2023數據中心氫能應用白皮書

數據中心氫能應用白皮書2023PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANVI目錄一、范圍 1二、引言 1三、縮略語和相關術語 2四、數據中心氫能應用前景 4（一）應用場景及技術方向 4（二）行動路線 4（三）可行性分析 5五、氫能數據中心主要技術架構 11（一）氫能IDC機柜級供電+綜合能源架構 11（二）氫能IDC低壓供電+綜合能源架構 12（三）氫能IDC高壓供電+綜合能源架構 13（四）氫能IDC風能、光伏供電+綜合能源架構 14（五）氫能備電+綜合能源架構 15六、氫能在不同規(guī)模數據中心場景的解決方案 16（一）邊緣/小型數據中心氫能解決方案 17（二）大型/超大型數據中心氫能解決方案 20七、與數據中心相關的制、儲/運氫及交易氫 22（一）數據中心制氫解決方案 22（二）數據中心儲氫和運氫解決方案 27（三）數據中心氫能交易平臺 29八、總結 30PAGEPAGE16數據中心氫能應用白皮書一、范圍本文主要討論范圍是數據中心的氫能系統(tǒng)，及其在數據中心中的應用。二、引言人類使用化石能源而引起的氣候變化，已經使人類和其他生物面臨地球上第六次大規(guī)模生物滅絕的風險。氣候變化已經成為當今全人類面臨的重大全球性挑戰(zhàn)。目前全球已經有超過120個國家和地區(qū)提出了碳中和目標，全球形成了難得的政策與利益一致點。碳中和目標影響廣泛、意義巨大。未來將為人類社會帶來深刻的變革。實現碳中和，需要每個國家和個人的共同推動。我國也在2020年提出了“30/60”碳達峰、碳中和目標。氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉型發(fā)展的重要載體，成為實現碳中和目標的重要選擇。氫能作為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要手段，受到世界各國的廣泛關注。氫能也是我國能源戰(zhàn)略布局的重要部分。20223月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》，以實現“雙碳”目標為總體方向，明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，也是戰(zhàn)略性新興產業(yè)和未來產業(yè)的重點發(fā)展方向。規(guī)劃提出了氫4依托通信基站、數據中心、鐵路通信站點、電網變電站等基礎設施工程建設，推動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，必將成為國家“30/60”碳達峰、碳中和目標的有力武器和重要舉措之一。數據中心作為傳統(tǒng)的能源消耗大戶，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用于數據中心建設，已經具備一定條件的可行性，未來有望獲得快速發(fā)展。三、縮略語和相關術語灰氫：通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產生的氫氣，在生產過程中會有二氧化碳等排放。目前，市面上絕大多數氫氣是灰氫，約占當今全球氫氣產量的95％左右。藍氫：將天然氣通過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，在生產時也會產生溫室氣體，但由于使用了碳捕捉、利用與儲存（CCUS）等先進技術，溫室氣體被捕獲，減輕了對地球環(huán)境的影響，實現了低碳制氫。綠氫：通過使用再生能源（例如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發(fā)電進行電解水制氫，在生產綠氫的過程中，完全沒有碳排放。FC：燃料電池（FuelCell），把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。通過\h電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受\h卡諾循環(huán)效應的限制，因此效率高;另外使用燃料和\h氧氣作為原料，沒有機械傳動部件，排放出的有害氣體極少，使用壽命長。PEM：質子交換膜（ProtonExchangeMembrane）是質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）的核心部件，對電池性能起著關鍵作用。