近年來,電化學儲能的發展如火如荼。本文以數據中心發展儲能創造豐富的盈利模式和商業模式為切入點,一起和大家去探討。
數據中心發展的現狀和問題
數據中心由計算機系統和與之相配套的設備,以及冗余的數據通訊連接、環境控制、監控和各種安全裝置等一整套復雜的設備構成,是數據傳輸、計算和存儲的中心。伴隨著我國移動通訊、大數據、云計算、網絡支付和人工智能等業務的爆發式發展以及“互聯網+”向產業領域的加速滲透,帶動了互聯網數據的傳輸、計算和存儲需求的飛速增長,進而激發對數據中心等基礎設施的需求。研究數據顯示,2010～2016年,我國IDC市場規模增長近7倍,年均增長率達到39.19%,而2017年后,我國數據中心的市場規模仍繼續保持快速增長,預計2019年,我國數據中心的市場規模將超過1800億元,其中約70%是新建數據中心。
數據中心通過向客戶提供機柜租用、帶寬租用和服務器代理運維等服務獲取收益。對數據中心而言,保證安全可靠的電力和網絡供應,是數據中心最基本的兩大功能,所以數據中心都配備有不間斷電源(UPS)。在市電供給正常時,UPS在“過濾市電雜質”后給負載供電,同時給電池充電;當市電出現異常(中斷供電)時,電池放電通過UPS供給負載保證電力供應,這種傳統數據中心電力備用模式有以下應用痛點:
(1)電費支出高企。數據中心建成之后,其主要的運營成本來自于電費。統計表明,電費支出占數據中心運營支出的60%以上。以在江蘇擁有2000個機柜的中型數據中心為例,假設機柜的平均功率為5kW,則僅機柜一年的耗電量為2000個×5kW×24h×365天=8760萬kWh,江蘇省的平均電價約為0.68元,則僅機柜一項產生的電費就高達5957萬元,這里尚未計空調、UPS和照明等其它電力設備設施所產生的電力消耗。因此如何降低數據中心電費支出,對于提高數據中心企業的利潤至關重要。
(2)電池投資高企,且電池在使用周期內不放電,形成資源浪費,是沉沒成本。我國每年生產超200GWh的鉛酸蓄電池,其中有很大比例應用在數據中心備電,這些電池的壽命通常為5年左右,為保證備電安全性,基本每5年就要更換一批。目前,我國多數地區電網的供電可靠性超99.9%,且由于數據中心通常采用雙路市電保障+2N互備結構,因此電池很少有放電,處于長期被閑置狀態,造成很大的資源浪費。
(3)電池長期處于浮充狀態,健康狀態不明。如上所述,由于數據中心供電可靠性很高,電池一直處于浮充狀態,基本一年都不放一次電,有些數據中心甚至需要通過定期的假負載測試來檢驗電池的性能,而這筆測試費用支出也是相當不菲。
理解清楚數據中心運營和UPS使用的痛點,有助于幫助我們知道如何去解決現存的問題。得益于近年來儲能技術的發展,建設儲能型數據中心,順理成章地成了解決以上應用痛點的重要手段。
數據中心儲能對電池和UPS主機的要求
電網發電和用戶用電之間是一個動態平衡,為提高在用電低谷時段的機組利用率,降低發電成本,增效減排,我國從1993年開始實行峰、谷電價制度,此制度的設計初衷是利用經濟手段引導社會錯峰用電。峰、谷價差的存在,就給儲能通過“低儲高發”提供了套利空間。但由于儲能成本限制,單純的削峰填谷項目很難獲得可持續的盈利空間,數據中心建設本身就需要大量電池和UPS主機投入,這為峰谷套利提供了必要條件,但需要解決電池循環壽命和儲能型UPS主機的功能問題。
(1)數據中心儲能能對電池的要求
傳統普通鉛酸電池不能滿足用戶削峰填谷模式對電池長循環壽命的要求,開發新型循環性電池勢在必行。得益于2006年奧巴馬“清潔能源計劃”的激勵和引導,全球范圍內掀起對鉛碳電池的研究熱潮并相繼推出產品。所謂鉛碳電池,就是在不改變鉛酸電池電化學體系的基礎上,通過負極加碳以及對正極和電解液的延壽技術,實現對鉛酸電池循環性能的大幅提升,其循環壽命是普通鉛酸電池的3～5倍。電池循環性能問題的解決,為建設儲能型的數據中心,創造了先決條件。在數據中心儲能應用中,電池除了要進行削峰填谷之外,還要保證備電時間,因此電池的放電深度一般控制在50%左右,剩余約50%電量用來保證備電時間。眾所周知,電池放電深度越深,其循環壽命就越短,50%左右的放電深度,恰好既可滿足數據中心對電池使用年限(10年)的要求,又可保證獲得較好的削峰填谷收益,性能和要求完美契合。
(2)UPS儲能對UPS主機的要求
①電化學電源可放出的電量會受到放電倍率的影響,放電倍率越小,可放出電量越多,反之,則越少。舉例來說,對于鉛酸或鉛碳電池,如果以0.1C(A)倍率放電,可以放電10h,放出的總容量為1C(Ah);但如果以1.5C放電,大約只能放電15min,放出的總容量為0.375C(Ah),而且大倍率放電還會嚴重影響電池壽命。在進行削峰填谷時,放電量越大,獲利則越多,因為峰價電時間即放電時間(一般為8h)足夠長,因此可以選擇符合鉛酸電池放電特性的小倍率放電方式來運行,這就需要UPS主機要有具備市電和電池聯合供電的功能。
