中國儲能網訊：數據中心用氫能供電，經濟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。
1
氫能進入“拐點時刻”
如今，氫能來到了一個非常重要的“拐點時刻”。據《2050氫能展望報告》顯示，從2022年開始到2050年，全球將有超過15個行業(yè)對氫能產生強勁的需求，這當中就涉及數據中心行業(yè)。
隨著各國“碳中和”政策的加速推進，對于數據中心行業(yè)這個排碳大戶來說，未來實現“碳中和”目標下的可持續(xù)發(fā)展，氫能供電不可或缺。據統(tǒng)計，2021年我國數據中心行業(yè)共耗電2100億kWh，假設整個數據中心行業(yè)實現氫能供電，一共需要消耗多少氫？
一般來說，1kg氫的熱值約當于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。從單個數據中心來看，根據2020年數據統(tǒng)計，大型數據中心（以30萬臺服務器為例）每天總耗電在180萬kWh左右，每天消耗120多噸氫?？梢?，僅按當前全國數據中心體量估算，對氫的規(guī)?；袌鲂枨蠖际欠浅ｓ@人的（我國2021年全年氫產量3300萬噸），氫能也因此受到越來越多的關注。
縱觀國內這幾年有關氫能的政策演變，一個顯著的趨勢是：從技術到應用、從點到面，越來越具體，越來越高頻，數據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，支持新技術新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展,加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業(yè)鏈技術裝備；《鼓勵外商投資產業(yè)目錄（2020年版）》公布，氫能與燃料電池全產業(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業(yè)之一。
· 2021年10月，《2030年前碳達峰行動方案》發(fā)布，首次明確提出氫能對實現碳達峰碳中和的重要意義。
· 2021年11月，《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》發(fā)布，就氫能的制、儲、輸、用全鏈條關鍵技術提供了創(chuàng)新指導。
· 2021年12月，《綠色數據中心政府采購需求標準（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、模塊化機房等高效系統(tǒng)設計方案。
· 2021年12月，國家發(fā)改委等四部門發(fā)布《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發(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據中心的規(guī)模化推廣應用。
· 2022年3月，國家發(fā)改委、國家能源局聯合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確指出要依托通信基站、數據中心等基礎設施工程建設，推動氫燃料電池在備用電源領域的市場應用。
中國電子學會秘書長陳英曾稱：“數據中心作為耗電大戶，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，數據中心屬于典型的高耗能、高排碳行業(yè)——氫能供電，數據中心用電，二者一拍即合。
數據中心與氫能之間的故事，就這樣開始了。
目前，國內數據中心行業(yè)的頭部企業(yè)對氫能的布局已經悄然展開：
· 2021年12月，萬國數據在第十六屆中國IDC產業(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方案；
· 2022年3月，西川中核國興科技與聯想新視界在成都宣布將打造國內首個氫能零碳數據中心；
· 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據中心項目啟動；
· 2022年9月，世紀互聯聯合國家能源互聯網產業(yè)及技術創(chuàng)新聯盟，探索國內首個固定式氫燃料電池作為常用電源，為數據中心長時供電提供解決方案；
……
顯然，氫能在數據中心行業(yè)的應用已經受到越來越多廠商的重視，但距離真正實現大規(guī)模落地應用，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：一個是經濟性，一個是安全性。
2
氫能的經濟性
氫能在數據中心應用的經濟性問題，主要指的是實現規(guī)模化應用的問題。
氫是自然界中含量最高（占宇宙元素質量75%）、質量最輕、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，人類就已經開始各種嘗試，試圖控制并使用這種能源，但哪怕到今天，數據中心想用氫能供電，仍然需要經歷一個非常龐雜的過程：消耗大量的能源和成本，還會產生碳排放，而且當空氣中氫濃度超過15%時，還會面臨燃燒爆炸的風險。具體來說就是：要先把氫元素轉化成氫能（制氫），氫能在特定場景下（儲氫、輸氫）可以轉化為電能（用氫/發(fā)電），再給到數據中心使用。
由于篇幅限制，本文僅從制氫和用氫兩個部分對經濟性進行簡單分析。
數據中心想用氫能供電，就需要先制造氫能。
目前我國比較成熟的常用制氫技術包括煤制氫（灰氫）、天然氣制氫（灰氫）、工業(yè)副產制氫（藍氫）和電解水制氫（綠氫）。據統(tǒng)計，2020年我國共制氫2500萬噸，其中煤制氫占比高達62%，天然氣制氫為19%，工業(yè)副產制氫為18%，電解水制氫為1%。
2020年中國制氫結構
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”的綠色數據中心成為未來趨勢，以零碳排放的方式制取綠氫——電解水制氫，已經成為必然選擇。但目前，其高昂的成本讓很多數據中心廠商望而卻步。
