氫能源在綠色數據中心中的應用現狀及前景分析

0 概述

數據量的爆發性增長、云計算的興起將對數據中心建設產生巨大推力，推動了數據中心產業的快速發展。根據Gartner 的統計，2011 年，全球云計算服務的市場規模為900 億美元，2012 年全球公有云支出增長了18.6%，達到1 103 億美元，到2016 年云計算的三大服務模式IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）的復合年均增長率分別達到41.3%、27.7%和19.5%。中國占全球云計算市場份額雖然不到3%，但卻以每年40%的速度增長，2016 年IDC 服務市場總規模已達到39億美元，增長率持續上升的原因主要來自增值業務的快速增長。國內IDC 運營商主要集中在北京、上海、廣東三地，貼近IDC 消費的客戶，上海區域市場份額在國內市場占比在13%以上，近兩年客戶對機柜資源的需求會集中釋放。

隨著IT技術的飛速發展，IT設備密度越來越高，傳統低密度機柜已經不能滿足市場需要且浪費資源；傳統機房因建設周期長，已經向微模塊機房轉變。微模塊機房建設周期短，成本可控，技術等級高，管理方便；單純售賣物理資源收益低，更多向虛擬云計算資源轉變，提供更多增值服務，獲取高收益。

本文分析了數據中心在“雙碳”形勢下面臨的轉型需求，介紹了氫能源在數據中心應用的國內外案例，分析了典型數據中心的能源結構。基于氫能源的特點，結合數據中心的典型場景對應用氫能源的可行性進行分析，提出氫能在數據中心的應用前景。

1 氫能在數據中心應用的國內外現狀[1-4]

基于氫能的特點，隨著氫能運用，已有不少公司在探索將氫能應用于數據中心。

美國新能源國家實驗室（NREL）啟動了實驗論證項目。 燃料電池采用PEM（質子交換膜）70 kW氫燃料電池，提供380 V的DC直供給兩個機架，氫氣供應管道連續供氫，燃料電池產生的余熱通過屋頂集中排出。在使用場景的選擇上，計劃通過DC短路切換、N+1 冗余、完全替代UPS 和備用柴發等三個方向實現應用。

實踐性教學就是要求教師構建自己的教學理論，將自己的實踐理論化，在實踐中不斷完善和發展。實踐性的核心是教師的職業敏感性。教學是一個動態的過程，隨著經濟社會發展不可能一成不變。在教師的日常教學中，教師應當能夠將教學實踐理論化，將教學理論實踐化[5]。外語教學專家要尊重教師積累的經驗，并鼓勵教師觀察、反思自己的教學過程，將教學理論付諸于實踐的同時發掘自己的教學潛力。

國內的華為公司對數據中心進行了系統分析，認為數據中心是數字經濟的底座，占社會用電量2%的數據中心，支撐占GDP 36.2% 的數字經濟規模，大數據中心是新基建七大核心領域之一。華為數據中心提出能源解決方案助力打造零碳數據中心。

Ebay公司的數據中心項目，功率采用6 MW的燃料電池，場景替代柴發作為備用電源，燃料電池選擇SOFC（固體氧化物燃料電池），燃料采用天然氣作為原料氣。燃料電池在國外代表性公司的應用見表1。

蘋果公司的數據中心項目，采用功率達4 MW的燃料電池，應用的場景選擇替代柴發作為備用電源，燃料電池選擇了SOFC（固體氧化物燃料電池），燃料采用生物質燃料作為原料氣，后續規模準備擴展做到20 MW。

對于新建的數據中心，針對所存在的能效低、施工三廢多、建設周期長（＞2 年）等痛點，樹立了“全生命周期綠色DC”的目標，提出三條技術路徑：一是創新建設模式，包括預制模塊化建設、園區疊光、綠電引入等；二是高效用能，包括高效溫控、自然冷源、高效供電等；三是AI 輔助運維，包括數字孿生、可視化運維、AI能效系統級優化等。

