数据中心由氢能源提供动力。经济性和安全性是绕不开的两个核心问题。从1968年飞离地球38万公里的阿波罗登月飞船，到2022年潜入400米海面的氢动力潜艇，氢能上天入海的时间超过50年，无所不能。阿波罗登月氢能源进入“拐点时刻”现在，氢能源已经到了一个非常重要的“拐点时刻”。根据，从2022年到2050年，全球将有超过15个行业对氢能源有强劲需求，其中就包括数据中心行业。全球各行业氢气需求随着各国“碳中和”政策的加速推进，作为碳排放大户的数据中心行业，未来要在“碳中和”目标下实现可持续发展，氢能必不可少。据统计，2021年我国数据中心行业共消耗2100亿千瓦时电量，假设整个数据中心行业都采用氢能源供电，总共会消耗多少氢气？一般来说，1kg氢气的热值相当于33kWh的电。以50%氢燃料电池堆发电效率计算（约10兆瓦功率，相当于每小时10000度电），1kg氢大概能发电16kWh，全国大概消耗1300万吨以上一年的氢气。从单个数据中心来看，据2020年统计，一个大型数据中心（以30万台服务器为例）每天耗电量约180万度电，每天消耗氢气120多吨。可以看出，以目前国家数据中心体量估算（我国2021年年产氢量3300万吨）来看，氢能的大规模市场需求是非常惊人的，氢能也因此受到越来越多的关注.纵观近年来国内对氢能的政策演变，一个显着的趋势是：从技术到应用，从点到面，越来越具体，越来越频繁，数据中心与氢能的交汇点正在成为越来越多。·2019年3月，氢能首次被写入《政府工作报告》。·2020年4月，《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》宣布在法律层面首次将氢能纳入能源范畴。·2020年12月，白皮书《新时代的中国能源发展》指出，支持新技术、新模式、新业态发展，加快发展绿色制氢、储运、应用等氢能产业链技术与装备;《鼓励外商投资产业目录（2020年版）》宣布将氢能和燃料电池全产业链纳入鼓励外商投资范围。·2021年3月，“氢能与储能”被列为“十四五”未来规划的六大未来产业之一。·2021年10月，《2030年前碳达峰行动方案》发布，首次明确提出氢能在碳峰值实现碳中和的重要性。·2021年11月，《“十四五”能源领域科技创新规划》发布，对氢能生产、储存、传输、使用全链条关键技术进行创新指导。·2021年12月，《绿色数据中心政府采购需求标准（试行）》征求意见稿发布，要求优先采购氢能、液冷、分布式电源、模块化机房等高效系统设计方案。·2021年12月，国家发改委等四部门印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》，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大规模推广应用。·2022年3月，国家发改委、国家能源局联合发文《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确指出要依托通信基站、数据中心等基础设施项目建设，推动市场应用氢燃料电池在后备电源领域的应用。中国电子学会秘书长陈颖曾表示：“作为用电大户，数据中心的发展势必导致能源消耗的大幅增加。”他还表示：“绿色转型迫在眉睫，而氢能恰好可以解决这个问题。”的确，一方面，氢能（绿氢）既是可再生能源又是零碳；另一方面，数据中心是典型的高耗能高碳排放行业——氢能供电，数据中心用电，两者一拍即合。数据中心和氢能之间的故事就是这样开始的。目前，国内数据中心行业龙头企业对氢能源的布局已悄然开启：2021年12月，万国数据在第十六届中国IDC行业年度盛典（IDCC2021）上首次发布了第一代智能DC。专注于氢能等绿色新能源技术解决方案；2022年3月，西川中核国兴科技与联想新视界在成都宣布，将建设国内首个氢能零碳数据中心；2022年7月，博士燃料电池分布式电站氢能低碳数据中心项目启动；2022年9月，21Vianet联合国家能源互联网产业技术创新联盟，探索国内首个固定式氢燃料电池作为公共电源，为数据中心提供长期支撑。提供实时供电解决方案；……显然，氢能在数据中心行业的应用已经被越来越多的厂商所重视，但真正实现规模化还有很长的路要走应用。这主要是因为目前有两个核心问题无法回避，也没有在规模层面得到系统有效的解决：一是经济性，二是安全性。氢能的经济性数据中心氢能应用的经济性主要是指实现规模化应用的问题。