當(dāng)我們暢快使用云服務(wù)、AI工具和大數(shù)據(jù)分析時(shí),背后的數(shù)據(jù)中心正成為能耗 “巨無霸”。根據(jù)Lawrence Berkeley 國家實(shí)驗(yàn)室2024年的報(bào)告(Shehabi et al., 2024),到2028年,美國數(shù)據(jù)中心的能耗將占全國年發(fā)電量的6.7% 至12%,而這一增長(zhǎng)主要由人工智能、云計(jì)算的爆發(fā)式需求驅(qū)動(dòng)。更值得關(guān)注的是,數(shù)據(jù)中心總能耗中高達(dá)40%用于冷卻系統(tǒng),且這些傳統(tǒng)冷卻方式往往消耗大量水資源(Aljbour et al., 2024)。與此同時(shí),美國能源部(DOE)保守估計(jì),2023至2030年間,全國電力系統(tǒng)峰值需求將增長(zhǎng)約200GW(Downing et al., 2023; Razdan et al., 2025),數(shù)據(jù)中心的峰值冷卻負(fù)荷正成為電網(wǎng)運(yùn)營的巨大挑戰(zhàn)。

面對(duì)這一困境,地?zé)峒夹g(shù)帶來了創(chuàng)新解法—— 冷能地下熱能儲(chǔ)存(Cold UTES)。這種新興的工業(yè)級(jí)冷卻方案不僅節(jié)能、不耗水,還能實(shí)現(xiàn)日尺度和季節(jié)尺度的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能(LDES),甚至可作為虛擬電廠(VPP)為電網(wǎng)提供服務(wù)。美國能源部地?zé)峒夹g(shù)辦公室(GTO)正全力支持相關(guān)研發(fā),旨在挖掘這項(xiàng)技術(shù)在電網(wǎng)層面和系統(tǒng)層面的價(jià)值、成本與影響。

什么是Cold UTES?

地下熱能儲(chǔ)存(UTES)是地質(zhì)儲(chǔ)能技術(shù)的重要分支,能儲(chǔ)存多余能量以應(yīng)對(duì)季節(jié)性需求或可再生能源波動(dòng)時(shí)的基荷電力供應(yīng)(Buursink et al., 2023)。UTES主要分為三類:含水層熱能儲(chǔ)存(ATES)、鉆孔熱能儲(chǔ)存(BTES)和儲(chǔ)層熱能儲(chǔ)存(RTES,又稱GeoTES),而美國能源部重點(diǎn)研發(fā)的Cold UTES 聚焦于BTES和RTES技術(shù)。

RTES系統(tǒng)利用深層、橫向延伸的多孔滲透地層,以咸水為傳熱流體,采用開環(huán)方式運(yùn)行;BTES系統(tǒng)則依賴井周巖體的傳導(dǎo)換熱,深度更淺,開發(fā)成本相對(duì)更低或與RTES相當(dāng)(Ginosar et al., 2023)。關(guān)鍵在于,UTES的儲(chǔ)能核心是巖體的熱容 —— 即使地層孔隙率在5%-20%之間變化,儲(chǔ)能能力仍主要來自巖體本身,流體僅作為熱量傳輸?shù)拿浇?Robertson, 1988)。

與人們對(duì)“地?zé)帷?的傳統(tǒng)認(rèn)知不同,UTES既能儲(chǔ)存 “熱能”,也能高效儲(chǔ)存 “冷能”。RTES的最低溫度受限于水的冰點(diǎn),而BTES可通過添加防凍劑,在冰點(diǎn)以下溫度運(yùn)行,為數(shù)據(jù)中心提供持續(xù)冷卻。

三大核心優(yōu)勢(shì):不止于冷卻

1.電網(wǎng)級(jí) “巨型電池”

UTES的儲(chǔ)能能力和持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)超多數(shù)可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)。它能實(shí)現(xiàn)吉瓦時(shí)(GWh)至太瓦時(shí)(TWh)級(jí)儲(chǔ)能,持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)周甚至數(shù)年,同時(shí)也可設(shè)計(jì)為4-12小時(shí)的日間儲(chǔ)能,兼具靈活性與大容量,堪稱 “電網(wǎng)級(jí)巨型電池”(Buursink et al., 2023)。其能量轉(zhuǎn)換路徑靈活,可通過熱泵將電能轉(zhuǎn)化為冷能儲(chǔ)存,需要時(shí)直接為數(shù)據(jù)中心供冷,大幅降低峰值時(shí)段的電力消耗。

2.虛擬電廠(VPP)的新形態(tài)

根據(jù)美國能源部2023年及2025年更新的《虛擬電廠商業(yè)化起飛路徑》報(bào)告,VPP是分布式能源資源的聚合體,能平衡電力供需并提供電網(wǎng)級(jí)服務(wù)(Downing et al., 2023; Razdan et al., 2025)。Cold UTES完全符合這一定義:它可將數(shù)據(jù)中心的冷卻需求從峰值時(shí)段轉(zhuǎn)移至谷段(日間或季節(jié)性轉(zhuǎn)移),削峰填谷優(yōu)化負(fù)荷曲線;在電網(wǎng)緊急情況下,能快速調(diào)整冷卻配置減少負(fù)荷,參與需求響應(yīng)獲得補(bǔ)償;還可實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng),輔助電網(wǎng)調(diào)頻(Downing et al., 2023)。

