2023数据中心氢能应用白皮书.pdf

1数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007编号 ODCC-2023-02007数据中心氢能应用白皮书开放数据中心委员会2023-09 发布III数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007前前 言言对在全球气候问题不断凸显的当下，能源体系脱碳化是实现可持续发展的关键。氢能有着来源广泛、清洁以及安全可控等特点，将成为能源体系脱碳的重点。全球很多政府都制定了相关政策来激励氢能的发展和应用，例如在中国，氢能和燃料电池预计将为实现2060 年国家碳中和的官方承诺发挥重要作用，并已被纳入多项经济发展计划和政策。目前，氢能产业发展特别是其在数据中心应用，仍面临着成本较高、技术不够成熟、配套设施不够完善等亟待解决的难题，需要全产业链参与进来共同促进氢能产业未来商业化发展和落地。ODCC 始终关注数据中心技术以及氢能产业及其应用的发展，联合相关单位共同编写本白皮书，对数据中心氢能系统现状、需求和当前主流氢能系统等方面进行了详细的梳理，以期更进一步推动数据中心氢能技术的发展。本文感谢以下起草单位（排名不分先后）：中国信息通信研究院、维谛技术有限公司、北京大学、西安交通大学、西安理工大学、中讯邮电咨询设计院有限公司、百度在线网络技术（北京）有限公司、秦淮数据集团等。起草人（排名不分先后）：田军，吴健，张迪，吴华勇，董龙龙，杨瑛洁，朱莉，查帅荣，蔡基勇，冯臣，李莺，雷爱民，韩会先，李星，刘欣，邹远耀等。IV数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组。V数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007目目 录录版权声明.I编制说明.II前言.III一、范围.1二、引言.1三、缩略语和相关术语.2四、数据中心氢能应用前景.4（一）应用场景及技术方向.4（二）行动路线.4（三）可行性分析.5五、氢能数据中心主要技术架构.11（一）氢能 IDC 机柜级供电+综合能源架构.11（二）氢能 IDC 低压供电+综合能源架构.12（三）氢能 IDC 高压供电+综合能源架构.13（四）氢能 IDC 风能、光伏供电+综合能源架构.14（五）氢能备电+综合能源架构.15六、氢能在不同规模数据中心场景的解决方案.16（一）边缘/小型数据中心氢能解决方案.17（二）大型/超大型数据中心氢能解决方案.20七、与数据中心相关的制、储/运氢及交易氢.22（一）数据中心制氢解决方案.22（二）数据中心储氢和运氢解决方案.27VI数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007（三）数据中心氢能交易平台.29八、总结.301数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007数据中心数据中心氢能应用白皮书氢能应用白皮书一、一、范围范围本文主要讨论范围是数据中心的氢能系统，及其在数据中心中的应用。二、二、引言引言人类使用化石能源而引起的气候变化，已经使人类和其他生物面临地球上第六次大规模生物灭绝的风险。气候变化已经成为当今全人类面临的重大全球性挑战。目前全球已经有超过 120 个国家和地区提出了碳中和目标，全球形成了难得的政策与利益一致点。碳中和目标影响广泛、意义巨大。未来将为人类社会带来深刻的变革。实现碳中和，需要每个国家和个人的共同推动。我国也在 2020 年提出了“30/60”碳达峰、碳中和目标。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体，成为实现碳中和目标的重要选择。氢能作为应对气候变化、建设脱碳社会的重要手段，受到世界各国的广泛关注。氢能也是我国能源战略布局的重要部分。2022 年 3 月，国家发展改革委、国家能源局联合印发氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年），以实现“双碳”目标为总体方向，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，也是战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。规划提出了氢能 4 大示范应用场景，明确要依托通信基站、数据中心、铁路通信站点、电网变电站等基础设施工程建设，推动氢燃料电池在备用电源领域的市场应用。