数据中心应用氢能源的现状及展望

饶文涛,魏 炜,蔡方伟,杨建夏,李文武,吴亦伟

(宝武清洁能源有限公司,上海 201900)

数据量的爆发性增长、云计算的兴起将对数据中心建设产生巨大推力,推动数据中心产业的快速发展。受新基建政策和国家数字化转型发展战略利好带动,2020年中国IDC行业快速发展,中国IDC业务市场总体规模达到2 238.7亿元,同比增长43.3%。增长率持续上升的原因主要来自于增值业务的快速增长。国内 IDC 运营商主要集中在北京、上海、广东三地,贴近 IDC 消费的客户,上海区域市场份额在国内市场占比在 13%以上,近两年客户对机柜资源的需求会集中释放[1-2]。

随着IT技术的飞速发展,IT设备密度越来越高,传统低密度机柜已经不能满足市场需要且浪费资源;传统机房建设周期长,已经向微模块机房转变,建设周期短、成本可控、技术等级高、管理方便等;单纯售卖物理资源收益低,更多向虚拟云计算资源转变,提供更多增值服务,获取高收益。

本文首先分析国内数据中心的发展现状、在双碳形势下面临的转型需求,介绍了国内外氢能源在数据中心应用的案例,分析了典型数据中心的能源结构、氢能源的特点,然后结合数据中心的典型场景进行了应用氢能源的可行性分析,最后指出氢能源在数据中心的应用前景。

1 数据中心现状及用能分析

国内的华为公司对数据中心进行了系统分析,认为数据中心是数字经济的底座,社会用电量2%的数据中心,支撑占GDP 36.2%的数字经济规模,大数据中心是新基建七大核心领域之一。华为数据中心提出能源解决方案助力打造零碳数据中心[3-4]。

对于新建的数据中心,针对存在的能效低(实际PUE>设计PUE),施工污染大、“三废”多,建设周期长(>2年)等痛点,树立了“全生命周期绿色DC”的目标,提出三条技术路径:一是创新建设模式,具体包括预制模块化建设、 园区叠光、 绿电引入等;二是高效用能,具体包括高效温控、自然冷源、 高效供电等;三是AI辅助运维,具体包括数字孪生、可视化运维、 AI能效系统级优化等。

对于已经建成的数据中心,针对存在的老旧供电设备效率低、故障率高、占地面积大,传统冷冻水系统能耗高、人工调节效果差等痛点,提出“供电改造”和“温控改造”两条技术路径,并拟定了高密高效,5年收回投资;模块化设计,5 min维护的改造目标,最终实现PUE降低8%～15%。

2 数据中心用能分析

衡量数据中心能耗水平主要有如式(1)、(2)的两个指标:

(1)

(2)

数据中心消耗的能源资源涉及电力、水,其中主要消耗的能源为电力。以某万台套标准机柜(20 A/机柜、约4.2 kW/机柜)进行测算,项目总用电能为66 976.18万kWh,其中IT设备用能为47 455.37万kWh,则PUE=1.411,一般数据中心的能耗构成见图1。

图1 传统数据中心能耗构成Fig.1 Traditional data center energy consumption composition

IT设备、制冷系统是今后进一步提高PUE的重点。目前上海地区的代表性数据中心的PUE少部分达到1.3,大部分1.4,上海市要求1.3以下,所以需要进一步降低PUE。某典型数据中心的实践表明,通过使用新技术,IT设备的能耗:50%→70%,制冷系统:35%→25.75%,供配电系统:10%→2%,照明及其他:5%→1.2%。FC的应用场景应该聚焦于IT设备和制冷系统,而在照明及其他补充PUE的计算公式,系统中的应用可能相对应难度较小。

3 氢能在数据中心应用的国外现状

随着氢能的发展,已有不少公司在探索将氢能应用于数据中心。目前氢能发电的主要设备是燃料电池,燃料电池在国外代表性公司的应用汇总见表1。

表1 燃料电池在国外代表性公司的应用汇总Table 1 Summary of the application of fuel cells in foreign representative companies

美国新能源国家实验室(NREL)启动了实验论证项目,燃料电池采用PEM(质子交换膜)70 kW氢燃料电池,提供380 V的DC直供给两个机架,氢气供应管道连续供氢,燃料电池产生的余热通过屋顶集中排出。在使用场景的选择上,计划通过DC短路切换、N+1冗余、完全替代UPS和备用柴油发电机等3个方向实现应用。

微软供气启动了氢能替代方案,燃料电池功率采用250 kW 的PEM(质子交换膜)燃料电池,给10个机架供电。目前已完成24 h持续供电实验,正在进行48 h供电实验,未来将扩展到3 MW,实现直接替换单个备用的柴油发电机。

苹果公司的数据中心项目,采用功率达4 MW的燃料电池,应用的场景选择替代柴油发电机作为备用电源,燃料电池选择了SOFC(固体氧化物燃料电池),燃料采用生物质燃料作为原料气,后续规模准备扩展到20 MW。

Ebay公司的数据中心项目,功率采用6 MW的燃料电池,替代柴油发电机作为备用电源,燃料电池选择 SOFC(固体氧化物燃料电池),燃料采用天然气作为原料气。

4 数据中心应用氢能的典型场景

考虑到氢能具有零碳的特色,其应用到数据中心后的主要功能应该是为数据中心提供绿电,打造零碳数据中心。氢能发电的主要设备燃料电池最主要的典型产品是质子交换膜燃料电池(PEM),如果用到IDC需要分析IDC的供能系统,找到最佳的切入点。

