柴油替代方案：AI数据中心如何利用燃气引擎与蒸汽涡轮供电

在这篇关于柴油备用电源替代方案系列文章的第三部分，我们将聚焦于正在取代柴油发电的技术路径，以及在电网接入延迟时可承担主要供电角色的方案，重点介绍天然气往复式发动机、燃气涡轮机以及由组合锅炉驱动的蒸汽涡轮机。

在此前的系列文章中，电池储能系统（BESS）和先进电力电子技术已经为吉瓦级数据中心的电网交互提供了有效支撑。

天然气发动机：更清洁、更可靠的柴油替代方案

多年来，备用电源策略已逐步从柴油发电机转向天然气往复式发动机——这与驱动汽车的基本技术原理相同。在颗粒物和氮氧化物等受管控污染物方面，天然气机组的排放量通常低于同等规格的柴油发动机，尤其是在配备现代控制系统和后处理装置的情况下。每千瓦时的二氧化碳排放强度也可能更低，但具体结果取决于发动机效率及站点运营状况等因素。排放对比还需结合上游天然气供应链中的甲烷管理情况综合考量。

洛基山国家实验室（NLR）的一项研究发现，柴油和天然气系统均具有较高可靠性，天然气发电机在停电期间发生故障的概率略低。在许多地区，天然气供应被认为比柴油燃料更有保障。尽管两者的运营成本均高于电网用电，但备用机组通常仅在停电或电网事件期间运行。值得注意的是，NLR强调，天然气发动机每千瓦时燃料成本更低，使其在参与电网支撑的盈利场景中比柴油更具吸引力——并网发电机不仅可以在紧急情况或用电高峰期为电网提供支持，而不仅限于为数据中心服务。

燃气发动机向主电源角色迈进

除取代传统备用角色中的柴油发电机外，天然气发动机在电网接入延迟或无法接入的情况下，越来越多地承担起主要供电功能。

例如，俄亥俄州一个数据中心项目计划部署15台瓦锡兰Energy 18V50SG燃气发动机，提供近300兆瓦的现场电力。

卡特彼勒同样从美国智能与电力公司（AIP）获得了一笔2吉瓦的订单，用于西弗吉尼亚州的Monarch计算园区。该项目将使用卡特彼勒G3516快速响应型天然气发电机组，并配合电池储能系统以应对AI数据中心可能出现的极端负载波动。这片占地2250英亩的园区未来可能额外增加多达6吉瓦的容量。这些发动机可在约7秒内从零负载爬升至满负载运行，并将配备包括选择性催化还原（SCR）在内的排放控制系统，以实现超低排放并满足大气排放许可要求。

燃气涡轮机：竞逐现场主电源

燃气涡轮机很少被用于一对一替代柴油备用电源，尽管小型移动式机组在特定场景下可以承担这一角色。更多情况下，它们作为现场主电源与燃气发动机展开竞争。涡轮机在氮氧化物、一氧化碳和挥发性有机物方面可达到更低排放水平，而往复式发动机则通常依靠SCR和氧化催化剂来满足同等环保标准。

来自GE Vernova、西门子能源和三菱动力等主要原始设备制造商的需求旺盛，据报道已将部分型号大型涡轮机的交货期推至本十年末乃至更久。为此，一些小型供应商将天然气涡轮机封装在拖车上，直接运至数据中心快速部署。例如，Dynamis Power Solutions提供从8兆瓦到70兆瓦的拖车式机组。这类移动涡轮机过去主要用于依赖柴油发电机的偏远非并网油气站点，如今正逐步在数据中心领域获得认可。它们可以在站点之间移动——在施工和早期运营阶段提供供电支持，待电网电力接入后撤离，或留在原地继续作为备用电源。

Dynamis表示，其DT24移动电站可在13.8千伏电压下输出24兆瓦的电力。

即便没有附近的管道，天然气同样可以通过运输方式抵达现场。总部位于休斯顿的Superior Plus Corp.旗下子公司Certarus，通过运输压缩天然气（CNG）提供公路物流及现场气体减压与压力调节服务。美国一家超大规模数据中心运营商正在使用压缩天然气，直至永久管道连接就绪。

