數據中心發(fā)展的現狀和問(wèn)題
數據中心由計算機系統和與之相配套的設備，以及冗余的數據通訊連接、環(huán)境控制、監控和各種安全裝置等一整套復雜的設備構成，是數據傳輸、計算和存儲的中心。伴隨著(zhù)我國移動(dòng)通訊、大數據、云計算、網(wǎng)絡(luò )支付和人工智能等業(yè)務(wù)的爆發(fā)式發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”向產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的加速滲透，帶動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)數據的傳輸、計算和存儲需求的飛速增長(cháng)，進(jìn)而激發(fā)對數據中心等基礎設施的需求。研究數據顯示，2010～2016年，我國IDC市場(chǎng)規模增長(cháng)近7倍，年均增長(cháng)率達到39.19%,而2017年后，我國數據中心的市場(chǎng)規模仍繼續保持快速增長(cháng)，預計2019年，我國數據中心的市場(chǎng)規模將超過(guò)1800億元，其中約70%是新建數據中心。
數據中心通過(guò)向客戶(hù)提供機柜租用、帶寬租用和服務(wù)器代理運維等服務(wù)獲取收益。對數據中心而言，保證安全可靠的電力和網(wǎng)絡(luò )供應，是數據中心最基本的兩大功能，所以數據中心都配備有不間斷電源(UPS)。在市電供給正常時(shí)，UPS在“過(guò)濾市電雜質(zhì)”后給負載供電，同時(shí)給電池充電;當市電出現異常(中斷供電)時(shí)，電池放電通過(guò)UPS供給負載保證電力供應，這種傳統數據中心電力備用模式有以下應用痛點(diǎn)：
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電費支出高企。數據中心建成之后，其主要的運營(yíng)成本來(lái)自于電費。統計表明，電費支出占數據中心運營(yíng)支出的60%以上。以在江蘇擁有2000個(gè)機柜的中型數據中心為例，假設機柜的平均功率為5kW,則僅機柜一年的耗電量為2000個(gè)×5kW×24h×365天=8760萬(wàn)kWh,江蘇省的平均電價(jià)約為0.68元，則僅機柜一項產(chǎn)生的電費就高達5957萬(wàn)元，這里尚未計空調、UPS和照明等其它電力設備設施所產(chǎn)生的電力消耗。因此如何降低數據中心電費支出，對于提高數據中心企業(yè)的利潤至關(guān)重要。
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電池投資高企，且電池在使用周期內不放電，形成資源浪費，是沉沒(méi)成本。我國每年生產(chǎn)超200GWh的鉛酸蓄電池，其中有很大比例應用在數據中心備電，這些電池的壽命通常為5年左右，為保證備電安全性，基本每5年就要更換一批。目前，我國多數地區電網(wǎng)的供電可靠性超99.9%,且由于數據中心通常采用雙路市電保障+2N互備結構，因此電池很少有放電，處于長(cháng)期被閑置狀態(tài)，造成很大的資源浪費。
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電池長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，健康狀態(tài)不明。如上所述，由于數據中心供電可靠性很高，電池一直處于浮充狀態(tài)，基本一年都不放一次電，有些數據中心甚至需要通過(guò)定期的假負載測試來(lái)檢驗電池的性能，而這筆測試費用支出也是相當不菲。
理解清楚數據中心運營(yíng)和UPS使用的痛點(diǎn)，有助于幫助我們知道如何去解決現存的問(wèn)題。得益于近年來(lái)儲能技術(shù)的發(fā)展，建設儲能型數據中心，順理成章地成了解決以上應用痛點(diǎn)的重要手段。
數據中心儲能對電池和UPS主機的要求
電網(wǎng)發(fā)電和用戶(hù)用電之間是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，為提高在用電低谷時(shí)段的機組利用率，降低發(fā)電成本，增效減排，我國從1993年開(kāi)始實(shí)行峰、谷電價(jià)制度，此制度的設計初衷是利用經(jīng)濟手段引導社會(huì )錯峰用電。峰、谷價(jià)差的存在，就給儲能通過(guò)“低儲高發(fā)”提供了套利空間。但由于儲能成本限制，單純的削峰填谷項目很難獲得可持續的盈利空間，數據中心建設本身就需要大量電池和UPS主機投入，這為峰谷套利提供了必要條件，但需要解決電池循環(huán)壽命和儲能型UPS主機的功能問(wèn)題。