4.1 燃料电池在IDC应用场景的理论分析

根据上面的分析可知,数据中心的主要供能分布在IT设备系统的供电、空调等系统的供冷。

燃料电池是一种高效的发电系统,有更高的发电效率,同时也放出余热,如果能把电能和余热能结合使用,就能获得更高的效率,见图2。

图2 燃料电池发电效率、热效率、热电联供效率Fig.2 Fuel cell power generation efficiency,thermal efficiency,combined heat and power generation efficiency

从供电端的切入,可以有如图3的3个切入点,分别为市电供电端、UPS端和机柜端。

图3 氢能源在数据中心中可能的应用场景Fig.3 Possible application scenarios of hydrogen energy in data centers

市电端电压一般为10 kV,接入端的电力都需要满足这一条件。目前现有的输入端电力一般包括风电、光伏电、储能电、柴油发电。

UPS端和机柜端,比较典型的供电是138～485 V的电压范围,电池采用铅酸电池和锂电池的结合,其中铅酸电池的电压为360～528 V,锂电池的为512 V,输出端需要满足机柜0.5 kW、220 V 交流电的用电需求。

结合上面IDC供电的需求,如果采用燃料电池需要有一个明确的定位,以往通过风光电+储能电的形式已经可以实现IDC供电的绿电为主、市电为辅的模式,并且开始具有经济性,那么当采用燃料电池时,必须有一个明确的定位,才能凸显燃料电池的使用优势。

氢燃料电池的效率大概为40%～60%,可以这样理解,每产生1 kWh电能,就会产生5 400 kJ的热量。如果燃料电池的效率为50%,则产生的热能和产生的电能一样多,温度跟燃料电池类型有关,质子交换膜燃料电池排出的温度大约在50～90 ℃之间。一般需要采取风冷或者液冷,采用冷却水箱或余热处理系统吸收或处理PEMFC发电机运行产生的热量,保障发电环境不超温。将PEMFC燃料电池的余热进行再利用,如用于工程除湿、空调等,实现电热联产联供,可大大提高燃料利用效率,具有极好的发展与应用前景。

目前双元混合工质喷射式制冷系统发生器热源温度可低至60 ℃;两级溴化锂吸收式制冷机驱动热源温度为65～75 ℃,这里取平均值70 ℃;常规溴化锂吸收式制冷机驱动热源温度在88 ℃以上,这里取为90 ℃。冷热电联供的质子交换膜燃料电池系统额定发电功率不小于200 kW,发电效率≥50%,系统供电制冷效率≥70% LHV,热电联供总效率≥85%。

4.2 燃料电池典型应用场景

4.2.1 替代柴油发电机

数据中心用的柴油发电机多为康明斯柴油发电机系列,其功率为1 800 kW,功能主要是作为市电的一路备用电源。

该场景的好处是减碳功效大。燃料电池作为备用电源中的一路,可以保障供电安全,见图4。风险相对小,缺点是对燃料电池的功率要求较大,功率达到兆瓦级,需要将多个千瓦级的燃料电池进行串接,造成系统一次投资金额大,影响推广普及的进程。

图4 燃料电池替代柴油发电机功能示意图Fig.4 Schematic diagram of the function of fuel cell replacement diesel hair

4.2.2 替代高压直流供电系统(HVDC)

高压直流供配电技术(HVDC)就是在供配电系统中将交流电转换成为稳定的直流电,然后再应用到供配电中。HVDC供配电技术不存在感抗,容抗也在线路中不起作用,不存在同步问题。高压直流供电可提高供电系统可靠性,减少UPS占地面积,降低机房建设及维护成本。 高压直流供电方案减少机房供电转换层级,提高系统供电效率15%～25%。

燃料电池本身输出的就是直流电,将燃料电池用于替代HVDC实现了直流供电,在技术上是可行的,见图5。同时还可以提高系统供电效率,不足就是目前的主流技术是使交流变直流,由燃料电池供应直流电需要有配套的标准,否则用户不敢选用。

图5 兆瓦级的燃料电池直流供电系统Fig.5 MW-class fuel cell DC power supply system

4.2.3 替代空调

数据中心对室温的要求很严,以往都是采用空调进行控温,见图6。该方式的主要缺点是能耗大,制冷效果也不理想。

图6 传统的数据中心机房制冷系统Fig.6 Traditional data center room cooling system

采用燃料电池进行室温控制有两大好处:一是燃料电池可以小型化,甚至实现一个机架配一个燃料电池;二是燃料电池除了供电制冷外,多余的热能还能用来吸热式制冷,系统效率可以达到90%以上,比空调制冷的效率高出20%以上。图7为 SOFC燃料电池应用于数据中心三联供流程图。

图7 SOFC燃料电池应用于数据中心三联供流程图Fig.7 SOFC fuel cells used in data center triple supply flowcharts

综上所述,集合燃料电池可以冷、电等联供的特点,结合数据中心的需求,在替代柴油发电机、HVDC和制冷等方面均有应用前景,另外在机柜制冷等领域也有应用的可能性。

关于燃料电池系统还需要从以下方面进行工作,包括氢能制备及储运、燃料电池供电入网技术、燃料电池应用场景、效果评价等四大部分,可以细化为7个研究部分:①制氢储氢系统研制;②FC接入IDC能源供应系统最佳模式研究;③适用于数据中心的百千瓦级燃料电池供电系统的研制;④兆瓦级PEM燃料电池替代柴油发电机供电可行性研究;⑤百千瓦级PEM燃料电池替代UPS(HVDC)供电可行性研究;⑥千瓦级SOFC燃料电池替代局部制冷系统可行性研究;⑦燃料电池在数据中心绿色用能转型中的效果评价。

5 后续应用展望及研究

燃料在数据中心具有应用场景,具体的应用落地应综合考虑氢气制备、氢气储运、FC选型与现有系统的接入等问题,同时紧紧围绕绿色数据中心的评价标准,最终才能实现既具有技术可行性,又具有性价比的应用场景。