"我们目前正在为数据中心超过120兆瓦的现场电力供应天然气，并刚刚宣布了另一个预计于2027年启动的135兆瓦项目，"Certarus工业销售总监Scott Williams表示。

在管道气源充足的地区，AI算力工厂正在尽可能多地安装涡轮机容量。例如，正在德克萨斯州阿比林建设的Oracle/OpenAI Stargate站点，采用了多种涡轮机电力组合，包括GE Vernova LM2500XPRESS移动燃气涡轮机和Solar Turbines Titan 350机组。这一被设想为全球最大AI园区之一的Stargate阿比林，最终可能扩展至跨越八栋建筑、总面积400万平方英尺，用电量高达1.2吉瓦。

"到2030年，AI数据中心每年将新增60吉瓦的电力需求，"研究机构Omdia分析师Shen Wang指出。

蒸汽涡轮机与组合锅炉：快速部署的替代方案

随着燃气涡轮机积压订单持续增加，部分运营商正在重新审视一种经过验证的方案：利用工业锅炉产生蒸汽，驱动蒸汽涡轮机发电。

德克萨斯州阿比林Rentech Boiler Systems锅炉销售副总裁Gerardo Lara表示，最实际的选择是组合锅炉——这是一种工厂预制、预先设计、配备燃烧器、控制系统和附属设施的自成体系装置，可快速安装，现场施工量极少。他指出，其交货周期约为一年。

"在电力需求如此旺盛的背景下，组合锅炉可为蒸汽涡轮机提供蒸汽发电，效率与高峰时段使用的燃气涡轮机大致相当，"Lara表示，"而且在当前市场环境下，蒸汽涡轮机的交货速度很可能也远快于燃气涡轮机。"

Howden、西门子能源、Triveni和Ebara Elliott等蒸汽涡轮机制造商，数十年来已在核能、地热、联合循环燃气以及聚光太阳能电站中广泛供应这类设备。

柴油时代的落幕

联邦政策正在逐步限制交通运输领域的柴油使用，美国环境保护局（EPA）非道路发动机Tier 4排放标准对氮氧化物和颗粒物排放设定了严格上限。新建数据中心若指定采用柴油备用电源，预计将面临更严格的许可审批。尽管最新一代柴油发电机已大幅改善了传统排放问题，但天然气发动机在备用发电市场中持续扩大份额。

与此同时，由于在许多情况下交货期短于燃气涡轮机，天然气发动机在主电源应用中也愈发受到青睐。预计未来数年内，随着超大规模云服务商和AI算力工厂开发商竞相构建规模更大、算力更密集的设施，燃气发动机和涡轮机的部署数量将创历史新高。

Q&A

Q1：天然气发动机相比柴油发电机有哪些优势？

A：天然气发动机在颗粒物和氮氧化物等受管控污染物方面排放更低，每千瓦时燃料成本也更具竞争力。洛基山国家实验室的研究显示，天然气发电机在停电期间发生故障的概率略低于柴油机，且在许多地区天然气供应比柴油更稳定。更重要的是，较低的燃料成本使天然气发动机在参与电网支撑的盈利场景中更具吸引力，可在电网紧急状态或高峰期提供辅助服务。

Q2：燃气涡轮机交货期为何如此之长，有什么替代方案？

A：由于GE Vernova、西门子能源和三菱动力等主要制造商的订单大量积压，部分型号大型燃气涡轮机的交货期已被推至本十年末甚至更长。针对这一问题，市场出现了两类替代方案：一是拖车式移动燃气涡轮机（如Dynamis Power Solutions提供的8至70兆瓦机组），可快速部署至现场；二是采用组合锅炉配合蒸汽涡轮机的方案，交货周期约一年，发电效率与燃气涡轮机相近。

Q3：AI数据中心未来的电力需求有多大？

A：根据研究机构Omdia分析师Shen Wang的预测，到2030年，AI数据中心每年将新增60吉瓦的电力需求。以正在建设中的Stargate阿比林园区为例，该项目最终用电量可能高达1.2吉瓦。这一巨大需求正驱动超大规模云服务商和AI算力工厂开发商大规模部署天然气发动机和涡轮机，以弥补电网接入滞后带来的供电缺口。