中國儲能網訊：
目錄
引言
數據中心需求快速增長與電力采購挑戰(zhàn) ...... 3
賦能人工智能革命：電池儲能應用場景
應用場景 1： 現場發(fā)電系統(tǒng) ...... 6
應用場景 2： 可再生能源購電協議與混合應用 ...... 8
應用場景 3： 支撐電網 ...... 11
關鍵要點 12
世界能源和技術部門正面臨一個緊迫的挑戰(zhàn)：如何在控制氣候排放的同時，快速、可靠且安全地為人工智能的蓬勃發(fā)展提供動力？
領先的科技公司正在與時間賽跑，為其高耗能數據中心獲取可靠的大規(guī)模電力來源。在美國，預計到2030年，數據中心在總用電量中的占比將從目前的4%增加到12%，預計在此期間還將新增50吉瓦的數據中心容量。鑒于人工智能驅動的迫切需求，解決方案開始涌現。
迄今為止的一個關鍵認識是，公用事業(yè)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)將成為支持數據中心擴張的關鍵組成部分。這些系統(tǒng)部署迅速，具有智能運營能力，并且可以同時作為發(fā)電和輸電資產——所有這些都在迅速提升其成本競爭力。
儲能系統(tǒng)在以下三個主要應用場景中處于理想位置，可推動人工智能革命：
部署在數據中心負荷側 – 提供低碳、經濟高效且可靠的穩(wěn)定發(fā)電和/或備用電源，同時減少數據中心對電網連接的需求。
與公用事業(yè)規(guī)模的太陽能和風能結合，用于可再生能源購電協議 – 在PPA下提供全天候清潔電力。
作為輸電資產使用 – 在電網受限地區(qū)加速數據中心部署。
本白皮書深入探討了這些應用，重點闡述了 電池儲能如何為人工智能革命提供動力。
數據中心需求快速增長與電力采購挑戰(zhàn)
美國電網運營商已經開始意識到這一發(fā)展。在2022年至2023年間，電網規(guī)劃人員將其五年負荷增長預測幾乎提高了一倍，一些人警告說，即使是這些預測也可能偏低。2
圖 1.
國際能源署于2024年7月更新了其為期兩年的全球能源使用預測，納入了數據中心和人工智能驅動的電力消耗預測。3 國際能源署估計，這些數字技術總體上在2022年占全球電力需求的近2%——到2026年這一數字可能翻倍，相當于日本這樣規(guī)模國家的用電量。4
數據中心需求增長在全球范圍內并不均衡，導致開發(fā)商瞄準的某些地點出現并網延遲。
在西倫敦這一歷史性的數據中心樞紐，新設施必須等到2030年才能接入電網。5 同樣，在愛爾蘭——2023年數據中心占全國電力需求的21% 6——國有電網運營商為連接新數據中心設定了特定要求，優(yōu)先考慮那些能夠自行發(fā)電的數據中心。到2031年，愛爾蘭預計有28%的電力需求來自數據中心和“其他新增大規(guī)模能源用戶”。7
在德國法蘭克福和都柏林，新數據中心開發(fā)項目可能需要等待三年到五年以上才能獲得其全面運營所需的電力。8
在澳大利亞，超過4.4吉瓦的數據中心項目正在該國電網上開發(fā)，給本已緊張的電網帶來壓力。為應對網絡壓力，2024年前九個月有近4.7吉瓦的公用事業(yè)規(guī)模電池儲能項目開工建設。9
引言
圖 2.
在美國，數據中心電力需求也很集中，15個州占了全國總消費量的80%。弗吉尼亞州引領這一趨勢，特別是在勞登縣及其周邊地區(qū)，該地區(qū)已成為一個主要的數據中心樞紐。1? Dominion公司為勞登縣供電，預計負荷將從2022年的2.8吉瓦增長到2032年的超過7吉瓦——十年內翻了一番多。數據中心的其他關鍵區(qū)域包括德克薩斯州、亞利桑那州、俄亥俄州和中西部地區(qū)。11 需求在這些區(qū)域的集中給電網及其資源帶來了額外壓力，包括為新數據中心提供新電網連接的能力，這在數據中心增長水平高的市場可能會延遲數年之久。
鑒于數據中心對電力供應的可靠性標準要求高于典型的公用事業(yè)客戶，電網規(guī)劃者和運營商必須通過容量資源來確保滿足這些需求。除了常規(guī)發(fā)電外，還需要這些資源，以確保在峰值條件下（能源需求激增或由于中斷導致供應減少時）系統(tǒng)的可靠性。
能源咨詢公司E3估計，到2030年，美國將需要額外20至100吉瓦的發(fā)電容量，以滿足數據中心的能源和電網可靠性需求。E3的分析認為，對額外容量資源的需求在5至20吉瓦之間。
圖 3.
