2023數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用白皮書(shū)

數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用白皮書(shū)2023PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANVI目錄一、范圍 1二、引言 1三、縮略語(yǔ)和相關(guān)術(shù)語(yǔ) 2四、數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用前景 4（一）應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)方向 4（二）行動(dòng)路線 4（三）可行性分析 5五、氫能數(shù)據(jù)中心主要技術(shù)架構(gòu) 11（一）氫能IDC機(jī)柜級(jí)供電+綜合能源架構(gòu) 11（二）氫能IDC低壓供電+綜合能源架構(gòu) 12（三）氫能IDC高壓供電+綜合能源架構(gòu) 13（四）氫能IDC風(fēng)能、光伏供電+綜合能源架構(gòu) 14（五）氫能備電+綜合能源架構(gòu) 15六、氫能在不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的解決方案 16（一）邊緣/小型數(shù)據(jù)中心氫能解決方案 17（二）大型/超大型數(shù)據(jù)中心氫能解決方案 20七、與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的制、儲(chǔ)/運(yùn)氫及交易氫 22（一）數(shù)據(jù)中心制氫解決方案 22（二）數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)氫和運(yùn)氫解決方案 27（三）數(shù)據(jù)中心氫能交易平臺(tái) 29八、總結(jié) 30PAGEPAGE16數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用白皮書(shū)一、范圍本文主要討論范圍是數(shù)據(jù)中心的氫能系統(tǒng)，及其在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。二、引言人類(lèi)使用化石能源而引起的氣候變化，已經(jīng)使人類(lèi)和其他生物面臨地球上第六次大規(guī)模生物滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今全人類(lèi)面臨的重大全球性挑戰(zhàn)。目前全球已經(jīng)有超過(guò)120個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了碳中和目標(biāo)，全球形成了難得的政策與利益一致點(diǎn)。碳中和目標(biāo)影響廣泛、意義巨大。未來(lái)將為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)深刻的變革。實(shí)現(xiàn)碳中和，需要每個(gè)國(guó)家和個(gè)人的共同推動(dòng)。我國(guó)也在2020年提出了“30/60”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。氫能作為一種來(lái)源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體，成為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要選擇。氫能作為應(yīng)對(duì)氣候變化、建設(shè)脫碳社會(huì)的重要手段，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。氫能也是我國(guó)能源戰(zhàn)略布局的重要部分。20223月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035）》，以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)為總體方向，明確了氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，也是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。規(guī)劃提出了氫4依托通信基站、數(shù)據(jù)中心、鐵路通信站點(diǎn)、電網(wǎng)變電站等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，推動(dòng)燃料氫能作為高效低碳的能源載體，綠色清潔的工業(yè)原料，必將成為國(guó)家“30/60”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有力武器和重要舉措之一。數(shù)據(jù)中心作為傳統(tǒng)的能源消耗大戶(hù)，一直面臨著低碳、綠色發(fā)展的迫切壓力。氫能作為一種清潔能源應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)，已經(jīng)具備一定條件的可行性，未來(lái)有望獲得快速發(fā)展。三、縮略語(yǔ)和相關(guān)術(shù)語(yǔ)灰氫：通過(guò)化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有二氧化碳等排放。