的数据中心和面向公众的互联网数据中心,此外 PC 和手机等个人终端也具有一定的算力。据预测在“十四五”期间我国数据中心算力将以年均 20%的速度递增。互联网数据中心是算力
2、的底座,我国十分重视数据中心的建设,最近国家部署建设全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽,东数西算工程是其中的主体,这不仅是信息技术新时代的新基建,也是数字经济的平台和网络强国的重要举措,还是实现双碳目标的重要路径。数据中心的建设与运行将促进企业数字化转型包括支持能源结构调整和产业结构调整,助力碳达峰碳中和。有资料分析并预测,到 2030 年全球信息技术帮助各行各业减碳的量是信息技术自身排放量的十倍,尽管如此,降低信息技术产品自身的能耗仍然是值得重视的。以数据中心为例,2020 年我国数据中心能耗约占全社会 2%,过去 8 年年均增速 12%,能源成本已占数据中心总成本的一半,因此减碳既是
3、企业的社会责任并体现为社会效益,也将产生经济效益。数据中心的绿色高质量发展首先要着眼于提升能效,同时还要兼顾可扩展性、可靠性、安全性、投资回报等,需要从节能减排技术、区域布局、数据中心体系架构、数据中心产业链、数据中心运营管理模式、算网协同等多维度共同发力,可见绿色数据中心的建设与运行需要以系统工程的思维来综合考虑。本报告分析数据中心及一体化大数据算力枢纽绿色高质量发展面临的挑战,提出了破解思路与解决方案,指出在建设阶段与运营阶段分别需要注意的问题,从供配电、制冷、存储、算力网络、源网荷储协同等多方面给出节能方案,并归纳了推动绿色数据中心规模部署的专项建议。本报告是编写单位长期研究心得与实践经
4、验的总结,不仅内容全面、技术先进,而且案例实用,有可操作性,对我国数据中心的建设尤其是实施东数西算工程有很好的示范意义,本报告展示的节能减排技术方向值得进一步创新发展,期待本报告能激励更多有志于发展数据中心的科技工作者在绿色高质量发展方面做出更大的贡献。序 言中国工程院院士专家指导组成员执行组成员编制组成员刘宇南 国家信息中心主任周 民 国家信息中心副主任于施洋 国家信息中心大数据发展部主任娄 松 贵州省大数据发展管理局副局长鞠德刚 华为技术有限公司数据中心解决方案总经理陈学义 粤港澳大湾区大数据研究院理事会理事长王建冬 国家信息中心大数据发展部规划与应用处处长 粤港澳大湾区大数据研究院院长吴
5、启疆 贵州省大数据发展管理局项目投资处处长费珍福 华为数字能源技术有限公司数据中心能源领域总裁国家信息中心大数据发展部郭明军 规划与应用处副处长童楠楠 规划与应用处副处长易成岐 规划与应用处副研究员陈 东 规划与应用处高级工程师赵 正 规划与应用处助理研究员窦 悦 规划与应用处助理研究员黄倩倩 规划与应用处助理研究员李慧颖 规划与应用处工程师马 骁 规划与应用处研究实习员编制组成员贵州省大数据发展管理局刘 梅 高级工程师华为技术有限公司窦雪峰、张华桦、谢黎明、张磊、赵晓靓、夏卓新粤港澳大湾区大数据研究院李 琳 常务副院长王新玉 总规划师吴 茜 工程中心工程咨询组组长李昌旺 工程中心工程研究组梁
6、楚夷 工程中心工程研究组王天瑞 工程中心工程研究组李会永、黄锦波、杨嘉、魏智杰、李宝宇、刘培国、张超、翟爽、折楠、沈瑞、牛翔平、高福信、李艳、程炜、蓝飞翔、周胡根的 大力支持云上贵州大数据产业发展有限公司蔡 培 高级规划咨询师唐 虎 高级规划咨询师鸣谢版权声明本文档著作权属于国家信息中心、贵州省大数据发展管理局、华为技术有限公司、粤港澳大湾区大数据研究院共同所有,保留一切权利。转载、摘编或以任何方式使用本文档的全部或部分内容,应注明来源,违反上述声明者,著作权方将追究其相关法律责任。免责声明本文档信息不构成任何要约或承诺,编制单位不对您在本文档上做出的任何行为承担责任。编制单位可能不经通知修改
7、上述信息,恕不另行通知。目 录1.时代背景2.趋势洞察3.全新挑战4.核心价值5.解决思路及专项建议结束语 43附录:绿色节能数据中心优秀实践西部区域数据中心重点关注集约化和绿色化 44东部区域数据中心重点关注高算力和高能效 491.1 数据中心绿色高质量发展的内涵要义 011.2“碳达峰、碳中和”提出的时代背景 021.3 数据中心产业变革的必然趋势 022.1 政策趋势 042.1.1 国际数据中心绿色高质量发展相关政策 042.1.2 国内数据中心绿色高质量发展相关政策 062.2 技术趋势 092.2.1 设计建设阶段采用的技术 102.2.2 运营阶段采用的技术 112.3 应用趋势
