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[周报全文]抽水蓄能电站:绿色数据中心建设“宝地”

2014年09月22日 16:48:54 | 作者:文/腾讯IDC数据中心架构师 李典林 | 来源:网界网 | 查看本文手机版

摘要:抽水蓄能电站是一种利用电力负荷低谷时的电能将水抽至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。

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绿色数据
抽水蓄能电站
数据中心建设

抽水蓄能电站是一种利用电力负荷低谷时的电能将水抽至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。作为一种成熟的储能技术,抽水蓄能电站具有多种优点。例如提高电力系统中火电站和核电站的运行效益,减少核电、火电或其他类型电源的装机容量,改变能源结构,等等。因此,全国各地都已建设了不少抽水蓄能电站。

笔者认为,抽水蓄能电站附近是一个适宜建设数据中心,也容易建成绿色数据中心的好地方。对于数据中心而言,抽水蓄能电站相当于一个超级电池,夜里充好电,白天再把电给放出来,可以给数据中心提供稳频滤波和停电保护。同时,抽水蓄能电站由于有上下两个容量很大的水库,也相当于数据中心内的两个超大蓄冷罐或者蓄水池,其深层湖水可用于数据中心持续供冷。

抽水蓄能电站实际上有多种好处适合建设数据中心,以下将详细分析。

1、选址问题

抽水蓄能电站对地质条件要求非常高,因此选址的时候充分考虑了当地的地质条件,地下岩石多为砾岩、砂岩等,地震可能性低,无台风、海啸、龙卷风、洪水、干旱等灾害,完全可用于数据中心建设

典型的抽水蓄能电站多建设在植被良好的山区,因湖水比热容大及良好植被覆盖,整体环境温度比周边地区要低几度。无季节性洪水,且附近多有天然小径流水源,多具备良好湖水自净能力,因此水体质量通常较好。总体而言,电力充沛,气候良好。

抽水蓄能电站投资庞大,相对应的基础配套也较为完善。比如满足大型水电机组的运输公路;宛如度假园区的湖光山色美景;配套的住宿、酒店、会议中心等等。土地储备等也非常丰富,可扩展性好。同时,抽水蓄能电站也具备丰富的电力、水利人才,因此数据中心运营人力资源也非常丰富和稳定。此外,由于蓄能电站厂区安全性要求很高,数据中心园区内的安保及破坏风险将很小。

2、数据中心供电不成问题

虽然抽水蓄能电站的间歇性供电特性决定了数据中心不好直接从电站的发电机组来供电,但混合式抽水蓄能电站周边通常有常规水电站,即使是纯抽水蓄能电站周边往往也有些小水电站,因此理论上数据中心可以获得便宜且洁净的水电等绿色能源。

不过,国内政策不允许数据中心直供电,考虑到蓄能电站发电的间歇性,以及难以实现周边水电厂的直供电,因此数据中心的电力基本还是要从大电网上获得。当然,如果未来数据中心能够获得直供电政策,特别是采用分布式小水电来供电,那既可以得到非常便宜的绿色能源,而且能大大提升小水电的综合收益,也不会影响大电网的负荷和风险,将是个多赢的局面。

虽然抽水蓄能电站数据中心的电力也是从大电网上获取,但却和普通数据中心的用电可靠性等级不太一样。因为抽水蓄能电站上下水库这两个超级储能电池的存在,大大提升了蓄能电站周边电网的可靠性。不同于大型核电站和火电站需要很长时间的启动时间,以及只能允许较小的负载波动特性,抽水蓄能电站具备快速启动,以及瞬间带重载能力。当电网有任何异常情况发生,抽水蓄能电站及附近的水电站都可以在几秒的时间内快速恢复电网的持续供电,具有很高的供电可靠性。蓄能电站周边的供电可靠性号称达到4个9以上,因此供电可靠性可以得到大幅提升。电站的快速启动特性还可大大降低柴油发电机容量,以及减少UPS电池备份容量的投资成本。

3、免费供冷的可行性分析

大型抽水蓄能电站的库容高达几千万立方米,水库最深处达50~60米,死水位深度通常多达30~40米,由于底下部分冷水常年扰动不大,水温较低。而且某些纯抽水蓄能电站的湖水没有与河流直接连接,因此没有季节性洪水的影响,加上库区丰茂植被及小径流泉水具备很强的自净能力,水质常年清澈见底,因此数据中心散热可以采用死水位以下的常年低温冷水,或者将数据中心建设在地势比下库水坝低的地方,可直接利用大坝高差,进一步减少水泵等传送功耗。

死水位底下的深层湖水通常常年水温都较低,典型的如4~12摄氏度,经过简单水处理后可直接用于板换给数据中心内的空调末端供冷。被数据中心加热后的温水可以直接排放到湖水水面(高温水浮在湖面上层)、水坝下方(如果有径流加入)、远离取水口的湾区,或者电站的抽水口处被带走(上水库可以当成是超级冷却塔),可择优选择。另外,还可以采用更多的低温冷水给数据中心加热后的温水降温后再排放到抽水口附近带走,以减少数据中心温水对环境的影响。

当然,如果出现夏季高温天气,湖水温度高于冷冻水温度,则可以适当配置少量冷水机组备用,以应对短时高温天气。但由于湖水温度相对较低,冷水机组的容量和压力还是可以大大降低。比如可以利用12~20℃湖水作为冷机冷却水使用,节能效果很明显。且每年冷机只工作较少量时间,因此对整个数据中心的常年PUE影响较小,加上借用上下水库高差可能带来的水泵功耗降低,在南方地区都有望实现1.2左右的年均PUE。

