气候变化是全球最大的环境挑战，为了应对全 球气候变化，世界各国纷纷制定碳中和气候目标。2020 年，中国在联合国大会一般性辩论和气候雄心 峰会等重要会议上，首次提出了争取 2030 年前碳 达峰、2060 年前碳中和目标。这一气候雄心展现了 中国对于气候变化议题的责任担当，也对包括企业 在内的社会各界提出了新的要求。
碳中和的实现涉及社会所有产业和经济活动，其中数据中心数字化产业已成为碳中和的重要分支和产业数字化的重要基石，其低碳节能发展备受 关注。当前，互联网、大数据、云计算、人工智 能、区块链等技术加速创新，全球数据量在过去10年中从GB量级迅速攀升至ZB量级，作为支撑这个庞大数字社会的信息基础设施的数据中心，持续面临着巨大的压力，扩容、扩建的需求更是屡创新高。预计至2030年全国数据中心耗电量将达到4115.3亿 kW·h[4]，约占全社会用电量的3.49％， 因此数据中心减少能耗、减少碳排放、减少碳足迹， 建设绿色数据中心是我国信息化建设持续发展的必由之路。
相比于欧洲、美国等发达国家的历史进程，我国计划从2030年前CO2排放达峰至2060年实现碳中和的时间仅约为30y，从碳中和实现时间周期看，我国需要用比发达国家更短的时间完成深度减排，科技需要发挥重大作用。目前，碳中和已成为我国当前的热门话题，国内许多高校和机构也对我国能源碳中和目标下低碳转型路径开展了研究和预测，对于约占能源碳排放40％的电力部门，其低碳转型之路，也有许多相关机构进行研究分析， 2060 年电力系统总发电量将达到 1.57×1013 kW·h，而作为耗电大户的数据中心，当前已有许多文献对 其碳中和路径进行了研究探讨，但多从宏观总能耗层面展开，分析的颗粒度缺少细化，仍未涉及具体不同情景路径的分析。
为了探索实现中国数据中心碳达峰、碳中和目 标的可行性路径，本文基于中国关键年份 CO2排放 和强度目标，结合中国中长期规划研究成果和相关 文献，引入能效提高率、非化石能源消费占比、负排放技术强度3个变量，就数据中心关键年份耗电量及碳排放量进行分析，构建3种减排路径情景， 以期为碳达峰、碳中和目标下数据中心中长期发展研究提供基础参考。
受新基建、数字化转型及数字中国远景目标等国家政策的促进及企业降本增效需求的驱动，我国 数据中心建设持续增长。截至 2021 年底，我国在 用数据中心机架规模近五年年均复合增速超过 30%[10]。数据中心耗电量由此快速增加。
对于中国数据中心耗电量而言，从我国公开的统计数据看，众多研究机构的统计口径有所差异， 为进一步厘清我国数据中心产业当前及未来一段时间内的耗电情况，综合对比了不同口径的总耗电量，结果如图1所示。
由图1可知，数据中心耗电量增速整体呈现降低的趋势，2015～2017 年，数据中心的耗电量增速 逐渐减小但仍都在10％以上；2019～2030 年间，其耗电量增速也呈现逐渐减小的趋势，但其年均增速逐渐减小至10％以下。至2025年，中国数据中心耗电量将达到2945.8 亿 kW·h，2030年中国数据中心耗电量将达到4115.3亿 kW·h，约占全社会用电量的3.49％。
数据中心的耗电量直接来源于信息技术 （information technology，IT）设备机架数的增长， 因此，我们对全国数据中心机架发展情况进行了梳理分析，如图 2 所示。
由图2可知，我国数据中心机架规模稳步增长，截至 2021 年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，近五年年均复合增速超过 30%。基于 “十四五”规划提出的全社会数字化，数据中心大量扩容、扩建，根据现有统计数据及发展趋势，预计2025年中国数据中心机架数将达到1212万架，2030年数据中心机架数将达到2501万架。
数据中心节能审查和评价的关键指标是电能利用效率(Power Usage Effectiveness，PUE)，其数值越接近1，证明数据中心的能效利用水平越高。数据中心的设备总能耗主要包含IT设备能耗、冷却系统能耗、配电设备能耗及其他能耗。其中IT设备能耗、冷却系统能耗、配电设备能耗的变化会引起PUE显著变化。
