儲能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心運營的應(yīng)用

儲能系統(tǒng)在平衡電網(wǎng)容量和需求以及緩解可再生能源的間歇性問題方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。根據(jù)國際能源署（IEA）的市場分析，從2018年到2023年，可再生能源將成為電力領(lǐng)域增長最快的領(lǐng)域，到2023年將滿足全球電力需求的30％，高于2017年的24％。然而，間歇性可再生能源系統(tǒng)的日益增長導(dǎo)致電網(wǎng)運營更加不穩(wěn)定，因此需要額外的電網(wǎng)服務(wù)以及部署更多的儲能系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心所有者和運營商擁有新的市場機會，可以加強電網(wǎng)穩(wěn)定性，為客戶增加新的收入模型，并利用儲能系統(tǒng)來確保其數(shù)據(jù)中心運營的更大彈性。

考慮和選擇

為此需要探討和應(yīng)用不同類型的儲能系統(tǒng)。首先需要了解儲能系統(tǒng)的裝機容量和儲能容量，以及充放電速度。儲能系統(tǒng)持續(xù)放電時間范圍從超級電容器的10秒左右到電池儲能系統(tǒng)的幾小時，再到抽水蓄能設(shè)施最長可達數(shù)周或數(shù)月的時間。不同的儲能系統(tǒng)有著不同響應(yīng)負載曲線的類型。例如在數(shù)據(jù)中心，運營人員通常采用與柴油發(fā)電機緊密耦合的UPS電源和電池組。而太陽能發(fā)電設(shè)施或風(fēng)力發(fā)電設(shè)施通常采用鋰離子電池儲能系統(tǒng)進行儲能。

從技術(shù)角度來看，重力儲能和泵送/壓縮空氣儲能系統(tǒng)重新引起了人們的興趣。這在很大程度上是由于它們具有存儲更多能量的能力。例如抽水蓄能設(shè)施的裝機容量通常都是以GW為單位。研究表明，全球95％的儲能容量來自抽水蓄能設(shè)施。然而，考慮到與開發(fā)場地相關(guān)的地理條件、環(huán)境影響和政治挑戰(zhàn)，不太可能更廣泛地部署抽水蓄能電設(shè)施。

同時，盡管成功部署的案例有限，但重力儲能和壓縮氣體儲能系統(tǒng)仍引起了媒體的極大關(guān)注。例如Energy Vault公司和Hydrostor Australia公司正在開展的一些試點項目。從理論上看，這些儲能系統(tǒng)可以更好地擴展，并可能存儲4到24小時足夠的能量。但是，大多數(shù)負載必須使用電池儲能系統(tǒng)。重力儲能系統(tǒng)或利用廢棄礦井存儲壓縮氣體的儲能系統(tǒng)能夠在混合智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中增加價值。但并不會應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心。

電池儲能技術(shù)

如今，大多數(shù)風(fēng)險投資和政府資金都在支持與電池儲能系統(tǒng)相關(guān)的研發(fā)項目。這種趨勢通常集中在電池產(chǎn)品（鋰離子電池仍居首位），陽極/陰極化學(xué)材料、突破性方法（熱儲能技術(shù)）以及新興應(yīng)用（如電動汽車快速充電）等方面。

總體而言，電池繼續(xù)在儲能系統(tǒng)上獲得最多的投資和研發(fā)投入，其大部分焦點都放在具有良好化學(xué)特性的鋰基電池，這些電池可以減少稀土和稀有礦物的使用量以及發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性，同時還能提高通過陰極和陽極的性能、可制造性、供應(yīng)量。

人們不要認為經(jīng)過長期實踐檢驗的鉛酸電池會很快消失。鉛酸電池是應(yīng)用最為廣泛的電池產(chǎn)品，其具有良好的特性和生命周期，成本相對低廉，并且易于回收。在全球范圍內(nèi)，鉛酸電池已經(jīng)為4%到8%的電網(wǎng)提供了大約15分鐘的備用時間。

鉛酸電池確實具有一些特定的運行和維護要求，其中包括采用冷卻設(shè)施，還需要定期維護和某種形式的監(jiān)控。但是，如果工作人員維護得當(dāng)，鉛酸蓄電池通常在需要更換前將按照規(guī)范運行多2-5年。其生命周期可能因電池型號、環(huán)境溫度和負載量而不同。