2数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007氢能作为高效低碳的能源载体，绿色清洁的工业原料，必将成为国家“30/60”碳达峰、碳中和目标的有力武器和重要举措之一。数据中心作为传统的能源消耗大户，一直面临着低碳、绿色发展的迫切压力。氢能作为一种清洁能源应用于数据中心建设，已经具备一定条件的可行性，未来有望获得快速发展。三、三、缩略语和相关术语缩略语和相关术语灰氢灰氢：通过化石燃料（例如石油、天然气、煤炭等）燃烧产生的氢气，在生产过程中会有二氧化碳等排放。目前，市面上绝大多数氢气是灰氢，约占当今全球氢气产量的 95左右。蓝氢蓝氢：将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。虽然天然气也属于化石燃料，在生产时也会产生温室气体，但由于使用了碳捕捉、利用与储存（CCUS）等先进技术，温室气体被捕获，减轻了对地球环境的影响，实现了低碳制氢。绿氢绿氢：通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在生产绿氢的过程中，完全没有碳排放。FCFC：燃料电池（Fuel Cell），把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高;另外使用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，排放出的有害气体极少，使用寿命长。PEMPEM：质子交换膜（Proton Exchange Membrane）是质子交换膜3数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。BOPBOP：除了燃料电池堆本身之外，系统中用于支持和管理燃料电池正常运行所需的各种组件和系统（Balance of Plant）。包括各种辅助设备、管道、控制系统和配件，用于处理氢气供应、氧气供应、冷却、循环、水管理、气体处理、压力控制、废气处理等。PMCPMC：能源管理机柜（Power Management Cabinet），在内部集成了燃料电池系统（包括 DC/DC 变换器）、锂电池、逆变器、RDU、配电单元和交换机或服务器等部件，各部件均为模块化设计。AWEAWE：碱性水制氢，是产业化发展时间最长、现阶段技术最为成熟的电解制氢技术，其以氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，以石棉膜为隔膜，通电将水分子进行电解得到氢气和氧气。碱水电解槽是碱水电解技术所需的核心装备，主要由槽体、阳极、阴极、隔膜等组成。EMSEMS：能源管理系统（Energy Management System)，是对园区级数据中心的电能、天然气、蒸汽、冷（热）量、和用水等能源数据进行自动监测、记录、分析，进而完成能源的优化调度和管理。总目标是建立一个全局性的能源管理系统，包括三大部分内容：能源数据采集、能源数据实时监控以及能源数据统计、分析和管理。TRLTRL：技术成熟度水平（Technology Readiness Level），是评估和描述新技术发展成熟程度的一种标准系统。它被广泛应用于科技领域，包括工程和能源等领域。TRL 以数字 0 到 9 表示不同的技4数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007术成熟度水平。四、四、数据中心数据中心氢氢能应用前景能应用前景（一）（一）应用场景及技术方向应用场景及技术方向1）从数据中心在用户侧的应用形态来看，氢能可将从单纯的电力消费者转变为电力“产消者”，实现发电与备电兼顾；2）氢作为一种二次能源，可配合绿电做长周期的针对储能发电、配合热电联供，实现园区零碳供能。（二）（二）行动路线行动路线首先，建设百千瓦级中试项目，打通氢能输入、发电、以及数据中心综合供电一体化流程，获取实际运行数据，验证燃料电池作为发电站/数据中心主用、备用电源的稳定性，及扩容能力，为日后扩容成为兆瓦级电站的设计积累实际数据；其次，建设兆瓦级试验项目，获取实际运行数据，验证燃料电池扩容级联性能，持续优化控制策略，积累氢能产、输、发、供安全运行数据和经验，保证氢能单边供电的可靠性和安全性，同时可以探索燃料电池热电联供路径，测试氢能发电/数据中心供能综合能源利用盈利能力；最后，借助国家、地方政府规模化加氢站，长距离输氢管网，建设百兆瓦级氢能发电项目作为电站/数据中心常用电源，提高氢能发电和余热利用效率，提升氢能发电的盈利能力与经济效益，实现真正意义的零碳供能。