2023数据中心氢能应用白皮书

数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 1 [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 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 编写组 项目经理： 吴华勇维谛技术有限公司工作组长： 李代程百度在线网络技术（北京）有限公司贡献专家： 田军维谛技术有限公司 吴健维谛技术有限公司 张迪维谛技术有限公司 董龙龙维谛技术有限公司 朱莉维谛技术有限公司 查帅荣维谛技术有限公司 蔡基勇维谛技术有限公司 雷爱民维谛技术有限公司 韩会先维谛技术有限公司 李星维谛技术有限公司 刘欣维谛技术有限公司 阮迪中国信息通信研究院 杨瑛洁中讯邮电咨询设计院有限公司 李莺百度在线网络技术（北京）有限公司冯臣秦淮数据集团 邹远耀西安理工大学 II 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 前言 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。 III 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。 IV 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 目录 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27 V 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30 VI 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 数据中心氢能应用白皮书 一、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、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。 1 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、缩略语和相关术语 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：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：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。 FC：燃料电池（FuelCell），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。 PEM：质子交换膜（ProtonExchangeMembrane）是质子交换膜 2 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，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。 BOP：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（BalanceofPlant）。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。 PMC：能源管理机柜（PowerManagementCabinet），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。 AWE：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。 EMS：能源管理系统（EnergyManagementSystem)，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。 TRL：技术成熟度水平（TechnologyReadinessLevel），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 3 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 术成熟度水平。 四、数据中心氢能应用前景 （一）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）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。 4 数据中心氢能应用白皮书ODCC-2023-02007 （三）可行性分析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）。 5 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