BESS – 資料中心的電池儲能系統

在數位轉型浪潮席捲全球的今天，資料中心已成為現代社會的神經中樞，每一次點擊、每一次搜尋、每一次串流，都依賴著這些散布全球的數位堡壘。然而，隨著資料量呈指數增長，一個嚴峻的挑戰日益凸顯：能源消耗。資料中心不僅需要穩定的電力供應，更要面對環保壓力與成本優化的雙重考驗。在這個背景下，電池儲能系統（Battery Energy Storage System, BESS）正逐漸成為資料中心管理者的新寵，為這個行業帶來前所未有的可能性。

什麼是電池儲能系統（BESS）？

電池儲能系統（Battery Energy Storage System，簡稱BESS）是一種能夠儲存電能並在需要時釋放的技術解決方案。這個系統主要由電池組、電力轉換系統（PCS）、電池管理系統（BMS）和能源管理系統（EMS）等核心組件構成。BESS的工作原理相對簡單：在電力供應充足或電價較低時儲存電能，在電力需求高峰或電網不穩定時釋放電能，從而實現能源的時間轉移和電力負載的平衡。

對於資料中心而言，BESS不僅是一個備用電源，更是一個智能的能源管理中樞。它能夠與傳統的不斷電系統（UPS）協同工作，提供更長時間的電力保障，同時也能與電網和綠色能源系統進行整合，實現更複雜的能源調度和優化。

BESS的核心組件

• 電池組：現代BESS多採用鋰離子電池，因其高能量密度、長壽命和較低的自放電率。部分系統也開始採用新型電池技術，如鈉離子電池或固態電池。

• 電力轉換系統（PCS）：負責將直流電轉換為交流電，或將交流電轉換為直流電，實現電能的雙向流動。

• 電池管理系統（BMS）：監控和管理電池的狀態，包括溫度、電壓、電流等參數，確保電池安全運行。

• 能源管理系統（EMS）：根據預設策略和實時條件，智能控制電能的存儲和釋放，優化系統性能。

• 散熱系統：維持電池組的適宜溫度，延長電池壽命。

為何資料中心需要BESS？

資料中心作為數位經濟的基礎設施，其電力需求具有高可靠性、高穩定性和高峰值的特點。傳統上，資料中心主要依靠不斷電系統（UPS）和柴油發電機來應對電力中斷，但這種方案面臨著多方面的挑戰：

能源挑戰

• 電力可靠性：即使是瞬間的電力中斷也可能導致巨大的經濟損失。根據Uptime Institute的調查，近年來資料中心停電事件呈上升趨勢，平均每次停電造成的損失超過100萬美元。

• 電力成本：資料中心的電力成本佔運營成本的20%-40%，而且電價通常在尖峰時段更高。

• 環保壓力：全球資料中心每年消耗約200-250太瓦時電力，相當於一些中等規模國家的總用電量。隨著碳中和政策的推行，資料中心面臨著減少碳排放的壓力。

• 電網穩定性：隨著可再生能源比例增加，電網波動性增大，對資料中心電力供應的穩定性提出挑戰。

在這種背景下，BESS為資料中心提供了一個多功能的解決方案，能夠應對上述挑戰，並帶來額外的價值。

BESS在資料中心的應用模式

備用電源增強

傳統的UPS系統主要提供短時間的電力保障，通常為5-15分鐘，主要目的是在電網故障時，為柴油發電機啟動提供緩衝時間。而BESS可以提供更長時間的備用電力，從數小時到數天不等，大幅提高了資料中心的韌性。

以Google的資料中心為例，該公司在2020年宣布，計劃在其比利時的聖吉斯蘭資料中心部署大規模電池儲能系統，作為傳統柴油發電機的替代品，這一舉措不僅減少了碳排放，還提高了系統的響應速度。

峰值負載管理

資料中心的電力負載通常呈現出明顯的峰谷特性，而峰值負載對電力基礎設施的容量要求較高。BESS可以在電力需求低谷時充電，在高峰時段釋放電能，從而「削峰填谷」，減少對電網的壓力，同時降低電力成本。