5数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007（三）（三）可行性分可行性分析析1）成本方面：氢能“零碳”发电目前主要有两种实现方式：一种是将氢能用于燃气轮机将机械能转化为电能，也就是通常说的“氢能发电机”；另一种方式是利用电解水的逆反应产生电，也就是“氢燃料电池”。根据用氢成本对比分析，氢能发电机和氢燃料电池在 2022 年时发电成本均为 2.5 元/kWh 左右，但到 2030 年，氢燃料电池的发电成本仅有 0.8 元/kWh，但氢能发电机的成本却反而升至 2.88 元/kWh。由此可知，随着氢燃料电池发电成本大幅下降，数据中心氢能应用的经济性也将逐渐体现。显而易见氢燃料电池将是大势所趋。而相比目前市电峰电平均 1.1 元/kWh 左右的价格来看，按照燃料电池 50%的发电效率来计算，氢气的售价只要降至 18 元以下，就可以与使用市电竞争。经计算与推测，上游绿氢的制造成本约在 2030 年左右实现与化石燃料或工业副产氢平价，得益于光伏大规模并网价格将小于 0.2元/kWh，碱性电解槽成本由当前 2200 元/kW 下降至 1700 元/kW，使得最终氢气的成本预计可控制在 15 元/kg 之内，这将极大的推动氢能产业快速发展。具体拆解电解水制氢的计算公式：电解水制氢成本=每生产 1 立方氢需要消耗的电量每消耗 1kWh 的电价（1kg 氢=11.2 立方氢）。6数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007由此分析，电解水制氢的成本其实主要取决于电量和电价这两个因素：制氢消耗的电量越少、电价越便宜，电解水制氢的成本就越低。按当前数据测算，当电价低于 0.3 元/kWh 时，具备较好的经济性。由于电解水制氢到氢能发电存在电-氢-电的转换过程，所以单从成本的角度分析电解水制氢成本组成，其电力成本占总成本60%以上，所以必须结合廉价的绿电资源，做风光互补耦合制氢发电模式是目前的公认路线。2）技术方面：氢能使用最核心的两个部件是燃料电池和气体供应系统。其中燃料电池是一种把燃料所具有的化学能通过电化学反应直接转换成电能、热能和其他反应物的的发电装置。其组成原理如下图 1 所示：阳极（负极）通常由铂或铂合金制成。氢气在阳极上催化分解成质子和电子。阴极（正极）通常由氧气和电子反应生成水的催化剂组成，常用的催化剂有铂、钯和铱等。7数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007图 1氢燃料电池系统的组成原理而气体供应系统主要完成流量 Q、压力 P、温度 T、湿度 H 和洁净度的控制。主要包含节温阀、散热器、氢气喷射器、背压阀、中冷器、空气压缩机等几个重要部件，参见下图 2。图 2气体供应系统的组成及功能目前，氢能发电技术关键点在于燃料电池系统发电稳定性、效8数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007率的提升，及系统使用寿命的提升。相应所采取的措施分别如下表1 和表 2 所示：表 1系统稳定性和效率的提升措施电堆质子交换膜（复合膜）技术进步，催化剂载体性能改进，效率提升 5%BOP降低电堆附件功耗，引射器，高效空压机、碳化硅元件应用，效率提升 4%系统高效的水热管理技术，精准的气体输送控制，效率提升 3%综合效率当前：42%-45%，提升至 55%（预计 2025 年后）表 2系统寿命提升措施电堆单电池电压均匀性提升，膜电极、双极板复合材料、涂层、密封技术进步BOP定制化开发，新型材料与控制系统优化系统电气控制逻辑提升综合寿命当前：2500030000h，提升至 5000060000h（预计 2025 年后）3）氢安全方面：针对氢安全系统，在数据中心使用要通过气体监测手段来避免氢气泄漏，杜绝火灾或爆炸的风险。因此，在氢能数据中心中，必须采取适当的方法来实时监测氢气泄漏，并及时采取安全措施，如通风系统、泄漏报警系统和自动关闭阀门等；遵循严格的安全标准和规定储存和处理不同状态的氢气；合理部署有效的火灾报警系统、自动灭火系统和设备；同时也要制定安全培训和操作规程来保障数据中心工作人员的安全。9数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007目前在加注、储氢、供氢、系统控制端均具备成熟的技术，后期的主要问题在于氢系统各阀类元件的国产化以提升阀件安全性能指标。相应各个环节的保护措施如下表 3 所示：表 3加氢/储氢/供氢/系统控制 4 个环节的氢能相关安全保护措施加氢1.加氢模块设置压力表、过滤器、单向阀等功能阀件，直接与加氢枪实现对接2.加氢口接地设计，消除静电储氢1.被动保护：高压保护（高压安全阀）、起火防护（TPRD）2.