數(shù)據(jù)中心發(fā)展的現(xiàn)狀和問題
數(shù)據(jù)中心由計算機系統(tǒng)和與之相配套的設備，以及冗余的數(shù)據(jù)通訊連接、環(huán)境控制、監(jiān)控和各種安全裝置等一整套復雜的設備構成，是數(shù)據(jù)傳輸、計算和存儲的中心。伴隨著我國移動通訊、大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡支付和人工智能等業(yè)務的爆發(fā)式發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”向產(chǎn)業(yè)領域的加速滲透，帶動了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲需求的飛速增長，進而激發(fā)對數(shù)據(jù)中心等基礎設施的需求。研究數(shù)據(jù)顯示，2010～2016年，我國IDC市場規(guī)模增長近7倍，年均增長率達到39.19%,而2017年后，我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模仍繼續(xù)保持快速增長，預計2019年，我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模將超過1800億元，其中約70%是新建數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心通過向客戶提供機柜租用、帶寬租用和服務器代理運維等服務獲取收益。對數(shù)據(jù)中心而言，保證安全可靠的電力和網(wǎng)絡供應，是數(shù)據(jù)中心最基本的兩大功能，所以數(shù)據(jù)中心都配備有不間斷電源(UPS)。在市電供給正常時，UPS在“過濾市電雜質(zhì)”后給負載供電，同時給電池充電;當市電出現(xiàn)異常(中斷供電)時，電池放電通過UPS供給負載保證電力供應，這種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電力備用模式有以下應用痛點：
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電費支出高企。數(shù)據(jù)中心建成之后，其主要的運營成本來自于電費。統(tǒng)計表明，電費支出占數(shù)據(jù)中心運營支出的60%以上。以在江蘇擁有2000個機柜的中型數(shù)據(jù)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×5kW×24h×365天=8760萬kWh,江蘇省的平均電價約為0.68元，則僅機柜一項產(chǎn)生的電費就高達5957萬元，這里尚未計空調(diào)、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(shù)據(jù)中心電費支出，對于提高數(shù)據(jù)中心企業(yè)的利潤至關重要。
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電池投資高企，且電池在使用周期內(nèi)不放電，形成資源浪費，是沉沒成本。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(shù)據(jù)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(shù)地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性超99.9%,且由于數(shù)據(jù)中心通常采用雙路市電保障+2N互備結(jié)構，因此電池很少有放電，處于長期被閑置狀態(tài)，造成很大的資源浪費。
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電池長期處于浮充狀態(tài)，健康狀態(tài)不明。如上所述，由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心甚至需要通過定期的假負載測試來檢驗電池的性能，而這筆測試費用支出也是相當不菲。
理解清楚數(shù)據(jù)中心運營和UPS使用的痛點，有助于幫助我們知道如何去解決現(xiàn)存的問題。得益于近年來儲能技術的發(fā)展，建設儲能型數(shù)據(jù)中心，順理成章地成了解決以上應用痛點的重要手段。
數(shù)據(jù)中心儲能對電池和UPS主機的要求
電網(wǎng)發(fā)電和用戶用電之間是一個動態(tài)平衡，為提高在用電低谷時段的機組利用率，降低發(fā)電成本，增效減排，我國從1993年開始實行峰、谷電價制度，此制度的設計初衷是利用經(jīng)濟手段引導社會錯峰用電。峰、谷價差的存在，就給儲能通過“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(xù)的盈利空間，數(shù)據(jù)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主機的功能問題。
數(shù)據(jù)中心儲能能對電池的要求
傳統(tǒng)普通鉛酸電池不能滿足用戶削峰填谷模式對電池長循環(huán)壽命的要求，開發(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(nèi)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體系的基礎上，通過負極加碳以及對正極和電解液的延壽技術，實現(xiàn)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)性能問題的解決，為建設儲能型的數(shù)據(jù)中心，創(chuàng)造了先決條件。在數(shù)據(jù)中心儲能應用中，電池除了要進行削峰填谷之外，還要保證備電時間，因此電池的放電深度一般控制在50%左右，剩余約50%電量用來保證備電時間。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，恰好既可滿足數(shù)據(jù)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
①電化學電源可放出的電量會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。舉例來說，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?cè)萘繛?C(Ah);但如果以1.5C放電，大約只能放電15min,放出的總?cè)萘繛?.375C(Ah),而且大倍率放電還會嚴重影響電池壽命。在進行削峰填谷時，放電量越大，獲利則越多，因為峰價電時間即放電時間(一般為8h)足夠長，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。
②常規(guī)數(shù)據(jù)中心因為電力供給的可靠性很好，電池很少放電，即使偶爾有放電，充電時間很長，因此可以及時補充回電力。而按照我國現(xiàn)行峰、谷時段分布，谷價電時間一般只有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。
