中国数据中心产业低碳发展实践研究(2023年).pdf
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1、中国数据中心产业低碳1发展 实践研究(2023 年)2023 年 1 月 6 日1 低碳发展指低能耗、低排放模式,包括能效提升、能源循环、能源置换等主要途径 前 言 算力是全球数字经济的生产力,数据中心是算力的关键支点,中国是全球数据中心产业的焦点。经过 20 年的发展演进,国内数据中心产业发展进入了新的阶段,作为数字设施、数字能源、数字科技的三重载体产业,数据中心在新时期进入高质量转型期,低碳化发展是转型的关键方向。目前我国数据中心用电量和二氧化碳排放量仍处于增长态势,在“双碳”战略和“能耗双控”背景驱动下,加快能效优化、能源循环和可再生能源替换,打造“零碳/低碳数据中心”将成为数据中心产业
2、底色。在此背景下,面向全国产业发展、立足未来五年,华信咨询设计研究院发布中国数据中心产业低碳发展实践研究白皮书(2023 年)。基于行业研究和调查实践报告,从追溯全球数据中心 20 年低碳发展历程入手,研判国内数据中心低碳发展的新阶段、新趋势和新生态。接着,从政策监管、需求变化、成本管控、技术适用等方面对国内数据中心低碳发展的挑战进行深入解读,围绕“技术革新+模式创新”两个方面、“增量建设+存量改造”两个视角、“能效提升+能源循环+能源置换”三个维度和“企业+政府”两类主体全面提出低碳发展应对策略,并针对液冷、余热回收、绿电、合同能源管理等重要新技术新模式做专题分析。本白皮书以大量实践研究为基
3、础编制而成,旨在针对我国数据中心低碳发展 实际困难提供一定解答,为各省市政府和企业高质量发展数据中心产业提供一定参考。目目 录录 一、一、全球及国内数据中心低碳发展趋势全球及国内数据中心低碳发展趋势 .1 1 (一)全球数据中心低碳政策演进.1 1.粗放建设探索阶段(2010 年之前).1 2.资源整合优化阶段(2010 年-2020 年).2 3.绿色低碳提升阶段(2020 年至今).4(二)国内数据中心低碳政策动态.6 1.“东数西算”政策统筹引导数据中心建设绿色化.7 2.双碳政策将数据中心节能减碳提升至国家议题高度 9 3.新型数据中心政策要求数据中心提升绿色算力服务 11(三)国内数
4、据中心进入低碳发展新阶段.13 1.低碳新趋势.13 2.低碳新生态.17 二、二、国内数据中心产业低碳发展挑战国内数据中心产业低碳发展挑战 .2121 (一)政策监管挑战.21(二)需求变化挑战.22(三)成本管控挑战.26(四)技术适用风险.29 三、三、国内数据中心产业低碳技术革新国内数据中心产业低碳技术革新 .3030 (一)建筑形式.30(二)制冷技术.38 1.数据中心制冷技术演进.38 2.数据中心液冷技术专题.43(三)电力技术.66(四)循环利用.70(五)智能运营.80(六)绿电应用.84 四、国内数据中心产业低碳运营思考四、国内数据中心产业低碳运营思考 .9191 (一)
5、产业层面:探索低碳定价及合作商业模式.91 1.探索合同能源管理模式.91 2.探索租电分离新模式.95 3.探索绿色定价等其他新策略.96(二)政策层面:推进东西低碳协同运营规划.97 1.绿色能源做引,推高西部绿色经济价值.97 2.绿色算力赋能,建设全国绿色经济先锋军.99 3.算力业务西迁,布局全国“前店后厂”大后方.100 4.存算分离助力,打造全国“东数西存”主阵地.101 五、总结及展望五、总结及展望 .104104 参考文献参考文献 .106106 图目录图目录 图 1 2015-2020 年全球数据中心能源需求(单位:太瓦时).5 图 2 2020-2025 全国数据中心用电
6、量和碳排放量概况.14 图 3 2021 全国及各区域 IDC 平均 PUE 情况.15 图 4 低碳政策下国内数据中心产业新生态视图.18 图 5 各地区工业用地成交价格与各城市电价.24 图 6 宁夏、内蒙、甘肃、贵州及热点城市郊区电价.24 图 7 各地区移动互联网接入流量(亿 GB).25 图 8 数据中心总拥有成本测量模型.27 图 9 中国新开工装配式建筑面积及占比.33 图 10 上海商汤科技效果图.34 图 11 上海商汤科技效果图.35 图 12 数据中心标准化/模块化/预制化.37 图 13 杭州电信数据中心项目效果图.41 图 14 处理器“高性能、多并行”助力算力提升.