目前，市面上絕大多數(shù)氫氣是灰氫，約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95％左右。藍(lán)氫：將天然氣通過(guò)蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。雖然天然氣也屬于化石燃料，在生產(chǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但由于使用了碳捕捉、利用與儲(chǔ)存（CCUS）等先進(jìn)技術(shù)，溫室氣體被捕獲，減輕了對(duì)地球環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了低碳制氫。綠氫：通過(guò)使用再生能源（例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣，例如通過(guò)可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，在生產(chǎn)綠氫的過(guò)程中，完全沒(méi)有碳排放。FC：燃料電池（FuelCell），把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱(chēng)電化學(xué)發(fā)電器。通過(guò)\h電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受\h卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;另外使用燃料和\h氧氣作為原料，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。PEM：質(zhì)子交換膜（ProtonExchangeMembrane）是質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）的核心部件，對(duì)電池性能起著關(guān)鍵作用。它不僅具有阻隔作用，還具有傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。BOP：除了燃料電池堆本身之外，系統(tǒng)中用于支持和管理燃料電池正常運(yùn)行所需的各種組件和系統(tǒng)（BalanceofPlant）。包括各種輔助設(shè)備、管道、控制系統(tǒng)和配件，用于處理氫氣供應(yīng)、氧氣供應(yīng)、冷卻、循環(huán)、水管理、氣體處理、壓力控制、廢氣處理等。PMC：能源管理機(jī)柜（PowerManagementCabinet），在內(nèi)部集成了燃料電池系統(tǒng)（包括DC/DC變換器）、鋰電池、逆變器、RDU、配電單元和交換機(jī)或服務(wù)器等部件，各部件均為模塊化設(shè)計(jì)。AWE：堿性水制氫，是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)、現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟的電解制氫技術(shù)，其以氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質(zhì)，以石棉膜為隔膜，通電將水分子進(jìn)行電解得到氫氣和氧氣。堿水電解槽是堿水電解技術(shù)所需的核心裝備，主要由槽體、陽(yáng)極、陰極、隔膜等組成。EMS：能源管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem)，是對(duì)園區(qū)級(jí)數(shù)據(jù)中心的電能、天然氣、蒸汽、冷（熱）量、和用水等能源數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄、分析，進(jìn)而完成能源的優(yōu)化調(diào)度和管理。總目標(biāo)是建立一個(gè)全局性的能源管理系統(tǒng)，包括三大部分內(nèi)容：能源數(shù)據(jù)采集、能源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和管理。TRL：技術(shù)成熟度水平（TechnologyReadinessLevel），是評(píng)估和描述新技術(shù)發(fā)展成熟程度的一種標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。它被廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域，包括工程和能源等領(lǐng)域。TRL09術(shù)成熟度水平。