中國儲能網(wǎng)訊：數(shù)據(jù)中心用氫能供電，經(jīng)濟(jì)性和安全性是兩個繞不過去的核心問題。
從1968年飛離地球38萬千米之外的阿波羅登月飛船，到2022年潛入400米海下的氫動力潛艇，50多年來，氫能上天入海，無所不能。
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氫能進(jìn)入“拐點時刻”
如今，氫能來到了一個非常重要的“拐點時刻”。據(jù)《2050氫能展望報告》顯示，從2022年開始到2050年，全球?qū)⒂谐^15個行業(yè)對氫能產(chǎn)生強(qiáng)勁的需求，這當(dāng)中就涉及數(shù)據(jù)中心行業(yè)。
隨著各國“碳中和”政策的加速推進(jìn)，對于數(shù)據(jù)中心行業(yè)這個排碳大戶來說，未來實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)下的可持續(xù)發(fā)展，氫能供電不可或缺。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)共耗電2100億kWh，假設(shè)整個數(shù)據(jù)中心行業(yè)實現(xiàn)氫能供電，一共需要消耗多少氫？
一般來說，1kg氫的熱值約當(dāng)于33kWh的電，按50%的氫燃料電池電堆發(fā)電效率（約10兆瓦功率，相當(dāng)于每小時發(fā)電1萬kWh）計算，1kg氫大概可以發(fā)電16kWh，全國一年大概會消耗1300多萬噸氫。從單個數(shù)據(jù)中心來看，根據(jù)2020年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大型數(shù)據(jù)中心（以30萬臺服務(wù)器為例）每天總耗電在180萬kWh左右，每天消耗120多噸氫?？梢?，僅按當(dāng)前全國數(shù)據(jù)中心體量估算，對氫的規(guī)?；袌鲂枨蠖际欠浅ｓ@人的（我國2021年全年氫產(chǎn)量3300萬噸），氫能也因此受到越來越多的關(guān)注。
縱觀國內(nèi)這幾年有關(guān)氫能的政策演變，一個顯著的趨勢是：從技術(shù)到應(yīng)用、從點到面，越來越具體，越來越高頻，數(shù)據(jù)中心和氫能的交集也越來越多。
· 2019年3月，氫能被首次寫入《政府工作報告》。
· 2020年4月，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》公布，在法律層面上首次將氫能列入能源范疇。
· 2020年12月，《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出，支持新技術(shù)新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展,加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備；《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄（2020年版）》公布，氫能與燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈被納入鼓勵外商投資的范圍。
· 2021年3月，“氫能與儲能”被列為“十四五”規(guī)劃中前瞻謀劃的六大未來產(chǎn)業(yè)之一。
· 2021年10月，《2030年前碳達(dá)峰行動方案》發(fā)布，首次明確提出氫能對實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要意義。
· 2021年11月，《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》發(fā)布，就氫能的制、儲、輸、用全鏈條關(guān)鍵技術(shù)提供了創(chuàng)新指導(dǎo)。
· 2021年12月，《綠色數(shù)據(jù)中心政府采購需求標(biāo)準(zhǔn)（試行）》征求意見稿發(fā)布，要求優(yōu)先采購使用氫能源、液冷、分布式供電、模塊化機(jī)房等高效系統(tǒng)設(shè)計方案。
· 2021年12月，國家發(fā)改委等四部門發(fā)布《貫徹落實碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實施方案》，提出支持模塊化氫電池和太陽能板房等在小型或邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)模化推廣應(yīng)用。
· 2022年3月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確指出要依托通信基站、數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，推動氫燃料電池在備用電源領(lǐng)域的市場應(yīng)用。
中國電子學(xué)會秘書長陳英曾稱：“數(shù)據(jù)中心作為耗電大戶，其規(guī)模增長必然帶來能耗大幅增長?！彼€表示：“綠色化轉(zhuǎn)型已迫在眉睫，氫能剛好能夠解決這個問題?！?