8、 143.1 单体数据中心面临的新挑战 173.1.1 数据中心 PUE 值偏高问题,节能新技术的应用程度有待提高 173.1.2 中国数据中心企业在建设模式上需要升级 173.1.3 数据中心能耗测算方法“双重失真”问题 183.2 全国一体化大数据中心发展面临的挑战 183.2.1 数据中心发展不平衡不充分的结构性问题 183.2.2 算力调度面临网络需要优化和资费偏高问题 193.2.3 数据中心行业对清洁能源的开发利用还有较大提升空间 194.1 推动数据中心降本增效 204.2 促进传统产业数字化转型升级 214.3 助力实现全行业节能降碳 215.1 推动数据中心绿色高质量发展总体
9、思路 235.2 单体数据中心解决方案及专项建议 235.2.1 解决方案 235.2.2 专项建议 385.3 全国一体化大数据中心解决方案及专项建议 395.3.1 解决方案 395.3.2 专项建议 41011.1 数据中心绿色高质量发展的内涵要义党的十八大以来,我国数字经济蓬勃发展,对构建现代化经济体系、实现高质量发展的支撑作用不断凸显。随着各行业数字化转型升级进度加快,不仅对数据存储、计算和应用需求大幅提升,对用能需求也呈现快速增长态势,数据中心迎来了爆发式增长,过快的需求增长以及业务扩张给数据中心行业带来了巨大的资金和业务压力。另外,数据中心算力分布不均衡、整体能耗难以把控、精细化
10、管理实现困难等问题快速浮现,为整个行业今后的健康成长提出了更高要求。在全行业深化数字化转型时代机遇下,为了进一步推动数据中心行业的高质量发展,需要时刻保持面向全局的战略思维,针对当前和未来可能预见的问题,从布局优化、技术升级、管理精细化等角度持续进行深入细致研究,全面推动数据中心绿色高质量发展。高质量发展的核心要义是要全面体现“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念,其本质内涵是要以满足人民日益增长的美好生活需求为目标的高效率、公平和可持续发展。数据中心是未来经济社会发展的战略资源和数字基础设施。数据中心的高质量发展应贯彻新发展理念,构建新发展格局,统筹处理好发展和减排、整体和局部、短期和
11、中长期的关系,加强数据、算力和能源之间的协同联动,加快推动关键技术创新,坚定不移走高质量发展之路。数据中心高质量发展的内涵从不同角度切入,可以包括绿色、协同、统筹、智能等,而数据中心绿色高质量发展研究报告着重从绿色和协同角度切入分析,并提出相关解决方案和配套的专项建议。绿色是指要采用创新节能技术,在保证业务性能的前提下尽可能提升设备的能效和工作效率,通过采用精细化、智能化的管理方式,在各个层面优化对资源的调配和管理。另外,要充分利用可再生能源优势,进一步降低碳排放,进而发挥数据中心作为数字化新基建的基础性支撑作第一章|时代背景01时代背景02“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报
12、告用,驱动社会千行百业尽快实现节能降碳的目标。协同是指要推动超大型或大型数据中心集群、城市高性能计算数据中心、边缘数据中心等不同层级设施的协同布局规划,实现数据中心与数据中心直连网络、互联网络云网协同,实现数据中心与绿色可再生能源网络“源-网-荷-储”协同。1.2“碳达峰、碳中和”提出的时代背景气候变化是人类面临的全球性问题,随着各国二氧化碳排放,温室气体猛增,对生命系统形成威胁。最近二百年工业活动的出现和繁荣造就了便利而智能的现代生活,但是数百万年才能形成的煤炭与石油等初级能源被快速开采,通过燃烧发电等处理方式使其中的碳再次逸散到大气中,二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度增加使脆弱的气候平衡面临
13、被打破的恶性局面,对脆弱的碳循环平衡造成了挑战。在这一背景下,大力开展节能降碳,积极应对气候变化是巴黎协定签署之后世界各国的共识。与此同时,我国社会也进入了新的发展阶段,无论是来自世界外部的发展趋势还是自身发展的需求,使得中国的经济发展从追求速度与效率的方式转向生态文明建设,走绿色低碳可持续的道路。在这样的时代背景下,2020 年 9 月中国明确了“碳达峰、碳中和”目标,标志着中国对促进经济高质量发展,社会繁荣和生态环境保护的决心。通俗来讲,碳达峰是指二氧化碳排放量在 2030 年达到最大值,之后进入下降阶段;碳中和则指到 2060 年,我国所有社会活动产生的二氧化碳通过植树造林、海洋吸收、工