4、蓄冷及冷却水补水、消防水池等

抽水蓄能电站的大水库既是储能供电的大电池,又是蓄冷的超级大冷池,可以提供快速供电和海量蓄冷能力。除此之外,水库海量的库容还是冷却水的补水池(如果需要冷机度夏的话),以及数据中心园区的大消防水池,因此可取消或者减少传统数据中心在蓄水池及消防水池方面的投资和场地占用。这些天然的地理优势也是传统数据中心园区不具备的有利条件。

5、数据中心网络[注]问题

我们知道,用电负荷中心也多是人口中心,目前中国的大部分用电和人口都是在东部沿海地区,且目前绝大多数的数据中心也是建设在东边人口富集的地方。数据中心靠近用户则传输延迟较小,网络带宽丰富,专线的建设成本也较低。抽水蓄能电站是为负荷中心配置的,也基本多建设在东部地区,靠近用户,靠近现有的网络骨干节点。

以珠三角区域为例,在南方网络骨干超核心广州周边的200公里范围内,汇聚了近亿流动人口、几千万千瓦的用电负荷,以及240万千瓦广蓄、240万千瓦惠蓄、136万千瓦清远蓄、以及在建的120万千瓦深蓄,新会蓄等一大批抽水蓄能电站。因此这些抽水蓄能电站都离骨干网很近,具有带宽资源丰富、网络延迟小、拉专线成本低等优势,甚至在抽水蓄能电站内还可以直接租用电网丰富的电力光纤,就近连接到骨干网络节点,很好地解决了抽水蓄能电站数据中心在网络方面的问题。

6.生态环保问题

抽水蓄能电站属于工业生产系统,在电站勘测及建设期间已经考虑了很多环保问题。同时采用库区的工业湖水用于数据中心散热,对环境的影响要比采用自然湖泊的环境影响小很多。相比较每天水电站大体量抽水蓄能、放水发电循环(+微信关注网络世界),少量的数据中心用水总体环保的风险较小。反之,如果数据中心采用长白山天池、千岛湖、万绿湖等湖水散热,由于位于著名景区,且是生活水源,甚至是很多纯净水的水源地等,则需要仔细评估环境和政策的风险。

7、数据中心运维

数据中心是个大而复杂的系统,如果规划设计得足够简洁,且采用成熟的技术,那么运营起来问题就会小很多。例如谷歌的数据中心就很少采用太复杂的技术,只采用最为成熟和简单的水系统加上完美的控制,同样可以实现1.1左右的超低PUE。同样,抽水蓄能电站内的数据中心可以借用抽水蓄能电站的有利条件,采用高可靠电网的稳定电力,以及无冷机、深层湖水自然散热等,大大精简了数据中心机电系统。由于架构非常简单,加上电站内有几十年丰富工作经验的电力、水利人才,对后期稳定运营更是如虎添翼。最后,相比较数据中心10年左右的寿命,抽水蓄能电站长达几十年的生命周期,足以让数据中心稳定运行,且能满足未来更新换代的需求。

8、风能、太阳能等和抽水蓄能电站的结合

随着全球能源储备不断减少,开发利用新能源得到了高度重视。目前,新能源以风电和太阳能光伏发电为代表,因其可再生、环保而得到迅速发展。这些新能源的大规模开发都将导致发、用电之间的季节性差异和日内时间差异矛盾更为突出。如太阳能光伏发电夏大冬小、中午高早晚低,这与西部地区(如青海)用电冬大夏小、早晚两个用电高峰的负荷特性是直接相悖的。类似的,对于风电而言,因为通常夜里的风电较为丰富,而此时正是谷电时间,用户负荷却较小。如蒙西电网2010年投入的风电容量仅为3600MW,但在冬季供暖期间,特别是在夜间,几乎全部停机弃风,以保证电网运行的安全。目前在蒙东地区大约只有三分之一的风电容量能够上网。根据对风电的特性进行研究,在电网负荷低谷时段,弃风率达到60%,而在其他时段弃风率不超过30%。这样风电95%的电量可以得到有效利用,也可以和抽水蓄能电站的工作时间匹配上,进一步加大了数据中心供电的绿色程度。

目前不同的储能技术中,又以抽水蓄能电站的储能投资收益最高,且技术成熟度最高。比如,广州抽水蓄能电站的建设成本平均2500元/KW以内,明显低于世界同类电站水平。抽水蓄能电站良好的调节性能和快速负荷跟踪能力,还可以有效减少风电场等并网运行对电网造成的冲击,提高风电场利用率。对于太阳能,可通过抽水蓄能电站的蓄电池功能来实现能量之间的时间转换,使发、用电曲线相互弥合。抽水蓄能技术可提高光伏发电和风电运行的协调性及安全稳定性,因此兴建抽水蓄能电站将有助于推动风电和太阳能等新能源的建设和发展。

随着数据中心建设一路向西,向能源富集的西部地区发展,而西部地区有丰富的风能和太阳能等绿色能源,伴随着抽水蓄能电站在西部风电和太阳能富裕地区的不断建设,将会有越来越多的数据中心用上风能、太阳能等绿色能源。

结束语

基于抽水蓄能电站的数据中心有很多天然优势,可以获得稳定的绿色能源、免费的自然冷源、丰富的网络资源及运维人才等。靠近负荷中心及人口中心,且采用工业湖水没有多少环保风险,还可以更好地利用风能、太阳能等绿色能源用于数据中心。充分发挥部分地区高可靠供电及深层湖水制冷等有利条件,在节省数据中心投资的情况下,可以实现较低的PUE,大幅降低数据中心的TCO。 (更多内容详见: http://www.cnw.com.cn/P/5924

参考资料

1.数据中心网络:(Data Center Network)是应用于数据中心内的网络,因为数据中心内的流量呈现出典型的交换数据集中、东西流量增多等特征,对数据中心网络提出了进一步的要求:大规模、高扩...详情>>

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