提高数据中心能源可持续性：短期与长期策略

【摘要】虽然数据中心目前消耗全球1%的电力，但分析师预测到2030年消耗量将增长到8%。

提高数据中心能源可持续性：短期与长期策略

数据中心的能源使用，正受到媒体和监管机构越来越严格的审查。虽然数据中心目前消耗全球1%的电力，但分析师预测到2030年消耗量将增长到8%。原因包括：企业正在数字化商业模式，增强现实和虚拟现实等数字服务需要更多处理能力，以及消费者对流媒体服务的持续热爱。

提高数据中心能源可持续性：短期与长期策略

能源可持续性术语

以下是能源可持续性常用术语：

• 二氧化碳(Co 2)排放：来自化石燃料消耗或水泥制造产生的排放。根据欧盟统计局的数据，其包括固体、液体和气体燃料燃烧以及气体燃烧过程中产生的排放物。

• 温室气体排放：导致全球变暖和气候变化的七种不同氟化和非氟化气体的排放。Co 2和甲烷是非氟化气体。

• 碳足迹：个人、组织、活动、服务、场所和产品产生的温室气体排放总量。衡量组织的碳足迹是通过确定组织（范围1）及其上游（范围2）和下游活动（范围3）产生的温室气体排放来确定的。

该范围界定系统由温室气体协议开发，以便组织可以跟踪和量化排放量，使之能够确定总排放量的基线，并努力减少排放量。有了数字平台帮助计算碳足迹，这一具有挑战性的过程变得更加容易。

• 碳中和：抵消温室气体排放的过程。包括避免排放或购买碳抵消等活动。

• 净零排放：消除地球大气中与人类和组织活动产生的温室气体数量相同的温室气体。

• 对气候有利：超越净零排放，并从大气中去除额外的Co 2。

• 可持续能源：使用清洁的、对环境几乎没有负面影响的可再生能源。

• 能源可持续性：确保提供符合社会和环境要求的充足、可靠、负担得起的能源。

此外，即将出台的法规将对能源效率低下的数据中心征税。

欧盟(EU)呼吁数据中心到2030年实现碳中和。欧盟还在起草一项《绿色协议》，到2030年将整个数据中心行业的净温室气体排放量减少至少55%。即将出台的立法的前景，促使欧洲数据中心运营商提前执行任务。2021年，欧洲数据中心运营商和其他组织签署了《气候中和数据中心公约》，承诺到2030年实现气候中和。该组织目前有100多家数据中心运营商和贸易协会，承诺购买100%无碳能源，优先考虑用水、再利用和维修服务器，用可衡量的目标证明能源效率，并寻找回收热量的方法。

在美国，《2020年能源法》呼吁行业在能效研究和最佳实践方面进行合作。此类活动往往是未来监管的一项指标。

因此，数据中心所有者和运营商正在寻求通过在监管要求之前实现能源可持续性，以适应未来的业务模式和运营。这意味着确保他们能够长期获得满足商业、社会、监管和环境要求的能源。

实现能源可持续性没有单一的策略

显然，实现能源可持续性是一个持续的过程，数据中心所有者和运营商没有通用的策略可以遵循。行业组织采取的路径将取决于多种因素，包括其位置、资本、能源来源、监管制度等等。与规模较小的同行相比，资金雄厚的超大规模企业和托管企业显然可以使用不同的技术和流程。

以下是数据中心运营商和企业可以用来实现能源可持续性的一些不同的短期和长期战略。

• 计算能源消耗：如果团队不完全了解当前的消耗、浪费和改进机会，组织就很难提高能源的可持续性。数据中心基础设施管理(DCIM)解决方案使团队能够全面了解其电源链、监控设备电源使用情况，并获取可用于规划改进的数据。

• 采用云基础设施和服务：优先采用云计算的企业可以将大部分碳排放转移给合作伙伴。其不产生范围1排放，而是消费范围3排放所涵盖的服务。此外，超大规模服务器的能源效率令人难以置信。例如，Google在其所有大型数据中心的电源使用效率(PUE)得分为1.1，而Microsoft在其较新设施中的PUE得分为1.12。减少碳排放只是企业增加对云基础设施和其他服务的使用，甚至完全退出数据中心业务的众多原因之一。