PUE——全部設備能耗/IT設備能耗；

應用場景三：替代空調。

中華龍舟大賽是目前國內級別最高、競技水平最高、獎金總額最高的龍舟賽，從2011年開始登上歷史舞臺，由國家體育總局社會體育指導中心、中央電視臺體育頻道、中國龍舟協會主辦，中視體育娛樂有限公司與賽事舉辦地政府共同承辦。

2 數據中心用能分析

衡量數據中心能耗水平主要有如下兩個指標：

其中：

比如進行《美麗的春天》寫話練習時，首先說詞語——進行相關詞語拓展，讓學生說出有關描寫春天的優美詞語有哪些？在學生交流之后，老師進行簡單梳理，讓學生有選擇地摘抄在習作本上，為寫出精彩的語段作好鋪墊。然后說句子——要求學生把話說完整，說生動，引導學生會運用課本中學到的優美語句，如“桃花漲紅了臉，柳樹搖著綠色的長辮子”等，并仿照這樣的句型進行其他語句訓練，為寫話打下堅實的基礎。最后說語段——在教學中，教師要對學生進行語段順序的指導，讓學生把話說完整并條理清楚表達出來。整個過程由連詞成句，連句成篇，由易到難，降低了寫話的難度，學生有話可說，有話可寫。

DCE——IT設備能耗/全部設備能耗。

1) 對比A、B、D 3個模型骨架曲線(圖8)可以發現，模型B的極限承載力較模型A增長57.64%，模型D增長38.3%.可以發現增設抗震墻后結構的承載能力明顯提高，同時也可以得出抗震墻布置在跨中時結構的極限承載力提高幅度最大.

數據中心消耗的能源資源涉及電力、水，其中主要消耗的能源為電力，以某萬臺套標準機柜（20 A/機柜、約4.2 kW/機柜）進行測算。項目總用電能為66 976.18 萬kWh，其中IT 設備用能為47 455.37萬kWh，則PUE=1.411，傳統數據中心的能耗構成見圖1。

IT設備、制冷系統是今后進一步提高PUE的重點。目前，上海地區的代表性數據中心的PUE少部分達到1.3，大部分為1.4，上海市要求1.3 以下，需要進一步降低PUE。某典型數據中心的實踐表明，通過使用新技術，IT 設備的能耗70%→50%，制冷系統35%→25.75%，供配電系統10%→2%，照明及其它5%→1.2%。FC 的應用場景應該聚焦于IT設備和制冷系統，而在照明及其它補充PUE的計算公式，系統中的應用可能相應難度較小。

3 典型數據中心應用氫能源的場景可行性分析

考慮到氫能具有零碳的特色，其在數據中心的應用主要功能是為數據中心提供綠電，打造零碳數據中心。目前氫能發電的主要設備是燃料電池，燃料電池最主要的典型產品是質子交換膜燃料電池（PEM），如果用到IDC 需要分析IDC 的供能系統，找到最佳的切入點。

3.1 燃料電池在IDC應用場景的理論分析

根據前文的分析可知，數據中心的主要供能分布在IT設備系統的供電、空調等系統的供冷。

燃料電池是一種高效的發電系統，有更高的發電效率，同時也放出余熱，如果能把電能和余熱能結合使用，將獲得更高的效率，見圖2。

從供電端的切入，可以有如圖3的三個切入點，分別為市電供電端、UPS端和機柜端。

市電端的電壓一般為10 kV，接入端的電力都需要滿足這一條件。目前現有的輸入端電力，一般包括風電、光伏電、儲能電和柴發電。

UPS端和機柜端，比較典型的供電是85~138 VAC的電壓范圍，電池采用鉛酸電池和鋰電池的結合，其中鉛酸電池的電壓為360～528 Vdc，鋰電池為512 Vdc，輸出端需要滿足機柜0.5 kW，220 V交流電的用電需求。

