在這篇關於柴油備用電源替代方案系列文章的第三部分，我們將聚焦於正在取代柴油發電的技術路徑，以及在電網接入延遲時可承擔主要供電角色的方案，重點介紹天然氣往復式發動機、燃氣渦輪機以及由組合鍋爐驅動的蒸汽渦輪機。
在此前的系列文章中，電池儲能系統（BESS）和先進電力電子技術已經為吉瓦級數據中心的電網交互提供了有效支撐。
天然氣發動機：更清潔、更可靠的柴油替代方案
多年來，備用電源策略已逐步從柴油發電機轉向天然氣往復式發動機——這與驅動汽車的基本技術原理相同。在顆粒物和氮氧化物等受管控污染物方面，天然氣機組的排放量通常低於同等規格的柴油發動機，尤其是在配備現代控制系統和後處理裝置的情況下。每千瓦時的二氧化碳排放強度也可能更低，但具體結果取決於發動機效率及站點運營狀況等因素。排放對比還需結合上游天然氣供應鏈中的甲烷管理情況綜合考量。
洛基山國家實驗室（NLR）的一項研究發現，柴油和天然氣系統均具有較高可靠性，天然氣發電機在停電期間發生故障的概率略低。在許多地區，天然氣供應被認為比柴油燃料更有保障。儘管兩者的運營成本均高於電網用電，但備用機組通常僅在停電或電網事件期間運行。值得注意的是，NLR強調，天然氣發動機每千瓦時燃料成本更低，使其在參與電網支撐的盈利場景中比柴油更具吸引力——併網發電機不僅可以在緊急情況或用電高峰期為電網提供支持，而不僅限於為數據中心服務。
燃氣發動機向主電源角色邁進
除取代傳統備用角色中的柴油發電機外，天然氣發動機在電網接入延遲或無法接入的情況下，越來越多地承擔起主要供電功能。
例如，俄亥俄州一個數據中心項目計劃部署15台瓦錫蘭Energy 18V50SG燃氣發動機，提供近300兆瓦的現場電力。
卡特彼勒同樣從美國智能與電力公司（AIP）獲得了一筆2吉瓦的訂單，用於西弗吉尼亞州的Monarch計算園區。該項目將使用卡特彼勒G3516快速響應型天然氣發電機組，並配合電池儲能系統以應對AI數據中心可能出現的極端負載波動。這片占地2250英畝的園區未來可能額外增加多達6吉瓦的容量。這些發動機可在約7秒內從零負載爬升至滿負載運行，並將配備包括選擇性催化還原（SCR）在內的排放控制系統，以實現超低排放並滿足大氣排放許可要求。
燃氣渦輪機：競逐現場主電源
燃氣渦輪機很少被用於一對一替代柴油備用電源，儘管小型移動式機組在特定場景下可以承擔這一角色。更多情況下，它們作為現場主電源與燃氣發動機展開競爭。渦輪機在氮氧化物、一氧化碳和揮發性有機物方面可達到更低排放水平，而往復式發動機則通常依靠SCR和氧化催化劑來滿足同等環保標準。
來自GE Vernova、西門子能源和三菱動力等主要原始設備製造商的需求旺盛，據報道已將部分型號大型渦輪機的交貨期推至本十年末乃至更久。為此，一些小型供應商將天然氣渦輪機封裝在拖車上，直接運至數據中心快速部署。例如，Dynamis Power Solutions提供從8兆瓦到70兆瓦的拖車式機組。這類移動渦輪機過去主要用於依賴柴油發電機的偏遠非併網油氣站點，如今正逐步在數據中心領域獲得認可。它們可以在站點之間移動——在施工和早期運營階段提供供電支持，待電網電力接入後撤離，或留在原地繼續作為備用電源。
Dynamis表示，其DT24移動電站可在13.8千伏電壓下輸出24兆瓦的電力。
即便沒有附近的管道，天然氣同樣可以通過運輸方式抵達現場。總部位於休斯頓的Superior Plus Corp.旗下子公司Certarus，通過運輸壓縮天然氣（CNG）提供公路物流及現場氣體減壓與壓力調節服務。美國一家超大規模數據中心運營商正在使用壓縮天然氣，直至永久管道連接就緒。