以Equinix的SY4資料中心為例，該公司在澳大利亞悉尼部署了一套BESS系統，主要用於峰值負載管理，每年可節省電費超過100萬澳元。

能源套利

在實行分時電價的地區，BESS可以在電價低時充電，在電價高時放電，通過這種能源套利（Energy Arbitrage）策略，顯著降低資料中心的電力成本。

美國加州的某大型資料中心運營商報告稱，通過部署BESS系統，結合分時電價策略，該公司每年節省電費超過200萬美元，投資回報期不到3年。

輔助服務參與

在一些電力市場中，資料中心可以通過BESS參與電網的輔助服務（Ancillary Services），如頻率調節、電壓支持等，從而獲得額外收益。

微軟在愛爾蘭都柏林的資料中心就參與了當地電網的輔助服務市場，每年通過BESS獲得超過50萬歐元的收益。

綠色能源整合

隨著企業對可再生能源的需求增加，許多資料中心開始直接採購風能、太陽能等清潔能源。但可再生能源的間歇性和波動性一直是制約其大規模應用的瓶頸。BESS可以儲存多餘的綠色能源，在可再生能源輸出不足時補充供電，實現更高比例的綠色能源使用。

亞馬遜AWS在美國維吉尼亞州的資料中心已經開始將BESS與太陽能發電系統結合，實現了80%以上的綠色能源使用率。

BESS對資料中心的效益分析

經濟效益

技術效益

• 響應速度：BESS的響應時間在毫秒級，而柴油發電機的啟動時間為10-30秒，對於資料中心這樣的關鍵設施，這種差異可能至關重要。

• 可擴展性：BESS具有優秀的模組化特性，可以根據需求靈活擴展，而傳統UPS系統的擴展性受限於空間和基礎設施。

• 遠程監控與管理：現代BESS配備了先進的監控和管理系統，可以實時監測系統性能，優化運行策略，提高系統效率。

• 環境適應性：BESS可以適應各種環境條件，包括極端溫度和高海拔地區，而柴油發電機在這些條件下可能面臨效率下降和維護挑戰。

環境效益

• 碳排放減少：相比柴油發電機，BESS結合可再生能源可以顯著減少碳排放，幫助資料中心實現碳中和目標。

• 噪音污染降低：BESS運行幾乎無噪音，而柴油發電機運行時產生的噪音可能超過100分貝，對周邊環境造成干擾。

• 空氣質量改善：傳統柴油發電機運行時會產生氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等污染物，而BESS系統無廢氣排放，有助於改善資料中心周邊的空氣質量。

• 能源利用率提高：BESS能夠儲存原本可能浪費的能源（如可再生能源的間歇性產出或夜間電網多餘電力），提高整體能源利用效率。根據國際能源署（IEA）的研究，大規模應用儲能技術可以將電網能源利用效率提高15-20%。

• 資源節約：與柴油發電機相比，BESS系統對稀缺資源的消耗更少，特別是在採用可再生能源充電的情況下。此外，現代電池系統的回收率越來越高，進一步減少了對自然資源的依賴。

• 綠色形象增強：採用BESS和可再生能源的資料中心可以提升企業的環保形象，滿足越來越多客戶對綠色服務的需求。例如，全球已有超過200家企業加入RE100倡議，承諾使用100%可再生能源，其中許多企業對數據服務提供商提出了相應的環保要求。

這些環境效益不僅對企業形象和社會責任有正面影響，還可能帶來實際的經濟回報，如碳稅減免、綠色認證溢價和更多的客戶青睞。例如，微軟等公司已經承諾為綠色資料中心服務支付更高的費用，這進一步激勵了資料中心運營商採用BESS等環保技術。

BESS在資料中心技術發展趨勢

近年來，隨著電池技術的迅速發展和能源市場的轉型，BESS在資料中心領域的應用正呈現出多元化和深度融合的趨勢。

技術整合優化

• 混合儲能系統：結合不同類型的儲能技術（如鋰電池、飛輪和燃料電池）形成混合儲能系統，發揮各自優勢，實現更高效的能源管理。例如，Facebook（現Meta）在愛爾蘭的資料中心採用了鋰電池與飛輪能量儲存相結合的混合系統，既利用了鋰電池的高能量密度，又發揮了飛輪的高功率特性。

• 智能電網整合：BESS系統與智能電網的深度整合，使資料中心能夠更靈活地響應電網需求，參與需求響應項目，獲得更多經濟收益。2023年，英國電網運營商National Grid與多家資料中心合作，通過BESS系統實現了峰值負載時的需求響應，資料中心每年可獲得數百萬英鎊的收益。

