中国移动高鹏：碳中和目标下“零碳”网络与“零碳”数据中心的构建方法探讨

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实现碳达峰及碳中和，是当今中国应对气候变化的重要目标，对ICT行业而言，既是机遇也是挑战。如何采用绿色低碳的技术实现建设、运行和维护的全生命周期“零碳”，是运营商需要面对的重要问题。本文研究了当前ICT网络的碳排放情况及5G部署带来的碳排放量的变化，提出了“零碳”网络及“零碳”数据中心构建的技术路线及相应的技术手段，从而助力通信行业碳达峰的提前实现。

一、碳中和政策下ICT行业的

机遇与挑战

应对气候变化事关国内国际两个大局，是参与全球治理、构建人类命运共同体的重要平台和实现高质量发展、建设生态文明的重要抓手，同时也是一项事关国计民生的现实任务。国务院《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》中指出，要全方位全过程推行绿色规划、绿色设计、绿色投资、绿色建设、绿色生产、绿色流通、绿色生活和绿色消费，使发展建立在高效利用资源、严格保护生态环境、有效控制温室气体排放的基础上，统筹推进高质量发展和高水平保护，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，确保实现碳达峰及碳中和目标，推动我国绿色发展迈上新台阶。

1.1 世界各国的碳中和政策

2020年9月22日，我国在第七十五届联合国大会上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施， 二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

目前世界范围内均制定了相应的碳中和政策。2019年12月11日，欧盟委员会在布鲁塞尔公布应对气候变化的《欧洲绿色新政》，规划在2050年之前使欧洲成为第一个气候中立的大洲。2021年2月19日，美国正式重新加入《巴黎协定》，推动包括美国在内的主要温室气体排放国采取更具雄心的举措。

以尽早实现碳中和为目标，目前已有许多国家针对包括ICT行业在内的各行业制定了相应政策，对ICT行业提出新的要求。2020年9月，德国环境署发布《数字基础设施的能源和资源效率政策建议》，要求用能单位公布碳足迹信息，提升能效和资源保护等。2020年10月，法国参议院正式提出24项减少数字环境足迹的法律提案，首条运营商网络相关法条于2022年开始执行，包括Orange、Vodafone、Telefonica在内的各大运营商均将绿色战略作为集团重要的KPI指标之一。

目前的碳排放政策对于ICT行业而言，既是挑战也是机会。各国均提供相应的资金支持，欧洲复苏计划提供了5470亿元的资金，德国绿色复苏计划提供了1300亿欧元的资金，韩国绿色新政提供了622亿美元的资金，支持未来碳排放政策的落实。此外，未来碳交易价格也将持续上涨。相关研究机构对中国2060年实现碳中和情境下的未来碳价进行了预测，预测的结果是到2030年达到每吨13美金，2050年达到每吨115美金，2060年达到每吨327美金左右。

1.2 运营商CT网络的碳排放情况

国际能源署（IEA）发布的《全球二氧化碳和温室气体排放趋势报告：2019年》数据显示，全球碳排放总量为330亿吨，ICT行业14亿吨。其中运营商CT网络碳排放量为3.1亿吨，数据中心碳排放量为2.1亿吨。在CT网络碳排放量中，网络运行产生的碳排放量占77%，制造、运输、安装等产生的碳排放量占23%。各碳中和积极国家的ICT行业碳排放占比见下图。

各国ICT行业碳排放占比

二、5G网络部署对碳排放的影响

2.1 CT网络的碳排放来源

站点、机房、维护是运营商CT网络碳排放的三大载体，电力和油为主要来源。

全国运营商共有610万个无线接入站点，单个站点功耗为4kW，每站每年碳排放量为28吨；有120万个固定接入站点，单个站点功耗为2kW，每站每年碳排放量为14吨。据此计算，站点的全年碳排放量为15950万吨。其中，610万无线接入站点的设备耗电为1668亿度，碳排放量为1.31亿吨，占站点总碳排放量的88%；电力变换和传输线路损耗为11%，共154亿度电，碳排放量为0.12亿吨，占站点总碳排放量的8%；60万油机站燃油供电年排碳量为0.06亿吨，占站点总碳排放量的4%。