它不僅具有阻隔作用，還具有傳導質子的作用。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行所需的各種組件和系統(tǒng)（BalanceofPlant）。包括各種輔助設備、管道、控制系統(tǒng)和配件，用于處理氫氣供應、氧氣供應、冷卻、循環(huán)、水管理、氣體處理、壓力控制、廢氣處理等。PMC：能源管理機柜（PowerManagementCabinet），在內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、配電單元和交換機或服務器等部件，各部件均為模塊化設計。AWE：堿性水制氫，是產業(yè)化發(fā)展時間最長、現階段技術最為成熟的電解制氫技術，其以氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質，以石棉膜為隔膜，通電將水分子進行電解得到氫氣和氧氣。堿水電解槽是堿水電解技術所需的核心裝備，主要由槽體、陽極、陰極、隔膜等組成。EMS：能源管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem)，是對園區(qū)級數據中心的電能、天然氣、蒸汽、冷（熱）量、和用水等能源數據進行自動監(jiān)測、記錄、分析，進而完成能源的優(yōu)化調度和管理?？偰繕耸墙⒁粋€全局性的能源管理系統(tǒng)，包括三大部分內容：能源數據采集、能源數據實時監(jiān)控以及能源數據統(tǒng)計、分析和管理。TRL：技術成熟度水平（TechnologyReadinessLevel），是評估和描述新技術發(fā)展成熟程度的一種標準系統(tǒng)。它被廣泛應用于科技領域，包括工程和能源等領域。TRL09術成熟度水平。四、數據中心氫能應用前景（一）應用場景及技術方向從數據中心在用戶側的應用形態(tài)來看，氫能可將從單純的消費消顧；氫作為一種二次能源，可配合綠電做長周期的針對儲能發(fā)（二）行動路線首先，建設百千瓦級中試項目，打通氫能輸入、發(fā)電、以及數據中心綜合供電一體化流程，獲取實際運行數據，驗證燃料電池作為發(fā)電站/數據中心主用、備用電源的穩(wěn)定性，及擴容能力，為日后擴容成為兆瓦級電站的設計積累實際數據；其次，建設兆瓦級試驗項目，獲取實際運行數據，驗證燃料電池擴容級聯性能，持續(xù)優(yōu)化控制策略，積累氫能產、輸、發(fā)、供安全運行數據和經驗，保證氫能單邊供電的可靠性和安全性，同時可以探索燃料電池熱電聯供路徑，測試氫能發(fā)電/數據中心供能綜合能源利用盈利能力；最后，借助國家、地方政府規(guī)模化加氫站，長距離輸氫管網，建設百兆瓦級氫能發(fā)電項目作為電站/數據中心常用電源，提高氫能發(fā)電和余熱利用效率，提升氫能發(fā)電的盈利能力與經濟效益，實現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現方式：一種是將氫能用于燃氣輪機將機械能轉化為電能，也就是通常說的“氫能發(fā)電機”；另一種方式是利用電解水的逆反應產生電，也就是“氫燃料電池”。根據用氫成本對比分析，氫能發(fā)電機和氫燃料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，數據中心氫能應用的經濟性也將逐漸體現。顯而易見氫燃料電池將是大勢所趨。1.1/kWh左右的價格來看，按照燃料50%的發(fā)電效率來計算，氫氣的售價18就。經計算與推測，上游綠氫的制造成本約在2030年左右實現與化石燃料或工業(yè)副產氫平價，得益于光伏大規(guī)模并網價格將小于0.2元/kWh，槽2200/kW1700/kW，使氫15/kg這推動氫具體公氫=每1需要×消1kWh（1kg氫=11.2）。析氫取兩個價越宜氫就越價0.3/kWh較經濟性。由于電解水制氫到氫能發(fā)電存在電-氫-電的轉換過程，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，所以必須結合廉價的綠電資源，做風光互補耦合制氫發(fā)電模式是目前的公認路線。氫能使用最核心的兩個部件是燃料電池和氣體供應系統(tǒng)。其中燃料電池是一種把燃料所具有的化學能通過電化學反應直接轉換成電能、熱能和其他反應物的的發(fā)電裝置。其組成原理如下圖1所示：陽極（負極）通常由鉑或鉑合金制成。