7、44 图 15 机柜平均功率.44 图 16 不同档位功率每 kW 租赁造价成本及不同系列服务器造价成本.45 图 17 2019-2025 年中国液冷数据中心行业应用结构.47 图 18 冷板式液冷系统.49 图 19 冷板式液冷系统成本结构.49 图 20 喷淋式液冷系统.50 图 21 浸没式液冷系统.51 图 22 浸没式液冷系统成本结构.51 图 23 中国液冷整体解决方案厂商竞争力矩阵图.54 图 24 绿色云图微型液冷数据中心解决方案应用示例.57 图 25 绿色云图中大型液冷数据中心解决方案应用示例.57 图 26 数据中心供配电系统图.66 图 27 电力系统演变.67 图
8、28 光伏发电技术原理.68 图 29 储能方案设计方案.69 图 30 储能方案设计图.70 图 31 成都简州项目概览.76 图 32 空调及热回收系统架构.76 图 33 乌兰察布项目概览.77 图 34 空调及热回收系统.77 图 35 杭钢水源多联机组余热回收项目概览.78 图 36 空调及热回收系统架构.78 图 37 中国银行总行金融科技云基地和林格尔新区项目效果图.84 图 38 绿证获取、绿电交易流程图.86 图 39 中国电信(国家)数字青海绿色大数据中心项目效果图.90 图 40 合同能源管理改造内容.91 图 41 节能效益分享图示.94 图 42 数据中心高用电量与高
9、经济产出的二重属性.97 图 43 绿色经济内涵.98 图 44 云商前店后厂资源布局示意图.101 图 45 东数西存概念图.102 表目录表目录 表 1 世界主要国家低碳数据中心相关政策梳理.3 表 2“东数西算”政策统筹引导数据中心建设绿色化.8 表 3 双碳战略政策顶层要求数据中心绿色化发展.10 表 4 新型数据中心政策促进算力服务能力提升.12 表 5 三大运营商液冷技术试点.48 表 6 液冷方案介绍及简单对比.52 表 7 中国移动应用案例.56 表 8 大象融媒应用案例.56 表 9 广东合一微模块喷淋式液冷数据中心产品应用项目配置.60 表 10 主要综合厂商的液冷解决方案
10、概况.60 表 11 YL-10 相变氟化液和 PFPE 非相变氟化液原料价格.62 表 12 主要氟化液种类及代表厂商列表.63 表 13 液冷技术调研情况.64 表 14 光伏系统 PUE 调节因子值.68 表 15 储能系统 PUE 调节因子值.68 表 16 国外数据中心余热回收典型应用场景.74 表 17 案例方案对比.78 表 18 国内外部分数据中心运营商集中式发电场概况(部分典型).87 表 19 东西部对口帮扶情况.99 表 20 部分西部地区优先承接东部转移发展产业概览.99 中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)1 一、一、全球及国内全球及国内数据中心低碳数据
11、中心低碳发展趋势发展趋势(一)(一)全球数据中心低碳政策演进全球数据中心低碳政策演进 随着英国在 2003 年第一次提出了“低碳经济”的概念,越来越多的国家充分意识到了能源安全和气候变化的威胁。基于 联合国气候变化框架公约 和 京都议定书,全球 178个缔约方在 2016 年共同签署巴黎协定,对 2020 年以后全球应对气候变化的行动做出统一安排。全球主要国家都承诺最晚于 2050 年前实现碳中和,并发布了一系列降碳政策和措施。目前,全球对数字服务与技术的采用普遍提升,因此需要更多的数据中心设施满足需求,而这些设施的无间断运作意味对能源的持续消耗,增加碳排放量。美国自然资源保护委员会(NRDC
12、)统计数据显示,全球的数据中心行业共消耗了全球 3的电力生产量,并产生出 2 亿吨的二氧化碳。因此多数国家发布相关政策,促进绿色数据中心行业的发展。回溯近二十年全球数据中心相关低碳政策,可以发现数据中心低碳发展大体分以下三个阶段:1.1.粗放建设探索阶段(粗放建设探索阶段(20102010 年之前)年之前)全球数据中心产业起步较早,在 20 世纪 90 年代便开始萌芽,那时的数据中心服务内容主要为场地、电力、网络带宽、通信设备等基础资源和设施的托管和维护服务,以分散低质的小型数据中心为主,不注重节能技术应用。在此阶段中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)2 真正规划绿色数据中心发展
13、的政府和企业数量并不多,2005年建于美国马里兰州厄巴纳的联邦国民抵押贷款协会厄巴纳技术中心是第一个得到国际公认的绿色数据中心,全球还处于一个探索的阶段。2.2.资源整合优化阶段(资源整合优化阶段(20102010 年年-20202020 年)年)2010 年后全球数据中心产业进入信息中心阶段,随着新技术、新业务的迅速发展,数据中心规模猛增,能耗越来越高,数据中心运营成本也不断增高,由此带来更严峻的碳排放问题和环境污染问题,对数据中心的节能降耗、履行社会责任提出新的挑战,各国开始了对已有数据中心的整合优化行动,通过淘汰中小型低质数据中心和新建扩容超大型数据中心集群来提升能效。典型有:新加坡在