②常規數據中心因為電力供給的可靠性很好,電池很少放電,即使偶爾有放電,充電時間很長,因此可以及時補充回電力。而按照我國現行峰、谷時段分布,谷價電時間一般只有8h,為保證電池放電后的回充量,就要求UPS主機要具備40%額定功率以上的充電能力。
通過同主流的UPS主機廠家的溝通,技術上解決以上問題,完全沒有障礙,所增加的成本也非常有限,這就為建設儲能型數據中心掃除了技術障礙。
數據中心儲能的優勢
數據中心采用儲能模式,相比于傳統數據中心備用電源,具有以下優勢:
(1)通過削峰填谷模式可以收回電池投資。以一臺功率為500kVA,功率因數為0.8的UPS配置儲能電池并備用15min為例,為方便計算,均采用西恩迪SHC12250FT這款電池的放電參數,電池價格1元/Wh,電價差以江蘇省0.78元做參考,電池殘值以25%來測算。500kVA的UPS備電15min,需要配置120只SHC12250FT電池。假設再增加3組電池,放電深度以50%DOD,使用10年計,初步收益測算見測算表。由測算表可以看出，通過將傳統UPS改造成儲能型UPS，在電池壽命周期內，不僅可以收回電池投資，還可以獲得大量收益，從而大大節省數據中心的成本。
(2)電池每天放電,可以通過放電后的截止電壓知曉電池的健康狀態。調查顯示,數據中心運維經理所擔心問題排名第一位的,便是備電安全性。如上所述,常規數據中心的電池很少放電,電池狀態不可知。對電池而言,放電后的截止電壓是反應電池健康狀態的最佳指標,儲能型數據中心,電池每天都會放電,放電后電壓一目了然,很容易判斷電池好壞,有助于及時剔除不良電池,同時也省去了每年做假負載測試的費用。
(3)數據中心所獲得的備電時間更長。因為電池要多配置幾組,因此,電池在相同功率下的備電時間遠高于常規配置。當然儲能型數據中心要建設在有峰谷價差的地方,且峰谷價差越大,則收益越好,另外也需考慮安裝面積的影響因素。
儲能型數據中心與需求側管理
以上關于經濟收益的分析,是以峰谷電價差為基礎的,這也是數據中心儲能的基本收益方式之一,但其實還可以建立起更為豐富和靈活的收益模式,比如,數據中心儲能可以和需求側管理結合起來。
隨著工業產業結構的調整和人民生活水平的提高,電力消費的增速加快,用電量的變化波動也越來越劇烈。一天或一年中,最大和最小用電量之間的差距正在逐步拉大,季節性的用電尖峰更是越發明顯。數據中心用電的特點是負荷很高且持續穩定,當傳統數據中心改造成儲能數據中心,完全可以參與需求側響應獲得政策補貼。還是以上文擁有2000個機柜,機柜平均功率為5kW的數據中心為例,假設數據中心在蘇州,蘇州需求側響應的補貼為100元/kW。當數據中心收到需求側響應的指令后,可以進入到儲能模式,即電池放電供給負載,而此時對電網來說,用戶側就少了一個用電功率為10,000kW的負荷點。這個響應過程對數據中心用電沒有任何影響,但卻一次可以獲得100萬的需求側響應補貼。
除此之外,2018年,南方監管局發布了《南方區域電化學儲能電站并網運行管理及輔助服務管理實施細則(實行)》,細則中規定,儲能電站根據電力調度機構指令進入充電狀態,按其提供充電調峰服務統計,對充電電量進行補償,具體補償標準為0.05萬元/兆瓦時。當傳統數據中心變成儲能型數據中心后,也可以參與到充電調峰當中,因為儲能每天都要放電,只要充分管理好電池,在響應充電調峰時,就可以獲得相當不錯的補貼。以一個擁有30臺500kVA的儲能UPS,每臺儲能UPS配置6組SHC12250FT電池,共計576kWh電池為例,以充入30%的電量來計算,則調峰一次的充電收益為30×576kWh×30%×0.5元/kWh=2592元,在此響應過程中,亦未給數據中心用電帶來任何影響。
通過以上分析可知,當傳統數據中心變成儲能型的數據中心,其功能模式就變得更為豐富。數據中心不再是一個單純的電力負荷點,它同時又變成了一個可調用、可調節的電源點,靈活的電力切換模式于電網有利,于數據中心有利,于社會節能減排亦有利,同時,大量的可供調用的分布式電源點,也是構建未來能源互聯網的基礎之一。
儲能型數據中心的商業模式
當數據中心想做成儲能型的數據中心,其投資模式亦可發展改變。如果建設數據中心的業主愿意投資,則可以投資并獲得全部收益;如果業主覺得看不清楚趨勢,尚有風險,亦可由第三方資本進行投資,做合同能源管理(EMC),具體的投資收益分成,業主可以和第三方資本協商。筆者通過下表簡單分析了分別由業主自己投資和第三方資本投資各自所付出的以及所得到的回報,供大家參考。
儲能的價值體現在真正需要的客戶那里
儲能它的價值體現在真正需要它的客戶那里,儲能應用在數據中心就非常有價值。電化學儲能技術的發展可以逐步顛覆傳統數據中心的電能管理模式,同時也將顛覆此領域傳統的投資模式,這種顛覆是一種于多方有利的顛覆。暢想一下未來,當數以百萬座的數據中心變成可調用的分布式負荷點、儲能點和電源點,同時又可提供大量的冷和熱,構建能源互聯網的夢想離我們又更近了一步。
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