《The Innovation》：How can the new paradigm of LNG cold energy + wind and solar power generation + green fuel reshape the energy gene of data centers?
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本刊推荐：为应对数据中心高能耗、高碳排放挑战，研究人员开展LNG冷能利用、风光储一体化发电与绿色燃料替代的协同创新研究。该研究提出通过冷能梯级利用(ORC)、多时间尺度储能调度与绿色燃料（绿氢/绿甲醇/绿氨）合成技术，构建"电-算协同"机制，实现计算单元能耗与CO2排放显著降低，PUE（电源使用效率）优化效果显著，为"东数西算"工程提供低碳解决方案。
在人工智能通用智能快速发展的浪潮中，计算力产业正经历指数级增长。预计到2025年，中国总算力将超过300 EFLOPS（每秒百亿亿次浮点运算），其电力消耗约占全国用电需求的5%，而到2026年相关二氧化碳排放量预计将达到13.1吉吨。更值得关注的是，"东数西算"枢纽节点的碳排放预计在2025年将贡献总排放量的20%以上。这种能源消耗与碳排放的快速增长，使得数据中心的绿色转型成为实现"双碳"目标的关键战场。
面对这一挑战，《The Innovation》期刊最新发表的研究提出了一种创新性的解决方案：通过液化天然气冷能利用、风光发电与储能系统、绿色燃料替代三大技术的协同整合，重塑数据中心的"能源基因"。该研究由来自中国石油大学(北京)、山东工商学院、中国电力科学研究院等机构的科研团队共同完成，系统论证了这种多能互补范式如何实现能源的梯级利用与智能调度。
研究人员首先聚焦于LNG冷能的高效利用。液化天然气在再气化过程中释放的-162°C冷能具有高品质能源特性，每吨LNG蕴含约270千瓦时的冷能。通过有机朗肯循环(ORC)等技术，这部分冷能可转化为电能：气态制冷剂在涡轮膨胀后与LNG在冷凝器中换热液化，再通过增压泵加压，最终在蒸发器中与热源交换转化为高压气体驱动发电机。研究表明，该系统的冷能利用效率达53.4%，冷火用效率为51.5%，显著优于低温二氧化碳捕集工艺。
在风光发电系统方面，研究团队构建了分钟级到日级的多时间尺度储能架构，通过与负荷调度优化相结合平抑电力波动。这种风光储混合配置不仅保障了绿色电力的稳定供应，还通过参与削峰填谷等电力市场机制降低运营成本。团队建立的动态多能源组合优化调度模型，成功整合了风能、太阳能等四种能源，实现了多能源资源的最优调度。
绿色燃料替代技术则展现了独特的碳减排优势。通过可再生能源驱动水电解产生的绿氢，可进一步合成绿甲醇和绿氨。这些碳中和燃料不仅具备优异的储能特性，还能在可再生能源发电低谷期通过直接燃烧或燃料电池方式保障供电。系统改造后，绿燃料合成可安排在可再生能源发电高峰期进行，其储存的化学能则在电力短缺时支持发电，形成双相能源管理系统。
研究的核心创新在于建立了"电-算协同"机制。通过智能调度算法，数据中心的计算任务可根据电网状况实时调整：在可再生能源发电高峰期优先执行高能耗计算任务，剩余电力用于绿燃料生产；在发电低谷期则利用储存的绿燃料或LNG冷能系统维持低优先级计算负载的运行。这种动态匹配电源供需与计算需求的方式，显著提升了可再生能源利用效率。
关键技术方法包括：采用混合LNG冷能利用系统（高温冷能用于液空储能，中低温冷能用于ORC发电和数据中心冷却）、构建风光储一体化架构与多时间尺度储能策略、建立绿燃料合成与调度模型、开发动态多能源组合优化算法。这些方法通过中国"东数西算工程"实际案例验证了可行性。
LNG冷能利用
研究通过梯级利用策略，将高品质冷能应用于液空储能，中低品质冷能用于ORC发电和数据中心冷却。实验数据表明，该系统可实现24.0%的系统能效，较传统低温CO2捕集工艺有显著提升。残余冷能还可满足数据中心制冷需求，形成能源的闭环利用。
风光发电+储能
团队设计了分钟级到日级的储能架构，结合负荷调度优化，有效解决了风光发电的间歇性问题。通过参与电力市场机制，该配置不仅保障了99.9%的供电稳定性，还降低了15-20%的运营成本。动态多能源组合模型实现了四种能源的最优调度，确保了系统运行的经济性与可靠性。
绿色燃料替代
研究表明，绿甲醇可直接用于发电机燃烧，绿氨则可通过共燃或裂解制氢方式用于燃料电池。这种柔性利用方式使数据中心在可再生能源短缺时期仍能维持40%以上的绿电比例。系统改造后，绿燃料生产与消耗的智能调度可提升可再生能源利用率25%以上。
电-算协同机制
智能调度算法通过实时监测电网状态，动态调整计算任务优先级。在风光发电峰值时段，系统自动分配60%算力处理高性能计算任务，剩余电力用于绿燃料合成；在发电低谷期，储存的绿燃料可维持基础算力运行。这种机制使数据中心可再生能源渗透率提升至80%以上。
该研究结论指出，LNG冷能与可再生能源发电的集成应用，通过梯级能源利用、多能互补、智能调度和绿燃料替代的协同，不仅显著降低了单计算单元的能耗和碳排放，还通过成本优化和市场参与创造了经济价值。在中国双碳政策指引下，这种创新范式为数据中心的绿色转型提供了关键技术路径，对推进"东数西算"工程的可持续发展具有重要战略意义。未来研究应重点突破冷能分配与计算负载调度的精准匹配、储能充放电策略优化、绿燃料生产利用调度等关键环节，进一步完善电-算协同理论体系。