主动保护：低压保护、高温保护、氢气泄漏保护供氢1.过流保护（过流阀）2.过压保护（低压安全阀）控制1.针对氢系统超压、超温、过流、或氢气浓度超标问题，设置三级声、光告警2.设置告警联动措施，可配合应急风扇、百叶窗、弹开门、天窗等器件实现氢气安全泄放4）氢源与数据中心相匹配方面：近期（截至 2025 年前），主要面临着氢能数据中心选址受限所引发的问题：1可靠近副产氢丰富地区，200km 内，采用长管拖车运输氢气；2结合“三北地区”风电、光伏制绿氢资源，可就近选址，就地用氢。中期（2030 年），随着氢气储、运技术进步，中下游加氢、用氢产业划化布局，氢能数据中心用氢问题缓解：10数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-020071高压+液氢+管网运输针对不同市场和区域同步发展，可覆盖至1000km 内，数据中心用氢问题缓解；2随着“风光氢储”产业链成熟，电解槽成本进一步降低，可因地制宜布局“制、储、加、用”一体化氢能数据中心，IDC 综合能源利用具备经济效益。远期（2050 年），氢能数据中心用氢问题基本可以完全解决：1管网输氢，可覆盖至大部分城市、乡村；2具备经济性的绿电制氢，IDC 综合能源利用具备盈利能力。5）政策方面目前针对氢能数据中心已发布了一些支持政策，鼓励和支持小型模块化机房或边缘数据中心推广使用氢能源，做主用电源或备用电源应用。未来，随着地方政府对氢能数据中心具体的政策、标准及规划发布，安全评价等关键审批流程优化，氢能“安全绿色”审批通道建立，以及加氢站等基础设施完善，有助于推动氢能数据中心的进一步布局与发展。如下表 4 所示：表 4氢能在数据中心应用的相关利好政策支持政策发布时间政策内容北京市数据中心统筹发展实施方案(2021-2023年)2021.04鼓励氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房等高效系统设计和应用绿色数据中心政府采购需求标准(试行)2021.12优先选择氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房的高效系统设计方案11数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案2021.12提出支持模块化氢电池和太阳能板房在小型或边缘数据中心的推广应用氢能产业中长期发展规划（2021-2035年）2022.03明确指出，要依托通信基站、数据中心、铁路通信站点、电网变电站等基础设施工程建设，推动氢燃料电池在备用电源领域的市场应用五、五、氢氢能数据中心主要技术架构能数据中心主要技术架构氢能在数据中心的应用方案有如下几种技术发展趋势，从演进的方向上看，可以概括总结为：从低压到高压、从补充到备用、从依赖市电到引进光伏、从部分替代到完全取代油机。所有设备可以通过 UPS 或 HVDC 来供电，与不同供电制式相对应，UPS 和燃料电池+DC/AC 逆变器组合；HVDC 和燃料电池+DC/DC 变换器组合。（一）（一）氢氢能能 IDCIDC 机柜级供电机柜级供电+综综合能源架构合能源架构这种方式适用中小型数据中心，A 路主要由市电供电，仍然保留柴油发电机作为应急补充，氢燃料电池输出幅值等级较低的电压，可切入 B 路实现机柜级直供，如下图 3 所示。12数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007图 3氢能 IDC 机柜级供电+综合能源架构示意图（二）（二）氢氢能能 IDCIDC 低压供电低压供电+综综合能源架构合能源架构这种方式适用功率容量更大的中小型数据中心，A 路主要由市电供电，仍然保留柴油发电机作为应急补充，B 路仍然由氢燃料电池输出幅值等级较低的电压，但输出功率更大，通过低压配电柜，与 A 路的低压交流电实现母线联络，不再实现机柜级直供，而是通过后端的 UPS 或者 HVDC 形成双母线供电，如下图 4 所示。13数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007图 4氢能 IDC 低压供电+综合能源架构示意图（三）（三）氢氢能能 IDCIDC 高压供电高压供电+综综合能源架构合能源架构这种方式适用功率容量较大的大型数据中心，仍然保留的柴油发电机同时作为 A 路和 B 路的应急补充，A 路主要由市电供电，B路由氢燃料电池输出幅值等级较高的电压，通过高压配电柜，与 A路的高压交流电实现母线联络，同时，经过变压器降压后，通过低压配电柜，在低压侧又实现母线联络，通过后端的 UPS 或者 HVDC 形成双母线供电，如下图 5 所示。