氫能源在綠色數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

0 概述

數(shù)據(jù)量的爆發(fā)性增長、云計算的興起將對數(shù)據(jù)中心建設(shè)產(chǎn)生巨大推力，推動了數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。根據(jù)Gartner 的統(tǒng)計，2011 年，全球云計算服務(wù)的市場規(guī)模為900 億美元，2012 年全球公有云支出增長了18.6%，達(dá)到1 103 億美元，到2016 年云計算的三大服務(wù)模式IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）的復(fù)合年均增長率分別達(dá)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(wù)市場總規(guī)模已達(dá)到39億美元，增長率持續(xù)上升的原因主要來自增值業(yè)務(wù)的快速增長。國內(nèi)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(qū)域市場份額在國內(nèi)市場占比在13%以上，近兩年客戶對機(jī)柜資源的需求會集中釋放。

隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展，IT設(shè)備密度越來越高，傳統(tǒng)低密度機(jī)柜已經(jīng)不能滿足市場需要且浪費資源；傳統(tǒng)機(jī)房因建設(shè)周期長，已經(jīng)向微模塊機(jī)房轉(zhuǎn)變。微模塊機(jī)房建設(shè)周期短，成本可控，技術(shù)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(zhuǎn)變，提供更多增值服務(wù)，獲取高收益。

本文分析了數(shù)據(jù)中心在“雙碳”形勢下面臨的轉(zhuǎn)型需求，介紹了氫能源在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的國內(nèi)外案例，分析了典型數(shù)據(jù)中心的能源結(jié)構(gòu)?；跉淠茉吹奶攸c，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的典型場景對應(yīng)用氫能源的可行性進(jìn)行分析，提出氫能在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景。

1 氫能在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)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(yīng)用于數(shù)據(jù)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(zhì)子交換膜）70 kW氫燃料電池，提供380 V的DC直供給兩個機(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(fā)等三個方向?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

實踐性教學(xué)就是要求教師構(gòu)建自己的教學(xué)理論，將自己的實踐理論化，在實踐中不斷完善和發(fā)展。實踐性的核心是教師的職業(yè)敏感性。教學(xué)是一個動態(tài)的過程，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不可能一成不變。在教師的日常教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒔虒W(xué)實踐理論化，將教學(xué)理論實踐化[5]。外語教學(xué)專家要尊重教師積累的經(jīng)驗，并鼓勵教師觀察、反思自己的教學(xué)過程，將教學(xué)理論付諸于實踐的同時發(fā)掘自己的教學(xué)潛力。

國內(nèi)的華為公司對數(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，占社會用電量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。

Ebay公司的數(shù)據(jù)中心項目，功率采用6 MW的燃料電池，場景替代柴發(fā)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(yīng)用見表1。

蘋果公司的數(shù)據(jù)中心項目，采用功率達(dá)4 MW的燃料電池，應(yīng)用的場景選擇替代柴發(fā)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)展做到20 MW。

對于新建的數(shù)據(jù)中心，針對所存在的能效低、施工三廢多、建設(shè)周期長（＞2 年）等痛點，樹立了“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，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，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(shù)字孿生、可視化運維、AI能效系統(tǒng)級優(yōu)化等。

PUE——全部設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗；

應(yīng)用場景三：替代空調(diào)。

中華龍舟大賽是目前國內(nèi)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(dǎo)中心、中央電視臺體育頻道、中國龍舟協(xié)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(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下兩個指標(biāo)：

其中：

比如進(jìn)行《美麗的春天》寫話練習(xí)時，首先說詞語——進(jìn)行相關(guān)詞語拓展，讓學(xué)生說出有關(guān)描寫春天的優(yōu)美詞語有哪些？在學(xué)生交流之后，老師進(jìn)行簡單梳理，讓學(xué)生有選擇地摘抄在習(xí)作本上，為寫出精彩的語段作好鋪墊。然后說句子——要求學(xué)生把話說完整，說生動，引導(dǎo)學(xué)生會運用課本中學(xué)到的優(yōu)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(jìn)行其他語句訓(xùn)練，為寫話打下堅實的基礎(chǔ)。最后說語段——在教學(xué)中，教師要對學(xué)生進(jìn)行語段順序的指導(dǎo)，讓學(xué)生把話說完整并條理清楚表達(dá)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(xué)生有話可說，有話可寫。

DCE——IT設(shè)備能耗/全部設(shè)備能耗。

1) 對比A、B、D 3個模型骨架曲線(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)增設(shè)抗震墻后結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的極限承載力提高幅度最大.

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，以某萬臺套標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜（20 A/機(jī)柜、約4.2 kW/機(jī)柜）進(jìn)行測算。項目總用電能為66 976.18 萬kWh，其中IT 設(shè)備用能為47 455.37萬kWh，則PUE=1.411，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成見圖1。

IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)是今后進(jìn)一步提高PUE的重點。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，大部分為1.4，上海市要求1.3 以下，需要進(jìn)一步降低PUE。某典型數(shù)據(jù)中心的實踐表明，通過使用新技術(shù)，IT 設(shè)備的能耗70%→50%，制冷系統(tǒng)35%→25.75%，供配電系統(tǒng)10%→2%，照明及其它5%→1.2%。FC 的應(yīng)用場景應(yīng)該聚焦于IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)，而在照明及其它補充PUE的計算公式，系統(tǒng)中的應(yīng)用可能相應(yīng)難度較小。