四、數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用前景（一）應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)方向從數(shù)據(jù)中心在用戶(hù)側(cè)的應(yīng)用形態(tài)來(lái)看，氫能可將從單純的消費(fèi)消顧；氫作為一種二次能源，可配合綠電做長(zhǎng)周期的針對(duì)儲(chǔ)能發(fā)（二）行動(dòng)路線首先，建設(shè)百千瓦級(jí)中試項(xiàng)目，打通氫能輸入、發(fā)電、以及數(shù)據(jù)中心綜合供電一體化流程，獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證燃料電池作為發(fā)電站/數(shù)據(jù)中心主用、備用電源的穩(wěn)定性，及擴(kuò)容能力，為日后擴(kuò)容成為兆瓦級(jí)電站的設(shè)計(jì)積累實(shí)際數(shù)據(jù)；其次，建設(shè)兆瓦級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證燃料電池?cái)U(kuò)容級(jí)聯(lián)性能，持續(xù)優(yōu)化控制策略，積累氫能產(chǎn)、輸、發(fā)、供安全運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，保證氫能單邊供電的可靠性和安全性，同時(shí)可以探索燃料電池?zé)犭娐?lián)供路徑，測(cè)試氫能發(fā)電/數(shù)據(jù)中心供能綜合能源利用盈利能力；最后，借助國(guó)家、地方政府規(guī)模化加氫站，長(zhǎng)距離輸氫管網(wǎng)，建設(shè)百兆瓦級(jí)氫能發(fā)電項(xiàng)目作為電站/數(shù)據(jù)中心常用電源，提高氫能發(fā)電和余熱利用效率，提升氫能發(fā)電的盈利能力與經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)真正意義的零碳供能。（三）可行性分析1）成本方面：氫能“零碳”發(fā)電目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是將氫能用于燃?xì)廨啓C(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也就是通常說(shuō)的“氫能發(fā)電機(jī)”；另一種方式是利用電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)生電，也就是“氫燃料電池”。根據(jù)用氫成本對(duì)比分析，氫能發(fā)電機(jī)和氫燃料20222.5/kWh左右2030氫燃料電池的發(fā)電僅0.8/kWh氫2.88/kWh。由此可知，隨著氫燃料電池發(fā)電成本大幅下降，數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性也將逐漸體現(xiàn)。顯而易見(jiàn)氫燃料電池將是大勢(shì)所趨。1.1/kWh左右的價(jià)格來(lái)看，按照燃料50%的發(fā)電效率來(lái)計(jì)算，氫氣的售價(jià)18就。經(jīng)計(jì)算與推測(cè)，上游綠氫的制造成本約在2030年左右實(shí)現(xiàn)與化石燃料或工業(yè)副產(chǎn)氫平價(jià)，得益于光伏大規(guī)模并網(wǎng)價(jià)格將小于0.2元/kWh，槽2200/kW1700/kW，使氫15/kg這推動(dòng)氫具體公氫=每1需要×消1kWh（1kg氫=11.2）。析氫取兩個(gè)價(jià)越宜氫就越價(jià)0.3/kWh較經(jīng)濟(jì)性。由于電解水制氫到氫能發(fā)電存在電-氫-電的轉(zhuǎn)換過(guò)程，所以單從成本的角度分析電解水制氫成本組成，其電力成本占總成本60%以上，所以必須結(jié)合廉價(jià)的綠電資源，做風(fēng)光互補(bǔ)耦合制氫發(fā)電模式是目前的公認(rèn)路線。氫能使用最核心的兩個(gè)部件是燃料電池和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。其中燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能、熱能和其他反應(yīng)物的的發(fā)電裝置。其組成原理如下圖1所示：陽(yáng)極（負(fù)極）通常由鉑或鉑合金制成。氫氣在陽(yáng)極上催化分解成質(zhì)子和電子。陰極（正極）通常由氧氣和電子反應(yīng)生成水的催化劑組成，常用的催化劑有鉑、鈀和銥等。圖1 氫燃料電池系統(tǒng)的組成原理而氣體供應(yīng)系統(tǒng)主要完成流量Q、壓力P、溫度T、濕度H和潔凈度的控制。主要包含節(jié)溫閥、散熱器、氫氣噴射器、背壓閥、中冷器、空氣壓縮機(jī)等幾個(gè)重要部件，參見(jiàn)下圖2。圖2 氣體供應(yīng)系統(tǒng)的組成及功能目前，氫能發(fā)電技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于燃料電池系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定性、效率的提升，及系統(tǒng)使用壽命的提升。相應(yīng)所采取的措施分別如下表1和表2所示：表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率的提升措施電堆質(zhì)子交換膜（復(fù)合膜）技術(shù)進(jìn)步，催化劑載體性能改進(jìn)，效率提升5%BOP降低電堆附件功耗，引射器，高效空壓機(jī)、碳化硅元件應(yīng)用，效率提升4%系統(tǒng)高效的水熱管理技術(shù)，精準(zhǔn)的氣體輸送控制，效率提升3%綜合效率當(dāng)前：42%-45%，提升至55%（預(yù)計(jì)2025年后）表2 