結合上述IDC 供電的需求，如果采用燃料電池，需要有一個明確的定位。以往通過風光電+儲能電的形式已經可以實現IDC供電的綠電為主，市電為輔的模式，并且開始具有經濟性。當采用燃料電池時，必須有一個明確的定位，才能凸顯燃料電池的使用優勢。氫能源在數據中心中可能的應用場景見圖3。

全面貫徹執行“預防為主，綜合防治”的植保方針；牢固樹立公共植保、綠色植保的理念；堅持以農業防治、物理防治、生物防防治為主，化學防治為輔的綠色農產品防治技術原則。

氫燃料電池的效率約為40%~60%，可以理解為每產生1 kWh 電能，就會發出5 400 kJ 的熱量。視燃料電池的功率，如果燃料電池的效率為50%，則產生的熱能和產生的電能相同溫度與燃料電池類型有關，質子交換膜燃料電池排出的熱量大約在50～90 ℃。一般需要采取風冷或者液冷，通常需要采用冷卻水箱或余熱處理系統吸收或處理PEMFC 發電機運行產生的熱量，保障發電環境不超溫。將PEMFC 燃料電池的余熱進行再利用，如用于工程除濕、空調等，實現電熱聯產聯供，可大幅提高燃料利用效率，具有極好的發展與應用前景。

微軟供氣啟動了氫能替代方案，燃料電池功率采用250 kW 的PEM（質子交換膜）燃料電池，給10個機架供電。目前已完成24 h持續供電實驗，正在進行48 h供電實驗，未來將擴展到3 MW，實現直接替換單個備用的柴油發電機。

目前雙元混合工質噴射式制冷系統發生器熱源溫度可低至60 ℃；兩級溴化鋰吸收式制冷機驅動熱源溫度為65～75 ℃，取平均值70 ℃；常規溴化鋰吸收式制冷機驅動熱源溫度高于88 ℃，本文取90 ℃。冷熱電聯供的質子交換膜燃料電池系統額定發電功率不小于200 kW，發電效率≥50%，70 ℃余熱條件下、制冷效率≥40%，系統供電制冷效率≥70% LHV，熱電聯供總效率≥85%。

3.2 燃料電池典型應用場景

數據中心用的柴油發電機多為康明斯柴油發電機系列，其功率分布主流為1 800 kW，功能主要是作為市電的一路備用電源。燃料電池替代柴發功能示意圖見圖4。

農業是靠“天”吃飯的產業。如果不能提高對自然災害的防御能力和自救能力，那么一旦發生氣象災害，就會出現無法控制的局面，在農業生產中造成無法估量的損失。防御技能不完善是制約農業發展的重要因素之一。所以當前農業發展面臨的最大問題就是如何做好氣象防災減災工作。當氣象科技的作用得到充分發揮時，就能最大限度地減輕農業生產中各個環節的損失，這不僅有助于農業農村經濟發展，還能加快社會向前發展的步伐，而且對促進人類與自然的和諧發展具有重要意義。

應用場景一：替代柴發。

應用場景二：替代高壓直流供電系統（HVDC）。

Case 1.The two sources exhibit both uniform distribution.

2) ROS與Rovio的通信部分：ROS發出速度指令至Rovio平臺，Rovio將當前實際速度值發布到Odom主題，以提供給其他節點訂閱。

[2]維晨佐·阿蘭喬·路易茲：《羅馬法中的委任》，拿波里：Jovene出版社，1965年，第17頁及以下；朱塞佩·普羅維拉：《委任(歷史)》，載《法學百科全書》1965年(第25卷)，第313頁；雷默·馬爾蒂尼：《羅馬法中的委任》，載《私法學說匯纂(民法)》1994年第11卷，第198頁及以下；柯珀拉·比薩扎：《從 iussum domini到contemplatio domini：代理史研究》，米蘭：Giuffrè出版社，2008年，第206頁及以下。