14、程封存等自然、人为手段被吸收和抵消掉,实现二氧化碳相对“零排放”。另据统计,2020年我国数据中心耗电量约占社会总耗电量75110亿千瓦时的2%。在确保数据中心业务能力满足需求同时,对数据中心的绿色化提出更高要求成为了我国双碳道路上的关键任务,这一目标也成为今后引领数据中心技术和产业升级的全新方向。1.3 数据中心产业变革的必然趋势自 2020 年新冠疫情发生以来,经济社会发展的数字化需求急剧爆发,越来越多的商业与消费活动转向线上,数字产业与信息技术产业快速增长。Omdia 的相关数据显示,从 2018 年到032024 年,来自蜂窝网络与固定宽带的消费者数据流量将以 29%的年复合增长率增长
15、,数据流量总量将从 2018 年的 130 万 PB 增长到 2024 年的 580 万 PB,这样的增长速度对现有的包括数据中心、数据中心互联网络和互联网接入网络等 ICT 基础设施产生了巨大的挑战。为了应对全新需求,运营商、云厂商、互联网企业等纷纷对其数据中心进行升级、扩容与扩建。而数据中心在处理业务负载的过程中消耗大量电能,产生大量的间接碳排放。在包括中国在内的全球数据中心的耗电量占社会耗电总量预计从 2020 年的 2%增长到 2025 年 4%左右(来源:Omdia,2020)。这一增长速度在日益收缩碳排规模的工业制造业等传统碳排大户中显得尤为突出。除了数据中心本身的绿色低碳化迫在眉
16、睫,作为承载千行百业的新型基础设施,数据中心可以有效促进其所承载的高能耗行业进行快速的数字化转型和低碳化转型。数字经济的耗能产出结构具有“二重叠加”的特殊属性,即每“耗费”在数据中心上的一度电,其不仅仅是为数据中心企业贡献了一定运营产值,同时也为运行在其上的各种云计算、大数据、互联网服务等应用类产业贡献了大量运营产值。据测算,每消耗 1 吨标准煤,能够为数据中心直接贡献产值 1.1 万元,并可贡献 88.8 万元的数字产业化增加值,同时还可带动各行业数字化转型,间接产生 360.5 万元的产业数字化市场(已剔除这些厂商业务中与数据中心不直接相关的部分)。据全球电子可持续性倡议组织(GeSI)预
17、测,到 2030 年,全球 ICT 行业碳排放占全球碳排放的 1.97%;而 ICT技术通过使能其他行业,将帮助减少全球总碳排放的 20%,是自身排放量的 10 倍,这一现象被称为“碳手印”。由此可见,数据中心的绿色低碳进程不仅促进自身的高质量发展,还能赋能高能耗的传统产业,通过“上云用数赋智”行动不仅仅实现“一业带百业”,同时带来“阶乘降耗效应”,对提升全社会生产效率和全要素生产率作用巨大。在“碳达峰、碳中和”大背景下,数据中心产业变革的核心环节在于绿色节能数据中心的高质量发展,通过先进节能技术、高效协同网络和可再生能源来使能数据中心自身和高耗能行业节能降碳,促进实现国家“碳达峰、碳中和”的
18、宏伟战略目标。第一章|时代背景04“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报告02趋势洞察2.1 政策趋势在全球积极应对气候变化目标下,绿色低碳成为数据中心的重要发展方向,美国、欧盟、日本等数字经济发展基础较好的国家或地区均在单体数据中心领域相继发布了相应政策。我国在充分论证研究基础上,规划布局了 8 大算力网络国家枢纽节点,引导大规模数据中心适度集聚,通过实施“东数西算”工程,积极探索构建形成以数据流为导向的新型算力网络格局。目前全球大多数国家和地区均对应对气候变化目标做出承诺,其中多国均发布了数据中心领域的节能降碳政策,这些政策大多面向单体数据中心,大致可分为数据中心整合优化、鼓
19、励节能技术研发和应用、鼓励可再生能源利用和规范数据中心设计建设方法四类。2.1.1国际数据中心绿色高质量发展相关政策05表1 国际数据中心绿色高质量发展相关重点政策国家或地区政策内容类别美国2010 年通过FDCCI 联邦数据中心整合计划,列出数据中心整合和提高效率的工作计划,制定四个具体目标:将数据中心的总占地面积减少 40%、功率利用效率提升 20%、总 IT 能耗降低 60%、数据中心物理服务器数量减少 80%。在 2018 年发布DCOI 数据中心优化倡议,通过设定数据中心 PUE(Power Usage Effectiveness,能源利用效率)、能源计量、服务器使用率和自动化监控以