氢是自然界中含量最高（占宇宙元素质量的75%）、质量最轻、能量最高（在所有燃料中）、排放最清洁（仅水）的元素。它被誉为“人类的终极能源”。氢是另一个难以控制的元素。早在200多年前，人类就开始了控制和利用这种能量的各种尝试。然而，即使在今天，数据中心仍然需要经历一个非常复杂的过程：消耗大量的能源和成本，同时也会产生碳排放，当空气中的氢气浓度超过15%时，也会面临被污染的风险。燃烧和爆炸。具体来说，氢元素首先要转化为氢能（制氢），氢能在特定场景（储氢、输氢）下才能转化为电能（用氢/发电），然后在数据中使用中心。限于篇幅，本文仅从制氢和用氢两个部分进行经济性简要分析。数据中心要想用氢能供电，首先要生产氢能。目前，我国较为成熟和普遍的制氢技术有煤制氢（灰氢）、天然气制氢（灰氢）、工业副产氢（蓝氢）和电解水制氢（绿氢）。氢）。据统计，2020年我国共产氢2500万吨，其中62%产自煤炭，19%产自天然气，18%产自工业副产品,1%将由电解水产生。2020年，为何煤制氢占中国制氢结构的60%以上，而电解水制氢仅占1%？这背后最重要的原因是成本。对比四种制氢方式的成本（见下表），煤制氢成本最低，仅为10.9-13.9元/kg，而电解水制氢成本高达29.9-39.8元/公斤。因此，煤制氢以其成本低廉成为我国过去制氢的主要方式。不同制氢技术成本测算如今，随着“零碳发电”绿色数据中心成为未来趋势，以零碳排放的方式制氢——电解水制氢成为绿色制氢的必然选择氢。但目前其高昂的成本让很多数据中心厂商望而却步。电解水拆解制氢具体计算公式：电解水制氢成本=每制1立方氢耗电量*每消耗1度电价格（1kg氢=11.2立方氢。由此分析，电解水成本水制氢其实主要取决于两个因素，一是电，二是电价，也就是说制氢消耗的电越少，电价越便宜，电解成本就越低电解水制氢，经济性越好。根据目前的数据测算，当电价低于0.3元/千瓦时，具有良好的经济性。但是，如果电解水制氢要应用在数据中心规模大，离不开技术成熟度（TechnologyReadinessLevel，TRL）简单来说就是技术成熟度越高诚然，市场需求越大，达到规模后成本会大幅下降，经济性会大幅提升，市场空间会完全打开。下图为技术成熟度等级（1-9，数值越大，技术成熟度越高，规模化实现越快），列举了23项电解水制氢相关技术：官网中国节能协会氢能专业委员会结合市场现状，目前主流技术有：以下四种：碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）、固体氧化物电解水（SOEC）和阴离子交换膜电解水（AEM）。中国节能协会氢能专业委员会网站2其中，碱性电解水和质子交换膜电解水技术已经在TRL8-9，即达到了成熟和可推广的阶段。固体氧化物电解水的TRL达到5-6，即技术论证到系统开发阶段（比ALK和PEM效率更高、成本更低），但尚未进入规模化阶段。但是，阴离子交换膜电解水还处于技术开发阶段，距离规模化还有很长的路要走。几种电解水制氢技术成本对比另外，电解槽是电解水制氢的核心设备，其规模化程度也值得关注。电解槽早在1800年就在英国诞生，但仍面临技术要求高、制造成本高等问题。因此，当今最成熟的电解槽制造商仍在进一步发展技术，标准化系统应用，努力提高制造能力，并为未来十年或更长时间的大规模供应电解槽做准备。下面说一下氢气在容器式PEM电解槽中的应用。从电价到技术再到设备，在多重因素的影响下，制氢阶段的成本居高不下。考虑到储氢、输氢以及最终使用氢能供电的综合成本，数据中心使用氢气的成本不断上升，成为制约氢能在数据中心行业大规模应用的重要因素。我国不同类型发电的成本区间估算（元_千瓦时）对比为数据中心供电的各种发电成本，可以发现火力发电的成本最低，仅为0.25-0.4元/千瓦时而使用氢能“零碳”（氢燃料电池）发电，成本高达2.5-3元/千瓦时，成本几乎是火力发电的10倍。但从长远来看，氢燃料电池发电成本将持续下降。目前，氢能“零碳”发电主要有两种方式：一是利用氢能供燃气轮机发电，即俗称的“制氢机”；另一种是利用电解水的逆反应来发电。电，也就是上面说的“氢燃料电池”。根据氢能成本对比分析，2022年氢能发电机和氢燃料电池的发电成本约为2.5元/千瓦时，但到2030年，氢燃料电池的发电成本仅为0.8元/千瓦时，但氢能发电机的成本反而上涨至2.88元/千瓦时。氢能成本对比分析预测基于此，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将逐渐体现。未来，氢燃料电池将是大势所趋，但这需要时间。