14、2014 年发布的 绿色数据中心技术路线图 中提出,要在不影响系统性能和安金要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗,并提出提高冷却设各效率、IT 设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力等建议。美国政府则通过 DCOI 数据中心优化倡议、FDCCI 美国联邦数据中心整合计划、FITARA 联邦政府信息技术采购改革法案等一系列举措,率先对政府侧数据中心做了一半以上的整合和关闭,并借助资源虚拟化、可用性、设定数据中心 PUE及服务器使用率具体标准、退役老旧机器等方式,实现了政中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)3 府数据中心电能利用效率(以下简称 PUE)从平均
15、2.0 以上下降到近一半,部分服务器使用率从 5%提升 65%以上。表 1 世界主要国家低碳数据中心相关政策梳理 时间时间 国家国家 政策政策 重点内容重点内容 2010 年 美国 联邦数据中心整合计划(FDCCI)通过减少政府机构数据中心的整体能耗推动绿色IT的使用,并降低数据中心硬件,软件,以及操作的成本。2014 年 新加坡 绿色数据中心技术路线图 需在不影响系统性能和安金要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗,并提出提高冷却设各效率、IT 设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力等建议。2016 年 美国 联邦信息技术采购改革法案(FITARA)要求美国政府机构实现
16、数据中心电能、PUE 目标、虚拟化、服务器利用率以及设备利用率等指标监控和度量。数据中心优化倡议(DCOI)2020 年 欧盟 欧洲数据中心能源效率现状白皮书 进一步细化和规范了数据中心 PUE、SUE、DCiE1 等绿色指标。数据中心能源效率最佳实践行为准则 塑造欧洲的数字未来 ICT 基础设施和数据中心应确保在 2030 年之前达到气候中性(climate.neutral),在 2050 年成为世界第一个实现气候中性的大陆。中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)4 时间时间 国家国家 政策政策 重点内容重点内容 2020 年 日本 绿色增长战略 将数据中心市场规模从 2019年
17、的 1.5 万记日元提升到2030 年的 3.3 万亿日元,届时实现将数据中心的能耗降低 30%;重点任务:扩大可要生能源电力在数据中心的应用,打造绿色数据中心等。3.3.绿色低碳提升阶段(绿色低碳提升阶段(20202020 年年至今)至今)2019 年后全球数据中心产业开始步入算力中心阶段,云计算、大数据、AI、物联网等新数字技术的加速发展,显著驱动了数据云存储及智能算力需求的增长,促使数据中心增速在成熟期的大趋势下迎来逆势上扬,高密度、大规模智算对数据中心制冷和降耗提出更高要求,各国开始借助绿色节能先进技术和可再生能源技术来推动低碳发展。2020 年,欧盟委员会发布数字战略,提出欧盟的 I
18、CT 产业应当且能够在 2030 年前实现碳中和。欧盟通过 2020 年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指南和欧洲数据中心能源效率现状白皮书进一步细化和规范了数据中心 PUE、SUE、DCi E 等绿色指标。日本发布绿色增长战略提出要将数据中心市场规模从 2019 年的 1.5 万亿日元提升到 2030年的 3.3 万亿日元,届时实现将数据中心的能耗降低 30%,目标要在 2050 年实现碳中和。通过 Statista 对数据中心能源需求的整理,可以看出传统数据中心的能源需求已从 2015 年的约 97.62 太瓦时减中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)5 少到 2019
19、年的约 50 太瓦时,呈线性缩减,云数据中心(非超大规模)能源需求趋向平稳,云数据中心(超大规模)能源需求增速逐步放缓,在数据中心产业规模持续攀升、全球大型及以上数据中心数量快速增长(Synergy Research 数据显示 2022 年第二季度超 800 个,而 2021 年第二季度超 650个,2020 年底约为 600 个,数量增速在不断加快)的前提下,说明单位数据中心产业能源消耗在逐渐减少,数据中心绿色化和低碳化取到了长足进展。另一世界顶级期刊 科学 在 2020 年刊登的研究数据显示也同样论证了全球数据中心低碳化升级的显著成效。该研究计算出 2010 年至 2018 年间,全球数据