系統(tǒng)壽命提升措施電堆單電池電壓均勻性提升，膜電極、雙極板復(fù)合材料、涂層、密封技術(shù)進(jìn)步BOP定制化開(kāi)發(fā)，新型材料與控制系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)電氣控制邏輯提升綜合壽命當(dāng)前：25000～30000h，提升至50000～60000h（預(yù)計(jì)2025年后）氫針對(duì)氫安全系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心使用要通過(guò)氣體監(jiān)測(cè)手段來(lái)避免氫氣泄漏，杜絕火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在氫能數(shù)據(jù)中心中，必須采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣泄漏，并及時(shí)采取安全措施，如通風(fēng)系統(tǒng)、泄漏報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)等；遵循嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定儲(chǔ)存和處理不同狀態(tài)的氫氣；合理部署有效的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)和設(shè)備；同時(shí)也要制定安全培訓(xùn)和操作規(guī)程來(lái)保障數(shù)據(jù)中心工作人員的安全。目前在加注、儲(chǔ)氫、供氫、系統(tǒng)控制端均具備成熟的技術(shù)，后期的主要問(wèn)題在于氫系統(tǒng)各閥類(lèi)元件的國(guó)產(chǎn)化以提升閥件安全性能指標(biāo)。相應(yīng)各個(gè)環(huán)節(jié)的保護(hù)措施如下表3所示：表3 加氫/儲(chǔ)氫/供氫/系統(tǒng)控制4個(gè)環(huán)節(jié)的氫能相關(guān)安全保護(hù)措施加氫加氫模塊設(shè)置壓力表、過(guò)濾器、單向閥等功能閥件，直接與加氫槍實(shí)現(xiàn)對(duì)接加氫口接地設(shè)計(jì)，消除靜電儲(chǔ)氫被動(dòng)保護(hù)：高壓保護(hù)（高壓安全閥）、起火防護(hù)（TPRD）主動(dòng)保護(hù)：低壓保護(hù)、高溫保護(hù)、氫氣泄漏保護(hù)供氫過(guò)流保護(hù)（過(guò)流閥）過(guò)壓保護(hù)（低壓安全閥）控制針對(duì)氫系統(tǒng)超壓、超溫、過(guò)流、或氫氣濃度超標(biāo)問(wèn)題，設(shè)置三級(jí)聲、光告警設(shè)置告警聯(lián)動(dòng)措施，可配合應(yīng)急風(fēng)扇、百葉窗、彈開(kāi)門(mén)、天窗等器件實(shí)現(xiàn)氫氣安全泄放氫近期（2025），主要面臨著氫能數(shù)據(jù)中心選址受限所1可靠近副產(chǎn)氫豐富地區(qū)，≤200km內(nèi)，采用長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸氫氣；12結(jié)合“三北地區(qū)”風(fēng)電、光伏制綠氫資源，可就近選址，就地用2氫。中期（2030年），隨著氫氣儲(chǔ)、運(yùn)技術(shù)進(jìn)步，中下游加氫、用氫產(chǎn)業(yè)劃化布局，氫能數(shù)據(jù)中心用氫問(wèn)題緩解：1高壓+液氫+管網(wǎng)運(yùn)輸針對(duì)不同市場(chǎng)和區(qū)域同步發(fā)展，可覆蓋至1000km內(nèi)，數(shù)據(jù)中心用氫問(wèn)題緩解；12隨著“風(fēng)光氫儲(chǔ)”產(chǎn)業(yè)鏈成熟，電解槽成本進(jìn)一步降低，可因地制宜布局“制、儲(chǔ)、加、用”一體化氫能數(shù)據(jù)中心，IDC綜合能源利用具備經(jīng)濟(jì)效益。2遠(yuǎn)期（2050年），氫能數(shù)據(jù)中心用氫問(wèn)題基本可以完全解決：1管網(wǎng)輸氫，可覆蓋至大部分城市、鄉(xiāng)村；12經(jīng)濟(jì)綠氫，IDC綜策方面2目前針對(duì)氫能數(shù)據(jù)中心已發(fā)布了一些支持政策，鼓勵(lì)和支持小型模塊化機(jī)房或邊緣數(shù)據(jù)中心推廣使用氫能源，做主用電源或備用電源應(yīng)用。未來(lái)，隨著地方政府對(duì)氫能數(shù)據(jù)中心具體的政策、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃發(fā)布，安全評(píng)價(jià)等關(guān)鍵審批流程優(yōu)化，氫能“安全綠色”審批通道建立，以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施完善，有助于推動(dòng)氫能數(shù)據(jù)中心的進(jìn)一步布局與發(fā)展。如下表4所示：表4氫能在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的相關(guān)利好政策支持政策發(fā)布時(shí)間政策內(nèi)容《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案(2021-2023年)》2021.04鼓勵(lì)氫能源、液冷、分布式供和應(yīng)用《綠色數(shù)據(jù)中心政府采購(gòu)需求標(biāo)準(zhǔn)(試行)》2021.12優(yōu)先選擇氫能源、液冷、分布式供電、模塊化機(jī)房的高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案《貫徹落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