滿足數據中心能源需求的2030年資源容量（可再生能源占比75%，不同能效改進情景）
圖 4.
可再生能源和其他容量資源對滿足數據中心增量峰值需求的有效容量貢獻
圖 5.
超大規(guī)模數據中心
示例
谷歌排放影響
2010年至2023年間，谷歌投資31億美元用于可再生能源，并簽署了115份購電協議，確保了14吉瓦的可再生能源容量，12 目標是到2030年實現全天候使用零碳電力。13
然而，數據中心用電需求的上升導致谷歌2023年的碳排放量比2019年高出48%。隨著人工智能服務需求的增長，谷歌和微軟等云提供商正在擴大其超大規(guī)模數據中心的規(guī)模，進一步增加排放。預計到2030年，谷歌云和微軟Azure等云提供商將處理歐洲和美國60%至65%的人工智能工作負載需求。1?
自2020年以來，微軟的排放量也增加了近30%，1? 這反映了全行業(yè)的趨勢。
谷歌的排放
人工智能正使這家科技巨頭的氣候目標陷入危險
二氧化碳當量噸數
人工智能正威脅谷歌的氣候目標
注：藍點代表向凈零排放目標的線性下降趨勢
來源：Bloomberg
賦能人工智能革命：電池儲能應用場景
應用場景 1：現場發(fā)電系統(tǒng)
數據中心開發(fā)商正在從根本上重新思考其關于現場發(fā)電的能源供應戰(zhàn)略，包括如何確保穩(wěn)定電力、必要備用電源以及電網連接。
專業(yè)服務提供商特納湯森的報告顯示，許多數據中心開發(fā)商現在表示，獲取充足電力正在延誤項目?！?023年數據中心成本指數》凸顯了數據中心開發(fā)商優(yōu)先級的這一轉變：
80% 報告稱“在確保電力方面遇到延誤或挑戰(zhàn)……對數據中心交付產生了嚴重影響?！?
82% 將電力可用性置于交付成本之上。
92% 認為獲得電力比數據中心位置更重要。1?
作為回應，數據中心所有者正在探索如何更大程度地控制其能源供應。能夠直接為數據中心供電的附近發(fā)電設施，與儲能配對，正成為一個越來越有吸引力的解決方案。
繞開排隊
共址能源系統(tǒng)可以包括太陽能或熱力發(fā)電等電源，并可搭配儲能，這可以顯著減少數據中心向電網索取的能源。這一點很關鍵，因為它減少了數據中心在互聯申請中要求的總兆瓦數，這對于降低成本以及關鍵地允許在現有電網基礎設施基礎上實現更快的互聯至關重要。
此外，更大的現場電池系統(tǒng)可以提供必要電力，使數據中心能夠在與電網斷開連接的情況下以孤島模式運行一段時間。這種設置可以降低電網連接成本并避免互聯延遲，在完全公用事業(yè)服務不可用時有效地“彌合差距”，1? 這對于希望在人工智能競賽中取得領先的技術公司來說非常有價值。在這些情況下，現場儲能可實現構網型和黑啟動等高級功能，允許數據中心在電網中斷期間作為孤島微電網運行。
雖然電池儲能在公用事業(yè)規(guī)模且具有四到六小時容量時最具成本效益，但在大多數活躍市場，現場太陽能加儲能系統(tǒng)可以可靠地為數據中心直接提供14至16小時的電力。隨著對彈性且自給自足電力選擇的需求增加，這種解決方案的應用預計會越來越多。
額外優(yōu)勢：現場接入
電池儲能系統(tǒng)可以有效提供備用電源，同時減少對柴油發(fā)電機的依賴——從而減少范圍一排放，同時提供額外收益，這將在本文下一節(jié)探討。
數據中心運營商對柴油發(fā)電機的態(tài)度正在迅速改變。數字基礎設施提供商 Vertiv 指出，像大規(guī)模電池儲能這樣的零排放替代方案，現在正被考慮用于“持續(xù)甚至連續(xù)運行”。1?
