储能型数据中心电能管理模式探讨

近年来,电化学储能的发展如火如荼。本文以数据中心发展储能创造丰富的盈利模式和商业模式为切入点,一起和大家去探讨。

1数据中心发展的现状和问题

数据中心由计算机系统和与之相配套的设备,以及冗余的数据通讯连接、环境控制、监控和各种安全装置等一整套复杂的设备构成,是数据传输、计算和存储的中心。伴随着我国移动通讯、大数据、云计算、网络支付和人工智能等业务的爆发式发展以及“互联网+”向产业领域的加速渗透,带动了互联网数据的传输、计算和存储需求的飞速增长,进而激发对数据中心等基础设施的需求。研究数据显示,2010～2016年,我国IDC市场规模增长近7倍,年均增长率达到39.19%,而2017年后,我国数据中心的市场规模仍继续保持快速增长,预计2019年,我国数据中心的市场规模将超过1800亿元,其中约70%是新建数据中心。

数据中心通过向客户提供机柜租用、带宽租用和服务器代理运维等服务获取收益。对数据中心而言,保证安全可靠的电力和网络供应,是数据中心最基本的两大功能,所以数据中心都配备有不间断电源(UPS)。在市电供给正常时,UPS在“过滤市电杂质”后给负载供电,同时给电池充电;当市电出现异常(中断供电)时,电池放电通过UPS供给负载保证电力供应,这种传统数据中心电力备用模式有以下应用痛点:

(1)电费支出高企。数据中心建成之后,其主要的运营成本来自于电费。统计表明,电费支出占数据中心运营支出的60%以上。以在江苏拥有2000个机柜的中型数据中心为例,假设机柜的平均功率为5kW,则仅机柜一年的耗电量为2000个×5kW×24h×365天=8760万kWh,江苏省的平均电价约为0.68元,则仅机柜一项产生的电费就高达5957万元,这里尚未计空调、UPS和照明等其它电力设备设施所产生的电力消耗。因此如何降低数据中心电费支出,对于提高数据中心企业的利润至关重要。

(2)电池投资高企,且电池在使用周期内不放电,形成资源浪费,是沉没成本。我国每年生产超200GWh的铅酸蓄电池,其中有很大比例应用在数据中心备电,这些电池的寿命通常为5年左右,为保证备电安全性,基本每5年就要更换一批。目前,我国多数地区电网的供电可靠性超99.9%,且由于数据中心通常采用双路市电保障+2N互备结构,因此电池很少有放电,处于长期被闲置状态,造成很大的资源浪费。

(3)电池长期处于浮充状态,健康状态不明。如上所述,由于数据中心供电可靠性很高,电池一直处于浮充状态,基本一年都不放一次电,有些数据中心甚至需要通过定期的假负载测试来检验电池的性能,而这笔测试费用支出也是相当不菲。

理解清楚数据中心运营和UPS使用的痛点,有助于帮助我们知道如何去解决现存的问题。得益于近年来储能技术的发展,建设储能型数据中心,顺理成章地成了解决以上应用痛点的重要手段。

2数据中心储能对电池和UPS主机的要求

电网发电和用户用电之间是一个动态平衡,为提高在用电低谷时段的机组利用率,降低发电成本,增效减排,我国从1993年开始实行峰、谷电价制度,此制度的设计初衷是利用经济手段引导社会错峰用电。峰、谷价差的存在,就给储能通过“低储高发”提供了套利空间。但由于储能成本限制,单纯的削峰填谷项目很难获得可持续的盈利空间,数据中心建设本身就需要大量电池和UPS主机投入,这为峰谷套利提供了必要条件,但需要解决电池循环寿命和储能型UPS主机的功能问题。

(1)数据中心储能能对电池的要求

传统普通铅酸电池不能满足用户削峰填谷模式对电池长循环寿命的要求,开发新型循环性电池势在必行。得益于2006年奥巴马“清洁能源计划”的激励和引导,全球范围内掀起对铅碳电池的研究热潮并相继推出产品。所谓铅碳电池,就是在不改变铅酸电池电化学体系的基础上,通过负极加碳以及对正极和电解液的延寿技术,实现对铅酸电池循环性能的大幅提升,其循环寿命是普通铅酸电池的3～5倍。电池循环性能问题的解决,为建设储能型的数据中心,创造了先决条件。在数据中心储能应用中,电池除了要进行削峰填谷之外,还要保证备电时间,因此电池的放电深度一般控制在50%左右,剩余约50%电量用来保证备电时间。众所周知,电池放电深度越深,其循环寿命就越短,50%左右的放电深度,恰好既可满足数据中心对电池使用年限(10年)的要求,又可保证获得较好的削峰填谷收益,性能和要求完美契合。

(2)UPS储能对UPS主机的要求

①电化学电源可放出的电量会受到放电倍率的影响,放电倍率越小,可放出电量越多,反之,则越少。举例来说,对于铅酸或铅碳电池,如果以0.1C(A)倍率放电,可以放电10h,放出的总容量为1C(Ah);但如果以1.5C放电,大约只能放电15min,放出的总容量为0.375C(Ah),而且大倍率放电还会严重影响电池寿命。在进行削峰填谷时,放电量越大,获利则越多,因为峰价电时间即放电时间(一般为8h)足够长,因此可以选择符合铅酸电池放电特性的小倍率放电方式来运行,这就需要UPS主机要有具备市电和电池联合供电的功能。