氫氣在陽極上催化分解成質子和電子。陰極（正極）通常由氧氣和電子反應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、空氣壓縮機等幾個重要部件，參見下圖2。圖2 氣體供應系統(tǒng)的組成及功能目前，氫能發(fā)電技術關鍵點在于燃料電池系統(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子交換膜（復合膜）技術進步，催化劑載體性能改進，效率提升5%BOP降低電堆附件功耗，引射器，高效空壓機、碳化硅元件應用，效率提升4%系統(tǒng)高效的水熱管理技術，精準的氣體輸送控制，效率提升3%綜合效率當前：42%-45%，提升至55%（預計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、雙極板復合材料、涂層、密封技術進步BOP定制化開發(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前：25000～30000h，提升至50000～60000h（預計2025年后）氫針對氫安全系統(tǒng)，在數據中心使用要通過氣體監(jiān)測手段來避免氫氣泄漏，杜絕火災或爆炸的風險。因此，在氫能數據中心中，必須采取適當的方法來實時監(jiān)測氫氣泄漏，并及時采取安全措施，如通風系統(tǒng)、泄漏報警系統(tǒng)和自動關閉閥門等；遵循嚴格的安全標準和規(guī)定儲存和處理不同狀態(tài)的氫氣；合理部署有效的火災報警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)和設備；同時也要制定安全培訓和操作規(guī)程來保障數據中心工作人員的安全。目前在加注、儲氫、供氫、系統(tǒng)控制端均具備成熟的技術，后期的主要問題在于氫系統(tǒng)各閥類元件的國產化以提升閥件安全性能指標。相應各個環(huán)節(jié)的保護措施如下表3所示：表3 加氫/儲氫/供氫/系統(tǒng)控制4個環(huán)節(jié)的氫能相關安全保護措施加氫加氫模塊設置壓力表、過濾器、單向閥等功能閥件，直接與加氫槍實現對接加氫口接地設計，消除靜電儲氫被動保護：高壓保護（高壓安全閥）、起火防護（TPRD）主動保護：低壓保護、高溫保護、氫氣泄漏保護供氫過流保護（過流閥）過壓保護（低壓安全閥）控制針對氫系統(tǒng)超壓、超溫、過流、或氫氣濃度超標問題，設置三級聲、光告警設置告警聯動措施，可配合應急風扇、百葉窗、彈開門、天窗等器件實現氫氣安全泄放氫近期（2025），主要面臨著氫能數據中心選址受限所1可靠近副產氫豐富地區(qū)，≤200km內，采用長管拖車運輸氫氣；12結合“三北地區(qū)”風電、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、運技術進步，中下游加氫、用氫產業(yè)劃化布局，氫能數據中心用氫問題緩解：1高壓+液氫+管網運輸針對不同市場和區(qū)域同步發(fā)展，可覆蓋至1000km內，數據中心用氫問題緩解；12隨著“風光氫儲”產業(yè)鏈成熟，電解槽成本進一步降低，可因地制宜布局“制、儲、加、用”一體化氫能數據中心，IDC綜合能源利用具備經濟效益。2遠期（2050年），氫能數據中心用氫問題基本可以完全解決：1管網輸氫，可覆蓋至大部分城市、鄉(xiāng)村；12經濟綠氫，IDC綜策方面2目前針對氫能數據中心已發(fā)布了一些支持政策，鼓勵和支持小型模塊化機房或邊緣數據中心推廣使用氫能源，做主用電源或備用電源應用。未來，隨著地方政府對氫能數據中心具體的政策、標準及規(guī)劃發(fā)布，安全評價等關鍵審批流程優(yōu)化，氫能“安全綠色”審批通道建立，以及加氫站等基礎設施完善，有助于推動氫能數據中心的進一步布局與發(fā)展。