求推動(dòng)數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》2021.12提出支持模塊化氫電池和太陽(yáng)能板房在小型或邊緣數(shù)據(jù)中心的推廣應(yīng)用明確指出，要依托通信基站、數(shù)《氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)據(jù)中心、鐵路通信站點(diǎn)、電網(wǎng)劃（2021-2035年）》2022.03變電站等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，推動(dòng)氫燃料電池在備用電源領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用五、氫能數(shù)據(jù)中心主要技術(shù)架構(gòu)氫幾趨勢(shì)概伏取油通過(guò)UPSHVDCUPS料電池+DC/AC逆變器組合；HVDC和燃料電池+DC/DC變換器組合。（一）氫能IDC機(jī)柜級(jí)供電+綜合能源架構(gòu)這A路主要由市電供電，保充，燃料幅較可切入B3圖3 氫能IDC機(jī)柜級(jí)供電+綜合能源架構(gòu)示意圖（二）氫能IDC低壓供電+綜合能源架構(gòu)這A保充，B仍然氫燃電幅與A再過(guò)后端的UPSHVDC雙4圖4 氫能IDC低壓供電+綜合能源架構(gòu)示意圖（三）氫能IDC高壓供電+綜合能源架構(gòu)這較保的柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)作為AB急補(bǔ)充，AB氫燃幅高的電壓，通過(guò)高壓配電柜，與A經(jīng)側(cè)又實(shí)現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)，通過(guò)后端的UPSHVDC5圖5 氫能IDC高壓供電+綜合能源架構(gòu)示意圖（四）氫能IDC風(fēng)能、光伏供電+綜合能源架構(gòu)圖6 氫能IDC風(fēng)能、光伏供電+綜合能源架構(gòu)示意圖這種方式適用坐落于風(fēng)光等新能源富裕地區(qū)的，功率容量較大的大型數(shù)據(jù)中心，放棄掉柴油發(fā)電機(jī)，而以市電同時(shí)作為A路和B路的應(yīng)急補(bǔ)充，A路主要由新能源供電，B路由氫燃料電池輸出幅值等級(jí)較高的電壓，通過(guò)高壓配電柜，與A路的高壓交流電實(shí)現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)，同時(shí)，經(jīng)過(guò)變壓器降壓后，通過(guò)低壓配電柜，在低壓側(cè)又實(shí)現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)，通過(guò)后端的UPS或者HVDC形成雙母線供電，如上圖6所示。（五）氫能備電+綜合能源架構(gòu)這較AB棄掉較高的電壓，作為AB急補(bǔ)充，AB實(shí)現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)，通過(guò)后端的UPSHVDC雙7圖7 氫能備電+綜合能源架構(gòu)示意圖六、氫能在不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的解決方案相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，采用氫燃料電池的數(shù)據(jù)中心無(wú)論規(guī)模大小，都有如下5個(gè)共同特點(diǎn)：柔性化、智能化、模塊化、安全化和低碳化。這也是相較以往建設(shè)模式所具備顯著的差異點(diǎn)。柔性化：綜合考慮氫能特殊的物化特性、使用要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照實(shí)際負(fù)載容量，可以拼接柔性擴(kuò)容設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品柔性，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)容需求。儲(chǔ)氫柜支持級(jí)聯(lián)，滿(mǎn)足更長(zhǎng)的后備時(shí)間需求，同時(shí)具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機(jī)等功能，多維度保護(hù)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。智能化：EMS、AI、變頻氟泵、冷板液冷等先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用到系統(tǒng)能量管理和調(diào)優(yōu)策略中。以系統(tǒng)負(fù)載變化為目標(biāo)，考慮鋰電池SOC容量保護(hù)，區(qū)分啟動(dòng)、備機(jī)、運(yùn)行、加載、減載、停機(jī)和切換等工況，協(xié)AI預(yù)估系統(tǒng)負(fù)載變化和需求側(cè)輸出響應(yīng)，提前調(diào)整燃電系統(tǒng)和鋰電池系統(tǒng)邏輯模塊化：采用全模塊化設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)中心建設(shè)簡(jiǎn)化為搭積木模式。