數據中心儲能能對電池的要求
傳統普通鉛酸電池不能滿(mǎn)足用戶(hù)削峰填谷模式對電池長(cháng)循環(huán)壽命的要求，開(kāi)發(fā)新型循環(huán)性電池勢在必行。得益于2006年奧巴馬“清潔能源計劃”的激勵和引導，全球范圍內掀起對鉛碳電池的研究熱潮并相繼推出產(chǎn)品。所謂鉛碳電池，就是在不改變鉛酸電池電化學(xué)體系的基礎上，通過(guò)負極加碳以及對正極和電解液的延壽技術(shù)，實(shí)現對鉛酸電池循環(huán)性能的大幅提升，其循環(huán)壽命是普通鉛酸電池的3～5倍。電池循環(huán)性能問(wèn)題的解決，為建設儲能型的數據中心，創(chuàng )造了先決條件。在數據中心儲能應用中，電池除了要進(jìn)行削峰填谷之外，還要保證備電時(shí)間，因此電池的放電深度一般控制在50%左右，剩余約50%電量用來(lái)保證備電時(shí)間。眾所周知，電池放電深度越深，其循環(huán)壽命就越短，50%左右的放電深度，恰好既可滿(mǎn)足數據中心對電池使用年限(10年)的要求，又可保證獲得較好的削峰填谷收益，性能和要求完美契合。
UPS儲能對UPS主機的要求
?、匐娀瘜W(xué)電源可放出的電量會(huì )受到放電倍率的影響，放電倍率越小，可放出電量越多，反之，則越少。舉例來(lái)說(shuō)，對于鉛酸或鉛碳電池，如果以0.1C(A)倍率放電，可以放電10h,放出的總容量為1C(Ah);但如果以1.5C放電，大約只能放電15min,放出的總容量為0.375C(Ah),而且大倍率放電還會(huì )嚴重影響電池壽命。在進(jìn)行削峰填谷時(shí)，放電量越大，獲利則越多，因為峰價(jià)電時(shí)間即放電時(shí)間(一般為8h)足夠長(cháng)，因此可以選擇符合鉛酸電池放電特性的小倍率放電方式來(lái)運行，這就需要UPS主機要有具備市電和電池聯(lián)合供電的功能。
?、诔Ｒ帞祿行囊驗殡娏┙o的可靠性很好，電池很少放電，即使偶爾有放電，充電時(shí)間很長(cháng)，因此可以及時(shí)補充回電力。而按照我國現行峰、谷時(shí)段分布，谷價(jià)電時(shí)間一般只有8h,為保證電池放電后的回充量，就要求UPS主機要具備40%額定功率以上的充電能力。
通過(guò)同主流的UPS主機廠(chǎng)家的溝通，技術(shù)上解決以上問(wèn)題，完全沒(méi)有障礙，所增加的成本也非常有限，這就為建設儲能型數據中心掃除了技術(shù)障礙。
數據中心儲能的優(yōu)勢
數據中心采用儲能模式，相比于傳統數據中心備用電源，具有以下優(yōu)勢：
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通過(guò)削峰填谷模式可以收回電池投資。以一臺功率為500kVA,功率因數為0.8的UPS配置儲能電池并備用15min為例，為方便計算，均采用西恩迪SHC12250FT這款電池的放電參數，電池價(jià)格1元/Wh,電價(jià)差以江蘇省0.78元做參考，電池殘值以25%來(lái)測算。500kVA的UPS備電15min,需要配置120只SHC12250FT電池。假設再增加3組電池，放電深度以50%DOD,使用10年計，初步收益測算見(jiàn)測算表。由測算表可以看出，通過(guò)將傳統UPS改造成儲能型UPS，在電池壽命周期內，不僅可以收回電池投資，還可以獲得大量收益，從而大大節省數據中心的成本。
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電池每天放電，可以通過(guò)放電后的截止電壓知曉電池的健康狀態(tài)。調查顯示，數據中心運維經(jīng)理所擔心問(wèn)題排名第一位的，便是備電安全性。如上所述，常規數據中心的電池很少放電，電池狀態(tài)不可知。對電池而言，放電后的截止電壓是反應電池健康狀態(tài)的最佳指標，儲能型數據中心，電池每天都會(huì )放電，放電后電壓一目了然，很容易判斷電池好壞，有助于及時(shí)剔除不良電池，同時(shí)也省去了每年做假負載測試的費用。
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數據中心所獲得的備電時(shí)間更長(cháng)。因為電池要多配置幾組，因此，電池在相同功率下的備電時(shí)間遠高于常規配置。當然儲能型數據中心要建設在有峰谷價(jià)差的地方，且峰谷價(jià)差越大，則收益越好，另外也需考慮安裝面積的影響因素。
儲能型數據中心與需求側管理