• 使用更高效的硬件和设备：虚拟化技术、淘汰僵尸服务器以及改进电源管理和分配，这些策略可以帮助数据中心提高能源效率并降低其PUE分数。虚拟化技术，如服务器、存储等，可以减少3%到90%的能耗，具体取决于部署的范围、用于确定能源使用的计算方法以及是否应用机器学习。虚拟化技术增加了机架的功率密度，因此也需要新的电源和冷却改进。

• 改进冷却策略：数据中心冷却正在经历复兴。运营商现在有多种选择，包括直接到芯片、两相浸泡、地热、微通道液体、微对流和校准矢量冷却。选择合适的冷却技术具有挑战性，而且新投资的成本很高。合作伙伴可以通过将冷却技术与组织的业务目标、站点和技术要求相匹配来支持运营商。液体冷却越来越受欢迎，因为其比空气冷却更有效且更经济，可以冷却用于处理密集型工作负载的高密度机架。

采用更多可再生能源

可再生能源本质上是可持续的。风能、太阳能、水电、地热能等能源可以持续产生和补充，且碳排放量低。如果数据中心大规模部署，使用可再生能源可以帮助节省成本。

目前，对于数据中心而言，可再生能源的可预测性还不够强大。因为数据中心的流程一直处于在线状态，并受严格的服务级别协议(SLA)管理，以实现高可用性。

有几种方法可以使用更多的可再生能源，远离化石燃料，同时仍然保护始终在线的数字运营。

• 将可再生能源与氢燃料电池结合使用：当可再生能源不能完全可用时，燃料电池会产生氢气，并使用其为数据中心技术提供动力。这是超大规模企业正在探索的一种新兴方法。Microsoft最近测试了一种氢燃料电池系统，以提供备用电源，并设想其将取代备用柴油发电机。Amazon和IBM等企业也在研究这项技术。

• 部署储能技术：最近的创新，例如长寿命锂离子电池的大规模商业化，使更多组织有望大规模捕获和储存能量。储能方案包括锂离子电池储能系统(BESS)，该系统可捕获可再生能源以备将来使用，并提供始终在线、始终可用的备用电源。与能源管理系统(EMS)配合使用时，BESS使组织能够使用更广泛的可再生能源，为手头的工作选择合适的能源，并参与微电网服务。这意味着组织可以控制其使用哪种能源以及何时使用，从而使之能够实现性能、成本和可持续性目标。

其他选项包括飞轮储能系统，该系统可以存储动能，并提供数小时的备用电源，且不会降低性能。这意味着其可以无限循环。飞轮系统不是可再生能源的一种形式，但碳排放量低，因此作为备用电源很有吸引力。然而，这些系统的放电时间短，容易产生机械应力，并且具有潜在的危险故障模式。

此外，热能储存可以捕获、储存多余的热能，并在未来使用。技术包括显热储存，其可以提高或降低储存容器中介质的温度；另一方面，潜热储存利用材料的相变来储存热量。这些策略可能比在数据中心园区使用独立的BESS或BESS网络更麻烦。

能够储存能源使组织能够使用更多的可再生能源，提高能源效率，并提高业务连续性和弹性。

部署其他创新策略

在计算PUE数据、改进设备和使用可再生能源后，团队仍未完成。以下是一些其他可以付诸实施的创新策略：

• 战略选址：超大规模企业可能会选择将新设施选址在靠近可再生能源的地方，如风能、水力发电或太阳能。如此，便可以将这些丰富的可再生能源整合到整体能源结构中。

• 回收和再利用热量：数据中心技术会释放出大量热量，这些热量通常会释放到空气中，然后在空气中冷却并再利用。然而，如果通过热泵回收并通过热交换器传输，热空气可以用于其他用途，如为附近的建筑物供暖。一个挑战是产生的热量是低温的，社区必须有区域供热系统来接受数据中心的余热。然而，数据中心的余热是通过电力产生的，而建筑物是由天然气供电的。因此，社区有动力接受余热，因为可以用它来使供暖操作脱碳。

• 使用先进技术优化能源使用：数据中心运营商正在使用人工智能(AI)和机器学习(ML)算法来实现多种目的，包括提高能源效率。Equinix表示，AI/ML模型使数据中心团队能够主动管理PUE;评估人工变更对资产参数的影响;确定最佳的操作参数，以实现预期的资产结果;并预测和优化用水效率(WUE)，即每年现场用水量与IT设备消耗的能源之比。这个过程帮助团队减少能源消耗和成本。

实现能源可持续性有许多不同的选择，但如何制定最佳战略，并平衡短期和长期的需求呢？希望这篇文章能给予帮助。

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