氢能的安全性本文主要从物理安全的角度分析氢能在数据中心行业应用的安全问题。数据中心作为我国数字经济的“基地”，承载着支撑各行业实现工业互联网转型升级的重要使命。因此，保障数据中心的安全具有重要的战略意义。使用氢能供电时，数据中心面临的主要风险是氢气泄漏会引起燃烧爆炸，对数据中心造成物理损坏。如果氢气泄漏并立即被点燃，则会形成氢气喷射火；如果泄漏到有限空间内，会形成易燃氢气云，一旦被点燃，会引起爆燃甚至爆炸，严重危及数据中心的安全运行。从可持续发展的角度来看，数据中心使用氢能供电固然好，但这种巨大的潜在风险在很大程度上限制了氢能在数据中心的大规模应用。因此，如何有效管理氢能安全，确保零事故是核心前提。数据中心氢气供电的主要风险发生在储运阶段。目前，氢能储运技术主要包括以下四种类型：低温液态储氢、高压气态储氢、有机液态储氢和固态物质储氢。几种氢气储运技术比较在以上四种储运技术中，高压气态储氢是目前我国的主流发展方向，包括高压氢气瓶和固定式储氢高压容器，但它们目前面临着严重的安全隐患。具体包括两类风险：一类是高压氢气瓶在移动运输过程中发生容器爆炸或氢气泄漏的风险。一般来说，为确保安全，高压氢气瓶需要使用由碳纤维外层和铝/塑料内胆组成的新型轻质耐压储氢容器。国外普遍使用70MPa碳纤维缠绕IV瓶，但目前我国仍以35MPaIII瓶为主，主要是国内高端碳纤维技术不成熟，无法规模化生产。但是，我国一直在全力推动输液瓶的发展。2019年颁布T/CATSI0205-2019《液化石油气高密度聚乙烯内胆玻璃纤维全缠绕气瓶》，2020年颁布T/CATSI0207-2020《液化石油气高密度聚乙烯内胆玻璃纤维全缠绕气瓶》。另一个是金属材料高压储运设备氢脆，导致氢气泄漏和爆炸。氢脆是氢能在储运阶段最大的风险。简单来说，氢脆就是因为氢很小，很容易溶解到很多金属材料中。当大量的氢气进入金属内部时，氢原子就会变成氢分子，内部就会产生巨大的压力，导致断裂发生。而且，装备水平越高，压力越大，发生氢脆的概率就越大。氢脆示意图是为了尽可能避免氢脆的风险。我国在材料氢脆性能检测与评价、产品性能检测方面颁布了大量标准：GB/T26466—2011年《固定式高压储氢用钢带错绕式容器》·GB/T35544—2017年《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》GB/T34542.2—2018年《氢气储存输送系统 第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》GB/T34542.3—2018年《氢气储存输送系统 第3部分：金属材料氢脆敏感度试验方法》·T/CATSI05003—2020年《加氢站储氢压力容器专项技术要求》·T/CMES16003—2021年《车用高压储氢系统氢气压力循环测试与泄漏/渗透测试方法》·T/CATSI02013—2021年《加氢站用高压储氢气瓶安全技术要求》·NB/T10354·”?/?T1035—2019年《管束式集装箱》……目前，高压气态储氢虽然是我国氢能储运的主流技术，但从安全角度来看仍面临诸多问题，无法规模化应用。有机液态储氢技术具有储氢量大、能量密度高、常温常压下稳定存在、安全性高等优点，可与目前成熟的成品油供销体系直接配套。因此，未来数据中心电源应该会有比较广阔的应用前景。未来，数据中心若要实现氢能零碳大规模供电，急需大量新技术相继实现大规模应用。成熟可规模化阶段，电解槽设备规模化供货；在用氢阶段，氢燃料电池发电成本将接近平价。从氢能安全角度看：在储运阶段，高端碳纤维、有机液态储氢等技术相继实现规模化应用。总之，数据中心要实现可持续发展，离不开氢能源。氢能与数据中心耦合的终极形态也值得期待。参考资料：1.GlobalHydrogenReview20222.《KPMG一文读懂氢能产业》3.《DNV 2050氢能展望报告》4.《氢能源在绿色数据中心中的应用现状及前景分析》5.《数据中心应用氢能源的现状及展望》6.《氢能工业现状、技术进展、挑战及前景》7.《双碳背景下绿色氢能技术发展现状与趋势研究》8.《我国氢能高压储运设备发展现状及挑战》9.1.《氢能：产业化有多远》11.《发展绿氢是我国降碳重要路径》12.《全球氢能产业政策现状与前景展望》13.《我国氢能产业进入快速发展窗口期》14.《“双碳”背景下数据中心氢能应用的可行性研究》15.《“双碳”目标下绿色氢能技术发展现状与趋势研究》