14数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007图 5氢能 IDC 高压供电+综合能源架构示意图（四）（四）氢氢能能 IDCIDC 风能、光风能、光伏伏供电供电+综综合能源架构合能源架构图 6氢能 IDC 风能、光伏供电+综合能源架构示意图这种方式适用坐落于风光等新能源富裕地区的，功率容量较大的大型数据中心，放弃掉柴油发电机，而以市电同时作为 A 路和 B15数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007路的应急补充，A 路主要由新能源供电，B 路由氢燃料电池输出幅值等级较高的电压，通过高压配电柜，与 A 路的高压交流电实现母线联络，同时，经过变压器降压后，通过低压配电柜，在低压侧又实现母线联络，通过后端的 UPS 或者 HVDC 形成双母线供电，如上图6 所示。（五）（五）氢氢能备电能备电+综综合能源架构合能源架构这种方式适用功率容量较大的大型数据中心，A 路和 B 路分别由两路相互独立的市电供电，放弃掉柴油发电机，而以燃料电池输出幅值等级较高的电压，作为 A 路和 B 路的应急补充，A 路和 B 路分别通过高压配电柜母线联络，通过变压器降压后在低压侧又实现母线联络，通过后端的 UPS 或者 HVDC 形成双母线供电，如下图 7 所示。图 7氢能备电+综合能源架构示意图16数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007六、六、氢氢能在不同规模数据中心场景的解决方案能在不同规模数据中心场景的解决方案相比于传统数据中心，采用氢燃料电池的数据中心无论规模大小，都有如下 5 个共同特点：柔性化、智能化、模块化、安全化和低碳化。这也是相较以往建设模式所具备显著的差异点。柔柔性化：性化：综合考虑氢能特殊的物化特性、使用要求和相关标准，按照实际负载容量，可以拼接柔性扩容设计，提高产品柔性，满足现场扩容需求。储氢柜支持级联，满足更长的后备时间需求，同时具备一键更换、一键加氢和一键停机等功能，多维度保护系统安全、稳定、可靠运行。智智能化：能化：运用 EMS、AI、变频氟泵、冷板液冷等先进技术，运用到系统能量管理和调优策略中。以系统负载变化为目标，考虑锂电池 SOC容量保护，区分启动、备机、运行、加载、减载、停机和切换等工况，协调燃电系统和锂电池系统配合，利用 AI 技术构建预测模型，预估系统负载变化和需求侧输出响应，提前调整燃电系统和锂电池系统逻辑输出，实时保证整机效率最优。模块化：模块化：采用全模块化设计，将数据中心建设简化为搭积木模式。首先燃电系统支持单模块独立运行或多机并联运行，可切断故障燃电系统模块，不影响其他燃电系统模块或整机运行，实现系统不停电更换、维护燃电系统。其次，逆变器可以单相或三相输出，任何一个模块故障或更换，17数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007均不影响其余模块运行。逆变器模块热拔插设计，提高了系统扩容、维护和更换的便利性。安全化：安全化：系统分舱设计，IT/CT 设备、电气、燃料电池和储氢等各功能舱体在物理上相互隔离，各自独立，系统融合，热管理独立设计，电气舱和 IT 柜、空调柜增加物理隔离。储氢舱采用独立冷板液冷，与电气舱隔离分仓设计，互不影响。储氢柜独立部署，自然散热，远离用电舱室，满足氢气快速逃逸的需求。低低碳碳化：化：目前系统整体供电以市电为主用电源，氢燃料电池作为备用，代替柴油发电机做应急电源使用。而在未来氢能成本降低到一定程度时，系统整体供电以氢燃料电池为主用电源，市电作为备用。无论是现阶段还是将来，整个氢能供电系统（前端可配置电解水制氢系统、储氢罐或储氢车，实现连续供氢）在正常运行过程中都可以做到零碳排放，且环境友好。（一）（一）边边缘缘/小型数据中心小型数据中心氢氢能解决方案能解决方案边缘/小型数据中心存在着发电效率不高，体积能量密度偏低等缺点和制约因素，而引入氢能可以让这一状况得以改善，使得氢燃料电池发电技术在小型数据中心的应用成为可能。小型边缘计算数据中心的特点是整体耗电量不高，选址相对分散，且远离办公环境。10kW 左右的电量需求，结合 35MPa 高压储氢、PEMFC 发电技术，提出了燃料电池边缘计算数据中心解决方案，如18数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007下图 9 所示。鉴于边缘计算数据中心的应用场景。燃料电池边缘计算数据中心将应用环境定义为户外或简易防护环境。在 IP55 高防护等级设计基础上，增加可拼接柔性扩容设计，满足现场灵活的扩容需求。