用電池儲能替代現場柴油發(fā)電機，可以使數據中心成為電網中更靈活的參與者?，F場儲能可以執(zhí)行熱備用發(fā)電無法完成的功能，例如削峰、提供輔助服務和防止現場太陽能電力削減。這種轉變使數據中心能夠從能源“接收端”——不靈活的負荷——轉變?yōu)殪`活資產。1?
總結
在人工智能蓬勃發(fā)展的背景下，大規(guī)?，F場發(fā)電與儲能相結合呈現出引人注目的價值主張：
快速部署使數據中心能夠以減少對電網的依賴的方式開發(fā)，直接解決了技術公司競相開發(fā)更多數據中心的主要障礙之一。
一旦接入電網，擁有現場儲能的數據中心就變成了靈活資產，有助于降低系統(tǒng)成本。
用電池儲能替代柴油發(fā)電機作為備用電源，減少了范圍一排放。
示例
谷歌的現場發(fā)電
2022年，Fluence 在谷歌位于比利時的圣吉斯蘭數據中心安裝了一個2.75兆瓦的電池儲能系統(tǒng)——這是谷歌的首個零排放備用電源項目。
該系統(tǒng)由 Centrica Business Solutions 集成，在停電期間提供清潔備用電源，并參與輔助服務市場。使用先進軟件，該電池作為虛擬電廠的一部分，增強了電網穩(wěn)定性，并支持谷歌的2030年零碳能源目標。
此次合作凸顯了現場儲能如何減少對柴油發(fā)電機的依賴，提高電網彈性，并將數據中心定位為靈活、零排放的能源資產。2?
應用場景 2：可再生能源購電協議與混合應用
要滿足人工智能驅動的數據中心需求的指數級增長，必須對新的發(fā)電容量進行大規(guī)模投資。鑒于挑戰(zhàn)的規(guī)模，將需要多樣化的電力承購協議組合——這為可再生能源購電協議創(chuàng)造了強大的動力。
鑒于美國預計需要50021 至1000億美元22 的新發(fā)電投資，一些公用事業(yè)公司已轉向燃氣發(fā)電以彌補短期供應缺口，據報道計劃新增16.9吉瓦的容量。23
相比之下，在歐洲，鑒于嚴格的歐洲法規(guī)，預計數據中心需求將主要推動清潔能源和靈活性解決方案的投資。2?
在亞太地區(qū)，印度、越南、馬來西亞和印度尼西亞等新興數據中心地點正經歷快速增長2?——這些國家的電力需求增長迅速，但可再生能源PPA市場尚處于起步階段。
與此同時，澳大利亞、日本、新加坡2? 和臺灣2? 等成熟的樞紐也面臨數據中心需求的增長，同時也在追求雄心勃勃的脫碳目標。
不斷變化的PPA格局
可再生能源PPA格局似乎正在發(fā)生變化。在歐洲，數據中心運營商正在利用PPA和可再生能源證書來實現氣候承諾，2? 而在亞太地區(qū)，澳大利亞2? 和馬來西亞3? 等國家已出現開創(chuàng)性的PPA交易。
在美國，來自數據中心的需求可能會重振PPA市場，2023年可再生能源PPA的采用量下降了16%。31 PPA價格一直在上漲，太陽能價格在2024年第二季度上漲了3%，風電價格上漲了7%，同比漲幅達到13.5%。許可和并網延遲已被確定為限制PPA交易量和推高價格的主要因素。32
例如，美國的中大陸獨立系統(tǒng)運營商網絡面臨嚴重的互聯限制。在該地區(qū)，2010年至2018年間，互聯費用平均為69美元/千瓦，但在2019年至2021年間飆升至404美元/千瓦，推高了區(qū)域PPA成本。33
混合可再生能源興起
儲能與可再生能源項目共址有助于降低電網連接成本并加快并網速度。儲能允許更好地控制在并網點的電力饋入，增加電網運營商的接受度。此外，將儲能與太陽能和風能項目配對可提高負荷因子，所有這些都有助于獲得更有利的PPA定價并促進更快的交易。