3.經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙重收益

對(duì)數(shù)據(jù)中心而言,Cold UTES雖需前期鉆井等地下開發(fā)投入,但長(zhǎng)期收益顯著:一是降低冷卻設(shè)備峰值負(fù)荷,減少高溫環(huán)境下的性能衰減,節(jié)省設(shè)備投資;二是利用峰谷電價(jià)差降低電力成本;三是穩(wěn)定的冷卻環(huán)境可提升計(jì)算時(shí)鐘速度;四是完全不耗水,避免傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的水資源消耗(Aljbour et al., 2024)。

對(duì)電網(wǎng)而言,它能避免新建峰值電站和輸電線路,減少儲(chǔ)能電池部署需求,還能消化風(fēng)電、光伏的棄電—— 將谷段低價(jià)或負(fù)價(jià)電力轉(zhuǎn)化為冷能儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)能源價(jià)值最大化。

真實(shí)場(chǎng)景驗(yàn)證:ERCOT電網(wǎng)的套利潛力

美國得克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)的案例生動(dòng)展現(xiàn)了Cold UTES 的價(jià)值。ERCOT擁有美國最大的風(fēng)電裝機(jī)容量(約37GW),但2022年風(fēng)電棄電最高達(dá)2GW,預(yù)計(jì)2035年將增至7-8GW(Warady et al., 2023)。這些棄電多發(fā)生在春、秋等涼爽季節(jié),而夏季峰值時(shí)段電網(wǎng)負(fù)荷屢破紀(jì)錄,電價(jià)飆升。

得克薩斯州的氣候特點(diǎn)為Cold UTES 提供了天然條件:10月至次年5月氣溫較低,可通過干冷器 “免費(fèi)制冷” 或熱泵高效儲(chǔ)冷(COP可達(dá)5);6-9月夏季高溫時(shí),釋放儲(chǔ)存的冷能滿足數(shù)據(jù)中心峰值冷卻需求,避免使用低效(COP僅2)且昂貴的峰值電力(Weatherspark, 2024)。

以一座100MW冷卻負(fù)荷的數(shù)據(jù)中心為例(Table 2):在春季谷段(2024年4月18日,氣溫20℃),以$10/MWh的價(jià)格采購20MWh電力,通過COP=5的熱泵儲(chǔ)冷,成本僅$200;而在夏季峰值(2024年8月20日,氣溫38℃),相同冷卻負(fù)荷需消耗50MWh峰值電力,當(dāng)時(shí)ERCOT實(shí)時(shí)電價(jià)高達(dá)$5000/MWh,成本達(dá)$250,000。僅1小時(shí)的冷卻需求,即可通過Cold UTES 節(jié)省$249,800。若持續(xù)在谷段儲(chǔ)冷,全年峰值成本節(jié)約可達(dá)數(shù)百萬美元。

官方發(fā)力:美國能源部的研發(fā)推動(dòng)

為加速Cold UTES 的商業(yè)化落地,美國能源部GTO于2025年1月啟動(dòng)了專項(xiàng)研發(fā)項(xiàng)目,由國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室牽頭,聯(lián)合勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、普林斯頓大學(xué)和芝加哥大學(xué)共同實(shí)施(Bersine, 2025)。項(xiàng)目為期1-1.5年,聚焦兩大數(shù)據(jù)中心市場(chǎng),通過五大核心任務(wù)全面評(píng)估技術(shù)可行性與商業(yè)價(jià)值:

Cold UTES 冷卻系統(tǒng)的建模、優(yōu)化與敏感性分析;

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷預(yù)測(cè)及UTES對(duì)負(fù)荷曲線的影響分析;

電網(wǎng)影響建模,評(píng)估系統(tǒng)成本、負(fù)荷削減、燃料結(jié)構(gòu)變化等;

組建電力公司、地下技術(shù)、數(shù)據(jù)中心開發(fā)商三大技術(shù)咨詢組;

成果傳播與報(bào)告發(fā)布,為行業(yè)和政策制定者提供參考。

項(xiàng)目成果預(yù)計(jì)于2026財(cái)年發(fā)布,將為Cold UTES 的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

未來可期:數(shù)據(jù)中心的綠色轉(zhuǎn)型新路徑

數(shù)據(jù)中心的能耗增長(zhǎng)是數(shù)字時(shí)代的必然挑戰(zhàn),而Cold UTES以其長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、峰值削減、水資源節(jié)約和電網(wǎng)友好性,成為破解這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。它不僅能為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商帶來顯著的經(jīng)濟(jì)回報(bào),更能助力電網(wǎng)穩(wěn)定、減少碳排放,推動(dòng)可再生能源的高效利用。

隨著美國能源部研發(fā)項(xiàng)目的推進(jìn),Cold UTES 有望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模化應(yīng)用,為數(shù)據(jù)中心行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供堅(jiān)實(shí)支撐。這項(xiàng) “藏” 在地下的冷能技術(shù),正悄然改變我們對(duì)數(shù)據(jù)中心冷卻和電網(wǎng)儲(chǔ)能的認(rèn)知,為可持續(xù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)注入新動(dòng)力。

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