②常规数据中心因为电力供给的可靠性很好,电池很少放电,即使偶尔有放电,充电时间很长,因此可以及时补充回电力。而按照我国现行峰、谷时段分布,谷价电时间一般只有8h,为保证电池放电后的回充量,就要求UPS主机要具备40%额定功率以上的充电能力。

通过同主流的UPS主机厂家的沟通,技术上解决以上问题,完全没有障碍,所增加的成本也非常有限,这就为建设储能型数据中心扫除了技术障碍。

3数据中心储能的优势

数据中心采用储能模式,相比于传统数据中心备用电源,具有以下优势:

(1)通过削峰填谷模式可以收回电池投资。以一台功率为500kVA,功率因数为0.8的UPS配置储能电池并备用15min为例,为方便计算,均采用西恩迪SHC12250FT这款电池的放电参数,电池价格1元/Wh,电价差以江苏省0.78元做参考,电池残值以25%来测算。500kVA的UPS备电15min,需要配置120只SHC12250FT电池。假设再增加3组电池,放电深度以50%DOD,使用10年计,初步收益测算见测算表。由测算表可以看出，通过将传统UPS改造成储能型UPS，在电池寿命周期内，不仅可以收回电池投资，还可以获得大量收益，从而大大节省数据中心的成本。

(2)电池每天放电,可以通过放电后的截止电压知晓电池的健康状态。调查显示,数据中心运维经理所担心问题排名第一位的,便是备电安全性。如上所述,常规数据中心的电池很少放电,电池状态不可知。对电池而言,放电后的截止电压是反应电池健康状态的最佳指标,储能型数据中心,电池每天都会放电,放电后电压一目了然,很容易判断电池好坏,有助于及时剔除不良电池,同时也省去了每年做假负载测试的费用。

(3)数据中心所获得的备电时间更长。因为电池要多配置几组,因此,电池在相同功率下的备电时间远高于常规配置。当然储能型数据中心要建设在有峰谷价差的地方,且峰谷价差越大,则收益越好,另外也需考虑安装面积的影响因素。

4储能型数据中心与需求侧管理

以上关于经济收益的分析,是以峰谷电价差为基础的,这也是数据中心储能的基本收益方式之一,但其实还可以建立起更为丰富和灵活的收益模式,比如,数据中心储能可以和需求侧管理结合起来。

随着工业产业结构的调整和人民生活水平的提高,电力消费的增速加快,用电量的变化波动也越来越剧烈。一天或一年中,最大和最小用电量之间的差距正在逐步拉大,季节性的用电尖峰更是越发明显。数据中心用电的特点是负荷很高且持续稳定,当传统数据中心改造成储能数据中心,完全可以参与需求侧响应获得政策补贴。还是以上文拥有2000个机柜,机柜平均功率为5kW的数据中心为例,假设数据中心在苏州,苏州需求侧响应的补贴为100元/kW。当数据中心收到需求侧响应的指令后,可以进入到储能模式,即电池放电供给负载,而此时对电网来说,用户侧就少了一个用电功率为10,000kW的负荷点。这个响应过程对数据中心用电没有任何影响,但却一次可以获得100万的需求侧响应补贴。

除此之外,2018年,南方监管局发布了《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则(实行)》,细则中规定,储能电站根据电力调度机构指令进入充电状态,按其提供充电调峰服务统计,对充电电量进行补偿,具体补偿标准为0.05万元/兆瓦时。当传统数据中心变成储能型数据中心后,也可以参与到充电调峰当中,因为储能每天都要放电,只要充分管理好电池,在响应充电调峰时,就可以获得相当不错的补贴。以一个拥有30台500kVA的储能UPS,每台储能UPS配置6组SHC12250FT电池,共计576kWh电池为例,以充入30%的电量来计算,则调峰一次的充电收益为30×576kWh×30%×0.5元/kWh=2592元,在此响应过程中,亦未给数据中心用电带来任何影响。

通过以上分析可知,当传统数据中心变成储能型的数据中心,其功能模式就变得更为丰富。数据中心不再是一个单纯的电力负荷点,它同时又变成了一个可调用、可调节的电源点,灵活的电力切换模式于电网有利,于数据中心有利,于社会节能减排亦有利,同时,大量的可供调用的分布式电源点,也是构建未来能源互联网的基础之一。

5储能型数据中心的商业模式

当数据中心想做成储能型的数据中心,其投资模式亦可发展改变。如果建设数据中心的业主愿意投资,则可以投资并获得全部收益;如果业主觉得看不清楚趋势,尚有风险,亦可由第三方资本进行投资,做合同能源管理(EMC),具体的投资收益分成,业主可以和第三方资本协商。笔者通过下表简单分析了分别由业主自己投资和第三方资本投资各自所付出的以及所得到的回报,供大家参考。

6储能的价值体现在真正需要的客户那里

储能它的价值体现在真正需要它的客户那里,储能应用在数据中心就非常有价值。电化学储能技术的发展可以逐步颠覆传统数据中心的电能管理模式,同时也将颠覆此领域传统的投资模式,这种颠覆是一种于多方有利的颠覆。畅想一下未来,当数以百万座的数据中心变成可调用的分布式负荷点、储能点和电源点,同时又可提供大量的冷和热,构建能源互联网的梦想离我们又更近了一步。

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