在机房方面，全年碳排放量共7560万吨。全国共有5万个核心机房，单个机房功耗为60kW，单机房每年碳排放量为413吨；有40万个汇聚机房，单机房功耗为20kW，每站每年碳排放量为138吨。据此计算，机房的全年碳排放量为7560万吨。45万个机房的设备耗电为560亿度，碳排放量为0.44亿吨，占机房总碳排放量的58%；机房空调能耗占32%，共308亿度，碳排放量为0.24亿吨，占机房总碳排放量的32%；电力变换和传输线路损耗为14%，共耗电92亿度，碳排放量为0.07亿吨，占机房总碳排放量的10%。

在维护方面，全年碳排放量共734万吨。全年共30万辆车进行网络维护，单站每年碳排放量为1吨。据此计算，网络维护的全年碳排放量为734万吨。其中，全国每百站配8台应急油机，碳排放量为0.01亿吨，应急油机发电占网络维护总碳排放量的11%；全国每站年平均上站维护6次，每次30公里计，产生的碳排放量为0.03亿吨，上站维护油耗占网络维护总碳排放量的34%。此外，因管理不当浪费的电量产生的碳排放量为0.06亿吨，占网络维护总碳排放量的55%。

2.2 5G网络带来的碳排放变化

随着5G网络部署，站点功耗大增、站点数量及设备数量的增加将带来网络建设阶段及运营阶段碳排放量的大幅增加。

由于5G具有高带宽、高流量、高发射功率和收发通道数多的特点，单站功耗由4kW增加至7kW，同时站点数量将由660万个站增加至820万个站，设备数量也将由1.5亿增加至1.9亿个。根据统计数据，2020年5G网络部署碳排放量为2.38亿吨，这些因素将导致2025年的碳排放量增加至4.14亿吨，增长74%。站点、机房、维护方面的碳排放量变化如下图所示。

5G网络部署带来的碳排放量变化

同时，网络运营带来的电费的增加、油耗的增加、租金成本的增加及运维人员维护成本的增加会导致OPEX的上涨。根据统计数据，2019年网络OPEX为612亿元，2025年的OPEX增加至818亿元，增长33%，各项OPEX变化如下图所示。

5G网络部署带来的OPEX变化

三、“零碳”网构建方法

对运营商而言，碳中和目标的实现需要以绿色低碳的创新技术引领全行业发展，打造“零碳”接入、“零碳”汇聚、“零碳”核心，打造全节点场景“零碳”，构建“零碳”网络，实现全生命周期“零碳”，做到“零碳”建网、“零碳”运行、“零碳”维护。

3.1 “零碳”建网

站点的建设采用极简建站、站点共享的方式，在建设阶段减少碳排放。

传统的建站方式以房站及柜站为主，其数量占总站数的95%以上。房站的碳排放量是柜站的1.3倍，是杆站的两倍。3种类型的站点在建设与运营阶段的碳排放量如下图所示。

不同类型站点碳排放量

采用极简建站的方式，将房站替换为柜站，可减少房屋的土建成本，同时降低由于设备散热所产生的空调制冷能耗，每年运行阶段的碳排放量可由28吨减少为21吨，建设阶段的碳排放量可由32吨减少为27吨。若将柜站替换为杆站，可进一步减少机柜成本及空调制冷能耗，每年运行阶段的碳排放量可减少为13吨，建设阶段的碳排放量可减少为24吨。

传统的站点运营方式是由多家运营商自建自用，如两家运营商共享建站， 每年运行阶段的碳排放量为42吨，建设阶段的碳排放量为54吨。如果采用站点集约共享的运营方式，每年运行阶段的碳排放量可减少为38吨，建设阶段的碳排放量可减少为27吨。

综合来看，1%的房站替换为柜站，碳排放量可下降0.28%，1%的柜站替换为杆站，碳排放量可下降0.31%。若全面实现杆化与柜化，将57%的房站改为柜站，39%的柜站改为杆站，建设总碳排放量预计下降28%。

3.2 “零碳”运行

站点的运行在供电、转换、用能、储能阶段做到绿色、高效、智能、协同，实现用能全链路减少碳排放。

传统的用电方式以火电供电为主，市电与油机供能占95%以上。每度市电的碳排放量为0.785kg，油机的碳排放量为市电的1.5倍。通过使用绿色能源，实现站点叠光，减少火电及油机的使用，可在供电侧减少碳排放。

