數(shù)據(jù)中心應(yīng)用氫能源的現(xiàn)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(shù)據(jù)量的爆發(fā)性增長(zhǎng)、云計(jì)算的興起將對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)產(chǎn)生巨大推力,推動(dòng)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。受新基建政策和國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略利好帶動(dòng),2020年中國(guó)IDC行業(yè)快速發(fā)展,中國(guó)IDC業(yè)務(wù)市場(chǎng)總體規(guī)模達(dá)到2 238.7億元,同比增長(zhǎng)43.3%。增長(zhǎng)率持續(xù)上升的原因主要來(lái)自于增值業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi) IDC 運(yùn)營(yíng)商主要集中在北京、上海、廣東三地,貼近 IDC 消費(fèi)的客戶,上海區(qū)域市場(chǎng)份額在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比在 13%以上,近兩年客戶對(duì)機(jī)柜資源的需求會(huì)集中釋放[1-2]。

隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展,IT設(shè)備密度越來(lái)越高,傳統(tǒng)低密度機(jī)柜已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需要且浪費(fèi)資源;傳統(tǒng)機(jī)房建設(shè)周期長(zhǎng),已經(jīng)向微模塊機(jī)房轉(zhuǎn)變,建設(shè)周期短、成本可控、技術(shù)等級(jí)高、管理方便等;單純售賣(mài)物理資源收益低,更多向虛擬云計(jì)算資源轉(zhuǎn)變,提供更多增值服務(wù),獲取高收益。

本文首先分析國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀、在雙碳形勢(shì)下面臨的轉(zhuǎn)型需求,介紹了國(guó)內(nèi)外氫能源在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的案例,分析了典型數(shù)據(jù)中心的能源結(jié)構(gòu)、氫能源的特點(diǎn),然后結(jié)合數(shù)據(jù)中心的典型場(chǎng)景進(jìn)行了應(yīng)用氫能源的可行性分析,最后指出氫能源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景。

1 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀及用能分析

國(guó)內(nèi)的華為公司對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了系統(tǒng)分析,認(rèn)為數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的底座,社會(huì)用電量2%的數(shù)據(jù)中心,支撐占GDP 36.2%的數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模,大數(shù)據(jù)中心是新基建七大核心領(lǐng)域之一。華為數(shù)據(jù)中心提出能源解決方案助力打造零碳數(shù)據(jù)中心[3-4]。

對(duì)于新建的數(shù)據(jù)中心,針對(duì)存在的能效低(實(shí)際PUE>設(shè)計(jì)PUE),施工污染大、“三廢”多,建設(shè)周期長(zhǎng)(>2年)等痛點(diǎn),樹(shù)立了“全生命周期綠色DC”的目標(biāo),提出三條技術(shù)路徑:一是創(chuàng)新建設(shè)模式,具體包括預(yù)制模塊化建設(shè)、 園區(qū)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(yùn)維,具體包括數(shù)字孿生、可視化運(yùn)維、 AI能效系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化等。

對(duì)于已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)中心,針對(duì)存在的老舊供電設(shè)備效率低、故障率高、占地面積大,傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)能耗高、人工調(diào)節(jié)效果差等痛點(diǎn),提出“供電改造”和“溫控改造”兩條技術(shù)路徑,并擬定了高密高效,5年收回投資;模塊化設(shè)計(jì),5 min維護(hù)的改造目標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)PUE降低8%～15%。

2 數(shù)據(jù)中心用能分析

衡量數(shù)據(jù)中心能耗水平主要有如式(1)、(2)的兩個(gè)指標(biāo):

(1)

(2)

數(shù)據(jù)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(wàn)臺(tái)套標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜(20 A/機(jī)柜、約4.2 kW/機(jī)柜)進(jìn)行測(cè)算,項(xiàng)目總用電能為66 976.18萬(wàn)kWh,其中IT設(shè)備用能為47 455.37萬(wàn)kWh,則PUE=1.411,一般數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成Fig.1 Traditional data center energy consumption composition

IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)是今后進(jìn)一步提高PUE的重點(diǎn)。目前上海地區(qū)的代表性數(shù)據(jù)中心的PUE少部分達(dá)到1.3,大部分1.4,上海市要求1.3以下,所以需要進(jìn)一步降低PUE。某典型數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐表明,通過(guò)使用新技術(shù),IT設(shè)備的能耗:50%→70%,制冷系統(tǒng):35%→25.75%,供配電系統(tǒng):10%→2%,照明及其他:5%→1.2%。FC的應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)該聚焦于IT設(shè)備和制冷系統(tǒng),而在照明及其他補(bǔ)充PUE的計(jì)算公式,系統(tǒng)中的應(yīng)用可能相對(duì)應(yīng)難度較小。