• 液冷技術應用：將液冷技術應用於BESS系統，提高散熱效率，延長電池壽命，同時降低冷卻能耗。新加坡的某資料中心採用浸沒式液冷技術為BESS系統散熱，將電池溫度控制在最佳範圍內，電池壽命延長了約30%。

電池技術創新

• 固態電池：比傳統鋰離子電池具有更高的能量密度和更好的安全性，預計在未來5年內將開始在資料中心BESS中應用。固態電池不含液態電解質，大幅降低了火災風險，特別適合資料中心這類高價值設施。

• 鈉離子電池：作為鋰離子電池的替代技術，鈉離子電池成本更低，原材料更豐富，在資源約束下具有優勢。中國的寧德時代已經開始量產鈉離子電池，並在多個資料中心項目中進行測試。

• 流體電池：適用於長時間儲能需求，特別是結合可再生能源的情況。美國某資料中心運營商正在測試釩液流電池系統，該系統可提供長達10小時的備用電力，特別適合搭配太陽能系統使用。

• 二次利用電池：使用電動汽車退役電池作為資料中心BESS的一部分，既降低了成本，又提高了資源利用率。Google在比利時的資料中心已經開始測試使用退役的電動汽車電池作為BESS的一部分，初步結果顯示，這些電池仍可提供原始容量的80%以上。

資料中心BESS的市場與應用案例

全球市場概況

根據彭博新能源財經（BNEF）的數據，2024年全球資料中心BESS市場規模預計達到35億美元，年複合增長率超過25%。亞太地區，特別是中國和日本，是增長最快的市場，而北美和歐洲則是市場規模最大的地區。

從應用角度看，大型資料中心（10MW以上）佔據了BESS市場的主要份額（約65%），但中小型資料中心（10MW以下）的採用率正快速上升，預計到2025年將佔市場的40%以上。

典型應用案例

• Google聖吉斯蘭資料中心（比利時）：2022年完成的這個項目是全球最大的資料中心BESS項目之一，總容量達20MW/40MWh，主要用於替代傳統的柴油發電機。系統採用了模組化設計，可以根據需求擴展容量。據Google報告，該系統每年可減少約3,000噸碳排放，同時節省運維成本約15%。

• Switch拉斯維加斯超級資料中心（美國）：在內華達州沙漠地區，Switch公司部署了一個10MW/20MWh的BESS系統，與大型太陽能發電場結合，實現了「24/7」的綠色能源供應。該系統不僅確保了資料中心的電力穩定，還通過參與當地的電力市場，每年為Switch帶來約100萬美元的額外收益。

• 阿里巴巴杭州資料中心（中國）：2023年投入運營的這個BESS系統總容量為15MW/30MWh，主要用於峰值負載管理和能源套利。系統採用了自主研發的智能能源管理平台，實現了與資料中心工作負載的協同優化，每年可節省電費超過1,000萬人民幣。

• Equinix SG5資料中心（新加坡）：這個5MW/10MWh的BESS系統是東南亞地區最大的資料中心儲能項目，主要用於提高資料中心的電力韌性和參與當地的輔助服務市場。系統採用了高效的液冷技術，並結合人工智能算法優化運行策略，投資回報期預計不到4年。

• Microsoft都柏林資料中心（愛爾蘭）：這個8MW/16MWh的BESS系統結合了風能和太陽能發電，實現了資料中心90%以上的時間使用綠色能源。系統特別設計了高響應速度的電力轉換模塊，可在不到50毫秒的時間內從充電模式切換到放電模式，確保了資料中心的電力穩定性。

行業趨勢與未來發展

• 超大規模擴展：隨著雲計算和AI應用的爆發性增長，資料中心的規模和能耗都在快速增加，推動了對更大容量BESS系統的需求。預計到2026年，50MW以上的超大規模BESS系統將成為主流。

• AI驅動的能源管理：將機器學習和人工智能技術應用於BESS的管理和優化，預測電力需求和電價變化，實現更智能的能源調度。以英國Kao Data資料中心為例，該公司採用了AI驅動的BESS管理系統，可以根據歷史數據和實時條件預測電力需求，將能源成本降低約20%。

• 區域能源整合：多個資料中心共享一個大型BESS系統，形成區域能源網絡，提高能源利用效率和經濟性。新加坡已經開始測試這種模式，多個資料中心共享一個25MW/50MWh的BESS系統，不僅降低了成本，還提高了系統的利用率。

