“高技術(shù)、高算力、高能效、高安全”是新型數(shù)據(jù)中心的特征，也成為了現(xiàn)下數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向。數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)方面的理念和實(shí)踐都發(fā)生了新的變化，其中，有關(guān)去掉柴油發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱“柴發(fā)”)的話題引起了廣泛的關(guān)注。
柴發(fā)在當(dāng)前階段被廣泛使用
數(shù)據(jù)中心擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)流的接收、處理、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)等，一旦停止運(yùn)行，就會(huì)影響相應(yīng)數(shù)據(jù)的流通，造成相關(guān)應(yīng)用和服務(wù)等無(wú)法使用，會(huì)造成巨大損失。此類例子屢見(jiàn)不鮮，今年3月，歐洲云計(jì)算巨頭OVH位于史特拉斯堡的一個(gè)數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi)，致使350萬(wàn)個(gè)網(wǎng)站脫機(jī);4月，主機(jī)托管公司W(wǎng)ebNX位于美國(guó)猶他州的奧格登數(shù)據(jù)中心著火，導(dǎo)致奧格登市的一些IT服務(wù)在周日和周一無(wú)法使用。
根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi)或者造成運(yùn)行故障的因素眾多，包括供電、網(wǎng)絡(luò)、制冷、軟件系統(tǒng)等。其中，2020年與供電有關(guān)的數(shù)據(jù)中心故障占比最高，約為37%。而想要保證持續(xù)供電，穩(wěn)定的供電系統(tǒng)必不可少。
電網(wǎng)供電系統(tǒng)可靠性雖然日益提升，但斷電在某種程度上無(wú)法完全規(guī)避，如因?yàn)楸╋L(fēng)、暴雨、暴雪等惡劣天氣帶來(lái)的斷電;因?yàn)殡娋W(wǎng)負(fù)荷過(guò)高，為保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，區(qū)域短暫實(shí)施有序用電等。因此，應(yīng)急電源成為數(shù)據(jù)中心的必備。而柴發(fā)便是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心廣泛采用的應(yīng)急電源之一。
這主要是因?yàn)椴癜l(fā)具備系統(tǒng)簡(jiǎn)單，起動(dòng)、帶負(fù)荷和停機(jī)時(shí)間短，操作、維修難度較小，技術(shù)成熟等特點(diǎn)，只要燃料足夠，柴發(fā)可以長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定、安全且能量巨大的電能，能夠滿足數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷及供電需求。
值得注意的是，為更好地切合數(shù)據(jù)中心需要及保證供電的安全性，數(shù)據(jù)中心的柴發(fā)建設(shè)有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求。
據(jù)《GB
50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟(jì)或社會(huì)上造成的損失或影響程度，數(shù)據(jù)中心可以分為A、B、C三級(jí)。
在配置柴發(fā)時(shí)，后備柴發(fā)的性能等級(jí)不應(yīng)低于G3級(jí);A組數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)應(yīng)連續(xù)和不限時(shí)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組的輸出功率應(yīng)滿足數(shù)據(jù)中心最大平均負(fù)荷的需要;B級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組的輸出功率可按限時(shí)500h運(yùn)行功率選擇。