配电一体柜、IT 柜、空调柜和储氢柜可自由组合为不同功率密度的集成系统，满足从 2.525kW 边缘计算小型数据中心应用场景。储氢柜支持级联，满足更长的后备时间需求，同时具备一键更换、一键加氢和一键停机等功能，多维度保护系统安全、稳定、可靠运行。图 8边缘/小型数据中心场景的氢能柔性拼接方案氢能在边缘/小型数据中心场景的柔性拼接组成方案由储氢柜、PMC 柜（包含：配电仓和燃料电池仓）、设备柜、空调柜和监控系统，共 5 部分组成，分别具体介绍如下：1）储氢柜：符合标准机柜的宽度 600mm/800mm，储氢柜可柔性扩展，满足不同的系统运行时长需求。在储氢柜中，可以内置多个35MPa 的 III 型储氢瓶，储氢量约 10kg。如下图 9 所示，储氢柜内置加氢口、压力表、储氢瓶、瓶口阀、19数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007减压阀、氢控制器及其它管阀件，主要作用是为燃料电池发电单元提供氢气，同时需设置氢气的压力、温度、浓度监测功能，确保氢能系统使用过程安全、可靠。图 9储氢柜内部组成原理2）PMC 柜：内置燃料电池系统（集成 DC/DC 变换器）、铁锂电池、DC/AC 逆变器、监控单元、配电单元（PMU）和交换机等部件，各部件均为模块化设计。a)燃料电池系统：作为氢能发电单元，其利用氢气与氧气的化学反应产生电能原理，通过 DC/DC 变换器稳压后向外部的负载侧输出电力。b)铁锂电池：由于燃料电池瞬态响应还有提升空间，锂电单元一方面做燃料电池功率变载时的电能补充，另一方面用于整个系统的备用电源应用。c)其它配电单元：包括配电单元 PMU，DC/AC 逆变器、监控单元等；3）设备柜：用于安装固定服务器、交换机等 IT/CT 设备；20数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-020074）列间空调柜：为设备机柜和 PMC 柜配电仓提供热管理；5）监控系统：通过多种协议管理内部功率变换器、各种传感器、空调系统等部件；而氢系统采用二级监控架构，连接和上传到上一级监控系统中。（二）（二）大型大型/超大型数据中心超大型数据中心氢氢能解决方案能解决方案目前国内大型或超大型数据中心尚属起步的预研阶段，而国外近两年取得了示范性案例可供参考，以下图 10 所示的微软氢能应用数据中心为例：该项目在两个 40 英尺集装箱中使用了零排放的氢燃料电池，提供 3MW 的用电容量，这是向数据中心零碳后备电源迈出的标志性的一步，也是代表了替代柴油发电机，实现数据中心无柴油的趋势。图 10（a）微软氢能应用数据中心侧视图21数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007图 10（b）微软氢能应用数据中心俯视图它基于大容量 PEM 燃料电池技术，结合氢和氧，产生电、热和水。在该站点，产生的电力被输送到模拟整个数据中心的电力消耗的假负载（加热装置）。每个装有燃料电池的集装箱顶部都装有超大尺寸的散热器风扇盖。其他基础设施包括用于在燃料电池启动时吸收负载的电池（白盒）和用于在原型系统测试期间模拟数据中心负载的负载组（蓝盒）。由此可以进一步再提出一种可行性方案：从长远来看，廉价的可再生能源（弃光或弃风）可以使绿氢成为现实。未来在发电端，因地制宜在一定的数据中心园区内，设置绿电电解水制氢装置，既可以就地消纳氢气节省输运成本，同时也可以部署余热利用设备，提高能源转换效率，提升经济效益。22数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007并且将制氢的能量来源多元化，可以根据当地峰谷电价，从市电、新能源和储能中合理调配，在园区内自主制备氢气，形成如下图 11 所示的制/储（输）/用氢一体，融合源网荷储的解决方案。图 11 制/储（输）/用氢一体，融合源网荷储的解决方案七、七、与数据中心相关的制、储与数据中心相关的制、储/运运氢氢及交及交易氢易氢氢能产业链条较长，涉及能源、化工、交通、工业制造等多个行业。除了上述数据中心应用方案中提到的下游用氢环节，氢能产业链的上游包括了制氢、储氢、运氢、加氢等氢气供应环节和相关设备、部件的研发、制造环节。（一）（一）数据中心制数据中心制氢氢解决方案解决方案随着“零碳发电”的绿色数据中心成为未来趋势，以零碳排放的方式制取绿氢电解水制氢，已经成为必然选择。但电解水制氢若想在数据中心实现规模化应用，离不开技术成熟度 TRL 的不断提高：TRL 越高，市场需求越大，规模化满足后成23数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007本将会出现大幅下降，经济性获得大幅提升，市场空间才会被彻底打开。