數據中心的能源使用情況正受到媒體和監(jiān)管機構越來越多的關注。雖然數據中心目前消耗了全球1%的電力,但分析師預測,到2030年,這一數字將增長到8%。原因包括:企業(yè)正在數字化業(yè)務模式,增強現實和虛擬現實等數字服務需要更多的處理能力,消費者對流媒體服務的熱愛持續(xù)不斷。
能源可持續(xù)性術語
能源可持續(xù)性術語可能令人困惑。以下是常用術語的速查表:
二氧化碳(Co2)排放:化石燃料消耗或水泥制造產生的排放。根據歐盟統計局的數據,它們包括固體、液體和氣體燃料燃燒以及天然氣燃燒過程中產生的排放。
溫室氣體排放:七種不同的氟化和非氟化氣體的排放,這些氣體會導致全球變暖和氣候變化。二氧化碳和甲烷是非氟化氣體。
碳足跡:個人、組織、活動、服務、地點和產品產生的溫室氣體總排放量。衡量組織的碳足跡是通過確定組織(范圍1)及其上游(范圍2)和下游活動(范圍3)產生的溫室氣體排放量來確定的。該范圍界定系統由溫室氣體議定書開發(fā),以便組織可以跟蹤和量化排放量,從而確定總排放量的基準并努力減少排放量。借助有助于計算碳足跡的數字平臺,這一具有挑戰(zhàn)性的過程變得更容易。
碳中和:抵消溫室氣體排放的過程。包括避免排放或購買碳補償等活動。
凈零:去除地球大氣中與人類和組織活動產生的溫室氣體等量的溫室氣體。
氣候積極:超越凈零排放并從大氣中去除額外的二氧化碳。
可持續(xù)能源:使用對環(huán)境幾乎沒有或完全沒有負面影響的清潔可再生能源。
能源可持續(xù)性:確保提供充足、可靠、負擔得起的能源,符合社會和環(huán)境要求。
此外,即將出臺的法規(guī)將對能源效率低下的數據中心征稅。
歐盟呼吁數據中心在2030年實現碳中和。歐盟還正在起草一項綠色協議,到2030年將整個數據中心行業(yè)的凈溫室氣體排放量減少至少55%。即將出臺的立法推動歐洲數據中心運營商提前完成任務。2021年,歐洲數據中心運營商和其他組織簽署了《氣候中和數據中心公約》,承諾到2030年實現氣候中和。該組織目前擁有多達100家數據中心運營商和行業(yè)協會,承諾購買100%無碳能源,優(yōu)先考慮用水,重復使用和維修服務器,以可衡量的目標證明能源效率,并尋找回收熱量的方法。
在美國,《2020年能源法案》呼吁業(yè)界在能源效率研究和最佳實踐方面展開合作。此類活動往往預示著未來將出臺的監(jiān)管規(guī)定。
因此,數據中心所有者和運營商正在尋求在監(jiān)管規(guī)定出臺之前實現能源可持續(xù)性,以確保其業(yè)務模式和運營面向未來。這意味著要確保他們能夠長期獲得符合業(yè)務、社會、監(jiān)管和環(huán)境要求的能源。
實現能源可持續(xù)性沒有單一戰(zhàn)略
顯然,實現能源可持續(xù)性是一個持續(xù)的過程,數據中心所有者和運營商沒有一刀切的策略可遵循。行業(yè)組織采取的道路將取決于多種因素,包括其位置、資本、能源獲取、監(jiān)管制度等。資金充足的超大規(guī)模企業(yè)和主機托管公司顯然可以使用與規(guī)模較小的同行不同的技術和流程。
以下是數據中心運營商和企業(yè)可以用來實現能源可持續(xù)性的一些不同的短期和長期策略。
計算能源消耗:如果團隊不完全了解當前的消耗、浪費和改進機會,組織就很難提高能源可持續(xù)性。數據中心基礎設施管理(DCIM)解決方案使團隊能夠全面了解其電力鏈、監(jiān)控設備用電情況,并獲得可用于規(guī)劃改進的數據。
采用云基礎設施和服務:采用云優(yōu)先的企業(yè)可以將大部分碳排放轉移給合作伙伴。他們不會產生范圍1排放,而是使用范圍3排放所涵蓋的服務。此外,超大規(guī)模企業(yè)非常節(jié)能。例如,谷歌所有大型數據中心的電源使用效率(PUE)得分均為1.1,而微軟較新的設施的PUE得分為1.12。減少碳排放只是企業(yè)增加使用云基礎設施和其他服務甚至完全退出數據中心業(yè)務的眾多原因之一。
使用更高效的硬件和設備:虛擬化技術、淘汰僵尸服務器以及改善電源管理和分配,可以幫助數據中心提高能源效率并降低其PUE分數。
