深度|数据中心离氢能到底还有多远?

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数据中心用氢能供电,经济性和安全性是两个绕不过去的核心问题。

数据中心用氢能供电,经济性和安全性是两个绕不过去的核心问题。

从1968年飞离地球38万千米之外的阿波罗登月飞船,到2022年潜入400米海下的氢动力潜艇,50多年来,氢能上天入海,无所不能。

 

1阿波罗登月

阿波罗登月

 

氢能进入“拐点时刻”

如今,氢能来到了一个非常重要的“拐点时刻”。据《2050氢能展望报告》显示,从2022年开始到2050年,全球将有超过15个行业对氢能产生强劲的需求,这当中就涉及数据中心行业。

 

2按行业划分的全球氢需求

按行业划分的全球氢需求

 

随着各国“​​碳中和​​”政策的加速推进,对于数据中心行业这个排碳大户来说,未来实现“碳中和”目标下的可持续发展,氢能供电不可或缺。据统计,2021年我国数据中心行业共耗电2100亿kWh,假设整个数据中心行业实现氢能供电,一共需要消耗多少氢?

一般来说,1kg氢的热值约当于33kWh的电,按50%的氢燃料电池电堆发电效率(约10兆瓦功率,相当于每小时发电1万kWh)计算,1kg氢大概可以发电16kWh,全国一年大概会消耗1300多万吨氢。从单个数据中心来看,根据2020年数据统计,大型数据中心(以30万台服务器为例)每天总耗电在180万kWh左右,每天消耗120多吨氢。可见,仅按当前全国数据中心体量估算,对氢的规模化市场需求都是非常惊人的(我国2021年全年氢产量3300万吨),氢能也因此受到越来越多的关注。

纵观国内这几年有关氢能的政策演变,一个显著的趋势是:从技术到应用、从点到面,越来越具体,越来越高频,数据中心和氢能的交集也越来越多。

 

· 2019年3月,氢能被首次写入《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)》公布,在法律层面上首次将氢能列入能源范畴。

· 2020年12月,《新时代的中国能源发展》白皮书指出,支持新技术新模式新业态发展,加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备;《鼓励外商投资产业目录(2020年版)》公布,氢能与燃料电池全产业链被纳入鼓励外商投资的范围。

· 2021年3月,“氢能与储能”被列为“十四五”规划中前瞻谋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,首次明确提出氢能对实现碳达峰碳中和的重要意义。

· 2021年11月,《“十四五”能源领域科技创新规划》发布,就氢能的制、储、输、用全链条关键技术提供了创新指导。

· 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,要求优先采购使用氢能源、液冷、分布式供电、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发布《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等在小型或边缘数据中心的规模化推广应用。

· 2022年3月,国家发改委、国家能源局联合印发《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工程建设,推动氢燃料电池在备用电源领域的市场应用。

 

中国电子学会秘书长陈英曾称:“数据中心作为耗电大户,其规模增长必然带来能耗大幅增长。”他还表示:“绿色化转型已迫在眉睫,氢能刚好能够解决这个问题。”

的确,一方面,氢能(绿氢)兼具可再生和零碳的特征;另一方面,数据中心属于典型的高耗能、高排碳行业——氢能供电,数据中心用电,二者一拍即合。

数据中心与氢能之间的故事,就这样开始了。

目前,国内数据中心行业的头部企业对氢能的布局已经悄然展开:

 

· 2021年12月,万国数据在第十六届中国IDC产业年度大典(IDCC2021)上首次发布了第一代Smart DC,聚焦氢能等绿色新能源技术方案;

· 2022年3月,西川中核国兴科技与联想新视界在成都宣布将打造国内首个氢能零碳数据中心;

· 2022年7月,鹏博士配套氢燃料电池分布式电站的氢能低碳数据中心项目启动;

· 2022年9月,世纪互联联合国家能源互联网产业及技术创新联盟,探索国内首个固定式氢燃料电池作为常用电源,为数据中心长时供电提供解决方案;

……

 

显然,氢能在数据中心行业的应用已经受到越来越多厂商的重视,但距离真正实现大规模落地应用,仍有一段路要走。这主要是因为目前存在两个绕不开的核心问题,依然没有在规模化层面得到系统有效的解决:一个是经济性,一个是安全性。

 