如下表4所示：表4氫能在數據中心應用的相關利好政策支持政策發(fā)布時間政策內容《北京市數據中心統(tǒng)籌發(fā)展實施方案(2021-2023年)》2021.04鼓勵氫能源、液冷、分布式供和應用《綠色數據中心政府采購需求標準(試行)》2021.12優(yōu)先選擇氫能源、液冷、分布式供電、模塊化機房的高效系統(tǒng)設計方案《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發(fā)展實施方案》2021.12提出支持模塊化氫電池和太陽能板房在小型或邊緣數據中心的推廣應用明確指出，要依托通信基站、數《氫能產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)據中心、鐵路通信站點、電網劃（2021-2035年）》2022.03變電站等基礎設施工程建設，推動氫燃料電池在備用電源領域的市場應用五、氫能數據中心主要技術架構氫幾趨勢概伏取油通過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機柜級供電+綜合能源架構這A路主要由市電供電，保充，燃料幅較可切入B3圖3 氫能IDC機柜級供電+綜合能源架構示意圖（二）氫能IDC低壓供電+綜合能源架構這A保充，B仍然氫燃電幅與A再過后端的UPSHVDC雙4圖4 氫能IDC低壓供電+綜合能源架構示意圖（三）氫能IDC高壓供電+綜合能源架構這較保的柴油發(fā)電機同時作為AB急補充，AB氫燃幅高的電壓，通過高壓配電柜，與A經側又實現母線聯絡，通過后端的UPSHVDC5圖5 氫能IDC高壓供電+綜合能源架構示意圖（四）氫能IDC風能、光伏供電+綜合能源架構圖6 氫能IDC風能、光伏供電+綜合能源架構示意圖這種方式適用坐落于風光等新能源富裕地區(qū)的，功率容量較大的大型數據中心，放棄掉柴油發(fā)電機，而以市電同時作為A路和B路的應急補充，A路主要由新能源供電，B路由氫燃料電池輸出幅值等級較高的電壓，通過高壓配電柜，與A路的高壓交流電實現母線聯絡，同時，經過變壓器降壓后，通過低壓配電柜，在低壓側又實現母線聯絡，通過后端的UPS或者HVDC形成雙母線供電，如上圖6所示。（五）氫能備電+綜合能源架構這較AB棄掉較高的電壓，作為AB急補充，AB實現母線聯絡，通過后端的UPSHVDC雙7圖7 氫能備電+綜合能源架構示意圖六、氫能在不同規(guī)模數據中心場景的解決方案相比于傳統(tǒng)數據中心，采用氫燃料電池的數據中心無論規(guī)模大小，都有如下5個共同特點：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模式所具備顯著的差異點。柔性化：綜合考慮氫能特殊的物化特性、使用要求和相關標準，按照實際負載容量，可以拼接柔性擴容設計，提高產品柔性，滿足現場擴容需求。儲氫柜支持級聯，滿足更長的后備時間需求，同時具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機等功能，多維度保護系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行。智能化：EMS、AI、變頻氟泵、冷板液冷等先進技術，運用到系統(tǒng)能量管理和調優(yōu)策略中。以系統(tǒng)負載變化為目標，考慮鋰電池SOC容量保護，區(qū)分啟動、備機、運行、加載、減載、停機和切換等工況，協(xié)AI預估系統(tǒng)負載變化和需求側輸出響應，提前調整燃電系統(tǒng)和鋰電池系統(tǒng)邏輯模塊化：采用全模塊化設計，將數據中心建設簡化為搭積木模式。首先燃電系統(tǒng)支持單模塊獨立運行或多機并聯運行，可切斷故障燃電系統(tǒng)模塊，不影響其他燃電系統(tǒng)模塊或整機運行，實現系統(tǒng)不停電更換、維護燃電系統(tǒng)。其次，逆變器可以單相或三相輸出，任何一個模塊故障或更換，均不影響其余模塊運行。逆變器模塊熱拔插設計，提高了系統(tǒng)擴容、維護和更換的便利性。安全化：系統(tǒng)分艙設計，IT/CT設備、電氣、燃料電池和儲氫等各功能艙體在物理上相互隔離，各自獨立，系統(tǒng)融合，熱管理獨立設計，電氣艙和IT物理隔離。儲氫艙采用獨立冷板液冷，與電氣艙隔離分倉設計，互不影響。儲氫柜獨立部署，自然散熱，遠氫低碳化：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，柴油應急而在未來氫能成本降低到一定程度時，系統(tǒng)整體供電以氫燃無論是現階段還是將來，整個氫能供電系統(tǒng)（前端可配置電解水制氫系統(tǒng)、儲氫罐或儲氫車，實現連續(xù)供氫）在正常運行過程中都可以做到零碳排放，且環(huán)境友好。（一）邊緣/小型數據中心氫能解決方案邊緣/小型數據中心存在著發(fā)電效率不高，體積能量密度偏低等缺點和制約因素，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)電技術在小型數據中心的應用成為可能。