將公用事業(yè)規(guī)模的太陽能與兩小時、四小時、六小時甚至八小時的儲能系統(tǒng)混合使用正變得越來越普遍。共址儲能提供巨大的系統(tǒng)效益和成本節(jié)約。最重要的是，這些混合系統(tǒng)減少了對額外發(fā)電和輸電基礎設施的需求，降低了電力消費者的成本。
成本競爭力
除了其增加的效用外，可再生能源發(fā)電與電池儲能的共址正變得越來越具有成本效益。諸如增強的鋰離子電池密度和下降的制造成本等創(chuàng)新，已使配備儲能的太陽能和風電在各種情景下與聯合循環(huán)和峰值天然氣發(fā)電相比具有競爭力。
最近的Lazard平準化能源成本分析說明了這一發(fā)展（見圖8）。3? 太陽能+儲能和風電+儲能成本范圍左下端的成本包含了額外獎勵，例如來自IRA的能源社區(qū)稅收抵免獎勵。該分析表明，這兩種技術在與四小時儲能配對時，其成本與聯合循環(huán)和峰值燃氣發(fā)電相比具有競爭力。
Lazard在其2024年分析中指出：“其他關鍵要點包括需要多樣化的發(fā)電機組以滿足不斷增長的電力需求（由人工智能、數據中心部署等驅動）?！?/span>
圖 8.
平準化能源成本對比：可再生能源 vs. 傳統(tǒng)能源
來源：Lazard（編輯：Climate Copy）
(3) 反映了完全折舊的燃氣峰值電站和燃氣聯合循環(huán)電站運營LCOE邊際成本高值和低值的平均值。分析假設已退役的燃氣或煤電資產的殘值等于其退役和場地恢復成本。輸入數據來源于對美國運行中燃氣資產的基準。容量因子、燃料、可變和固定運營費用基于Lazard研究中得出的上四分位數和下四分位數估計值。
(5) 反映了觀測到的高案例燃氣聯合循環(huán)輸入數據的LCOE，假設使用按體積計20%的綠色氫混合物（即，由風能和太陽能發(fā)電混合供電的電解槽生產并存儲在附近鹽穴中的氫）。假設除電廠熱耗率增加2%外，無需對電廠進行改造。相應的燃料成本為6.66美元/百萬英熱單位，假設綠色氫（未獲補貼的質子交換膜電解）價格約為5.25美元/千克。
總結
可再生能源混合項目非常適合滿足數據中心對長時清潔電力日益增長的需求。隨著能源需求的增長，科技公司預計將在當前市場條件下加速與可再生混合項目所有者和開發(fā)商簽訂長期PPA。
太陽能-儲能混合項目的主要優(yōu)勢包括：
提供支持數據中心擴張所需的穩(wěn)定容量。
利用科技公司強大的資產負債表和能源需求，使其成為與混合項目簽訂長期清潔電力PPA的理想候選者。
避免阻礙PPA交易的電網瓶頸，因為儲能混合可以緩解擁堵。
通過電池價格下降和額外的收入來源（如能源套利交易）提高成本競爭力。
PPA下的電池儲能
包含電池儲能的PPA正變得越來越普遍。2023年12月，Meta與清潔能源開發(fā)商和獨立電力生產商?rsted簽署了一份太陽能+儲能PPA，承購了亞利桑那州十一英里太陽能中心的大部分電力輸出。3?
該項目包括一個300兆瓦的太陽能發(fā)電場，配套一個由Fluence提供的300兆瓦/1200兆瓦時的儲能系統(tǒng)，為Meta的數據中心提供全天候可靠、清潔的電力。任何多余的能源將支持當地公用事業(yè)客戶，增強電網穩(wěn)定性。
當地公用事業(yè)公司鹽河項目積極在亞利桑那州推廣太陽能和儲能，并計劃到2024年底將電池儲能擴展至1.1吉瓦，目標是到2035年新增7吉瓦的可再生能源。
與Meta的交易反映了科技公司中日益增長的趨勢。2023年，AES清潔能源公司簽約了超過1吉瓦的儲能，為亞馬遜、谷歌和微軟達成了類似的清潔電力交易。3?