3 氫能在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的國(guó)外現(xiàn)狀

隨著氫能的發(fā)展,已有不少公司在探索將氫能應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。目前氫能發(fā)電的主要設(shè)備是燃料電池,燃料電池在國(guó)外代表性公司的應(yīng)用匯總見(jiàn)表1。

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

美國(guó)新能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)啟動(dòng)了實(shí)驗(yàn)論證項(xiàng)目,燃料電池采用PEM(質(zhì)子交換膜)70 kW氫燃料電池,提供380 V的DC直供給兩個(gè)機(jī)架,氫氣供應(yīng)管道連續(xù)供氫,燃料電池產(chǎn)生的余熱通過(guò)屋頂集中排出。在使用場(chǎng)景的選擇上,計(jì)劃通過(guò)DC短路切換、N+1冗余、完全替代UPS和備用柴油發(fā)電機(jī)等3個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

微軟供氣啟動(dòng)了氫能替代方案,燃料電池功率采用250 kW 的PEM(質(zhì)子交換膜)燃料電池,給10個(gè)機(jī)架供電。目前已完成24 h持續(xù)供電實(shí)驗(yàn),正在進(jìn)行48 h供電實(shí)驗(yàn),未來(lái)將擴(kuò)展到3 MW,實(shí)現(xiàn)直接替換單個(gè)備用的柴油發(fā)電機(jī)。

蘋(píng)果公司的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,采用功率達(dá)4 MW的燃料電池,應(yīng)用的場(chǎng)景選擇替代柴油發(fā)電機(jī)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(zhì)燃料作為原料氣,后續(xù)規(guī)模準(zhǔn)備擴(kuò)展到20 MW。

Ebay公司的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,功率采用6 MW的燃料電池,替代柴油發(fā)電機(jī)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(shù)據(jù)中心應(yīng)用氫能的典型場(chǎng)景

考慮到氫能具有零碳的特色,其應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心后的主要功能應(yīng)該是為數(shù)據(jù)中心提供綠電,打造零碳數(shù)據(jù)中心。氫能發(fā)電的主要設(shè)備燃料電池最主要的典型產(chǎn)品是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM),如果用到IDC需要分析IDC的供能系統(tǒng),找到最佳的切入點(diǎn)。

4.1 燃料電池在IDC應(yīng)用場(chǎng)景的理論分析

根據(jù)上面的分析可知,數(shù)據(jù)中心的主要供能分布在IT設(shè)備系統(tǒng)的供電、空調(diào)等系統(tǒng)的供冷。

燃料電池是一種高效的發(fā)電系統(tǒng),有更高的發(fā)電效率,同時(shí)也放出余熱,如果能把電能和余熱能結(jié)合使用,就能獲得更高的效率,見(jiàn)圖2。

圖2 燃料電池發(fā)電效率、熱效率、熱電聯(lián)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(gè)切入點(diǎn),分別為市電供電端、UPS端和機(jī)柜端。

圖3 氫能源在數(shù)據(jù)中心中可能的應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)有的輸入端電力一般包括風(fēng)電、光伏電、儲(chǔ)能電、柴油發(fā)電。

UPS端和機(jī)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(jié)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(jī)柜0.5 kW、220 V 交流電的用電需求。

結(jié)合上面IDC供電的需求,如果采用燃料電池需要有一個(gè)明確的定位,以往通過(guò)風(fēng)光電+儲(chǔ)能電的形式已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)IDC供電的綠電為主、市電為輔的模式,并且開(kāi)始具有經(jīng)濟(jì)性,那么當(dāng)采用燃料電池時(shí),必須有一個(gè)明確的定位,才能凸顯燃料電池的使用優(yōu)勢(shì)。

氫燃料電池的效率大概為40%～60%,可以這樣理解,每產(chǎn)生1 kWh電能,就會(huì)產(chǎn)生5 400 kJ的熱量。如果燃料電池的效率為50%,則產(chǎn)生的熱能和產(chǎn)生的電能一樣多,溫度跟燃料電池類(lèi)型有關(guān),質(zhì)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(fēng)冷或者液冷,采用冷卻水箱或余熱處理系統(tǒng)吸收或處理PEMFC發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量,保障發(fā)電環(huán)境不超溫。將PEMFC燃料電池的余熱進(jìn)行再利用,如用于工程除濕、空調(diào)等,實(shí)現(xiàn)電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供,可大大提高燃料利用效率,具有極好的發(fā)展與應(yīng)用前景。