以上關(guān)于經(jīng)濟收益的分析，是以峰谷電價(jià)差為基礎的，這也是數據中心儲能的基本收益方式之一，但其實(shí)還可以建立起更為豐富和靈活的收益模式，比如，數據中心儲能可以和需求側管理結合起來(lái)。
隨著(zhù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的調整和人民生活水平的提高，電力消費的增速加快，用電量的變化波動(dòng)也越來(lái)越劇烈。一天或一年中，最大和最小用電量之間的差距正在逐步拉大，季節性的用電尖峰更是越發(fā)明顯。數據中心用電的特點(diǎn)是負荷很高且持續穩定，當傳統數據中心改造成儲能數據中心，完全可以參與需求側響應獲得政策補貼。還是以上文擁有2000個(gè)機柜，機柜平均功率為5kW的數據中心為例，假設數據中心在蘇州，蘇州需求側響應的補貼為100元/kW。當數據中心收到需求側響應的指令后，可以進(jìn)入到儲能模式，即電池放電供給負載，而此時(shí)對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，用戶(hù)側就少了一個(gè)用電功率為10,000kW的負荷點(diǎn)。這個(gè)響應過(guò)程對數據中心用電沒(méi)有任何影響，但卻一次可以獲得100萬(wàn)的需求側響應補貼。
除此之外，2018年，南方監管局發(fā)布了《南方區域電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)運行管理及輔助服務(wù)管理實(shí)施細則(實(shí)行)》，細則中規定，儲能電站根據電力調度機構指令進(jìn)入充電狀態(tài)，按其提供充電調峰服務(wù)統計，對充電電量進(jìn)行補償，具體補償標準為0.05萬(wàn)元/兆瓦時(shí)。當傳統數據中心變成儲能型數據中心后，也可以參與到充電調峰當中，因為儲能每天都要放電，只要充分管理好電池，在響應充電調峰時(shí)，就可以獲得相當不錯的補貼。以一個(gè)擁有30臺500kVA的儲能UPS,每臺儲能UPS配置6組SHC12250FT電池，共計576kWh電池為例，以充入30%的電量來(lái)計算，則調峰一次的充電收益為30×576kWh×30%×0.5元/kWh=2592元，在此響應過(guò)程中，亦未給數據中心用電帶來(lái)任何影響。
通過(guò)以上分析可知，當傳統數據中心變成儲能型的數據中心，其功能模式就變得更為豐富。數據中心不再是一個(gè)單純的電力負荷點(diǎn)，它同時(shí)又變成了一個(gè)可調用、可調節的電源點(diǎn)，靈活的電力切換模式于電網(wǎng)有利，于數據中心有利，于社會(huì )節能減排亦有利，同時(shí)，大量的可供調用的分布式電源點(diǎn)，也是構建未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎之一。
儲能型數據中心的商業(yè)模式
當數據中心想做成儲能型的數據中心，其投資模式亦可發(fā)展改變。如果建設數據中心的業(yè)主愿意投資，則可以投資并獲得全部收益;如果業(yè)主覺(jué)得看不清楚趨勢，尚有風(fēng)險，亦可由第三方資本進(jìn)行投資，做合同能源管理(EMC),具體的投資收益分成，業(yè)主可以和第三方資本協(xié)商。筆者通過(guò)下表簡(jiǎn)單分析了分別由業(yè)主自己投資和第三方資本投資各自所付出的以及所得到的回報，供大家參考。
儲能的價(jià)值體現在真正需要的客戶(hù)那里
儲能它的價(jià)值體現在真正需要它的客戶(hù)那里，儲能應用在數據中心就非常有價(jià)值。電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展可以逐步顛覆傳統數據中心的電能管理模式，同時(shí)也將顛覆此領(lǐng)域傳統的投資模式，這種顛覆是一種于多方有利的顛覆。暢想一下未來(lái)，當數以百萬(wàn)座的數據中心變成可調用的分布式負荷點(diǎn)、儲能點(diǎn)和電源點(diǎn)，同時(shí)又可提供大量的冷和熱，構建能源互聯(lián)網(wǎng)的夢(mèng)想離我們又更近了一步。
作者簡(jiǎn)介
彭寬寬：碩士，現就職于上海西恩迪蓄電池有限公司，有9年電池相關(guān)材料開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品設計經(jīng)驗，一直關(guān)注和研究?jì)δ茈姵丶夹g(shù)發(fā)展和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，熟悉并致力于推動(dòng)電化學(xué)儲能技術(shù)在儲能相關(guān)領(lǐng)域的應用，先后有多篇論文發(fā)表。