的確，一方面，氫能（綠氫）兼具可再生和零碳的特征；另一方面，數(shù)據(jù)中心屬于典型的高耗能、高排碳行業(yè)——氫能供電，數(shù)據(jù)中心用電，二者一拍即合。
數(shù)據(jù)中心與氫能之間的故事，就這樣開始了。
目前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心行業(yè)的頭部企業(yè)對氫能的布局已經(jīng)悄然展開：
· 2021年12月，萬國數(shù)據(jù)在第十六屆中國IDC產(chǎn)業(yè)年度大典（IDCC2021）上首次發(fā)布了第一代Smart DC，聚焦氫能等綠色新能源技術(shù)方案；
· 2022年3月，西川中核國興科技與聯(lián)想新視界在成都宣布將打造國內(nèi)首個氫能零碳數(shù)據(jù)中心；
· 2022年7月，鵬博士配套氫燃料電池分布式電站的氫能低碳數(shù)據(jù)中心項目啟動；
· 2022年9月，世紀(jì)互聯(lián)聯(lián)合國家能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，探索國內(nèi)首個固定式氫燃料電池作為常用電源，為數(shù)據(jù)中心長時供電提供解決方案；
……
顯然，氫能在數(shù)據(jù)中心行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)受到越來越多廠商的重視，但距離真正實現(xiàn)大規(guī)模落地應(yīng)用，仍有一段路要走。這主要是因為目前存在兩個繞不開的核心問題，依然沒有在規(guī)?；瘜用娴玫较到y(tǒng)有效的解決：一個是經(jīng)濟(jì)性，一個是安全性。
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氫能的經(jīng)濟(jì)性
氫能在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性問題，主要指的是實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的問題。
氫是自然界中含量最高（占宇宙元素質(zhì)量75%）、質(zhì)量最輕、能量最高（所有燃料中）、排放物最清潔（僅有水）的元素，有“人類的終極能源”之稱。氫又是一種難以駕馭的元素，早在200多年前，人類就已經(jīng)開始各種嘗試，試圖控制并使用這種能源，但哪怕到今天，數(shù)據(jù)中心想用氫能供電，仍然需要經(jīng)歷一個非常龐雜的過程：消耗大量的能源和成本，還會產(chǎn)生碳排放，而且當(dāng)空氣中氫濃度超過15%時，還會面臨燃燒爆炸的風(fēng)險。具體來說就是：要先把氫元素轉(zhuǎn)化成氫能（制氫），氫能在特定場景下（儲氫、輸氫）可以轉(zhuǎn)化為電能（用氫/發(fā)電），再給到數(shù)據(jù)中心使用。
由于篇幅限制，本文僅從制氫和用氫兩個部分對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡單分析。
數(shù)據(jù)中心想用氫能供電，就需要先制造氫能。
目前我國比較成熟的常用制氫技術(shù)包括煤制氫（灰氫）、天然氣制氫（灰氫）、工業(yè)副產(chǎn)制氫（藍(lán)氫）和電解水制氫（綠氫）。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國共制氫2500萬噸，其中煤制氫占比高達(dá)62%，天然氣制氫為19%，工業(yè)副產(chǎn)制氫為18%，電解水制氫為1%。
2020年中國制氫結(jié)構(gòu)
為什么煤制氫占比超過60%，電解水制氫卻僅有1%？背后最重要的原因就是成本。對比四種制氫方式的成本（見下表），煤制氫成本最低，僅10.9—13.9元/kg，而電解水制氫成本高達(dá)29.9—39.8元/kg。因此，煤制氫憑借低成本，成為過去我國制氫的主要方式。
如今，隨著“零碳發(fā)電”的綠色數(shù)據(jù)中心成為未來趨勢，以零碳排放的方式制取綠氫——電解水制氫，已經(jīng)成為必然選擇。但目前，其高昂的成本讓很多數(shù)據(jù)中心廠商望而卻步。
具體拆解電解水制氫的計算公式：
電解水制氫成本=每生產(chǎn)1立方氫需要消耗的電量 *每消耗1kWh的電價（1kg氫=11.2立方氫）
由此分析，電解水制氫的成本其實主要取決于兩個因素，一個是電量，還有一個就是電價。也就是說，制氫消耗的電量越少、電價越便宜，電解水制氫的成本就越低，經(jīng)濟(jì)性就越好。按當(dāng)前數(shù)據(jù)測算，當(dāng)電價低于0.3元/kWh時，具備較好的經(jīng)濟(jì)性。
但電解水制氫若想在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，離不開技術(shù)成熟度（Technology Readiness Level，TRL）的不斷提高，簡單說，技術(shù)成熟度越高，市場需求越大，規(guī)?；瘽M足后成本將會出現(xiàn)大幅下降，經(jīng)濟(jì)性獲得大幅提升，市場空間才會被徹底打開。