目前站点存在电源损耗、配电损耗、电池损耗、线缆损耗等，用电效率低等问题。使用高效整流模块、储能装置、配电装置提升转换效率，采用升压供电及加粗线缆减少传输线路损耗，可在转换阶段减少碳排放。

在电网侧通过用电调峰调频、错峰用电和余电并网等方式，做到站点供电与电网用电协同，通过储能减少碳排放。

实现供电、供冷与业务联动，采用智能休眠减少空载损耗，利用智能化手段在用能阶段减少碳排放。

以7kW站点为例，若转换效率由85%提升至95%，可实现全网减碳8%，用电效率由64%提升至92%，可实现全网减碳18%；通过去油机化，可实现全网减碳2%；通过站点叠光，可实现全网减碳8%。综合来看，通过各环节手段可实现运行总碳排放量下降36%。

3.3 “零碳”维护

站点的维护通过数字化、电气化方式实现智能运维，减少维护碳排放。

传统站点的维护方式为人工上站，进行人工巡检、故障定位、更换备件、应急发电、温控调整和电费核账等，维护效率低下，平均年上站12次（其中包含6次上站发电），单站维护年碳排放量为1吨。采用数字化手段，可将上站巡检、定位、操作转变为远程巡检和定位，实现远程可管、可控、可视，每年单站维护工作碳排放可由338kg减少为57kg，管理工作碳排放可由550kg减少为0。采用电气化手段，将移动油机发电转变为移动储能发电，每年单站碳排放可由110kg减少为75kg。

通过100%智能运维，全网可减碳2.5%；通过100%去油机化，全网可减碳0.5%。综合来看，智能化运维可实现运维总碳排放量下降36%。

3.4 打造全节点“零碳”网络

通过应用杆化、叠光、储能、智能化技术等在内的多种技术手段，在2025年，若能实现杆站率50%、叠光率30%、去油机率100%、转换效率提升至95%、整站效率提升至90%、储能协同率提升至100%、达到100%智能运维，即可实现站点减碳25%，机房减碳15%，运维减碳3%，各节点碳排放量如下图所示。综合来看，2025年运营商网络碳排放量降低至3.3亿吨，相比传统网络建设与运营方式减少20%，实现通信行业碳达峰。

各节点碳排放量变化

四、“零碳”数据中心建设方法

数据中心的建设与运营是运营商另一个主要的碳排放来源。据统计，当前数据中心的整体能效水平并不高。PUE为1.2～1.4的数据中心仅占36%，有37%的数据中心PUE为1.4～1.6，14%的数据中心PUE为1.6～ 1.8，13%的数据中心PUE在1.8以上。

对于数据中心，在建设阶段，可使用预制化装配式建筑，从而减少建筑垃圾，提高材料回收率。同时，在运营阶段，通过叠加光伏、高效制冷、供电和余热回收等技术提升能效，若实现绿色能源使用达到50%，建筑垃圾会达到70%，整体节能25%，可将数据中心PUE由1.6降低至1.2。

据测算，2025年数据中心机架数量将达到430万架，如果将当前数据中心PUE平均值1.5降低至1.2，可减少碳排放量1090万吨。

五、结束语

实现碳达峰及碳中和目标，是关乎国家战略与世界影响力的重要问题。对运营商而言，构建通信行业“零碳”网络，既是响应国家政策，也是面对未来绿色资金支持及碳交易的重要机遇。应以二氧化碳排放达峰目标和中和愿景为导向，用绿色低碳的创新技术引领全行业发展，大力推动数字供电技术、智能储能技术、智慧能源管理技术和推广使用绿色能源等，实现全生命周期“零碳”。

参考文献 

[1] 李志宏. 电力系统通信电源的实际应用分析[J]. 信息通信, 2017(6).

[2] 王建宙, 李跃. 绿色行动计划系统科学与中国移动节能减排实践[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[3] 吕桦. 先进通信电源技术发展与应用分析[J]. 电子技术与软件工程, 2015(9).

[4] 丁腾波, 刘宏波, 吴聘. 智慧能源体系信息通信技术构架及实施方案[J]. 发电技术, 2020(2).

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来源：中国移动设计技术

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