"我們目前正在為數據中心超過120兆瓦的現場電力供應天然氣，並剛剛宣布了另一個預計於2027年啟動的135兆瓦項目，"Certarus工業銷售總監Scott Williams表示。
在管道氣源充足的地區，AI算力工廠正在儘可能多地安裝渦輪機容量。例如，正在德克薩斯州阿比林建設的Oracle/OpenAI Stargate站點，採用了多種渦輪機電力組合，包括GE Vernova LM2500XPRESS移動燃氣渦輪機和Solar Turbines Titan 350機組。這一被設想為全球最大AI園區之一的Stargate阿比林，最終可能擴展至跨越八棟建築、總面積400萬平方英尺，用電量高達1.2吉瓦。
"到2030年，AI數據中心每年將新增60吉瓦的電力需求，"研究機構Omdia分析師Shen Wang指出。
蒸汽渦輪機與組合鍋爐：快速部署的替代方案
隨著燃氣渦輪機積壓訂單持續增加，部分運營商正在重新審視一種經過驗證的方案：利用工業鍋爐產生蒸汽，驅動蒸汽渦輪機發電。
德克薩斯州阿比林Rentech Boiler Systems鍋爐銷售副總裁Gerardo Lara表示，最實際的選擇是組合鍋爐——這是一種工廠預製、預先設計、配備燃燒器、控制系統和附屬設施的自成體系裝置，可快速安裝，現場施工量極少。他指出，其交貨周期約為一年。
"在電力需求如此旺盛的背景下，組合鍋爐可為蒸汽渦輪機提供蒸汽發電，效率與高峰時段使用的燃氣渦輪機大致相當，"Lara表示，"而且在當前市場環境下，蒸汽渦輪機的交貨速度很可能也遠快於燃氣渦輪機。"
Howden、西門子能源、Triveni和Ebara Elliott等蒸汽渦輪機製造商，數十年來已在核能、地熱、聯合循環燃氣以及聚光太陽能電站中廣泛供應這類設備。
柴油時代的落幕
聯邦政策正在逐步限制交通運輸領域的柴油使用，美國環境保護局（EPA）非道路發動機Tier 4排放標準對氮氧化物和顆粒物排放設定了嚴格上限。新建數據中心若指定採用柴油備用電源，預計將面臨更嚴格的許可審批。儘管最新一代柴油發電機已大幅改善了傳統排放問題，但天然氣發動機在備用發電市場中持續擴大份額。
與此同時，由於在許多情況下交貨期短於燃氣渦輪機，天然氣發動機在主電源應用中也愈發受到青睞。預計未來數年內，隨著超大規模雲服務商和AI算力工廠開發商競相構建規模更大、算力更密集的設施，燃氣發動機和渦輪機的部署數量將創歷史新高。
Q&A
Q1：天然氣發動機相比柴油發電機有哪些優勢？
A：天然氣發動機在顆粒物和氮氧化物等受管控污染物方面排放更低，每千瓦時燃料成本也更具競爭力。洛基山國家實驗室的研究顯示，天然氣發電機在停電期間發生故障的概率略低於柴油機，且在許多地區天然氣供應比柴油更穩定。更重要的是，較低的燃料成本使天然氣發動機在參與電網支撐的盈利場景中更具吸引力，可在電網緊急狀態或高峰期提供輔助服務。
Q2：燃氣渦輪機交貨期為何如此之長，有什麼替代方案？
A：由於GE Vernova、西門子能源和三菱動力等主要製造商的訂單大量積壓，部分型號大型燃氣渦輪機的交貨期已被推至本十年末甚至更長。針對這一問題，市場出現了兩類替代方案：一是拖車式移動燃氣渦輪機（如Dynamis Power Solutions提供的8至70兆瓦機組），可快速部署至現場；二是採用組合鍋爐配合蒸汽渦輪機的方案，交貨周期約一年，發電效率與燃氣渦輪機相近。
Q3：AI數據中心未來的電力需求有多大？
A：根據研究機構Omdia分析師Shen Wang的預測，到2030年，AI數據中心每年將新增60吉瓦的電力需求。以正在建設中的Stargate阿比林園區為例，該項目最終用電量可能高達1.2吉瓦。這一巨大需求正驅動超大規模雲服務商和AI算力工廠開發商大規模部署天然氣發動機和渦輪機，以彌補電網接入滯後帶來的供電缺口。