應用場景 3：支撐電網
人工智能驅動的電力需求快速增長，正值電網已經面臨電氣化和向可再生能源轉型的壓力之際。為了有效應對這些挑戰(zhàn)，公用事業(yè)公司和網絡運營商需要制定詳細的資源計劃。優(yōu)化現有電網基礎設施將比大規(guī)模網絡擴建更快且更具成本效益。一個例子是：美國公用事業(yè)公司 Dominion Energy 最近申請了6310萬美元用于輸電升級，以服務于單個數據中心，成本由其客戶群分攤。3?
甚至在最近的數據中心需求激增之前，美國的并網隊列就已面臨嚴重延誤。到2022年底，有2.6太瓦的電力項目等待并網，其中太陽能、風能和儲能占了幾乎全部容量。3? 這些項目占年度增量的95%，其中包括1太瓦的太陽能和1太瓦的儲能。
其他地方也存在類似的瓶頸。德國的項目面臨許可和輸電延誤，?? 日本則在平衡其孤島電網方面遇到困難，?1 澳大利亞的國家電力市場則需應對高太陽能滲透率帶來的波動性，以及日益不可靠和老化的燃煤發(fā)電機。?2
電網合作伙伴
電網項目以交付緩慢而聞名。相比之下，公用事業(yè)規(guī)模的儲能可以快速、戰(zhàn)略性地部署在發(fā)生電網擁堵或負荷增長的輸電和配電節(jié)點。
這些有針對性的儲能部署能夠充分利用現有電網容量。由于電網安全和可靠性的應急規(guī)劃，輸電網絡通常在其最大容量以下運行。電池儲能可以提供備用電源和/或作為輸電資產運行，使電網運營商能夠在應急事件中規(guī)劃使用儲能系統(tǒng)，從而提高現有輸電線路的利用率。這對于處理高需求地區(qū)（如由數據中心集群造成的地區(qū)）的電網運營商特別有幫助。
總結
為了加強網絡并實現全系統(tǒng)節(jié)約，全球的電網運營商和公用事業(yè)公司應越來越多地利用儲能，以確保在高比例可再生能源下的彈性。
輸電擁堵已經是一個主要問題，并且可能會惡化。
儲能可以提高現有發(fā)電（特別是可再生能源）的負荷因子，有助于減少邊際峰值需求和對額外容量擴建的需求。
電池儲能提高了電網利用率，減少了對緩慢且成本高昂的電網升級的需求。
示例
德國的電網助推器
電池儲能項目正日益證明其在電網可靠性方面的作用。一個關鍵的例子是德國西南部的250兆瓦電網助推器項目，該項目在2022年10月宣布時是世界上最大的作為輸電資產的儲能項目。該項目由Fluence為輸電系統(tǒng)運營商TransnetBW提供，將支持德國巴登-符騰堡州關鍵樞紐的電網穩(wěn)定性。
該電網助推器將有助于滿足德國的N-1原則，該原則要求額外的電網容量來覆蓋潛在故障。通過使用電池儲能作為備用，電網可以在確?？煽啃缘耐瑫r更接近滿負荷運行。
Fluence還在2023年與輸電系統(tǒng)運營商TenneT合作，宣布為德國另外兩個電網助推器項目提供200兆瓦的儲能系統(tǒng)。這些Fluence Ultrastack?系統(tǒng)將有助于優(yōu)化輸電容量，這對于將風能從北部輸送到工業(yè)化的南部至關重要。3?