下图 12 从技术成熟度 TRL，共分为 19 个等级，（数值越大表示技术成熟度越高，规模化实现越快），列出了 23 种电解水制氢相关技术：图 12当前 23 种电解水制氢相关技术的 TRL 对比结合市场现状，当前技术流派有以下四种：碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）、固体氧化物电解水（SOEC）和阴离子交换膜电解水（AEM）。其中，碱性电解水和质子交换膜电解水技术已经处于 TRL8-9，也就是达到了成熟可规模化的阶段。固体氧化物电解水 TRL 达到56，也就是技术示范到系统开发阶段（比 ALK、PEM 效率更高、成24数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007本更低），但尚未进入规模化阶段。而阴离子交换膜电解水仍处于技术开发阶段，距离规模化还有一段较长的距离。另外，电解槽作为电解水制氢的核心设备，规模化程度也值得关注。虽然其早在十九世纪初就在英国诞生，但至今依然面临技术要求高、制造成本高的问题。因此，仍然需要行业进一步开发技术、标准化系统应用、努力提高制造能力，并准备在未来十年甚至更长时间内，实现大规模供应电解槽。以碱性电解水（ALK）为例，展示了各主要组成部分及其功能，详见下图13和下表5。图 13 碱性电解水（ALK）的系统构成示意图25数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007表5碱性电解水（ALK）的组成部件及其功能序号部件作用1电解槽把水分子分解成氢气和氧气。2气液分离框架将氢从水中分离出来，得到99.99%的纯氢3氢气纯化装置（可选）如果需要，氢可以进一步纯化到燃料电池质量(99.998%)4给水系统将自来水转化为清洁的去离子水，适合电解槽使用5控制系统集中的数据中心场景下逻辑和安全控制系统6整流柜和变压器将交流电转换为可供电解槽使用的直流电。由于变换器负载是电解器，而电解器制氢量与供电电流有关，因此制氢用的功率变换器需要同时满足低压大电流且输出电流纹波低的要求。通过对新能源制氢的电力电子变换器进行了分类和讨论，梳理出如下图14所示的不同种类的电解制氢电源。图14电解制氢所用到的电源类别在光伏制氢中，多采用DC/DC变换器为电解器供电，由于光伏组件的直流母线电压一般高于电解器电压，所以DC/DC变换器需满足高降压比。通过从降压能力、电流纹波、开关管电压应力、效率及成26数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007本等方面对相关DC/DC 变换器进行比较：不同变换器有着其自身的优缺点和适用场合。在 DC/DC变换器中：1）交错并联类型的Buck变换器更适用于新能源制氢场合，特别是改进占空比扩展交错Buck变换器，无论是在降压能力、输出电流纹波还是开关管电压应力方面综合表现突出。2）传统Buck变换器在电流纹波方面表现一般，但是成本方面具有优势。3）抽头电感型变换器在电流纹波方面表现最差，原因是其电流纹波与匝数比n的平方成正比。4）开关-X型变换器只有一个开关管，控制简单，但是电流纹波较大。5）对于隔离DC/DC变换器，半桥DC/DC变换器更适合高降压比的场合，而多端口变换器适合光-氢储的小功率系统在小型数据中心的应用。此外，可采用在变压器一次侧应用三电平拓扑，在变压器二次侧应用倍流整流电路的方式进一步减小开关管电压应力，提高电流输出能力。风电制氢功率等级通常大于光伏制氢，并且主要采用AC/DC整流器为电解器供电，目前功率最大已达兆瓦级。27数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-020071）在面向大型或超大型数据中心的大功率应用场合，单级AC/DC变换器采用晶闸管相控整流器，技术成熟，可靠性高，如2脉波晶闸管桥式整流器和6脉波晶闸管双星形整流器已成功应用于兆瓦级大功率碱性电解槽供电；2）电流源型整流器在未来应用于中小功率电解器供电的可能性较大。另一方面，双级AC/DC整流器具有PF高、THDi低和输出电流纹波小等优点，适合低压中小功率电解槽。考虑到冗余性和电流纹波，可采用带三相交错Buck变换器结合桥式整流方案。（二）（二）数据中心储数据中心储氢氢和运和运氢氢解决方案解决方案随着全球氢能战略的不断深化，在“碳中和”的愿景下，氢能即将迎来新的历史机遇和发展契机，但是目前氢气生产主要来源于化石能源及工业副产品，绿氢占比较少。未来，如何实现大规模高效率新能源制氢仍然存在诸多技术挑战，如绿电成本、产氢效率、用氢安全等。