首先燃電系統(tǒng)支持單模塊獨(dú)立運(yùn)行或多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，可切斷故障燃電系統(tǒng)模塊，不影響其他燃電系統(tǒng)模塊或整機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不停電更換、維護(hù)燃電系統(tǒng)。其次，逆變器可以單相或三相輸出，任何一個(gè)模塊故障或更換，均不影響其余模塊運(yùn)行。逆變器模塊熱拔插設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)擴(kuò)容、維護(hù)和更換的便利性。安全化：系統(tǒng)分艙設(shè)計(jì)，IT/CT設(shè)備、電氣、燃料電池和儲(chǔ)氫等各功能艙體在物理上相互隔離，各自獨(dú)立，系統(tǒng)融合，熱管理獨(dú)立設(shè)計(jì)，電氣艙和IT物理隔離。儲(chǔ)氫艙采用獨(dú)立冷板液冷，與電氣艙隔離分倉(cāng)設(shè)計(jì)，互不影響。儲(chǔ)氫柜獨(dú)立部署，自然散熱，遠(yuǎn)氫低碳化：目前系統(tǒng)整體供電以市電為主用電源，氫燃料電池作為備用，柴油應(yīng)急而在未來(lái)氫能成本降低到一定程度時(shí)，系統(tǒng)整體供電以氫燃無(wú)論是現(xiàn)階段還是將來(lái)，整個(gè)氫能供電系統(tǒng)（前端可配置電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫罐或儲(chǔ)氫車(chē)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氫）在正常運(yùn)行過(guò)程中都可以做到零碳排放，且環(huán)境友好。（一）邊緣/小型數(shù)據(jù)中心氫能解決方案邊緣/小型數(shù)據(jù)中心存在著發(fā)電效率不高，體積能量密度偏低等缺點(diǎn)和制約因素，而引入氫能可以讓這一狀況得以改善，使得氫燃料電池發(fā)電技術(shù)在小型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用成為可能。小型邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)是整體耗電量不高，選址相對(duì)分散，且遠(yuǎn)辦公10kW35MPa、PEMFC發(fā)電技術(shù)，提出了燃料電池邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心解決方案，如下圖9所示。鑒于邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景。燃料電池邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心將應(yīng)用環(huán)境定義為戶(hù)外或簡(jiǎn)易IP55接柔靈活配電一體柜、IT氫柜可自由組合為不同功率密2.5～25kW邊儲(chǔ)氫柜支持級(jí)聯(lián)，滿(mǎn)足更長(zhǎng)的后備時(shí)間需求，同時(shí)具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機(jī)等功能，多維度保護(hù)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。圖8邊緣/小型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的氫能柔性拼接方案氫能在邊緣/小型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的柔性拼接組成方案由儲(chǔ)氫柜、PMC柜（包含：配電倉(cāng)和燃料電池倉(cāng)）、設(shè)備柜、空調(diào)柜和監(jiān)控系統(tǒng)，共5部分組成，分別具體介紹如下：儲(chǔ)氫600mm/800mm，儲(chǔ)氫柜可柔性擴(kuò)展，滿(mǎn)足不同的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)需求。在儲(chǔ)氫柜中，可以?xún)?nèi)置多個(gè)35MPaIII，儲(chǔ)10kg。如下圖9所示，儲(chǔ)氫柜內(nèi)置加氫口、壓力表、儲(chǔ)氫瓶、瓶口閥、減壓閥、氫控制器及其它管閥件，主要作用是為燃料電池發(fā)電單元提供氫氣，同時(shí)需設(shè)置氫氣的壓力、溫度、濃度監(jiān)測(cè)功能，確保氫能系統(tǒng)使用過(guò)程安全、可靠。圖9儲(chǔ)氫柜內(nèi)部組成原理PMC集成DC/DC）鐵鋰電DC/AC（PMU）氫氣與電能原理，通過(guò)DC/DC側(cè)輸料還做料充，其它配電單元：包括配電單元PMU，DC/AC安裝定服務(wù)器、交換機(jī)等IT/CT列間空調(diào)柜：為設(shè)備機(jī)柜和PMC協(xié)氫（二）大型/超大型數(shù)據(jù)中心氫能解決方案目前國(guó)內(nèi)大型或超大型數(shù)據(jù)中心尚屬起步的預(yù)研階段，而國(guó)外近兩年取得了示范性案例10氫能應(yīng)用數(shù)據(jù)中心為例40尺集裝箱中使用了零排放的氫燃料3MW這是向數(shù)據(jù)中心零碳后備電源邁出的標(biāo)志性的一步，也是代表了替代柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心無(wú)柴油趨勢(shì)。