• 碳中和驅動力：隨著全球對碳中和的重視，資料中心作為重要的能源消費者，正在尋求更多減碳方案，BESS結合可再生能源將成為實現碳中和的關鍵技術。Amazon AWS已承諾到2030年實現100%可再生能源供電，BESS是其策略的重要組成部分。

挑戰與未來

當前挑戰

• 安全風險：高能量密度的電池系統存在潛在的安全風險，特別是火災風險。2023年，韓國某資料中心的BESS系統因熱失控引發火災，造成數百萬美元的損失。為應對這一挑戰，行業正在加強安全標準和監測系統。

• 初始投資高：與傳統UPS和柴油發電機相比，BESS系統的初始投資成本較高，這在一定程度上限制了其普及速度。根據市場數據，BESS系統的單位容量成本約為400-600美元/kWh，相比之下，柴油發電機的成本僅為100-200美元/kW。

• 技術複雜性：BESS系統的設計、安裝和運維需要專業知識和經驗，對資料中心運營團隊提出了新的要求。許多資料中心正在加強對技術人員的培訓，或者尋求第三方專業服務。

• 標準化不足：BESS在資料中心應用的標準和規範尚未完全成熟，不同廠商和系統之間的兼容性存在挑戰。美國國家標準與技術研究院（NIST）和國際電工委員會（IEC）正在制定相關標準，但仍在進行中。

• 環境影響：電池生產和廢棄處理的環境影響仍然是一個值得關注的問題。隨著電池回收技術的進步和新型環保材料的應用，這一問題有望得到緩解。

未來發展方向

• Ⅴ2G整合：電動車到電網（Vehicle-to-Grid, V2G）技術與資料中心BESS的整合，利用電動車車隊作為分散式儲能資源。Google在美國加州的資料中心已經開始測試這一概念，將員工的電動車作為備用電源的一部分。

• 儲能即服務：以服務模式提供BESS解決方案，降低資料中心的初始投資和技術門檻。一些專業儲能服務提供商已經開始提供「儲能即服務」（Energy Storage as a Service, ESaaS）模式，客戶只需按使用量付費。

• 氫能儲存：將氫能作為長期儲能解決方案，特別是結合可再生能源的情況。微軟已經開始測試氫燃料電池作為資料中心的備用電源，未來可能形成氫能與電池儲能的互補系統。

• 全生命週期管理：通過先進的預測性維護和健康管理系統，最大化電池系統的使用壽命和效率。Tesla的Autobidder系統已經開始應用於部分資料中心BESS，通過AI算法優化電池充放電策略，延長電池壽命。

• 分散式能源網絡：資料中心BESS成為分散式能源網絡的重要節點，參與更廣泛的能源交易和調度。Equinix的Green Reload項目正在探索將多個資料中心的BESS系統連接成網絡，實現更大規模的能源互聯互通。

結論

電池儲能系統（BESS）正在成為資料中心能源策略的關鍵組成部分，不僅提高了電力穩定性和可靠性，還開啟了能源效率優化和成本節約的新可能。隨著電池技術的進步和能源市場的轉型，BESS在資料中心的應用將更加廣泛和深入。

對於資料中心運營者而言，BESS不僅是一個技術選擇，更是一個戰略決策。在評估BESS方案時，需要考慮技術性能、經濟效益、環境影響和未來擴展性等多方面因素，並制定符合自身需求的實施路徑。

BESS與資料中心的結合，代表了能源和數位基礎設施融合的趨勢，這種融合將推動更智能、更綠色、更高效的新一代資料中心的發展。在追求可持續發展的全球背景下，BESS將成為資料中心實現碳中和目標的重要工具，為數位經濟的健康發展提供強大支撐。

常見問答

電池儲能系統（BESS）與傳統UPS系統有什麼區別？

電池儲能系統（BESS）與傳統UPS系統最主要的區別在於功能範圍和應用場景。傳統UPS主要提供短時間（通常5-15分鐘）的應急電力，用於橋接電網中斷與備用發電機啟動之間的時間差。而BESS不僅可以提供更長時間的備用電力（數小時至數天），還具有峰值負載管理、能源套利、輔助服務參與等多種功能。在技術上，BESS通常採用更先進的電池技術和智能控制系統，能夠實現更複雜的能源管理策略。