3 典型數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要功能是為數(shù)據(jù)中心提供綠電，打造零碳數(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。

3.1 燃料電池在IDC應(yīng)用場景的理論分析

根據(jù)前文的分析可知，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，同時也放出余熱，如果能把電能和余熱能結(jié)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(jī)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(xiàn)有的輸入端電力，一般包括風(fēng)電、光伏電、儲能電和柴發(fā)電。

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

結(jié)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(fēng)光電+儲能電的形式已經(jīng)可以實現(xiàn)IDC供電的綠電為主，市電為輔的模式，并且開始具有經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)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(yōu)勢。氫能源在數(shù)據(jù)中心中可能的應(yīng)用場景見圖3。

全面貫徹執(zhí)行“預(yù)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(nóng)業(yè)防治、物理防治、生物防防治為主，化學(xué)防治為輔的綠色農(nóng)產(chǎn)品防治技術(shù)原則。

氫燃料電池的效率約為40%~60%，可以理解為每產(chǎn)生1 kWh 電能，就會發(fā)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(chǎn)生的熱能和產(chǎn)生的電能相同溫度與燃料電池類型有關(guān)，質(zhì)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(fēng)冷或者液冷，通常需要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，實現(xiàn)電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，可大幅提高燃料利用效率，具有極好的發(fā)展與應(yīng)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(zhì)子交換膜）燃料電池，給10個機(jī)架供電。目前已完成24 h持續(xù)供電實驗，正在進(jìn)行48 h供電實驗，未來將擴(kuò)展到3 MW，實現(xiàn)直接替換單個備用的柴油發(fā)電機(jī)。

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 ℃；兩級溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動熱源溫度為65～75 ℃，取平均值70 ℃；常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動熱源溫度高于88 ℃，本文取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%，70 ℃余熱條件下、制冷效率≥40%，系統(tǒng)供電制冷效率≥70% LHV，熱電聯(lián)供總效率≥85%。

3.2 燃料電池典型應(yīng)用場景

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(fā)功能示意圖見圖4。

農(nóng)業(yè)是靠“天”吃飯的產(chǎn)業(yè)。如果不能提高對自然災(zāi)害的防御能力和自救能力，那么一旦發(fā)生氣象災(zāi)害，就會出現(xiàn)無法控制的局面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中造成無法估量的損失。防御技能不完善是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。所以當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的最大問題就是如何做好氣象防災(zāi)減災(zāi)工作。當(dāng)氣象科技的作用得到充分發(fā)揮時，就能最大限度地減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)的損失，這不僅有助于農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能加快社會向前發(fā)展的步伐，而且對促進(jìn)人類與自然的和諧發(fā)展具有重要意義。

應(yīng)用場景一：替代柴發(fā)。

應(yīng)用場景二：替代高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC）。

Case 1.The two sources exhibit both uniform distribution.

2) ROS與Rovio的通信部分：ROS發(fā)出速度指令至Rovio平臺，Rovio將當(dāng)前實際速度值發(fā)布到Odom主題，以提供給其他節(jié)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(xué)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(xué)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(shù)(HVDC)是在供配電系統(tǒng)中將交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換,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,不存在同步問題。高壓直流供電，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，提高系統(tǒng)供電效率15%～25%?？紤]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(tǒng)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(jīng)》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(yán)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(jīng)建成的數(shù)據(jù)中心存在的老舊供電設(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，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，5 min維護(hù)的改造目標(biāo)，最終實現(xiàn)PUE降低8%~15%，ROI＜1a。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)見圖6和圖7。

綜上所述，集合燃料電池可以冷、電等聯(lián)供的特點，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的需求，在柴油發(fā)電機(jī)替代、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，包括氫能制備及儲運、燃料電池供電入網(wǎng)技術(shù)、燃料電池應(yīng)用場景、效果評價等四大部分，可以細(xì)化為以下七個研究部分：

腦脊液（CSF）的正常壓力（側(cè)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(dāng)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(chǎn)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(hù)作用。

1）制氫儲氫系統(tǒng)研制；

2）FC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)中心的百千瓦級燃料電池供電系統(tǒng)的研制；

4）兆瓦級PEM 燃料電池替代柴發(fā)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(tǒng)可行性研究；

7）燃料電池在數(shù)據(jù)中心綠色用能轉(zhuǎn)型中的效果評價。

4 后續(xù)應(yīng)用展望及研究

燃料在數(shù)據(jù)中心具有應(yīng)用場景，具體的應(yīng)用落地應(yīng)綜合考慮氫氣制備、氫氣儲運、FC選型，與現(xiàn)有系統(tǒng)的接入等問題，同時緊緊圍繞綠色數(shù)據(jù)中心的評價標(biāo)準(zhǔn)，最終才能實現(xiàn)既具有技術(shù)可行性，又具有性價比的應(yīng)用場景。

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

［2］施耐德電氣數(shù)據(jù)中心全球科研中心.2021，數(shù)據(jù)中心行業(yè)十個發(fā)展趨勢［J］.經(jīng)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(shù)據(jù)中心電費的負(fù)載調(diào)度算法［J］.軟件學(xué)報，2014，25(7):1448-1458.

［4］吳剛，高賜威，陳宋宋，李德智，劉強(qiáng).考慮需求響應(yīng)的數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷優(yōu)化研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù).2018(11):3782-3788.