氢能的经济性

氢能在数据中心应用的经济性问题,主要指的是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75%)、质量最轻、能量最高(所有燃料中)、排放物最清洁(仅有水)的元素,有“人类的终极能源”之称。氢又是一种难以驾驭的元素,早在200多年前,人类就已经开始各种尝试,试图控制并使用这种能源,但哪怕到今天,数据中心想用氢能供电,仍然需要经历一个非常庞杂的过程:消耗大量的能源和成本,还会产生碳排放,而且当空气中氢浓度超过15%时,还会面临燃烧爆炸的风险。具体来说就是:要先把氢元素转化成氢能(制氢),氢能在特定场景下(储氢、输氢)可以转化为电能(用氢/发电),再给到数据中心使用。

由于篇幅限制,本文仅从制氢和用氢两个部分对经济性进行简单分析。

数据中心想用氢能供电,就需要先制造氢能。

目前我国比较成熟的常用制氢技术包括煤制氢(灰氢)、天然气制氢(灰氢)、工业副产制氢(蓝氢)和电解水制氢(绿氢)。据统计,2020年我国共制氢2500万吨,其中煤制氢占比高达62%,天然气制氢为19%,工业副产制氢为18%,电解水制氢为1%。

 

32020年中国制氢结构

2020年中国制氢结构

 

为什么煤制氢占比超过60%,电解水制氢却仅有1%?背后最重要的原因就是成本。对比四种制氢方式的成本(见下表),煤制氢成本最低,仅10.9—13.9元/kg,而电解水制氢成本高达29.9—39.8元/kg。因此,煤制氢凭借低成本,成为过去我国制氢的主要方式。

 

不同制氢技术的成本计算

 

如今,随着“零碳发电”的绿色数据中心成为未来趋势,以零碳排放的方式制取绿氢——电解水制氢,已经成为必然选择。但目前,其高昂的成本让很多数据中心厂商望而却步。

具体拆解电解水制氢的计算公式:

电解水制氢成本=每生产1立方氢需要消耗的电量 *每消耗1kWh的电价(1kg氢=11.2立方氢。

由此分析,电解水制氢的成本其实主要取决于两个因素,一个是电量,还有一个就是电价。也就是说,制氢消耗的电量越少、电价越便宜,电解水制氢的成本就越低,经济性就越好。按当前数据测算,当电价低于0.3元/kWh时,具备较好的经济性。

但电解水制氢若想在数据中心实现规模化应用,离不开技术成熟度(Technology Readiness Level,TRL)的不断提高,简单说,技术成熟度越高,市场需求越大,规模化满足后成本将会出现大幅下降,经济性获得大幅提升,市场空间才会被彻底打开。

下图从技术成熟度等级(1—9,数值越大表示技术成熟度越高,规模化实现越快),列出了23种电解水制氢相关技术:

 

5中国节能协会氢能专业委员会网站

中国节能协会氢能专业委员会网站

结合市场现状,当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)。

 

6中国节能协会氢能专业委员会网站2

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处于TRL8—9,也就是达到了成熟可规模化的阶段。固体氧化物电解水TRL达到5—6,也就是技术示范到系统开发阶段(比ALK、PEM效率更高、成本更低),但尚未进入规模化阶段。而阴离子交换膜电解水仍处于技术开发阶段,距离规模化还有一段较长的距离。

 

7几种电解水制氢技术成本对比

几种电解水制氢技术成本对比

另外,电解槽作为电解水制氢的核心设备,规模化程度也值得关注。电解槽早在1800年就在英国诞生了,但至今依然面临技术要求高、制造成本高的问题。因此,当前最成熟的电解槽制造商仍在进一步开发技术、标准化系统应用、努力提高制造能力,并准备在未来十年甚至更长时间内,实现大规模供应电解槽

 

8集装箱式PEM电解槽

集装箱式PEM电解槽

再说说用氢。

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,再考虑储氢和输氢等阶段叠加的综合成本,到最后用氢能供电时,数据中心的用氢成本不断攀升,成为氢能在数据中心行业实现规模化应用的重要制约因素。

 

9我国不同类型发电成本区间估算(元_kWh)

我国不同类型发电成本区间估算(元_kWh)

对比给数据中心供电的各类发电成本可以发现,火力发电成本最低,仅有0.25—0.4元/kWh,而利用氢能“零碳”(氢燃料电池)发电,成本高达2.5—3元/kWh,成本几乎是火力发电的10倍。但长期来看,氢燃料电池发电的成本会不断下降。

目前,氢能“零碳”发电主要有两种方式:一种是将氢能用于燃气轮机产生电,也就是通常说的“氢能发电机”;另一种方式是利用电解水的逆反应产生电,也就是上文提到的“氢燃料电池”。根据用氢成本对比分析,氢能发电机和氢燃料电池在2022年时发电成本均为2.5元/kWh左右,但到2030年,氢燃料电池的发电成本仅有0.8元/kWh,但氢能发电机的成本却反而升至2.88元/kWh。