20、及设施利用率等具体指标,制定数据中心优化计划,向更高效的基础设施转型。整合优化类鼓励绿色节能技术研发和应用类欧盟2021 年 3 月,欧盟委员会发布2030 数字指南针:欧洲数字十年之路,提出建设可持续的数字基础设施,在 2030 年之前数据中心达到气候中立,同时利用数据中心多余的热量为家庭、企业和公共场所供暖,还将引入机制来衡量欧洲公司使用的数据中心和电子通信网络的能源效率。欧盟更新了2021 年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指南,协助数据中心运营商制定 PUE、DCiE(数据中心基础设施效率 Data Center infrastructure Efficiency)等节能标准和实
21、施措施,提高其数据中心的能源效率,引导建立绿色数据中心推进机制。鼓励可再生能源综合利用类鼓励绿色节能技术研发和应用类日本2020 年 11 月,日本推出绿色增长战略,明确到 2050 年实现碳中和目标,计划通过在数据中心、信息通信设备等基础设施中使用高性能节能半导体,减少二氧化碳排放,打造绿色数字社会。在 2030 年之前,将新建数据中心的能耗降低 30%以上,并将日本国内数据中心的部分电力转换为可再生能源。鼓励绿色节能技术研发和应用类政策类鼓励可再生能源综合利用类新加坡2014 年 7 月发布绿色数据中心技术路线图,提出数据中心设施、信息技术(IT)系统和数据中心设计方法三个方面的路线研究:
22、在数据中心设施方面,通过节能的冷却技术提高能源效率,减少供配电系统转换损失或完全避免转换损失,提高能源与 IT 设备之间的功率传输效率;在信息技术(IT)系统方面,降低服务器的能耗,提高其能源效率,同时优化能效配置软件,降低 IT 设备的能耗,并对下游设备的能耗产生级联效应;在数据中心设计方法方面,通过多层级和模块化供应的方法,优化物理空间、冷却、电力和网络连接设计和部署。鼓励绿色节能技术研发和应用类政策类规范数据中心设计建设和方法类第二章|趋势洞察06“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报告国家或地区政策内容类别印度2020 年发布2020 年数据中心政策(草案),制定了数据中
23、心行业的增长策略,从以下方面为数据中心运作建立有利的生态系统:一是建立有效的电力开放获取制度,让数据中心服务供应商直接从电力公司采购电力;二是推行各种绿色和可持续能源计划,鼓励数据中心与电力公司合作,使用可再生能源;三是推广创新技术和解决方案,鼓励能源的有效利用,减少数据中心的碳排放。鼓励可再生能源综合利用类近年来,我国各级政府纷纷出台推动数据中心绿色高质量发展的相关政策,旨在进一步破除当前存在的数据中心总体布局失衡、节能降碳技术创新不够、传统产业转型升级不足等方面瓶颈和矛盾,为“十四五”乃至更长时期的数字经济发展奠定坚实基础,助力实现“碳达峰、碳中和”目标。1.国家层面发布政策组合拳引导绿色
24、发展早在 2013 年,中央政府层面就发布了有关引导数据中心向绿色集约方向发展的政策。近三年来,相关政策密集发布,包括关于加强绿色数据中心建设的指导意见、关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见和关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见等,形成一套政策“组合拳”。从合理布局建设大型、超大型数据中心,提高数据中心集约化、规模化、绿色化水平,实现结构性平衡;加快绿色技术产品创新,使用高效环保制冷技术降低能耗;鼓励使用风能、水能、太阳能等可再生能源;建立健全覆盖设计、建设、运维、测评和技术产品等方面的绿色数据中心标准体系;加强标准宣贯,强化标准配套衔接等方面引导数据中心的绿色
25、高质量发展。2.1.2国内数据中心绿色高质量发展相关政策07第二章|趋势洞察表2 国家数据中心绿色高质量发展相关重点政策时间发布部门政策2013 年 1 月工信部国家发改委国土资源部电监会能源局关于数据中心建设布局的指导意见充分考虑资源环境条件,引导大型数据中心优先在能源相对富集、气候条件良好、自然灾害较少的地区建设。2019 年 1 月工信部机关事务局能源局关于加强绿色数据中心建设的指导意见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,打造一批绿色数据中心先进典型,形成一批具有创新性的绿色技术产品、解决方案,培育一批专业第三方绿色服务机构。2020 年 12 月国家发改委网信办工信部能
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