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，經濟性就越好。按當前數據測算，當電價低于0.3元/kWh時，具備較好的經濟性。
但電解水制氫若想在數據中心實現規(guī)模化應用，離不開技術成熟度（Technology Readiness Level，TRL）的不斷提高，簡單說，技術成熟度越高，市場需求越大，規(guī)?；瘽M足后成本將會出現大幅下降，經濟性獲得大幅提升，市場空間才會被徹底打開。
下圖從技術成熟度等級（1—9，數值越大表示技術成熟度越高，規(guī)模化實現越快），列出了23種電解水制氫相關技術：
結合市場現狀，當前主流技術有以下四種：堿性電解水（ALK）、質子交換膜電解水（PEM）、固體氧化物電解水（SOEC）和陰離子交換膜電解水（AEM）。
其中，堿性電解水和質子交換膜電解水技術已經處于TRL8—9，也就是達到了成熟可規(guī)?；碾A段。固體氧化物電解水TRL達到5—6，也就是技術示范到系統(tǒng)開發(fā)階段（比ALK、PEM效率更高、成本更低），但尚未進入規(guī)?；A段。而陰離子交換膜電解水仍處于技術開發(fā)階段，距離規(guī)?；€有一段較長的距離。
幾種電解水制氫技術成本對比
另外，電解槽作為電解水制氫的核心設備，規(guī)?；潭纫仓档藐P注。電解槽早在1800年就在英國誕生了，但至今依然面臨技術要求高、制造成本高的問題。因此，當前最成熟的電解槽制造商仍在進一步開發(fā)技術、標準化系統(tǒng)應用、努力提高制造能力，并準備在未來十年甚至更長時間內，實現大規(guī)模供應電解槽。
集裝箱式PEM電解槽
再說說用氫。
從電價到技術再到設備，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，數據中心的用氫成本不斷攀升，成為氫能在數據中心行業(yè)實現規(guī)?；瘧玫闹匾萍s因素。
我國不同類型發(fā)電成本區(qū)間估算（元/kWh）
對比給數據中心供電的各類發(fā)電成本可以發(fā)現，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氣輪機產生電，也就是通常說的“氫能發(fā)電機”；另一種方式是利用電解水的逆反應產生電，也就是上文提到的“氫燃料電池”。根據用氫成本對比分析，氫能發(fā)電機和氫燃料電池在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)電機的成本卻反而升至2.88元/kWh。
用氫成本對比分析與預測
基于此，隨著氫燃料電池發(fā)電成本大幅下降，數據中心氫能應用的經濟性也將逐漸體現。未來，氫燃料電池將是大勢所趨，但尚需時日。
3
氫能的安全性
本文主要從物理安全的角度，簡單分析氫能在數據中心行業(yè)應用的安全性問題。
數據中心作為我國數字經濟的“底座”，承載著支撐各行業(yè)實現產業(yè)互聯網轉型升級的重要使命，因此保證數據中心的安全具有重要的戰(zhàn)略意義。在使用氫能供電時，數據中心面臨的主要風險是氫氣泄漏導致燃燒、爆炸，造成對數據中心的物理性傷害。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，會形成可燃氫氣云，一旦被點燃就會產生爆燃甚至爆轟，會對數據中心安全運行造成嚴重危害。
從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，數據中心用氫能供電固然好，但這一巨大潛在風險在很大程度上限制了氫能在數據中心的規(guī)?；瘧?。因此，如何有效管理氫安全、保證零事故是最核心前提。
數據中心氫能供電的主要風險發(fā)生在儲運階段。目前，氫能的儲運技術主要包括以下四種：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固態(tài)材料儲氫。
幾種氫氣儲運技術對比
在以上四種儲運技術中，高壓氣態(tài)儲氫是當前我國主流的發(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/塑料內膽構成的新型輕質耐壓儲氫容器，國外目前已經普遍采用70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，但目前我國仍以35MPaIII型瓶為主，主要原因是國內高端碳纖維技術尚不成熟，無法規(guī)?；a。但我國目前已經全力推動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膽碳纖維全纏繞氣瓶》。
另一類是金屬材料的高壓儲運設備發(fā)生氫脆，從而導致氫氣泄漏爆炸。氫脆是氫能在儲運階段最大的風險。簡單說，氫脆就是氫元素由于很小，可以很容易溶解進入到許多金屬材料中，當大量氫元素進入到了金屬內部，氫原子就會變成氫分子，然后在內部產生巨大壓力，從而導致斷裂發(fā)生。而且設備的等級越高、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險，我國在材料氫脆性能檢測評估和產品性能測試方面，相繼頒布了大量標準：
· 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，但從安全性角度來看依然面臨著諸多問題，無法規(guī)?；瘧谩６袡C液態(tài)儲氫技術具備儲氫量大、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，所以未來在數據中心供電方面應該具備比較廣闊的應用前景。
未來，數據中心若想實現氫能的零碳化規(guī)?；╇?，亟需大批新技術陸續(xù)實現規(guī)模化應用：
從氫能的經濟性層面來看：在制氫階段，固體氧化物電解水等技術進入成熟可規(guī)模化階段，電解槽設備實現大規(guī)模供應；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、有機液態(tài)儲氫等技術陸續(xù)實現規(guī)?；瘧?。
總之，數據中心要想實現可持續(xù)發(fā)展，氫能不可或缺。氫能與數據中心耦合的終極形態(tài)也值得期待。