A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)(N+X)冗余(X=1~N)，B級(jí)數(shù)據(jù)中心當(dāng)供電電源只有一路時(shí)，需設(shè)置后備柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，宜N+1冗余;A、B級(jí)數(shù)據(jù)中心柴發(fā)的基本容量應(yīng)包括不間斷電源系統(tǒng)的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量;A級(jí)數(shù)據(jù)中心柴發(fā)燃料存儲(chǔ)量宜滿足12h用油，當(dāng)外部供油時(shí)間有保障時(shí)，燃料存儲(chǔ)量?jī)H需大于外部供油時(shí)間;應(yīng)防止柴油微生物滋生;柴油在儲(chǔ)存期間，應(yīng)對(duì)柴油品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)柴油品質(zhì)不能滿足使用要求時(shí)，應(yīng)對(duì)柴油進(jìn)行更換。
為何會(huì)出現(xiàn)“去柴發(fā)”的討論
柴發(fā)對(duì)于數(shù)據(jù)中心如此重要，但近期“無(wú)柴發(fā)”“去柴發(fā)”的討論卻不絕于耳，究其原因，主要?dú)w結(jié)為兩點(diǎn)。
首先，柴發(fā)消耗大，這是由三個(gè)因素造成的。
柴發(fā)本身造價(jià)高。
柴發(fā)系統(tǒng)的建設(shè)涉及油罐，日用油箱，管路系統(tǒng)，供電及智能監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)的搭建，在費(fèi)用方面較高。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，柴發(fā)在數(shù)據(jù)中心整體投資中約占10%，而數(shù)據(jù)中心的投資動(dòng)輒數(shù)億、數(shù)十億，柴發(fā)自身的造價(jià)由此可見(jiàn)一斑。
柴發(fā)運(yùn)維成本高。
為保障柴發(fā)能夠在危急時(shí)刻及時(shí)、穩(wěn)定、安全的供電，數(shù)據(jù)中心企業(yè)需對(duì)柴發(fā)長(zhǎng)期進(jìn)行較高頻次的維護(hù)、檢查，并且有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這是必須且必要的，但也在事實(shí)上造成了較高的運(yùn)維成本。
根據(jù)《數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，柴發(fā)日常巡檢包括內(nèi)容如下表。
柴發(fā)應(yīng)每月進(jìn)行1次預(yù)防性維護(hù)，維護(hù)不應(yīng)少于以下圖表中所列內(nèi)容。
并且，《數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，柴發(fā)應(yīng)每年至少進(jìn)行1次帶載測(cè)試，檢查機(jī)油壓力、冷卻液溫度、轉(zhuǎn)速、電氣工作狀態(tài)、負(fù)載均衡、ATS切換功能;柴發(fā)應(yīng)每2年或累計(jì)運(yùn)行250h進(jìn)行三濾、機(jī)油、冷卻液更換。
數(shù)據(jù)中心一旦使用柴發(fā)，消耗自然會(huì)更高。
柴發(fā)的啟動(dòng)、運(yùn)行需要大量柴油支撐，數(shù)據(jù)中心使用柴發(fā)的時(shí)間越長(zhǎng)，柴油消耗也就越多，成本也會(huì)越高。
其次，柴發(fā)會(huì)帶來(lái)大量的碳排放。柴發(fā)的碳排放主要來(lái)源于柴油燃燒，日常運(yùn)維啟動(dòng)和應(yīng)急啟動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生碳排放。
根據(jù)BP中國(guó)碳排放計(jì)算器提供的資料：節(jié)約1升柴油=減排2.63千克“二氧化碳”。也就是說(shuō)，1升柴油的排碳量約2.63千克二氧化碳。1800千瓦的柴發(fā)每小時(shí)油耗約500L，假設(shè)一座數(shù)據(jù)中心，擁有3000個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架功耗為6千瓦，那么這座數(shù)據(jù)中心的功耗為1.8萬(wàn)千瓦，需要10個(gè)1800千瓦的柴發(fā)，每小時(shí)油耗則為5000L，排放二氧化碳的量將達(dá)到13150千克。
家庭用電中，每用100度電，排放二氧化碳約78.5千克，通過(guò)計(jì)算，這樣一座數(shù)據(jù)中心使用柴發(fā)1小時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳排放是100度家庭用電的167倍。而碳排放是關(guān)于溫室氣體排放的一個(gè)總稱或簡(jiǎn)稱，溫室氣體的主要組成部分就是二氧化碳，由此可見(jiàn)柴發(fā)的使用會(huì)帶來(lái)大量的碳排放。
