數據中心是容納和集中技術、電力和冷卻設備以實現IT運營的設施。如今，這些站點越來越多地被用于云計算。2021年，云數據中心處理了94%的工作負載，隨著5G的持續(xù)推出以及大數據分析、生成人工智能、機器學習模型和其他趨勢的發(fā)展，這一數字只會增加。
然而，數據中心的能源使用也受到了越來越多的審查。在最近的一些文章中，我們分享了數據中心當前及未來的用電量，并分享了一系列提高能源可持續(xù)性的策略。在本文中，我們將描述數據中心如何使用不同的清潔能源，如太陽能、風能、地熱、水力發(fā)電和生物質能，以實現可持續(xù)發(fā)展目標。此外，還將介紹云服務提供商和企業(yè)在擴大可再生能源使用方面面臨的解決方案。
為什么要使用更多的可再生能源?
那么，為什么數據中心要使用更多的可再生能源呢？從短期來看，數據中心希望降低成本。能源成本正在飆升，企業(yè)希望減少支出以保護盈利能力。
從長遠來看，領導者希望在資源日益稀缺的時代，他們的商業(yè)模式和運營能夠經得起未來的考驗。數據中心使用大量的電力為服務器和其他設備供電。電力限制、持續(xù)的高價格、需求費用以及過時流程的監(jiān)管罰款都可能使業(yè)務在商業(yè)上不可行。
此外，許多領導者希望他們的企業(yè)積極主動地轉變能源使用方式，成為一個良好的企業(yè)公民，最大限度地減少對環(huán)境的危害，并在可持續(xù)發(fā)展問題上發(fā)揮領導作用。
綠色能源對當前和未來的數據中心運營至關重要，因為它儲量豐富，可以連續(xù)產生，而且?guī)缀醪慌欧艤厥覛怏w或污染物。另一方面，由于化石燃料的廣泛使用和不可再生，它們正在迅速消耗。因此，它們將在本世紀開始耗盡。此外，化石燃料是全球氣候變化的最大貢獻者，造成了全球75%的溫室氣體排放和近90%的二氧化碳排放。
資料來源:Our World in Data
國際可再生能源協會(IRENA)預測，政府、企業(yè)和個人可以通過實施六種不同的技術途徑，實現2050年將全球氣溫上升限制在1.5攝氏度的目標。增加使用環(huán)保能源和提高能源效率占所有收益的一半。
資料來源:IRENA
使用清潔能源變得更加可持續(xù)和降低成本
使用更多的可再生能源使數據中心所有者和運營商能夠實現多個可持續(xù)發(fā)展目標，包括：
減少碳足跡和溫室氣體排放：與化石燃料相比，綠色能源在選址、部署和物流方面對環(huán)境的影響更小，而且可以更快地部署。它們還能減少溫室氣體排放。一項研究發(fā)現，可再生能源在其生命周期內每千瓦時平均排放50克或更少的二氧化碳，相比之下，煤炭約為1000克二氧化碳/千瓦時，天然氣為475克二氧化碳/千瓦時。
降低能源消耗和成本：在我們之前的博客中，我們引用了一項研究，預測數據中心的電力消耗將在2030年從1%增長到8%。在全球范圍內，目前有61.3%的電力來自化石燃料，而可再生能源技術僅占28%。因此，在增加可再生能源的使用方面還有很多工作要做。
好消息是，由于大規(guī)模太陽能生產實踐和電池能量捕獲等技術的進步，可再生能源價格已經下降。2020年投產的可再生能源中，近三分之二(62%)比最便宜的化石燃料更便宜。新建陸上風電項目每兆瓦時成本約為46美元，大型太陽能發(fā)電廠每兆瓦時成本為45美元，新建燃煤發(fā)電廠每兆瓦時成本為74美元，天然氣發(fā)電廠每兆瓦時成本為81美元。
新項目價格的下降對數據中心運營商來說是一個有利的發(fā)展。通過將更多的可再生能源納入他們的能源結構，他們可以降低能源成本，無論是現在還是將來。
提高能源效率和可靠性：化石燃料的整個生命周期都有浪費。化石燃料的生產消耗資源，在運輸過程中可能泄漏，從基礎設施泄漏，并在使用時產生廢物。在數據中心，由于低效率的技術、未使用的服務器和次優(yōu)流程，能源被浪費了。雖然數據中心團隊可以通過提高能源效率來提高電力使用效率(PUE)，但一些化石燃料的浪費將永遠存在。