根据国家发改委发布的《贯彻落实碳达峰碳中 和目标要求 推动数据中心和 5G 等新型基础设施 绿色高质量发展实施方案》的要求，至2025 年，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降至1.3以下，国家枢纽节点进一步降至1.25以下， 而以往关于全国总体PUE的水平均有一定范围区间，说明由于PUE统计困难，多数较为笼统，因此， 本文基于耗电量及机架数的数据，对全国 PUE 的总体情况进行计算，结果如图 3 所示，预计2024年之前全国数据中心的 PUE 可达到1.3，但从具体实践来看，计算数值偏低，这也从侧面反映了前述耗电量和机架数的统计存在一定偏差。但可以预见的是，随着液冷系统小型化的发展，数据中心的 PUE 会呈现逐渐下降的趋势。
若将上述耗电量（2025、2030 年）折算成碳排放（即耗电量与全国电网平均碳排放因子的乘积）， 则可初步得到全国数据中心碳排放总量情况。其中，2015年全国电网平均碳排放因子为0.6101tCO2/(MW·h)，2018年全国电网平均碳排放因子为 0.59 tCO2/(MW·h)，2020年全国电网平均碳排放因子为 0.5839 tCO2/(MW·h)，2021及2022年的全国电网平均碳排放因子定为0.5810tCO2/(MW·h)。考虑到全国电网平均碳排放因子主要受能效提高率、非化石能源消费占比的影响，其影响因素和变化规律较为复杂，特别是考虑到后续电力能源结构动态调整，基于现有全国电网平均碳排放因子数据的预测结果偏离较大，无法直接采用。因此，为了评估数据中心碳排放总体概况，本节在不进一步考虑提高能效提高率、非化石能源消费占比下的情况下，假定 2023后续年份区间全国电网平均碳排放因子暂且不变，即2025、2030、2060年的全国电网平均碳排放因子均仍采用0.5810tCO2/(MW·h)，对数据中心碳排放总量进行了初步核算。
由于当前不同机构对数据中心耗电量统计只到碳达峰年份，因此还需要对2060年的数据中心总碳排放量进行核算。设定碳达峰年份中总碳排放值和负排放值的绝对值与碳中和年份中两值和是相等的，故2060年总碳排放量根据式（1） 计算。
故可得2060的总碳排放量，如图4所示。
由图4可知，若按照碳排放因子为0.5810 tCO2/(MW·h)，2025年数据中心碳排放量为 1.71亿t，2030年数据中心碳排放量约为2.39亿t，但需要说明的是，实际上，全国电网平均碳排放因子在后续会随着非化石能源消费占比的增加逐渐降低，总体来看，数据中心碳排放值会比理论值偏低一些。
若以在运营阶段的数据中心为目标，其碳中和 目标的实现离不开提高能效、非化石电力以及负排放技术的运用：
1）能效提高技术是实现碳中和目标的关键，能效越高，同等条件下碳排放量越少。因此可以利用蒸发冷却技术和自然冷源利用等来提高能效。
2）提高非化石电力占比是实现碳 中和愿景的必要条件之一，要大力发展可再生能源 和新能源。
3）负排放技术包括碳减和碳汇，其中碳减包括CO2减排、捕捉利用和封存等措施，碳汇为通过植树造林、植被恢复等措施，吸收大气中的CO2。
在上文中数据中心总碳排量的基础上，通过不同情景下能效提高和增加非化石能源利用占比，可得实际碳排放量，同时设定数据中心达到碳中和时，其实际碳排放量与负排放量的绝对值相等，恰 好中和，即碳排放为 0。
本文仅针对数据中心在运营阶段所产生的碳 排放量进行计算，不包含在建造数据中心时的碳排放量。对于利用数据中心余热折算的碳减和使用应急柴油发电机及柴油等燃料产生的碳排放，在分析 中，暂未将其计入数据中心碳排放量中。
以2060年为碳中和目标年，考虑数据中心能效提高、非化石能源消费占比以及负排放技术实施力度的不同，设计了基准、中等强度、高强度3类不同强度的碳中和情景。基准、中等强度、高强度情景的2060年数据中心能效提高率设定为 21%、22%、23%。对于中等强度情景，2025年非化石能源消费比例将达到 20%[17]，2030年非化石能源消费比例将达到 25%，2060 年非化石能源消费比例将达到80%。基准、中等强度、高强度3类不同强度的碳中和情景设置如表1所示。