資料中心採用BESS的投資回報期一般是多久？

資料中心採用BESS的投資回報期一般在3-7年之間，具體取決於多種因素，包括電價結構、使用場景、系統規模和當地政策等。在電價波動較大或有分時電價政策的地區，投資回報期可能會更短。例如，在加州等電價較高且有分時電價政策的地區，投資回報期可能在3-4年；而在電價相對穩定的地區，回報期可能延長至6-7年。此外，如果BESS系統能夠參與電網輔助服務市場，獲得額外收益，投資回報期可能會進一步縮短。

BESS在資料中心的安全性如何保障？

BESS在資料中心的安全性主要通過多層次的保護措施來保障。首先，在電池選擇方面，大多數資料中心傾向於採用具有更好安全性能的磷酸鐵鋰電池或其他先進電池技術。其次，先進的電池管理系統（BMS）能夠實時監控每個電池模組的溫度、電壓和電流，在異常情況下立即採取措施。此外，物理層面的保護包括專用的防火隔間、氣體滅火系統和熱成像監控系統。許多大型資料中心還採用了模組化設計，將BESS系統分散部署，避免單點故障風險。最後，定期的安全檢查和預防性維護也是確保系統安全的關鍵環節。

BESS系統的壽命有多長？如何延長其使用壽命？

在資料中心應用中，現代BESS系統的預期壽命通常為10-15年，但實際壽命取決於使用條件和維護質量。延長BESS使用壽命的主要方法包括：控制充放電深度（通常控制在80%以內）；維持適宜的運行溫度（通常在20-25°C）；採用智能充放電算法，避免頻繁的深度循環；進行定期的健康檢查和預防性維護；以及使用先進的電池管理系統優化每個電池模組的性能。某些資料中心還採用了電池壽命預測模型，根據實時監測數據動態調整使用策略，最大限度地延長系統壽命。

資料中心如何衡量BESS系統的效益？

資料中心衡量BESS系統效益通常從多個維度進行：經濟效益方面，主要計算電費節約（包括能源套利和峰值負載管理帶來的節約）、維護成本減少和參與電網服務獲得的收益；技術效益方面，評估電力可靠性提升程度、系統響應速度和擴展性；環境效益方面，計算碳排放減少量和可再生能源使用比例提升；此外，還需考慮合規性效益，如滿足特定法規和標準的要求。許多大型資料中心運營商已經開發了專門的評估框架，結合這些因素進行綜合分析，定期評估BESS系統的效益。

小型或中型資料中心是否適合採用BESS解決方案？

是的，小型或中型資料中心也很適合採用BESS解決方案，但規模和配置可能需要調整。近年來，模組化和可擴展的BESS產品使小型資料中心更容易採用這一技術。對於小型資料中心（通常低於1MW），BESS可以通過替代或補充傳統UPS系統，提高電力可靠性，同時實現一定程度的峰值負載管理。中型資料中心（1-10MW）則可以實現更複雜的應用，如能源套利和參與部分輔助服務市場。「儲能即服務」（ESaaS）模式也為小型和中型資料中心提供了更靈活的採用方式，無需大量前期投資。根據市場調研，預計到2026年，超過40%的中小型資料中心將採用某種形式的BESS解決方案。

BESS與可再生能源如何結合，幫助資料中心實現碳中和目標？

BESS與可再生能源結合是資料中心實現碳中和的重要途徑。首先，BESS可以儲存太陽能和風能等可再生能源在發電高峰時段產生的多餘電力，在發電低谷時段（如夜間無太陽能）釋放，從而提高可再生能源的使用比例。其次，通過智能能源管理系統，BESS可以根據預測的可再生能源發電情況和負載需求，優化儲能和釋放策略，實現資源的最佳配置。第三，BESS可以減少或消除對柴油發電機的依賴，降低碳排放。最後，BESS還可以支持資料中心參與碳交易市場，通過減少碳排放獲得碳信用額度。微軟、Google等大型科技公司已經將BESS結合可再生能源作為其實現「24/7」無碳運營的核心策略，預計到2030年，全球超過50%的大型資料中心將採用BESS+可再生能源的組合方案。

將在日益競爭的市場中贏得優勢。在數位經濟與能源轉型的雙重驅動下，資料中心的BESS將繼續創新和演進，為構建可持續的數位基礎設施做出更大貢獻。