目前雙元混合工質(zhì)噴射式制冷系統(tǒng)發(fā)生器熱源溫度可低至60 ℃;兩級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源溫度為65～75 ℃,這里取平均值70 ℃;常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源溫度在88 ℃以上,這里取為90 ℃。冷熱電聯(lián)供的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)額定發(fā)電功率不小于200 kW,發(fā)電效率≥50%,系統(tǒng)供電制冷效率≥70% LHV,熱電聯(lián)供總效率≥85%。

4.2 燃料電池典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.2.1 替代柴油發(fā)電機(jī)

數(shù)據(jù)中心用的柴油發(fā)電機(jī)多為康明斯柴油發(fā)電機(jī)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(chǎng)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(jiàn)圖4。風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)小,缺點(diǎn)是對(duì)燃料電池的功率要求較大,功率達(dá)到兆瓦級(jí),需要將多個(gè)千瓦級(jí)的燃料電池進(jìn)行串接,造成系統(tǒng)一次投資金額大,影響推廣普及的進(jìn)程。

圖4 燃料電池替代柴油發(fā)電機(jī)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(tǒng)(HVDC)

高壓直流供配電技術(shù)(HVDC)就是在供配電系統(tǒng)中將交流電轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的直流電,然后再應(yīng)用到供配電中。HVDC供配電技術(shù)不存在感抗,容抗也在線路中不起作用,不存在同步問(wèn)題。高壓直流供電可提高供電系統(tǒng)可靠性,減少UPS占地面積,降低機(jī)房建設(shè)及維護(hù)成本。 高壓直流供電方案減少機(jī)房供電轉(zhuǎn)換層級(jí),提高系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)了直流供電,在技術(shù)上是可行的,見(jiàn)圖5。同時(shí)還可以提高系統(tǒng)供電效率,不足就是目前的主流技術(shù)是使交流變直流,由燃料電池供應(yīng)直流電需要有配套的標(biāo)準(zhǔn),否則用戶不敢選用。

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

4.2.3 替代空調(diào)

數(shù)據(jù)中心對(duì)室溫的要求很?chē)?yán),以往都是采用空調(diào)進(jìn)行控溫,見(jiàn)圖6。該方式的主要缺點(diǎn)是能耗大,制冷效果也不理想。

圖6 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)Fig.6 Traditional data center room cooling system

采用燃料電池進(jìn)行室溫控制有兩大好處:一是燃料電池可以小型化,甚至實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)架配一個(gè)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(lái)吸熱式制冷,系統(tǒng)效率可以達(dá)到90%以上,比空調(diào)制冷的效率高出20%以上。圖7為 SOFC燃料電池應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供流程圖。

圖7 SOFC燃料電池應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心三聯(lián)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(lián)供的特點(diǎn),結(jié)合數(shù)據(jù)中心的需求,在替代柴油發(fā)電機(jī)、HVDC和制冷等方面均有應(yīng)用前景,另外在機(jī)柜制冷等領(lǐng)域也有應(yīng)用的可能性。

關(guān)于燃料電池系統(tǒng)還需要從以下方面進(jìn)行工作,包括氫能制備及儲(chǔ)運(yùn)、燃料電池供電入網(wǎng)技術(shù)、燃料電池應(yīng)用場(chǎng)景、效果評(píng)價(jià)等四大部分,可以細(xì)化為7個(gè)研究部分:①制氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)研制;②FC接入IDC能源供應(yīng)系統(tǒng)最佳模式研究;③適用于數(shù)據(jù)中心的百千瓦級(jí)燃料電池供電系統(tǒng)的研制;④兆瓦級(jí)PEM燃料電池替代柴油發(fā)電機(jī)供電可行性研究;⑤百千瓦級(jí)PEM燃料電池替代UPS(HVDC)供電可行性研究;⑥千瓦級(jí)SOFC燃料電池替代局部制冷系統(tǒng)可行性研究;⑦燃料電池在數(shù)據(jù)中心綠色用能轉(zhuǎn)型中的效果評(píng)價(jià)。

5 后續(xù)應(yīng)用展望及研究

燃料在數(shù)據(jù)中心具有應(yīng)用場(chǎng)景,具體的應(yīng)用落地應(yīng)綜合考慮氫氣制備、氫氣儲(chǔ)運(yùn)、FC選型與現(xiàn)有系統(tǒng)的接入等問(wèn)題,同時(shí)緊緊圍繞綠色數(shù)據(jù)中心的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),最終才能實(shí)現(xiàn)既具有技術(shù)可行性,又具有性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)景。