全社会碳排放量在2030年以前以我国2015年在巴黎气候变化大会上承诺的碳减排力度为依据，2030年以后假设延续2020—2030年的碳减排力度，根据对相关文献及报告的分析对比，基准情景全社会碳汇值和数据中心关键年份碳汇量如表2所示， 负排放技术强度设置基准、中、高强度，数据中心负排放情况如表3所示。
针对上述 3 种情景设定，得出基准、中等强度、 高强度3类不同强度的碳中和路线图，如图 5 所示。
基于上述3种情景，2020—2060年各情景的数据中心CO2排放总量趋势如图 5 示，3 种情景均可以在2060年之前实现碳中和。
由图5可知，3种情景的碳达峰时间均在2030年，但由于不同情景下能效提高率、非化石电力占比不同，其实际达峰时碳排放量也不同。在碳达峰阶段，3种情景中，数据中心碳排放量均在2030年达到最大值，在基准情景下的数据中心实际碳排放量为 1.635 亿t，相对于原来的总碳排放量减少了31.6%。对于中等强度情景和高强度情景，其能效提高比和非化石能源消费占比也相对增加，负排放技术强度也相对增大，数据中心实际碳排放量分别降至1.578 亿t、1.522 亿t。
在3种情景下，数据中心总体均可以在2060年前实现碳中和，且在能效高、非化石能源消费占比较高的情景下更容易实现碳中和，碳中和的时间也会提前，依据上述情景设定，数据中心碳中和临界时间点分别为 2059、2057、2055 年，碳中和年份数据中心实际碳排放量分别为0.394亿t、0.460亿t、0.522亿t，可以看出，随着情景强度的增大， 碳中和时所需减碳量降低速度增加，而同时负排放 量增加较快，因此高强度情景更容易实现碳中和。但相对于其他情景，高强度情景中碳中和时实际碳 排放量相对较大，其相应的情景实现成本也较高。
在数据中心碳中和路径过程中，能效水平的提 升是使用非化石能源和负排放技术的前提，而通过 能源结构优化，提高非化石电力占比起主要减排作 用。对于需 24 h 不间断运行的数据中心行业而言， 在碳中和路径中，若不采用负排放技术，由于可变 的可再生能源的波动性与间歇性，其在极端天气下 会存在停电风险，甚至有可能引起转型风险。结果 显示，2025 年负排放技术可以抵消约 9%的碳排放 量，2030 年负排放技术可以抵消约 13%的碳排放量。因此，负排放技术可为以可再生能源为主的电力系 统增加灵活性，负排放技术在未来数据中心实现碳 中和的路径中不可或缺。
通过对全国数据中心总体情况的分析，开展了 改变能效提高率、非化石能源消费占比、负排放技 术强度的分析研究，得到如下结论：
1）对于数据中心总体情况进行分析得出：随 着数据中心大量的扩容和扩建，数据中心的耗电量会逐渐增加，至2030年中国数据中心耗电量预计将达到4115.3亿kW·h；数据中心的机架数近五年 年均复合增速超过 30%，预计2025年中国数据中心机架数将达到1212万架，2030年数据中心机架数将达到2501万架；预计2024年之前全国数据中心的PUE可达到1.3，从具体实践来看，计算数值偏低；数据中心的碳排放量呈现先增后减的趋势， 碳排放峰值年份为2030年，总碳排放量约为2.39亿t。
2）通过改变能效提高率、非化石电力占比和负排放技术强度，构建了基准、中等强度、高强度情景，对于这3种情景，数据中心总体均可以在2060年前实现碳中和，3 种情景的碳中和临界时间点分别为2059、2057、2055年。在具体路径实施过程中，提高非化石能源占比起主要减排作用，负排放技术在未来数据中心实现碳中和的路径中不可或缺。
3）碳中和是我国未来重点发展方向，数据中心产业又是碳中和的重要分支，其减排过程受到广泛关注，在具体路径实施过程中，还须关注节能减碳技术在数据中心全生命周期建设运营中的应用、 碳减排的相关制度和政策体系健全完善以及全面 提升绿色可再生能源的利用水平。
来源：制冷学报
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