圖10（a）微軟氫能應(yīng)用數(shù)據(jù)中心側(cè)視圖圖10（b）微軟氫能應(yīng)用數(shù)據(jù)中心俯視圖它基于大容量PEM燃料電池技術(shù)，結(jié)合氫和氧，產(chǎn)生電、熱和水。在該站點(diǎn)，產(chǎn)生的電力被輸送到模擬整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電力消耗的假負(fù)載（加熱裝置）。每個(gè)裝有燃料電池的集裝箱頂部都裝有超大尺寸的散熱器風(fēng)扇蓋。其他基礎(chǔ)設(shè)施包括用于在燃料電池啟動(dòng)時(shí)吸收負(fù)載的電池（白盒）和用于在原型系統(tǒng)測(cè)試期間模擬數(shù)據(jù)中心負(fù)載的負(fù)載組（藍(lán)盒）。由此可以進(jìn)一步再提出一種可行性方案：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，廉價(jià)的可再生能源（棄光或棄風(fēng)）可以使綠氫成為現(xiàn)實(shí)。未來(lái)在發(fā)電端，因地制宜在一定的數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)，設(shè)置綠電電解水制氫裝置，既可以就地消納氫氣節(jié)省輸運(yùn)成本，同時(shí)也可以部署余熱利用設(shè)備，提高能源轉(zhuǎn)換效率，提升經(jīng)濟(jì)效益。并且將制氫的能量來(lái)源多元化，可以根據(jù)當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)，從市電、新能源和儲(chǔ)能中合理調(diào)配，在園區(qū)內(nèi)自主制備氫氣，形成如下圖11所示的制/儲(chǔ)（輸）/用氫一體，融合源網(wǎng)荷儲(chǔ)的解決方案。圖11制/儲(chǔ)（輸）/用氫一體，融合源網(wǎng)荷儲(chǔ)的解決方案七、與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的制、儲(chǔ)/運(yùn)氫及交易氫氫能產(chǎn)業(yè)鏈條較長(zhǎng)，涉及能源、化工、交通、工業(yè)制造等多個(gè)行業(yè)。除了上述數(shù)據(jù)中心應(yīng)用方案中提到的下游用氫環(huán)節(jié)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游包括了制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫等氫氣供應(yīng)環(huán)節(jié)和相關(guān)設(shè)備、部件的研發(fā)、制造環(huán)節(jié)。（一）數(shù)據(jù)中心制氫解決方案隨著“零碳發(fā)電”的綠色數(shù)據(jù)中心成為未來(lái)趨勢(shì)，以零碳排放的方式制取綠氫——電解水制氫，已經(jīng)成為必然選擇。但電解水制氫若想在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，離不開(kāi)技術(shù)成熟度TRLTRL越本將會(huì)出現(xiàn)大幅下降，經(jīng)濟(jì)性獲得大幅提升，市場(chǎng)空間才會(huì)被徹底打開(kāi)。12熟度TRL1~9（越大表度越越快），列23氫相圖12 當(dāng)前23種電解水制氫相關(guān)技術(shù)的TRL對(duì)比派堿（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水（PEM）、固體氧化物電解水（SOEC）和陰離子交換（AEM）。其中，堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)已經(jīng)TRL8-9，也就是達(dá)到了成熟可規(guī)模化的階段。固體氧化物TRLALK、PEM本更低），但尚未進(jìn)入規(guī)?；A段。而陰離子交換膜電解水仍處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，距離規(guī)?；€有一段較長(zhǎng)的距離。另外，電解槽作為電解水制氫的核心設(shè)備，規(guī)?；潭纫仓档藐P(guān)注。雖然其早在十九世紀(jì)初就在英國(guó)誕生，但至今依然面臨技術(shù)要求高、制造成本高的問(wèn)題。因此，仍然需要行業(yè)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)應(yīng)用、努力提高制造能力，并準(zhǔn)備在未來(lái)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供應(yīng)電解槽。以堿性電解水（ALK）為例，展示了各主要組成部分及其功能，詳見(jiàn)下圖13和下表5。圖13堿性電解水（ALK）的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖表5 堿性電解水（ALK）的組成部件及其功能序號(hào)部件作用1電解槽把水分子分解成氫氣和氧氣。2氣液分離框架將氫從水中分離出來(lái)，得到99.99%的純氫3氫氣純化裝置（可選）如果需要，氫可以進(jìn)一步純化到燃料電池質(zhì)量(99.998%)4給水系統(tǒng)將自來(lái)水轉(zhuǎn)化為清潔的去離子水，適合電解槽使用5控制系統(tǒng)集中的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下邏輯和安全控制系統(tǒng)6整流柜和變壓器將交流電轉(zhuǎn)換為可供電解槽使用的直流電。