關鍵要點
生成式人工智能的興起激發(fā)了人們的想象力，同時也給技術和能源部門帶來了新的挑戰(zhàn)。對發(fā)電和電網容量的迫切需求正在推動對數據中心設計和電網集成戰(zhàn)略的重新評估。
電池儲能在關鍵地區(qū)將豐富的白天太陽能發(fā)電轉移到晚間峰值、加速電網升級以及實現最佳網絡利用率方面，正在證明其大規(guī)模應用的能力。在此背景下，儲能已證明其作為應對人工智能相關能源需求的強大解決方案的有效性，涵蓋多種應用。
本白皮書概述了電池儲能如何：
在現場發(fā)電系統(tǒng)中快速部署，使數據中心能夠減少對電網的依賴，并繞過冗長的連接延遲。
促進數據中心轉型為靈活的電網資產，幫助降低公用事業(yè)和消費者的系統(tǒng)成本。
減少對柴油發(fā)電機作為備用電源的需求，降低范圍一排放。
在太陽能混合項目中提供數據中心擴張所需的穩(wěn)定容量。
在可再生能源PPA下支持清潔能源目標，并改善PPA定價效率，加速采用。
與風能或太陽能配對時，相比峰值和聯合循環(huán)天然氣電廠，提供成本競爭力。
通過提高現有可再生能源發(fā)電的負荷因子，減少容量擴張的需求。
提高電網利用率，推遲成本高昂、耗時且復雜的電網升級。
科技行業(yè)長期以來一直是可再生能源發(fā)展的催化劑?，F在，隨著人工智能驅動的電力需求激增，它有望刺激新一波資本投向清潔發(fā)電和賦能技術，包括電池儲能。
尾注
1 McKinsey & Company：數據中心和能源部門如何滿足人工智能對電力的渴求
2 Grid Strategies：電力需求平穩(wěn)時代已經結束
3 IEA：電力年中更新報告；2024年7月
4 World Population Review：2024年各國電力消耗
5 Bloomberg：人工智能對能源的貪得無厭正在給全球電網帶來壓力
6 House of the Oireachs：數據中心與能源
7 EirGrid：愛爾蘭容量展望 2022-2031
8 McKinsey & Company：電力在解鎖歐洲人工智能革命中的作用
9 Rystad Energy：澳大利亞2024年可再生能源部門回顧
10 Loudoun Government：數據中心對弗吉尼亞州的經濟和財政貢獻
11 Rystad Energy：數據中心和電動汽車將推動美國未來十年電力需求增長
12 Google：2024年環(huán)境報告
13 Google：2030年實現全天候無碳能源
14 McKinsey & Company：人工智能的電力：擴大數據中心容量以滿足日益增長的需求
15 Microsoft：2024年環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展報告
16 Turner & Townsend：數據中心成本指數
17 E3：負荷增長將持續(xù)，但數據中心呢？
18 Vertiv：托管運營商可持續(xù)解決方案指南
19 E3：負荷增長將持續(xù)，但數據中心呢？
20 Fluence：Fluence和Centrica與比利時數據中心合作，為其提供并優(yōu)化首個零排放備用電源系統(tǒng)
21 Goldman Sachs：人工智能有望推動數據中心電力需求增長160%
22 RMI：數據中心如何為更大負荷的到來奠定基礎
23 U.S. EIA：初步月度發(fā)電機庫存報告
24 McKinsey & Company：電力在解鎖歐洲人工智能革命中的作用
25 Moody's：數據中心 – 亞太地區(qū)：快速擴張擴展到新市場，為某些行業(yè)帶來益處
26 Moody's：數據中心 – 亞太地區(qū)：快速擴張擴展到新市場，為某些行業(yè)帶來益處
27 Rystad Energy：數據中心、電池增長將推動澳大利亞NEM的電力需求
28 McKinsey & Company：電力在解鎖歐洲人工智能革命中的作用
29 Austrade：Equinix簽署了其在亞太地區(qū)的首份綠色電力采購協議
30 Airtrunk：AirTrunk和ib vogt簽署馬來西亞首個數據中心可再生虛擬購電協議
31 BNEF：2024年上半年企業(yè)能源市場展望
32 Level10：PPA價格指數執(zhí)行摘要
33 BNEF：2024年上半年企業(yè)能源市場展望
34 Lazard：2024年平準化能源成本+
35 Meta：Meta與SRP和?rsted合作，利用新太陽能和電池項目的清潔能源支持數據中心
36 BNEF：2024年上半年企業(yè)能源市場展望
37 Fluence：TenneT和Fluence將通過兩個電網助推器增強德國電網的輸電容量
38 Grid Strategies：數據中心增長威脅弗吉尼亞的清潔能源未來。現在糾正還為時不晚
39 LBNL：等待并網：2024年版
40 Agora Energiewende：德國的能源轉型，2023年現狀
41 RTS Corporation：電網規(guī)模電池儲能并網的快速擴張
42 Rystad Energy：澳洲困境，澳大利亞電力市場是世界上最不穩(wěn)定的