在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)“碳中和”的過(guò)程中，IT設(shè)備、能源使用比例等均在節(jié)能減碳的優(yōu)化范圍，柴發(fā)的運(yùn)維尤其是使用會(huì)產(chǎn)生較多的碳排放，自然也位列其中。這也是推動(dòng)“去柴發(fā)”討論增多的重要原因。
“去柴發(fā)”的可行性及可能性方案
數(shù)據(jù)中心的行業(yè)特征是長(zhǎng)周期運(yùn)營(yíng)，一旦建成，運(yùn)營(yíng)周期長(zhǎng)達(dá)20至30年，并且在周期內(nèi)要保持不間斷的運(yùn)行，這就要求供電方面要持續(xù)、穩(wěn)定、安全，應(yīng)急電源也應(yīng)當(dāng)如此，這是討論替代柴發(fā)方案的第一要點(diǎn)。
其次，柴發(fā)產(chǎn)生碳排放的主要原因是使用了化石能源。因此，想要減少碳排放可以從解決能源性質(zhì)這方面出發(fā)，選擇使用清潔能源的設(shè)備或者方案來(lái)替代柴發(fā)。
目前滿足以上兩點(diǎn)，并且正在探索或者擁有可能性的方案，集中體現(xiàn)在對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及取代柴油的燃料能源研究上。
數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能研究，是為降低數(shù)據(jù)中心用電成本而提出的解決方案之一。減少柴油的使用，乃至用儲(chǔ)能系統(tǒng)取代柴發(fā)是儲(chǔ)能研究的重要一環(huán)。目前，取代柴發(fā)的可行性解決方案上，主要表現(xiàn)為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)這兩種。
鋰電池具備能量密度高、質(zhì)量輕體積小等特征，能較好的解決電池儲(chǔ)能系統(tǒng)部署空間的問(wèn)題，伴隨著價(jià)格的下降，成為數(shù)據(jù)中心取代柴發(fā)的備選之一。據(jù)了解，谷歌在此方面已有計(jì)劃，其在今年宣布，將在比利時(shí)的StGhislain數(shù)據(jù)中心采用鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)替代同等裝機(jī)容量的柴油發(fā)電機(jī)。據(jù)谷歌無(wú)碳能源業(yè)務(wù)主管介紹，該電池儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量為3MW。如電網(wǎng)出現(xiàn)故障，谷歌希望電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?yàn)樘囟üぷ髫?fù)載提供1小時(shí)的電力。
燃料電池是將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，燃料氣包括氫氣、天然氣、生物質(zhì)氣等，具有排放有害氣體少、使用壽命長(zhǎng)等特征，有利于節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。從已有實(shí)踐來(lái)看，微軟在去年宣布，其旗下數(shù)據(jù)中心正在測(cè)試采用氫燃料電池供電方案，產(chǎn)生的電力足夠10個(gè)服務(wù)器機(jī)架運(yùn)行48小時(shí)。
由此可知，通過(guò)研發(fā)完善儲(chǔ)能系統(tǒng)，是有可能去掉柴發(fā)的。但這一系統(tǒng)在目前階段存在著較為明顯的短板，即無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間為大型數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定的供電，一旦斷電時(shí)間較長(zhǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)便無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心的需要。同時(shí)，鋰電池在安全性上也依舊需要增強(qiáng)。
取代柴油燃料能源研究方面，清潔、100%可再生合成燃料是其中一個(gè)重要方向，并且也已有取得了一定成效的案例。微軟表示，它在瑞典的一個(gè)數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組將使用Evolution柴油Plus，這是一種含有Tall油的燃料，是一種低碳可再生燃料，能夠有效減少碳排放。
另一方向則是包括氫能、核能等高效能源的研究使用，此類能源在節(jié)能減排上有著天然優(yōu)勢(shì)，并且能效高，能夠滿足數(shù)據(jù)中心的用電使用，但此類能源在技術(shù)、運(yùn)輸、安全等方面均存在較大的限制，需要在多個(gè)關(guān)鍵性的研究上有所突破才能夠在數(shù)據(jù)中心上應(yīng)用，目前，高效能源的應(yīng)用還依舊處于早期的設(shè)想階段。