由于變換器負(fù)載是電解器，而電解器制氫量與供電電流有關(guān)，因此制氫用的功率變換器需要同時(shí)滿(mǎn)足低壓大電流且輸出電流紋波低的要求。通過(guò)對(duì)新能源制氫的電力電子變換器進(jìn)行了分類(lèi)和討論，梳理出如下圖14所示的不同種類(lèi)的電解制氫電源。圖14 電解制氫所用到的電源類(lèi)別在光伏制氫中，多采用DC/DC變換器為電解器供電，由于光伏組件的直流母線電壓一般高于電解器電壓，所以DC/DC變換器需滿(mǎn)足高降壓比。通過(guò)從降壓能力、電流紋波、開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力、效率及成本等方面對(duì)相關(guān)DC/DC變換器進(jìn)行比較：不同變換器有著其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。在DC/DC變換器中：交錯(cuò)并聯(lián)類(lèi)型的Buck變換器更適用于新能源制氫場(chǎng)合，特別是改進(jìn)占空比擴(kuò)展交錯(cuò)Buck變換器，無(wú)論是在降壓能力、輸出電流紋還傳統(tǒng)Buck變換器在電流紋波方面表現(xiàn)一般，但是成本方面具勢(shì)。抽頭電感型變換器在電流紋波方面表現(xiàn)最差，原因是其電流紋波與匝數(shù)比n的平方成正比。開(kāi)關(guān)-X型變換器只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，控制簡(jiǎn)單，但是電流紋波大。對(duì)于隔離DC/DC變換器，半橋DC/DC變換器更適合高降壓比的場(chǎng)合，而多端口變換器適合光-氫儲(chǔ)的小功率系統(tǒng)在小型數(shù)據(jù)中心的此外，可采用在變壓器一次側(cè)應(yīng)用三電平拓?fù)?，在變壓器二次?cè)應(yīng)用倍流整流電路的方式進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，提高電流輸出能力。風(fēng)電制氫功率等級(jí)通常大于光伏制氫，并且主要采用AC/DC整流器為電解器供電，目前功率最大已達(dá)兆瓦級(jí)。1）在面向大型或超大型數(shù)據(jù)中心的大功率應(yīng)用場(chǎng)合，單級(jí)AC/DC變換器采用晶閘管相控整流器，技術(shù)成熟，可靠性高，如2脈波晶閘管橋式整流器和6脈波晶閘管雙星形整流器已成功應(yīng)用于兆瓦級(jí)大功率堿性電解槽供電；2）電流源型整流器在未來(lái)應(yīng)用于中小功率電解器供電的可能性較大。另一方面，雙級(jí)AC/DC整流器具有PF高、THDi低和輸出電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)，適合低壓中小功率電解槽?？紤]到冗余性和電流紋波，可采用帶三相交錯(cuò)Buck變換器結(jié)合橋式整流方案。（二）數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)氫和運(yùn)氫解決方案隨著全球氫能戰(zhàn)略的不斷深化，在“碳中和”的愿景下，氫能即將迎來(lái)新的歷史機(jī)遇和發(fā)展契機(jī)，但是目前氫氣生產(chǎn)主要來(lái)源于化石能源及工業(yè)副產(chǎn)品，綠氫占比較少。未來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率新能源制氫仍然存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如綠電成本、產(chǎn)氫效率、用氫安全等。電力電子變換器作為新能源制氫系統(tǒng)中的核心裝備，在轉(zhuǎn)換效率、可靠性、功率密度、規(guī)模化協(xié)同控制及穩(wěn)定性等方面仍有待進(jìn)一步深入研究?？垂倘贿@潛很氫核數(shù)據(jù)中心氫能供電的主要風(fēng)險(xiǎn)并不是發(fā)生在制氫和用氫階段，而是發(fā)生在儲(chǔ)運(yùn)階段。目前，氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括以下四種：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)材料儲(chǔ)氫。表6 不同的氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)對(duì)比比較項(xiàng)目低溫液態(tài)高溫氣態(tài)有機(jī)液態(tài)固態(tài)材料密度（%）5.7~101.0~5.75.0~7.21.0~4.5原理高壓低溫下液化壓縮在耐高壓容器催化加氫反氧反應(yīng)利用固體進(jìn)行物理吸附或化學(xué)反應(yīng)裝備液化裝置、液氫儲(chǔ)罐儲(chǔ)氫罐、管道供熱儲(chǔ)氫裝置固體材料優(yōu)點(diǎn)密度高、純度高、輸送效率高成本低、能耗低、充放電速度快密度高、成本較低、安全性高密度高、安全方便、無(wú)需高壓缺點(diǎn)耗能大、成本高、易揮發(fā)密度低，存在安全隱患純加氫脫氫裝置、成本高密度低、有溫度要求、成本高運(yùn)輸工具液氫槽罐車(chē)管道/長(zhǎng)管拖車(chē)槽罐車(chē)貨車(chē)單車(chē)儲(chǔ)運(yùn)量（kg）40003000/連續(xù)20002