下圖從技術(shù)成熟度等級（1—9，數(shù)值越大表示技術(shù)成熟度越高，規(guī)模化實現(xiàn)越快），列出了23種電解水制氫相關(guān)技術(shù)：
結(jié)合市場現(xiàn)狀，當(dāng)前主流技術(shù)有以下四種：堿性電解水（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水（PEM）、固體氧化物電解水（SOEC）和陰離子交換膜電解水（AEM）。
其中，堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)已經(jīng)處于TRL8—9，也就是達(dá)到了成熟可規(guī)模化的階段。固體氧化物電解水TRL達(dá)到5—6，也就是技術(shù)示范到系統(tǒng)開發(fā)階段（比ALK、PEM效率更高、成本更低），但尚未進(jìn)入規(guī)?；A段。而陰離子交換膜電解水仍處于技術(shù)開發(fā)階段，距離規(guī)模化還有一段較長的距離。
幾種電解水制氫技術(shù)成本對比
另外，電解槽作為電解水制氫的核心設(shè)備，規(guī)?；潭纫仓档藐P(guān)注。電解槽早在1800年就在英國誕生了，但至今依然面臨技術(shù)要求高、制造成本高的問題。因此，當(dāng)前最成熟的電解槽制造商仍在進(jìn)一步開發(fā)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)應(yīng)用、努力提高制造能力，并準(zhǔn)備在未來十年甚至更長時間內(nèi)，實現(xiàn)大規(guī)模供應(yīng)電解槽。
集裝箱式PEM電解槽
再說說用氫。
從電價到技術(shù)再到設(shè)備，在多重因素的影響下，制氫階段的成本居高不下，再考慮儲氫和輸氫等階段疊加的綜合成本，到最后用氫能供電時，數(shù)據(jù)中心的用氫成本不斷攀升，成為氫能在數(shù)據(jù)中心行業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的重要制約因素。
我國不同類型發(fā)電成本區(qū)間估算（元/kWh）
對比給數(shù)據(jù)中心供電的各類發(fā)電成本可以發(fā)現(xiàn)，火力發(fā)電成本最低，僅有0.25—0.4元/kWh，而利用氫能“零碳”（氫燃料電池）發(fā)電，成本高達(dá)2.5—3元/kWh，成本幾乎是火力發(fā)電的10倍。但長期來看，氫燃料電池發(fā)電的成本會不斷下降。
目前，氫能“零碳”發(fā)電主要有兩種方式：一種是將氫能用于燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生電，也就是通常說的“氫能發(fā)電機(jī)”；另一種方式是利用電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)生電，也就是上文提到的“氫燃料電池”。根據(jù)用氫成本對比分析，氫能發(fā)電機(jī)和氫燃料電池在2022年時發(fā)電成本均為2.5元/kWh左右，但到2030年，氫燃料電池的發(fā)電成本僅有0.8元/kWh，但氫能發(fā)電機(jī)的成本卻反而升至2.88元/kWh。
用氫成本對比分析與預(yù)測
基于此，隨著氫燃料電池發(fā)電成本大幅下降，數(shù)據(jù)中心氫能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性也將逐漸體現(xiàn)。未來，氫燃料電池將是大勢所趨，但尚需時日。
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氫能的安全性
本文主要從物理安全的角度，簡單分析氫能在數(shù)據(jù)中心行業(yè)應(yīng)用的安全性問題。
數(shù)據(jù)中心作為我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的“底座”，承載著支撐各行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級的重要使命，因此保證數(shù)據(jù)中心的安全具有重要的戰(zhàn)略意義。在使用氫能供電時，數(shù)據(jù)中心面臨的主要風(fēng)險是氫氣泄漏導(dǎo)致燃燒、爆炸，造成對數(shù)據(jù)中心的物理性傷害。如果氫氣泄漏后被立即點燃，就會形成氫噴射火；如果泄漏到有限空間內(nèi)，會形成可燃?xì)錃庠?，一旦被點燃就會產(chǎn)生爆燃甚至爆轟，會對數(shù)據(jù)中心安全運行造成嚴(yán)重危害。
