數據中心應用氫能源的現狀及展望

饒文濤,魏 煒,蔡方偉,楊建夏,李文武,吳亦偉

(寶武清潔能源有限公司,上海 201900)

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,推動數據中心產業的快速發展。受新基建政策和國家數字化轉型發展戰略利好帶動,2020年中國IDC行業快速發展,中國IDC業務市場總體規模達到2 238.7億元,同比增長43.3%。增長率持續上升的原因主要來自于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[1-2]。

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;傳統機房建設周期長,已經向微模塊機房轉變,建設周期短、成本可控、技術等級高、管理方便等;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。

本文首先分析國內數據中心的發展現狀、在雙碳形勢下面臨的轉型需求,介紹了國內外氫能源在數據中心應用的案例,分析了典型數據中心的能源結構、氫能源的特點,然后結合數據中心的典型場景進行了應用氫能源的可行性分析,最后指出氫能源在數據中心的應用前景。

1 數據中心現狀及用能分析

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,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[3-4]。

對于新建的數據中心,針對存在的能效低(實際PUE>設計PUE),施工污染大、“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,具體包括預制模塊化建設、 園區疊光、 綠電引入等;二是高效用能,具體包括高效溫控、自然冷源、 高效供電等;三是AI輔助運維,具體包括數字孿生、可視化運維、 AI能效系統級優化等。

對于已經建成的數據中心,針對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%。

2 數據中心用能分析

衡量數據中心能耗水平主要有如式(1)、(2)的兩個指標:

(1)

(2)

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=1.411,一般數據中心的能耗構成見圖1。

圖1 傳統數據中心能耗構成Fig.1 Traditional data center energy consumption composition

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1.4,上海市要求1.3以下,所以需要進一步降低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:50%→70%,制冷系統:35%→25.75%,供配電系統:10%→2%,照明及其他:5%→1.2%。FC的應用場景應該聚焦于IT設備和制冷系統,而在照明及其他補充PUE的計算公式,系統中的應用可能相對應難度較小。

3 氫能在數據中心應用的國外現狀

隨著氫能的發展,已有不少公司在探索將氫能應用于數據中心。目前氫能發電的主要設備是燃料電池,燃料電池在國外代表性公司的應用匯總見表1。

表1 燃料電池在國外代表性公司的應用匯總Table 1 Summary of the application of fuel cells in foreign representative companies

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和備用柴油發電機等3個方向實現應用。

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。

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油發電機作為備用電源,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,后續規模準備擴展到20 MW。

Ebay公司的數據中心項目,功率采用6 MW的燃料電池,替代柴油發電機作為備用電源,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。

4 數據中心應用氫能的典型場景

考慮到氫能具有零碳的特色,其應用到數據中心后的主要功能應該是為數據中心提供綠電,打造零碳數據中心。氫能發電的主要設備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。

4.1 燃料電池在IDC應用場景的理論分析

根據上面的分析可知,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,就能獲得更高的效率,見圖2。

圖2 燃料電池發電效率、熱效率、熱電聯供效率Fig.2 Fuel cell power generation efficiency,thermal efficiency,combined heat and power generation efficiency

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

圖3 氫能源在數據中心中可能的應用場景Fig.3 Possible application scenarios of hydrogen energy in data centers

市電端電壓一般為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、柴油發電。

UPS端和機柜端,比較典型的供電是138～485 V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 V,鋰電池的為512 V,輸出端需要滿足機柜0.5 kW、220 V 交流電的用電需求。

結合上面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,那么當采用燃料電池時,必須有一個明確的定位,才能凸顯燃料電池的使用優勢。

氫燃料電池的效率大概為40%～60%,可以這樣理解,每產生1 kWh電能,就會產生5 400 kJ的熱量。如果燃料電池的效率為50%,則產生的熱能和產生的電能一樣多,溫度跟燃料電池類型有關,質子交換膜燃料電池排出的溫度大約在50～90 ℃之間。一般需要采取風冷或者液冷,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,可大大提高燃料利用效率,具有極好的發展與應用前景。

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 ℃,這里取平均值70 ℃;常規溴化鋰吸收式制冷機驅動熱源溫度在88 ℃以上,這里取為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%,系統供電制冷效率≥70% LHV,熱電聯供總效率≥85%。

4.2 燃料電池典型應用場景

4.2.1 替代柴油發電機

數據中心用的柴油發電機多為康明斯柴油發電機系列,其功率為1 800 kW,功能主要是作為市電的一路備用電源。

該場景的好處是減碳功效大。燃料電池作為備用電源中的一路,可以保障供電安全,見圖4。風險相對小,缺點是對燃料電池的功率要求較大,功率達到兆瓦級,需要將多個千瓦級的燃料電池進行串接,造成系統一次投資金額大,影響推廣普及的進程。

圖4 燃料電池替代柴油發電機功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of the function of fuel cell replacement diesel hair

4.2.2 替代高壓直流供電系統(HVDC)

高壓直流供配電技術(HVDC)就是在供配電系統中將交流電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。高壓直流供電可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%。

燃料電池本身輸出的就是直流電,將燃料電池用于替代HVDC實現了直流供電,在技術上是可行的,見圖5。同時還可以提高系統供電效率,不足就是目前的主流技術是使交流變直流,由燃料電池供應直流電需要有配套的標準,否則用戶不敢選用。

圖5 兆瓦級的燃料電池直流供電系統Fig.5 MW-class fuel cell DC power supply system

4.2.3 替代空調

數據中心對室溫的要求很嚴,以往都是采用空調進行控溫,見圖6。該方式的主要缺點是能耗大,制冷效果也不理想。

圖6 傳統的數據中心機房制冷系統Fig.6 Traditional data center room cooling system

采用燃料電池進行室溫控制有兩大好處:一是燃料電池可以小型化,甚至實現一個機架配一個燃料電池;二是燃料電池除了供電制冷外,多余的熱能還能用來吸熱式制冷,系統效率可以達到90%以上,比空調制冷的效率高出20%以上。圖7為 SOFC燃料電池應用于數據中心三聯供流程圖。

圖7 SOFC燃料電池應用于數據中心三聯供流程圖Fig.7 SOFC fuel cells used in data center triple supply flowcharts

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,在替代柴油發電機、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7個研究部分:①制氫儲氫系統研制;②FC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燃料電池替代柴油發電機供電可行性研究;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。

5 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。