虛擬化技術(例如服務器、存儲等)可減少3%至90%的能源消耗,具體取決于部署范圍、用于確定能源使用量的計算方法以及是否應用機器學習。虛擬化技術可提高機架的功率密度,因此也需要新的電源和冷卻改進。
改進冷卻策略:數據中心冷卻正在經歷復興。運營商現在有多種選擇,包括直接到芯片、兩相浸沒、地熱、微通道液體、微對流和校準矢量冷卻。選擇正確的冷卻技術可能具有挑戰(zhàn)性,新投資成本高昂。合作伙伴可以通過將冷卻技術與組織的業(yè)務目標以及站點和技術要求相匹配來支持運營商。液體冷卻越來越受歡迎,因為它比空氣冷卻更高效、更具成本效益,可用于冷卻用于處理密集型工作負載的高密度機架。
采用更多可再生能源
可再生能源本質上是可持續(xù)的。風能、太陽能、水力發(fā)電、地熱能等能源可以持續(xù)生產和補充,并且碳排放量較低。如果數據中心大規(guī)模部署可再生能源,則有助于節(jié)省成本。
目前,可再生能源對于數據中心來說還不夠可預測,因為數據中心擁有始終在線的流程,并受嚴格的服務水平協議(SLA)的約束,以實現高可用性。
有幾種方法可以使用更多的可再生能源并擺脫化石燃料,同時仍然保護始終在線的數字運營。
使用氫燃料電池作為可再生能源:當可再生能源無法完全利用時,燃料電池會產生氫氣并將其用于為數據中心技術供電。這是超大規(guī)模企業(yè)正在探索的一種新興方法。微軟最近測試了一種氫燃料電池系統來提供備用電源,并設想它將取代備用柴油發(fā)電機。亞馬遜和IBM等公司也在研究這項技術。
部署儲能技術:近期的創(chuàng)新,例如長壽命鋰離子電池的大規(guī)模商業(yè)化,使更多組織能夠大規(guī)模捕獲和存儲能源。儲能選項包括鋰離子電池儲能系統(BESS),該系統可捕獲可再生能源以備將來使用,并提供始終開啟、始終可用的備用電源。與能源管理系統(EMS)搭配使用時,BESS可使組織使用更廣泛的可再生能源,為手頭的工作選擇合適的能源,并參與微電網服務。
這意味著組織可以控制使用哪種能源以及何時使用,從而實現性能、成本和可持續(xù)性目標。其他選項包括飛輪儲能系統,該系統可存儲動能并提供數小時的備用電源,且不會降低性能,這意味著它們可以無限循環(huán)。飛輪系統不是可再生能源的一種形式,但碳排放量低,因此非常適合用作備用電源。然而,這些系統的放電時間短,容易受到機械應力的影響,并且存在潛在的危險故障模式。
此外,熱能存儲使多余的熱能能夠被捕獲、存儲并在未來使用。技術包括顯熱存儲,它增加或降低存儲容器中介質的溫度;另一方面,潛熱存儲利用材料的相變來存儲熱量。這些策略可能比在數據中心園區(qū)使用獨立的BESS或BESS網絡更麻煩。能夠存儲能源使組織能夠使用更多的可再生能源,提高能源效率,并提高業(yè)務連續(xù)性和彈性。
部署其他創(chuàng)新戰(zhàn)略
計算PUE數據、改進設備和使用可再生能源后,團隊的工作仍未完成。以下是一些其他可以付諸實踐的創(chuàng)新策略:
戰(zhàn)略性地定位設施:超大規(guī)模企業(yè)可以選擇將新設施建在可再生能源(如風能、水力發(fā)電或太陽能)附近。然后,他們可以將這些豐富的可再生能源整合到其整體能源結構中。
回收和再利用熱量:數據中心技術會產生大量熱量,這些熱量通常會釋放到空氣中,然后冷卻并再利用。但是,如果通過熱泵回收并通過熱交換器傳輸,熱空氣可用于其他用途,例如加熱附近的建筑物。
一個挑戰(zhàn)是產生的熱量是低溫的,社區(qū)必須有區(qū)域供熱系統來接收數據中心的廢熱。然而,數據中心的廢熱是通過電力產生的,而建筑物則由天然氣驅動。因此,社區(qū)有動力接受廢熱,因為他們可以利用它來減少供暖運營的碳排放。
使用先進技術優(yōu)化能源使用:數據中心運營商正在使用人工智能(AI)和機器學習(ML)算法來實現多種目的,包括提高能源效率。AI/ML模型使數據中心團隊能夠主動管理PUE;評估手動更改資產參數的影響;確定最佳操作參數以實現所需的資產結果;并預測和優(yōu)化用水效率(WUE),即年度站點用水量與IT設備消耗的能源之比。此過程可幫助團隊降低能源消耗和成本。
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