通過同主流的UPS主機廠家的溝通，技術上解決以上問題，完全沒有障礙，所增加的成本也非常有限，這就為建設儲能型數(shù)據(jù)中心掃除了技術障礙。
數(shù)據(jù)中心儲能的優(yōu)勢
數(shù)據(jù)中心采用儲能模式，相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心備用電源，具有以下優(yōu)勢：
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通過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(shù)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(shù)，電池價格1元/Wh,電價差以江蘇省0.78元做參考，電池殘值以25%來測算。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，初步收益測算見測算表。由測算表可以看出，通過將傳統(tǒng)UPS改造成儲能型UPS，在電池壽命周期內(nèi)，不僅可以收回電池投資，還可以獲得大量收益，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)中心的成本。
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電池每天放電，可以通過放電后的截止電壓知曉電池的健康狀態(tài)。調(diào)查顯示，數(shù)據(jù)中心運維經(jīng)理所擔心問題排名第一位的，便是備電安全性。如上所述，常規(guī)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心，電池每天都會放電，放電后電壓一目了然，很容易判斷電池好壞，有助于及時剔除不良電池，同時也省去了每年做假負載測試的費用。
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數(shù)據(jù)中心所獲得的備電時間更長。因為電池要多配置幾組，因此，電池在相同功率下的備電時間遠高于常規(guī)配置。當然儲能型數(shù)據(jù)中心要建設在有峰谷價差的地方，且峰谷價差越大，則收益越好，另外也需考慮安裝面積的影響因素。
儲能型數(shù)據(jù)中心與需求側(cè)管理
以上關于經(jīng)濟收益的分析，是以峰谷電價差為基礎的，這也是數(shù)據(jù)中心儲能的基本收益方式之一，但其實還可以建立起更為豐富和靈活的收益模式，比如，數(shù)據(jù)中心儲能可以和需求側(cè)管理結(jié)合起來。
隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整和人民生活水平的提高，電力消費的增速加快，用電量的變化波動也越來越劇烈。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(jié)性的用電尖峰更是越發(fā)明顯。數(shù)據(jù)中心用電的特點是負荷很高且持續(xù)穩(wěn)定，當傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心改造成儲能數(shù)據(jù)中心，完全可以參與需求側(cè)響應獲得政策補貼。還是以上文擁有2000個機柜，機柜平均功率為5kW的數(shù)據(jù)中心為例，假設數(shù)據(jù)中心在蘇州，蘇州需求側(cè)響應的補貼為100元/kW。當數(shù)據(jù)中心收到需求側(cè)響應的指令后，可以進入到儲能模式，即電池放電供給負載，而此時對電網(wǎng)來說，用戶側(cè)就少了一個用電功率為10,000kW的負荷點。這個響應過程對數(shù)據(jù)中心用電沒有任何影響，但卻一次可以獲得100萬的需求側(cè)響應補貼。
除此之外，2018年，南方監(jiān)管局發(fā)布了《南方區(qū)域電化學儲能電站并網(wǎng)運行管理及輔助服務管理實施細則(實行)》，細則中規(guī)定，儲能電站根據(jù)電力調(diào)度機構指令進入充電狀態(tài)，按其提供充電調(diào)峰服務統(tǒng)計，對充電電量進行補償，具體補償標準為0.05萬元/兆瓦時。當傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心變成儲能型數(shù)據(jù)中心后，也可以參與到充電調(diào)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(diào)峰時，就可以獲得相當不錯的補貼。以一個擁有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%的電量來計算，則調(diào)峰一次的充電收益為30×576kWh×30%×0.5元/kWh=2592元，在此響應過程中，亦未給數(shù)據(jù)中心用電帶來任何影響。
通過以上分析可知，當傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心變成儲能型的數(shù)據(jù)中心，其功能模式就變得更為豐富。數(shù)據(jù)中心不再是一個單純的電力負荷點，它同時又變成了一個可調(diào)用、可調(diào)節(jié)的電源點，靈活的電力切換模式于電網(wǎng)有利，于數(shù)據(jù)中心有利，于社會節(jié)能減排亦有利，同時，大量的可供調(diào)用的分布式電源點，也是構建未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎之一。
儲能型數(shù)據(jù)中心的商業(yè)模式
當數(shù)據(jù)中心想做成儲能型的數(shù)據(jù)中心，其投資模式亦可發(fā)展改變。如果建設數(shù)據(jù)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)主覺得看不清楚趨勢，尚有風險，亦可由第三方資本進行投資，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。筆者通過下表簡單分析了分別由業(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。
儲能的價值體現(xiàn)在真正需要的客戶那里
儲能它的價值體現(xiàn)在真正需要它的客戶那里，儲能應用在數(shù)據(jù)中心就非常有價值。電化學儲能技術的發(fā)展可以逐步顛覆傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的電能管理模式，同時也將顛覆此領域傳統(tǒng)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，當數(shù)以百萬座的數(shù)據(jù)中心變成可調(diào)用的分布式負荷點、儲能點和電源點，同時又可提供大量的冷和熱，構建能源互聯(lián)網(wǎng)的夢想離我們又更近了一步。
作者簡介
彭寬寬：碩士，現(xiàn)就職于上海西恩迪蓄電池有限公司，有9年電池相關材料開發(fā)和產(chǎn)品設計經(jīng)驗，一直關注和研究儲能電池技術發(fā)展和市場動態(tài)，熟悉并致力于推動電化學儲能技術在儲能相關領域的應用，先后有多篇論文發(fā)表。