20、中心需求增长了550%,数据中心能源使用仅增长了 6%。它指出在过去十年间,全球数据中心的能耗水平大致持平,这主要得益于业界各类新技术带来的“历史性”效率提升。图 1 2015-2020年全球数据中心能源需求(单位:太瓦时)资料来源:Statista、前瞻产业研究院 中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)6(二)(二)国内数据中心国内数据中心低碳低碳政策政策动态动态 2020 年,中国公布碳达峰、碳中和的目标,即二氧化碳排放力争于 2030 年达到峰值,努力争取 2060 年实现碳中和。根据世界资源研究所的统计,中国碳排放主要来源于电力、建筑、工业生产、交通运输、农业等领域,其中能
21、源电力占比最大,为 40%左右。电力是信息通信业主要能源消耗,占行业能源消耗总量的 90%以上。“十三五”期间,国内电信业务总量和数据流量呈现爆发式增长,年均增长超过 50%,节能降耗、低碳绿色发展势在必行。数据中心是数字地产、数字能源、数字科技的三重载体,简称“三体”产业。一方面赋予其强政策属性,产业建设发展走势与政策紧密相关;另一方面,载体内容也对其低碳化路径产生了相应影响,能源属性赋予了数据中心低碳化核心内容,地产属性赋予了数据中心低碳化的选址策略,科技属性赋予了数据中心低碳化的技术策略。近 20 年来,国内数据中心产业规模增速呈现周期性变化,从高速增长期进入平稳发展期,当前在新一轮科技
22、革命的推动下面临提速拐点。国内从政策顶层入手,着力于引导数据中心的低碳化、绿色化发展。2018 年以前是产业快速发展期,国家从标准、规划以及鼓励扶持措施等方面提出相关政策,鼓励布局建设,坚持市场需求导向,资源环境优先,对质量没有特别明确要求。2018-2020 年是产业转型阵痛期,中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)7 北京、上海等热点城市 IDC 政策管控趋严,开始控制增量,严格要求 IDC 向绿色节能、集约高效转型升级。2021 年及以后是产业格局重塑期,新基建政策助推 IDC 产业的新格局,资本大量涌入,热点省市能耗指标暂时相对放宽,“中心+边缘”的数据中心布局要求不断加强
23、,推动建设集约高效、经济适用、智能绿色、安全可靠的数据中心。当前阶段,国内数据中心政策主要围绕东数西算、双碳政策、新型数据中心展开,对数据中心产业发展的建设绿色化、用能绿色化、绿色算力提出了高要求。基于政策支持和发展需要,我国数据中心产业发展步入新阶段,集约高效、绿色低碳的新型数据中心成为未来发展的必然方向。1.1.“东数西算”政策统筹引导数据中心建设绿色化“东数西算”政策统筹引导数据中心建设绿色化 2020 年,我国将数据中心作为新型基础设施列入国家未来重要发展领域,颁布全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案等一系列政策措施,支持在全国重点区域建设大数据中心国家枢纽节点,推动打造国
24、家级枢纽节点“4+4”集群(包括京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝四大东部区域集群和内蒙古、贵州、甘肃、宁夏四大西部集群),引导未来数据中心向布局更加合理集约、资源利用更加高效的新格局发展。东数西算充分兼顾了算力增长需求和节能减排的双碳目标之间的矛盾,考虑了东西部算力需求分布差异,将东部算力需求有序引导至西部,利用区域地利,加中国数据中心产业(宁夏)发展白皮书(2022 年)8 大可再生能源在算力生产中的占比,均衡提升国家整体算力水平,并提高能效和可再生能源使用要求,同时通过技术创新、以大换小、低碳发展等措施,持续优化数据中心能源使用效率,推进数据中心绿色低碳发展。表 2“东数西算”政策统筹引
25、导数据中心建设绿色化 时间时间 发布部门发布部门 政策政策 重点内容重点内容 2020 年 国家发改委等四部门 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 探索建立电力网和数据网联动建设、协同运行机制,进一步降低数据中心用电成本。引导清洁能源开发使用,加快推广应用先进节能技术。鼓励数据中心运营方加强内部能耗数据监测和管理,提高能源利用效率。2021 年 国家发改委等四部门 全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案 推动数据中心绿色可持续发展,加快节能低碳技术的研发应用,提升能源利用效率,降低数据中心能耗。加大对基础设施资源的整合调度,推动老旧基础设施转型升级。2021 年
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