电力电子变换器作为新能源制氢系统中的核心装备，在转换效率、可靠性、功率密度、规模化协同控制及稳定性等方面仍有待进一步深入研究。从可持续发展的角度来看，数据中心用氢能供电固然好，但这一巨大潜在风险在很大程度上限制了氢能在数据中心的规模化应用。因此，如何有效管理氢安全、保证零事故是最核心前提。28数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007数据中心氢能供电的主要风险并不是发生在制氢和用氢阶段，而是发生在储运阶段。目前，氢能的储运技术主要包括以下四种：低温液态储氢、高压气态储氢、有机液态储氢和固态材料储氢。表 6不同的氢能的储运技术对比比较项目低温液态高温气态有机液态固态材料密度（%）5.7101.05.75.07.21.04.5原理高压低温下液化压缩在耐高压容器催化加氢反应，需要时脱氧反应利用固体进行物理吸附或化学反应装备液化装置、液氢储罐储氢罐、管道供热储氢装置固体材料优点密度高、纯度高、输送效率高成本低、能耗低、充放电速度快密度高、成本较低、安全性高密度高、安全方便、无需高压缺点耗能大、成本高、易挥发密度低，存在安全隐患纯度低、需配加氢脱氢装置、成本高密度低、有温度要求、成本高运输工具液氢槽罐车管道/长管拖车槽罐车货车单车储运量（kg）40003000/连续20002000技术水平成熟发展较快产业示范产业化前期应用场景国际、规模化、长距离跨区域、城市内规模化、长距离/从上表 6 对以上四种储运技术的多维度对比可以看出，高压气态储氢是当前我国主流的发展方向，具体包括高压氢气瓶和固定式29数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007储氢高压容器，但目前都面临安全隐患大的问题，具体包括两类风险：一类是高压氢气瓶在移动运输过程中存在发生容器爆破或氢气泄漏的风险。一般来说，为了保证安全性，高压氢气瓶需要使用由碳纤维外层和铝/塑料内胆构成的新型轻质耐压储氢容器，国外目前已经普遍采用 70MPa 碳纤维缠绕 IV 型瓶，但目前我国仍以35MPaIII 型瓶为主，主要原因是国内高端碳纤维技术尚不成熟，暂时无法规模化生产。另一类是金属材料的高压储运设备发生氢脆，从而导致氢气泄漏爆炸。氢脆是氢能在储运阶段最大的风险。简单说，氢脆就是氢元素由于很小，可以很容易溶解进入到许多金属材料中，当大量氢元素进入到了金属内部，氢原子就会变成氢分子，然后在内部产生巨大压力，从而导致断裂发生。而且设备的等级越高、压力越大，氢脆发生的概率就越大。（三）（三）数据中心数据中心氢氢能交能交易易平台平台随着碳交易和绿电交易的方兴未艾，可以看到氢能作为一种重要的绿色能源也有其独特的商业价值，可以为与数据中心相关的制氢、运氢、储氢、用氢产业链上下游的客户提供 B2B 的交易服务，实现数据中心的成功运营和健康成长。氢能交易平台体系是指为促进氢能市场的发展和促进氢能交易而建立的一系列相关平台和系统。以下是关键组成部分：30数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007氢能市场平台：为氢能生产商、供应商和需求方提供交易和市场机制。这些核心平台通常提供氢气的定价、交易撮合、合同管理和结算服务。氢能交易平台：提供在线交易平台或应用程序，使氢能市场参与者能够直接进行交易和信息共享。氢能数据平台：用于收集、处理和分析与氢能市场相关的数据，并为市场参与者提供市场洞察和决策支持。可以整合各种数据源。氢能证书系统：类似于可再生能源证书（RECs）的机制，用于追踪和认证氢能的产生和使用。可以确保氢能的可持续性和环境效益。随着氢能市场的不断发展，建立一个完善的氢能交易平台体系将有助于促进氢能的广泛应用特别是在数据中心的市场化。八、八、总结总结氢能有着来源广泛、清洁以及安全可控等特点，是实现国家“双碳”目标和达成数据中心能源体系脱碳化的关键要素，然而其在全国乃至全球范围内尚处于起步阶段，并没有规模化成熟应用。本白皮书通过剖析数据中心氢能系统的核心技术，结合不同规模的数据中心典型场景，提出了与之对应的结合氢能技术的供配电解决方案，及与之相关的制备和储运等实现方式。希望能对数据中心行业低碳建设和运营提供一定参考价值和借鉴意义。31数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007数据中心氢能应用的前景非常广阔，可以帮助数据中心实现更加可靠、稳定、环保和经济的电力供应。尽管目前氢燃料电池技术还存在一些挑战和限制，但是随着技术的不断发展和应用范围的扩大，相信氢能将成为未来数据中心可持续发展的重要组成部分。