小型邊緣計算數據中心的特點是整體耗電量不高，選址相對分散，且遠辦公10kW35MPa、PEMFC發(fā)電技術，提出了燃料電池邊緣計算數據中心解決方案，如下圖9所示。鑒于邊緣計算數據中心的應用場景。燃料電池邊緣計算數據中心將應用環(huán)境定義為戶外或簡易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邊儲氫柜支持級聯，滿足更長的后備時間需求，同時具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機等功能，多維度保護系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行。圖8邊緣/小型數據中心場景的氫能柔性拼接方案氫能在邊緣/小型數據中心場景的柔性拼接組成方案由儲氫柜、PMC柜（包含：配電倉和燃料電池倉）、設備柜、空調柜和監(jiān)控系統(tǒng)，共5部分組成，分別具體介紹如下：儲氫600mm/800mm，儲氫柜可柔性擴展，滿足不同的系統(tǒng)運行時長需求。在儲氫柜中，可以內置多個35MPaIII，儲10kg。如下圖9所示，儲氫柜內置加氫口、壓力表、儲氫瓶、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，同時需設置氫氣的壓力、溫度、濃度監(jiān)測功能，確保氫能系統(tǒng)使用過程安全、可靠。圖9儲氫柜內部組成原理PMC集成DC/DC）鐵鋰電DC/AC（PMU）氫氣與電能原理，通過DC/DC側輸料還做料充，其它配電單元：包括配電單元PMU，DC/AC安裝定服務器、交換機等IT/CT列間空調柜：為設備機柜和PMC協(xié)氫（二）大型/超大型數據中心氫能解決方案目前國內大型或超大型數據中心尚屬起步的預研階段，而國外近兩年取得了示范性案例10氫能應用數據中心為例40尺集裝箱中使用了零排放的氫燃料3MW這是向數據中心零碳后備電源邁出的標志性的一步，也是代表了替代柴油發(fā)電機，實現數據中心無柴油趨勢。圖10（a）微軟氫能應用數據中心側視圖圖10（b）微軟氫能應用數據中心俯視圖它基于大容量PEM燃料電池技術，結合氫和氧，產生電、熱和水。在該站點，產生的電力被輸送到模擬整個數據中心的電力消耗的假負載（加熱裝置）。每個裝有燃料電池的集裝箱頂部都裝有超大尺寸的散熱器風扇蓋。其他基礎設施包括用于在燃料電池啟動時吸收負載的電池（白盒）和用于在原型系統(tǒng)測試期間模擬數據中心負載的負載組（藍盒）。由此可以進一步再提出一種可行性方案：從長遠來看，廉價的可再生能源（棄光或棄風）可以使綠氫成為現實。未來在發(fā)電端，因地制宜在一定的數據中心園區(qū)內，設置綠電電解水制氫裝置，既可以就地消納氫氣節(jié)省輸運成本，同時也可以部署余熱利用設備，提高能源轉換效率，提升經濟效益。并且將制氫的能量來源多元化，可以根據當地峰谷電價，從市電、新能源和儲能中合理調配，在園區(qū)內自主制備氫氣，形成如下圖11所示的制/儲（輸）/用氫一體，融合源網荷儲的解決方案。圖11制/儲（輸）/用氫一體，融合源網荷儲的解決方案七、與數據中心相關的制、儲/運氫及交易氫氫能產業(yè)鏈條較長，涉及能源、化工、交通、工業(yè)制造等多個行業(yè)。除了上述數據中心應用方案中提到的下游用氫環(huán)節(jié)，氫能產業(yè)鏈的上游包括了制氫、儲氫、運氫、加氫等氫氣供應環(huán)節(jié)和相關設備、部件的研發(fā)、制造環(huán)節(jié)。（一）數據中心制氫解決方案隨著“零碳發(fā)電”的綠色數據中心成為未來趨勢，以零碳排放的方式制取綠氫——電解水制氫，已經成為必然選擇。但電解水制氫若想在數據中心實現規(guī)?；瘧茫x不開技術成熟度TRLTRL越本將會出現大幅下降，經濟性獲得大幅提升，市場空間才會被徹底打開。12熟度TRL1~9（越大表度越越快），列23氫相圖12 當前23種電解水制氫相關技術的TRL對比派堿（ALK）、質子交換膜電解水（PEM）、固體氧化物電解水（SOEC）和陰離子交換（AEM）。其中，堿性電解水和質子交換膜電解水技術已經TRL8-9，也就是達到了成熟可規(guī)模化的階段。固體氧化物TRLALK、PEM本更低），但尚未進入規(guī)?；A段。而陰離子交換膜電解水仍處于技術開發(fā)階段，距離規(guī)?；€有一段較長的距離。另外，電解槽作為電解水制氫的核心設備，規(guī)?；潭纫仓档藐P注。雖然其早在十九世紀初就在英國誕生，但至今依然面臨技術要求高、制造成本高的問題。