高壓直流供配電技術(HVDC)是在供配電系統中將交流電進行轉換,轉換成為穩定的直流電,然后再應用到供配電中。HVDC 供配電技術不存在感抗,容抗也在線路中不起作用,不存在同步問題。高壓直流供電，提高供電系統可靠性，減少UPS 占地面積，降低機房建設及維護成本。高壓直流供電方案減少機房供電轉換層級，提高系統供電效率15%～25%。考慮到燃料電池本身的輸出是直流，將燃料電池用于替代HVDC 也具有可行性。兆瓦級的燃料電池直流供電系統見圖5。

那么，從什么時候開始就讓孩子意識到他不是家庭的核心比較好呢？按照《法國媽媽育兒經》的說法，從孩子嬰兒期就可以開始，不是他餓了，就第一時間送上食品；也不是他想半夜起床7次，父母就跟著睡不到好覺……聽上去法國父母好像蠻冷血的，我們不一定要做到那么嚴苛，但至少可以做到不要在孩子面前，24小時、365天都是犧牲狂。要知道，很多熊孩子，不一定是因為父母特霸道，恰恰是因為父母在他面前，太圣母太圣父。

對已經建成的數據中心存在的老舊供電設備效率低、故障率高、占地面積大、傳統冷凍水系統能耗高、人工調節效果差等痛點，提出“供電改造”和“溫控改造”兩條技術路徑，并擬定了高密高效，5年收回投資。模塊化設計，5 min維護的改造目標，最終實現PUE降低8%~15%，ROI＜1a。

傳統的數據中心機房制冷系統見圖6和圖7。

綜上所述，集合燃料電池可以冷、電等聯供的特點，結合數據中心的需求，在柴油發電機替代、HVDC 和制冷等方面均有應用前景，另外在機柜制冷等領域也有應用的可能性。

關于燃料電池系統還需要從以下方面進行工作，包括氫能制備及儲運、燃料電池供電入網技術、燃料電池應用場景、效果評價等四大部分，可以細化為以下七個研究部分：

腦脊液（CSF）的正常壓力（側臥位）：成人為0.78～1.96 kPa，嬰兒及兒童為 0.39～0.98 kPa，新生兒為 0.098～0.14 kPa（10～14 mm 水柱）。CSF的分泌和吸收保持相對平衡，當CSF壓力＜正常值下限，CSF分泌增加，吸收減少；CSF壓力＞正常值上限，CSF分泌減少，吸收增加［3］。腦脊液產生的速率為0.3ml/min，日分泌量432 ml。腦脊液的存在能緩沖腦和脊髓的壓力，對腦和脊髓具有支持和保護作用。

1）制氫儲氫系統研制；

2）FC接入IDC能源供應系統最佳模式研究；

3）適用于數據中心的百千瓦級燃料電池供電系統的研制；

4）兆瓦級PEM 燃料電池替代柴發供電可行性研究；

5）百千瓦級PEM 燃料電池替代UPS（HVDC）供電可行性研究；

6）千瓦級SOFC 燃料電池替代局部制冷系統可行性研究；

7）燃料電池在數據中心綠色用能轉型中的效果評價。

4 后續應用展望及研究

燃料在數據中心具有應用場景，具體的應用落地應綜合考慮氫氣制備、氫氣儲運、FC選型，與現有系統的接入等問題，同時緊緊圍繞綠色數據中心的評價標準，最終才能實現既具有技術可行性，又具有性價比的應用場景。

［1］喬卿丞.綠色數據中心發展趨勢分析［J］.中國管理信息化，2021(10):109-110.

［2］施耐德電氣數據中心全球科研中心.2021，數據中心行業十個發展趨勢［J］.經理人，2021(3):18-19.

［3］竇暉，齊勇，王培健，張愷玉.一種最小化綠色數據中心電費的負載調度算法［J］.軟件學報，2014，25(7):1448-1458.

［4］吳剛，高賜威，陳宋宋，李德智，劉強.考慮需求響應的數據中心用電負荷優化研究綜述［J］.電網技術.2018(11):3782-3788.