此外，電力可用性取決于電網可用性。當電網中斷時，數據中心必須使用備用柴油發(fā)電機或電池存儲，直到服務恢復。
可再生能源產生的能量比其生產過程中使用的能量要多，這些能量可以使用可提供長達4小時存儲容量的鋰離子電池儲能系統(BESSs)進行存儲。因此，希望提高可靠性的數據中心可以擴展BESS系統，以獲得更多小時的備用電源供應。
滿足可持續(xù)發(fā)展目標和監(jiān)管要求：許多數據中心已承諾到2030年實現碳中和，以實現其可持續(xù)發(fā)展目標或先于監(jiān)管要求。更嚴格的法規(guī)即將出臺，因此數據中心所有者和運營商在增加可再生能源的使用或現場建設這些能力方面積累經驗是有意義的。
此外，最近的研究發(fā)現，近三分之一的多租戶數據中心代表希望在效率和可持續(xù)性方面做出具有合同約束力的承諾，而另有44%的人表示，他們的大多數客戶都這樣做。
數據中心采用可再生能源
數據中心有購買可再生能源或在現場建造自己的設施的不同選擇。這些選項包括:
太陽能：希望使用更多太陽能的數據中心負責人可以在建筑物的屋頂上部署電池板，建造太陽能發(fā)電場，或從公用事業(yè)公司購買這種電力。太陽能生產正從小型裝置向能源和公用事業(yè)公司傾斜。到2050年，電力部門預計將產生78%的太陽能供應。
太陽能只有在陽光照耀時才會產生，這限制了它的用途，除非與BESS技術配合使用來捕獲和存儲能量。此外，大規(guī)模的安裝需要產生足夠的能源供數據中心使用。然而，隨著電池存儲技術的發(fā)展，大規(guī)模的能量捕獲和存儲將成為可能。數據中心運營商預計，到2025年，13%的電力將由太陽能提供。
Meta宣布與電力生產商Silicon Ranch合作，在喬治亞州和田納西州建立720兆瓦太陽能投資組合，涉及7個項目。
美國是如何使用能源的?
2022年用于供應能源的電源包括（資料來源:EIA）:
化石燃料
39.8% -天然氣
19.5% -煤
0.6% -石油
18.2% -核能
可再生能源
10.2% -風力發(fā)電
6.2% -水力發(fā)電
3.4% -太陽能
1.3% -生物質能
0.4% -地熱
風力發(fā)電：風力發(fā)電由大型渦輪機產生，由于其外觀，通常位于近海或人口較少的地區(qū)。雖然不美觀，但風力的普及和成本的降低使其成為數據中心和其他企業(yè)的一個有吸引力的選擇。數據中心運營商預計，到2026年，風能將滿足8%的能源需求。
谷歌在智利和芬蘭的數據中心使用風能。
地熱能：地熱能是從地表以下的熱水中獲得的能量。它便宜，可再生，比太陽能和風能設施占用的土地少得多。然而，這些井的鉆探是資源密集型的。
谷歌和初創(chuàng)公司Fervo正在美國內華達州開發(fā)一個地熱發(fā)電項目，該項目將提供一種“永遠在線”的無碳能源，幫助為該州的電網供電。
水力發(fā)電：位于水力發(fā)電廠附近的數據中心可以利用河流、湖泊和瀑布等水源為設備供電和降溫。(大型水壩被認為是不可再生的，因為它們會分流水流。)
位于瑞士林塔爾(Linthal)的數據中心之光(Data Center Light)擁有自己的內部水力發(fā)電廠，99.1%的水力發(fā)電，剩下的0.1%由太陽能提供。
生物質能：生物質能是最近的活的有機體，如木材、木材或農業(yè)殘留物，以及有機廢物燃燒以產生能量。雖然目前是一個利基應用，但數據中心正在探索生物質能的更大部署。
蘋果公司正在與奧爾胡斯大學合作，利用生物質能為其位于丹麥維堡的數據中心供電。
可再生能源實施：挑戰(zhàn)與解決方案
很明顯，數據中心所有者和運營商對使用更多可再生能源非常感興趣。那么，有什么選擇呢?