鎳鎘（Nicad）電池和鎳鋅電池都具有很強的工作性能。眾所周知，鎳鎘（Nicad）電池組在早期的電動汽車（EV）中具有出色的性能，在這些電動汽車中，其頻繁的放電/充電、寬泛的工作溫度范圍以及高能量密度是一些關(guān)鍵指標(biāo)。

鋰離子電池的采用

在過去的五年中，數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵任務(wù)行業(yè)開始認真評估鋰離子電池的性能與應(yīng)用，并進行商業(yè)部署。它們通常比鉛酸電池具有更高的功率密度，沒有特殊的冷卻要求，并且功率和容量（kW/kWh）高于鉛酸電池。此外，相對較長的使用壽命和更多的充放電次數(shù)也帶來了更多好處，尤其是在電網(wǎng)質(zhì)量較差的市場中。這些特性的組合使鋰離子電池成為鉛酸電池的主要替代品。

然而，并沒有哪一種電池產(chǎn)品是完美的，鋰離子電池面臨著其自身獨特的挑戰(zhàn)。

雖然高功率密度的鋰離子電池可以減少部署電池的數(shù)據(jù)中心空間和機架數(shù)量，但這樣做需要對熱失控（無論鋰離子化學(xué)材料性質(zhì)如何）、較長充電時間以及采用安全關(guān)鍵型電池管理系統(tǒng)（BMS）進行仔細規(guī)劃。此外，數(shù)據(jù)中心工作人員在部署鋰離子電池組時，應(yīng)遵守具有管轄權(quán)的地方當(dāng)局（AHJ）或消防執(zhí)法部門的規(guī)定和要求。隨著美國消防協(xié)會（NFPA）855和美國國家電氣規(guī)范（NEC）的修改，鋰離子電池在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的監(jiān)管環(huán)境變得越來越嚴格。保險機構(gòu)也越來越意識到鋰離子電池起火和爆炸的風(fēng)險。由于這些原因，大規(guī)模部署鋰離子電池需要謹慎的規(guī)劃。但這些風(fēng)險和監(jiān)管障礙可能會限制鋰離子電池在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。

更安全的電池

鈉離子電池是一種新型電池，適用于關(guān)鍵任務(wù)，其具有高功率、高循環(huán)、長壽命的特點。但是沒有哪種電池是完美的。當(dāng)對其性能與風(fēng)險進行全面評估時，許多任務(wù)關(guān)鍵型用戶可能會發(fā)現(xiàn)鈉離子電池適合于高價值應(yīng)用和商業(yè)模式。

此外，對于其他具有發(fā)展前途的電池技術(shù)的研究仍在繼續(xù)，其中包括Natron Energy公司基于普魯士藍電極的鈉離子電池和英國Faradion公司的陶瓷電池。其中，普魯士藍電極鈉離子電池具有現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心所需的許多特性。其具有不易燃、沒有熱失控風(fēng)險、提供大功率容量、可以在很寬泛的溫度范圍內(nèi)（-4°F至113°F）工作，而無需對電池組進行特殊冷卻、可以提供快速充電（9分鐘內(nèi)從0％充電至99％）；以及可以進行上萬次深放電循環(huán)的優(yōu)點。

普魯士藍材料通常用于藍圖和醫(yī)學(xué)治療中，也可以鈉離子的形式存儲和釋放能量。普魯士藍具有獨特的開放式框架結(jié)構(gòu)，類似于多孔海綿，可快速且可逆地存儲能量。因此，基于普魯士藍電極的電池產(chǎn)品能夠以非常高的功率完全充電和放電數(shù)萬次，往返能量效率大于96％。

展望未來，電池儲能市場將繼續(xù)看到大量的投資、創(chuàng)新工程項目以及新建的電池生產(chǎn)工廠。與此同時，數(shù)據(jù)中心運營商將繼續(xù)部署UPS配套部署的鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池等儲能系統(tǒng)的可靠組合。而經(jīng)過長期實踐考驗的電池儲能系統(tǒng)/發(fā)電機組解決方案將會繼續(xù)在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中存在。