储能系统在数据中心运营的应用

储能系统在平衡电网容量和需求以及缓解可再生能源的间歇性问题方面发挥着至关重要的作用。根据国际能源署（IEA）的市场分析，从2018年到2023年，可再生能源将成为电力领域增长最快的领域，到2023年将满足全球电力需求的30％，高于2017年的24％。然而，间歇性可再生能源系统的日益增长导致电网运营更加不稳定，因此需要额外的电网服务以及部署更多的储能系统。数据中心所有者和运营商拥有新的市场机会，可以加强电网稳定性，为客户增加新的收入模型，并利用储能系统来确保其数据中心运营的更大弹性。

考虑和选择

为此需要探讨和应用不同类型的储能系统。首先需要了解储能系统的装机容量和储能容量，以及充放电速度。储能系统持续放电时间范围从超级电容器的10秒左右到电池储能系统的几小时，再到抽水蓄能设施最长可达数周或数月的时间。不同的储能系统有着不同响应负载曲线的类型。例如在数据中心，运营人员通常采用与柴油发电机紧密耦合的UPS电源和电池组。而太阳能发电设施或风力发电设施通常采用锂离子电池储能系统进行储能。

从技术角度来看，重力储能和泵送/压缩空气储能系统重新引起了人们的兴趣。这在很大程度上是由于它们具有存储更多能量的能力。例如抽水蓄能设施的装机容量通常都是以GW为单位。研究表明，全球95％的储能容量来自抽水蓄能设施。然而，考虑到与开发场地相关的地理条件、环境影响和政治挑战，不太可能更广泛地部署抽水蓄能电设施。

同时，尽管成功部署的案例有限，但重力储能和压缩气体储能系统仍引起了媒体的极大关注。例如Energy Vault公司和Hydrostor Australia公司正在开展的一些试点项目。从理论上看，这些储能系统可以更好地扩展，并可能存储4到24小时足够的能量。但是，大多数负载必须使用电池储能系统。重力储能系统或利用废弃矿井存储压缩气体的储能系统能够在混合智能电网生态系统中增加价值。但并不会应用在数据中心。

电池储能技术

如今，大多数风险投资和政府资金都在支持与电池储能系统相关的研发项目。这种趋势通常集中在电池产品（锂离子电池仍居首位），阳极/阴极化学材料、突破性方法（热储能技术）以及新兴应用（如电动汽车快速充电）等方面。

总体而言，电池继续在储能系统上获得最多的投资和研发投入，其大部分焦点都放在具有良好化学特性的锂基电池，这些电池可以减少稀土和稀有矿物的使用量以及发生火灾和爆炸的可能性，同时还能提高通过阴极和阳极的性能、可制造性、供应量。

人们不要认为经过长期实践检验的铅酸电池会很快消失。铅酸电池是应用最为广泛的电池产品，其具有良好的特性和生命周期，成本相对低廉，并且易于回收。在全球范围内，铅酸电池已经为4%到8%的电网提供了大约15分钟的备用时间。

铅酸电池确实具有一些特定的运行和维护要求，其中包括采用冷却设施，还需要定期维护和某种形式的监控。但是，如果工作人员维护得当，铅酸蓄电池通常在需要更换前将按照规范运行多2-5年。其生命周期可能因电池型号、环境温度和负载量而不同。

镍镉（Nicad）电池和镍锌电池都具有很强的工作性能。众所周知，镍镉（Nicad）电池组在早期的电动汽车（EV）中具有出色的性能，在这些电动汽车中，其频繁的放电/充电、宽泛的工作温度范围以及高能量密度是一些关键指标。

锂离子电池的采用

在过去的五年中，数据中心等关键任务行业开始认真评估锂离子电池的性能与应用，并进行商业部署。它们通常比铅酸电池具有更高的功率密度，没有特殊的冷却要求，并且功率和容量（kW/kWh）高于铅酸电池。此外，相对较长的使用寿命和更多的充放电次数也带来了更多好处，尤其是在电网质量较差的市场中。这些特性的组合使锂离子电池成为铅酸电池的主要替代品。

然而，并没有哪一种电池产品是完美的，锂离子电池面临着其自身独特的挑战。

虽然高功率密度的锂离子电池可以减少部署电池的数据中心空间和机架数量，但这样做需要对热失控（无论锂离子化学材料性质如何）、较长充电时间以及采用安全关键型电池管理系统（BMS）进行仔细规划。此外，数据中心工作人员在部署锂离子电池组时，应遵守具有管辖权的地方当局（AHJ）或消防执法部门的规定和要求。随着美国消防协会（NFPA）855和美国国家电气规范（NEC）的修改，锂离子电池在数据中心应用的监管环境变得越来越严格。保险机构也越来越意识到锂离子电池起火和爆炸的风险。由于这些原因，大规模部署锂离子电池需要谨慎的规划。但这些风险和监管障碍可能会限制锂离子电池在关键任务应用中的广泛应用。

更安全的电池

钠离子电池是一种新型电池，适用于关键任务，其具有高功率、高循环、长寿命的特点。但是没有哪种电池是完美的。当对其性能与风险进行全面评估时，许多任务关键型用户可能会发现钠离子电池适合于高价值应用和商业模式。

此外，对于其他具有发展前途的电池技术的研究仍在继续，其中包括Natron Energy公司基于普鲁士蓝电极的钠离子电池和英国Faradion公司的陶瓷电池。其中，普鲁士蓝电极钠离子电池具有现代数据中心所需的许多特性。其具有不易燃、没有热失控风险、提供大功率容量、可以在很宽泛的温度范围内（-4°F至113°F）工作，而无需对电池组进行特殊冷却、可以提供快速充电（9分钟内从0％充电至99％）；以及可以进行上万次深放电循环的优点。

普鲁士蓝材料通常用于蓝图和医学治疗中，也可以钠离子的形式存储和释放能量。普鲁士蓝具有独特的开放式框架结构，类似于多孔海绵，可快速且可逆地存储能量。因此，基于普鲁士蓝电极的电池产品能够以非常高的功率完全充电和放电数万次，往返能量效率大于96％。

展望未来，电池储能市场将继续看到大量的投资、创新工程项目以及新建的电池生产工厂。与此同时，数据中心运营商将继续部署UPS配套部署的铅酸电池、锂离子电池和钠离子电池等储能系统的可靠组合。而经过长期实践考验的电池储能系统/发电机组解决方案将会继续在数据中心基础设施中存在。