 

10用氢成本对比分析与预测

用氢成本对比分析与预测

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也将逐渐体现。未来,氢燃料电池将是大势所趋,但尚需时日。

氢能的安全性

本文主要从物理安全的角度,简单分析氢能在数据中心行业应用的安全性问题。

数据中心作为我国数字经济的“底座”,承载着支撑各行业实现产业互联网转型升级的重要使命,因此保证数据中心的安全具有重要的战略意义。在使用氢能供电时,数据中心面临的主要风险是氢气泄漏导致燃烧、爆炸,造成对数据中心的物理性伤害。如果氢气泄漏后被立即点燃,就会形成氢喷射火;如果泄漏到有限空间内,会形成可燃氢气云,一旦被点燃就会产生爆燃甚至爆轰,会对数据中心安全运行造成严重危害。

从可持续发展的角度来看,数据中心用氢能供电固然好,但这一巨大潜在风险在很大程度上限制了氢能在数据中心的规模化应用。因此,如何有效管理氢安全、保证零事故是最核心前提。

数据中心氢能供电的主要风险发生在储运阶段。目前,氢能的储运技术主要包括以下四种:低温液态储氢、高压气态储氢、有机液态储氢和固态材料储氢

 

11几种氢气储运技术对比

几种氢气储运技术对比

在以上四种储运技术中,高压气态储氢是当前我国主流的发展方向,具体包括高压氢气瓶和固定式储氢高压容器,但目前都面临安全隐患大的问题,具体包括两类风险:

一类是高压氢气瓶在移动运输过程中存在发生容器爆破或氢气泄漏的风险。一般来说,为了保证安全性,高压氢气瓶需要使用由碳纤维外层和铝/塑料内胆构成的新型轻质耐压储氢容器,国外目前已经普遍采用70MPa碳纤维缠绕IV型瓶,但目前我国仍以35MPaIII型瓶为主,主要原因是国内高端碳纤维技术尚不成熟,无法规模化生产。但我国目前已经全力推动IV型瓶的发展,2019年颁布了 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年颁布了T/CATSI0207—2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》。

另一类是金属材料的高压储运设备发生氢脆,从而导致氢气泄漏爆炸。氢脆是氢能在储运阶段最大的风险。简单说,氢脆就是氢元素由于很小,可以很容易溶解进入到许多金属材料中,当大量氢元素进入到了金属内部,氢原子就会变成氢分子,然后在内部产生巨大压力,从而导致断裂发生。而且设备的等级越高、压力越大,氢脆发生的概率就越大。

 

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氢脆原理图

 

为最大可能避免氢脆风险,我国在材料氢脆性能检测评估和产品性能测试方面,相继颁布了大量标准: 

 

· GB/T26466—2011《固定式高压储氢用钢带错绕式容器》

· GB/T35544—2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》

· GB/T34542.2—2018《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《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《加氢站储氢压力容器专项技术要求》

· T/CMES16003—2021《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/CATSI 02013—2021《加氢站用高压储氢气瓶安全技术要求》

· NB/T10354—2019《长管拖车》

· NB/T1035— 2019《管束式集装箱》

……

 

目前,高压气态储氢虽然是我国储运氢能的主流技术,但从安全性角度来看依然面临着诸多问题,无法规模化应用。而有机液态储氢技术具备储氢量大、能量密度高、常温常压下即可稳定存在、安全性高等优势,而且可以直接配套目前成熟的成品油供销体系,所以未来在数据中心供电方面应该具备比较广阔的应用前景。

未来,数据中心若想实现氢能的零碳化规模化供电,亟需大批新技术陆续实现规模化应用:

从氢能的经济性层面来看:在制氢阶段,固体氧化物电解水等技术进入成熟可规模化阶段,电解槽设备实现大规模供应;在用氢阶段,氢燃料电池发电成本逼近平价。

从氢能的安全性性层面来看:在储运阶段,高端碳纤维、有机液态储氢等技术陆续实现规模化应用。

总之,数据中心要想实现可持续发展,氢能不可或缺。氢能与数据中心耦合的终极形态也值得期待。

 

 

参考资料:

1.Global Hydrogen Review 2022

2.《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.《中国氢能产业技术发展现状及未来展望》

10.《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》

责任编辑:庞桂玉 来源: 中国IDC圈
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