2023数据中心氢能应用白皮书-39页.pdf

1 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 [ 编号 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 ] 数 据 中 心 氢 能 应 用 白 皮 书 开放数据中心委员会 2 0 2 3 - 0 9 发布I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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I I I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 2 0 6 0 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 。 O D C C 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 。I V 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 27V I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 （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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 1 2 0 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 2 0 2 0 年 提 出 了 “ 3 0 / 6 0 ” 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 。 2 0 2 2 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 （ 2 0 2 1 - 2 0 3 5 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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 “ 3 0 / 6 0 ” 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 9 5 ％ 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 （ C C U S ） 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 。 F C 燃 料 电 池 （ F u e l C e l l ） ， 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 。 P E M 质 子 交 换 膜 （ P r o t o n Ex c h a n g e M e m b r a n e ） 是 质 子 交 换 膜3 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 燃 料 电 池 （ P r o t o n Ex c h a n g e M e m b r a n e F u e l C e l l ， P E M F C ） 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 。 B O P 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 （ B a l a n c e of P l a n t ） 。 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 。 P M C 能 源 管 理 机 柜 （ P o w e r M a n a g e m e n t C a b i n e t ） ， 在 内 部 集 成 了 燃 料 电 池 系 统 （ 包 括 D C / D C 变 换 器 ） 、 锂 电 池 、 逆 变 器 、 R D U 、 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 。 A W E 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 （ K O H ） 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 。 E M S 能 源 管 理 系 统 （ E n e r g y M a n a g e m e n t S y s t e m ， 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 。 T R L 技 术 成 熟 度 水 平 （ T e c h n o l o g y R e a d i n e s s L ev e l ） ， 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 。 T R L 以 数 字 0 到 9 表 示 不 同 的 技4 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 。5 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 （ 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 2 0 2 2 年 时 发 电 成 本 均 为 2 . 5 元 / k W h 左 右 ， 但 到 2 0 3 0 年 ， 氢 燃 料 电 池 的 发 电 成 本 仅 有 0 . 8 元 / k W h ， 但 氢 能 发 电 机 的 成 本 却 反 而 升 至 2 . 8 8 元 / k W h 。 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 / k W h 左 右 的 价 格 来 看 ， 按 照 燃 料 电 池 5 0 的 发 电 效 率 来 计 算 ， 氢 气 的 售 价 只 要 降 至 1 8 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 2 0 3 0 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 / k W h ， 碱 性 电 解 槽 成 本 由 当 前 2 2 0 0 元 / k W 下 降 至 1 7 0 0 元 / k W ， 使 得 最 终 氢 气 的 成 本 预 计 可 控 制 在 1 5 元 / k g 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 1 k W h 的 电 价 （ 1 k g 氢 1 1 . 2 立 方 氢 ） 。6 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 / k W h 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 6 0 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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 25000 ～ 30000h ， 提 升 至 50000 ～ 60000h （ 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 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 2 0 2 5 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 ， ≤ 2 0 0 k m 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 （ 2 0 3 0 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 1 0 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 1 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 1 0 0 0 k m 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 ， I D C 综 合 能 源 利 用 具 备 经 济 效 益 。 远 期 （ 2 0 5 0 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 ， I D C 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1 1 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 贯 彻 落 实 碳 达 峰 碳 中 和 目 标 要 求 推 动 数 据 中 心 和 5 G 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 （ 2 0 2 1 - 2 0 3 5 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 、 氢 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 U P S 或 H V D C 来 供 电 ， 与 不 同 供 电 制 式 相 对 应 ， U P S 和 燃 料 电 池 D C / A C 逆 变 器 组 合 ； H V D C 和 燃 料 电 池 D C / D C 变 换 器 组 合 。 （ 一 ） 氢 能 I D C 机 柜 级 供 电 综 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 。1 2 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 3 氢能 IDC 机柜级供电综合能源架构示意图 （ 二 ） 氢 能 I D C 低 压 供 电 综 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 U P S 或 者 H V D C 形 成 双 母 线 供 电 ， 如 下 图 4 所 示 。1 3 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 4 氢能 IDC 低压供电综合能源架构示意图 （ 三 ） 氢 能 I D C 高 压 供 电 综 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 U P S 或 者 H V D C 形 成 双 母 线 供 电 ， 如 下 图 5 所 示 。1 4 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 5 氢能 IDC 高压供电综合能源架构示意图 （ 四 ） 氢 能 I D C 风 能 、 光 伏 供 电 综 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 B1 5 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 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 U P S 或 者 H V D C 形 成 双 母 线 供 电 ， 如 上 图 6 所 示 。 （ 五 ） 氢 能 备 电 综 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 U P S 或 者 H V D C 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1 6 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 六 、 氢 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 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