因此，仍然需要行業(yè)進一步開發(fā)技術、標準化系統(tǒng)應用、努力提高制造能力，并準備在未來十年甚至更長時間內，實現大規(guī)模供應電解槽。以堿性電解水（ALK）為例，展示了各主要組成部分及其功能，詳見下圖13和下表5。圖13堿性電解水（ALK）的系統(tǒng)構成示意圖表5 堿性電解水（ALK）的組成部件及其功能序號部件作用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，得到99.99%的純氫3氫氣純化裝置（可選）如果需要，氫可以進一步純化到燃料電池質量(99.998%)4給水系統(tǒng)將自來水轉化為清潔的去離子水，適合電解槽使用5控制系統(tǒng)集中的數據中心場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換為可供電解槽使用的直流電。由于變換器負載是電解器，而電解器制氫量與供電電流有關，因此制氫用的功率變換器需要同時滿足低壓大電流且輸出電流紋波低的要求。通過對新能源制氫的電力電子變換器進行了分類和討論，梳理出如下圖14所示的不同種類的電解制氫電源。圖14 電解制氫所用到的電源類別在光伏制氫中，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變換器需滿足高降壓比。通過從降壓能力、電流紋波、開關管電壓應力、效率及成本等方面對相關DC/DC變換器進行比較：不同變換器有著其自身的優(yōu)缺點和適用場合。在DC/DC變換器中：交錯并聯類型的Buck變換器更適用于新能源制氫場合，特別是改進占空比擴展交錯Buck變換器，無論是在降壓能力、輸出電流紋還傳統(tǒng)Buck變換器在電流紋波方面表現一般，但是成本方面具勢。抽頭電感型變換器在電流紋波方面表現最差，原因是其電流紋波與匝數比n的平方成正比。開關-X型變換器只有一個開關管，控制簡單，但是電流紋波大。對于隔離DC/DC變換器，半橋DC/DC變換器更適合高降壓比的場合，而多端口變換器適合光-氫儲的小功率系統(tǒng)在小型數據中心的此外，可采用在變壓器一次側應用三電平拓撲，在變壓器二次側應用倍流整流電路的方式進一步減小開關管電壓應力，提高電流輸出能力。風電制氫功率等級通常大于光伏制氫，并且主要采用AC/DC整流器為電解器供電，目前功率最大已達兆瓦級。1）在面向大型或超大型數據中心的大功率應用場合，單級AC/DC變換器采用晶閘管相控整流器，技術成熟，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用于兆瓦級大功率堿性電解槽供電；2）電流源型整流器在未來應用于中小功率電解器供電的可能性較大。另一方面，雙級AC/DC整流器具有PF高、THDi低和輸出電流紋波小等優(yōu)點，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Buck變換器結合橋式整流方案。（二）數據中心儲氫和運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，氫能即將迎來新的歷史機遇和發(fā)展契機，但是目前氫氣生產主要來源于化石能源及工業(yè)副產品，綠氫占比較少。未來，如何實現大規(guī)模高效率新能源制氫仍然存在諸多技術挑戰(zhàn)，如綠電成本、產氫效率、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一步深入研究?？垂倘贿@潛很氫核數據中心氫能供電的主要風險并不是發(fā)生在制氫和用氫階段，而是發(fā)生在儲運階段。目前，氫能的儲運技術主要包括以下四種：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固態(tài)材料儲氫。表6 不同的氫能的儲運技術對比比較項目低溫液態(tài)高溫氣態(tài)有機液態(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利用固體進行物理吸附或化學反應裝備液化裝置、液氫儲罐儲氫罐、管道供熱儲氫裝置固體材料優(yōu)點密度高、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、無需高壓缺點耗能大、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、成本高運輸工具液氫槽罐車管道/長管拖車槽罐車貨車單車儲運量（kg）40003000/連續(xù)20002