購買可再生能源證書(RECs)：RECs是為生產的每單位可再生能源創(chuàng)建的證書，可以在組織之間進行交易。數據中心運營商可以購買它們來抵消電力消耗。然而，這被認為是“洗綠”的一種形式，因為可再生能源的使用無法追蹤。
購買電力購買協議(PPAs)：通過直接PPAs，數據中心購買并擁有由可再生能源產生的電力。運營商受益于能夠確定電力提供的是哪種可再生能源以及多少。在金融購電協議中，買家同意執(zhí)行價格，但電力在批發(fā)市場上出售。如果成本下降，原來的買家可能會蒙受損失。
建立可再生能源設施：當數據中心所有者建立自己的設施時，他們會獲得使用可再生能源和擴展這些運營的經驗。然而，還有一些重大挑戰(zhàn)需要克服，例如獲得投資項目的前期資金，尋找提供能源和技術專業(yè)知識的合適合作伙伴，建造和調試設施，獲得監(jiān)管機構的批準以開放它們，然后運營和維護它們。超大規(guī)模企業(yè)通常提供可持續(xù)性和數據中心人才，而合作伙伴則負責這些設施的建設、調試和運營。
建造一個大型太陽能發(fā)電廠的成本為每兆瓦80萬至136萬美元。風力設施的成本為每兆瓦130萬美元，維護成本為4.2萬至4.8萬美元。因此，建造可再生能源設施的公司通常會預先投入大量資源。
增加電池存儲：數據中心所有者可以構建BESS操作，以獲得大規(guī)模的電池存儲能力。當他們添加能源管理解決方案(EMS)時，他們可以控制捕獲和使用哪種能源，為他們提供對運營的更大控制，并使他們能夠優(yōu)化能源組合，以實現可持續(xù)性、成本和其他目標。
數據中心使用可再生能源的例子
超級規(guī)模公司在試驗新能源項目和使用更環(huán)保的能源方面處于世界領先地位。他們結合使用電力購買協議(PPAs)、合作伙伴和新建設施來增加可再生能源的使用。這些公司通常利用太陽能、風能、水力發(fā)電和電池存儲等資源。
以下是全球知名企業(yè)的使用情況簡介:
亞馬遜——亞馬遜有望在2025年前實現100%使用可再生能源，并尋求在2040年前實現凈零碳排放。該公司有一個關于其全球可再生能源項目的交互式地圖，可以查看其在全球各地的可再生能源使用情況。
谷歌——谷歌已經實現了碳中和運營，但尋求到2030年在其所有數據中心使用無碳能源運行。該公司在其所有云區(qū)域使用100%的可再生能源。
Meta—— Meta通過100%使用可再生能源，在所有數據中心和辦公室實現了凈零排放。該公司有一個互動網站，描述其在全球數據中心使用可再生能源的情況。該公司有64個太陽能項目，21個風能項目和25個水資源項目。
微軟——微軟計劃到2030年實現碳負排放，并在2050年之前消除自成立以來的所有歷史排放。該公司有一個創(chuàng)新的做法，即向其業(yè)務收取碳費，激勵他們找到更好的解決方案。
加快可再生能源的使用，提高數據中心的可持續(xù)性
總而言之，數據中心所有者和運營商在考慮如何使用更多的可再生能源時有多種選擇。他們選擇的道路將受到其可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、資本配置、地點和監(jiān)管制度等因素的影響。
當然，也誕生了許多專業(yè)的服務企業(yè)，例如Device42提供集成工具，可提高數據中心團隊對其運行的工作負載的二氧化碳排放的可見性和洞察力。隨著企業(yè)向環(huán)保能源轉型，Device42還提供了持續(xù)減少二氧化碳排放量的指標。數據中心運營團隊可以使用這些數據來確定排放基線，制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，并衡量隨著時間的推移取得的進展。領導者還可以與利益相關者和投資者分享這些信息，以展示他們的公司正在采取的降低成本和溫室氣體排放的行動。
本文作者：Rick Johnston
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