從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，數(shù)據(jù)中心用氫能供電固然好，但這一巨大潛在風(fēng)險在很大程度上限制了氫能在數(shù)據(jù)中心的規(guī)模化應(yīng)用。因此，如何有效管理氫安全、保證零事故是最核心前提。
數(shù)據(jù)中心氫能供電的主要風(fēng)險發(fā)生在儲運階段。目前，氫能的儲運技術(shù)主要包括以下四種：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、有機(jī)液態(tài)儲氫和固態(tài)材料儲氫。
幾種氫氣儲運技術(shù)對比
在以上四種儲運技術(shù)中，高壓氣態(tài)儲氫是當(dāng)前我國主流的發(fā)展方向，具體包括高壓氫氣瓶和固定式儲氫高壓容器，但目前都面臨安全隱患大的問題，具體包括兩類風(fēng)險：
一類是高壓氫氣瓶在移動運輸過程中存在發(fā)生容器爆破或氫氣泄漏的風(fēng)險。一般來說，為了保證安全性，高壓氫氣瓶需要使用由碳纖維外層和鋁/塑料內(nèi)膽構(gòu)成的新型輕質(zhì)耐壓儲氫容器，國外目前已經(jīng)普遍采用70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，但目前我國仍以35MPaIII型瓶為主，主要原因是國內(nèi)高端碳纖維技術(shù)尚不成熟，無法規(guī)?；a(chǎn)。但我國目前已經(jīng)全力推動IV型瓶的發(fā)展，2019年頒布了 T/CATSI0205—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》，2020年頒布了T/CATSI0207—2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》。
另一類是金屬材料的高壓儲運設(shè)備發(fā)生氫脆，從而導(dǎo)致氫氣泄漏爆炸。氫脆是氫能在儲運階段最大的風(fēng)險。簡單說，氫脆就是氫元素由于很小，可以很容易溶解進(jìn)入到許多金屬材料中，當(dāng)大量氫元素進(jìn)入到了金屬內(nèi)部，氫原子就會變成氫分子，然后在內(nèi)部產(chǎn)生巨大壓力，從而導(dǎo)致斷裂發(fā)生。而且設(shè)備的等級越高、壓力越大，氫脆發(fā)生的概率就越大。
氫脆原理圖
為最大可能避免氫脆風(fēng)險，我國在材料氫脆性能檢測評估和產(chǎn)品性能測試方面，相繼頒布了大量標(biāo)準(zhǔn)：
· GB/T26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》
· GB/T35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》
· GB/T34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法》GB/T34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗方法》
· T/CATSI05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》
· T/CMES16003—2021《車用高壓儲氫系統(tǒng)氫氣壓力循環(huán)測試與泄漏/滲透測試方法》
· T/CATSI 02013—2021《加氫站用高壓儲氫氣瓶安全技術(shù)要求》
· NB/T10354—2019《長管拖車》
· NB/T1035— 2019《管束式集裝箱》
……
目前，高壓氣態(tài)儲氫雖然是我國儲運氫能的主流技術(shù)，但從安全性角度來看依然面臨著諸多問題，無法規(guī)?；瘧?yīng)用。而有機(jī)液態(tài)儲氫技術(shù)具備儲氫量大、能量密度高、常溫常壓下即可穩(wěn)定存在、安全性高等優(yōu)勢，而且可以直接配套目前成熟的成品油供銷體系，所以未來在數(shù)據(jù)中心供電方面應(yīng)該具備比較廣闊的應(yīng)用前景。
未來，數(shù)據(jù)中心若想實現(xiàn)氫能的零碳化規(guī)?；╇姡叫璐笈录夹g(shù)陸續(xù)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用：
從氫能的經(jīng)濟(jì)性層面來看：在制氫階段，固體氧化物電解水等技術(shù)進(jìn)入成熟可規(guī)?；A段，電解槽設(shè)備實現(xiàn)大規(guī)模供應(yīng)；在用氫階段，氫燃料電池發(fā)電成本逼近平價。
從氫能的安全性性層面來看：在儲運階段，高端碳纖維、有機(jī)液態(tài)儲氫等技術(shù)陸續(xù)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。
總之，數(shù)據(jù)中心要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，氫能不可或缺。氫能與數(shù)據(jù)中心耦合的終極形態(tài)也值得期待。
