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1 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 [ 编号 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 ] 数据中心氢能应用白皮书开放数据中心委员会 2 0 2 3 - 0 9 发布I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 版权声明 ODCC （开放数据中心委员会）发布的各项成果，受著作权法保护，编制单位共同享有著作权。转载、摘编或利用其它方式使用 ODCC 成果中的文字或者观点的，应注明来源“ 开放数据中心委员会 ODCC” 。对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC 及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。I I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 编写组项目经理吴华勇维谛技术有限公司工作组长李代程百度在线网络技术（北京）有限公司贡献专家田军维谛技术有限公司吴健维谛技术有限公司张迪维谛技术有限公司董龙龙维谛技术有限公司朱莉维谛技术有限公司查帅荣维谛技术有限公司蔡基勇维谛技术有限公司雷爱民维谛技术有限公司韩会先维谛技术有限公司李星维谛技术有限公司刘欣维谛技术有限公司阮迪中国信息通信研究院杨瑛洁中讯邮电咨询设计院有限公司李莺百度在线网络技术（北京）有限公司冯臣秦淮数据集团邹远耀西安理工大学I I I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 前言对在全球气候问题不断凸显的当下，能源体系脱碳化是实现可持续发展的关键。氢能有着来源广泛、清洁以及安全可控等特点，将成为能源体系脱碳的重点。全球很多政府都制定了相关政策来激励氢能的发展和应用，例如在中国，氢能和燃料电池预计将为实现 2 0 6 0 年国家碳中和的官方承诺发挥重要作用，并已被纳入多项经济发展计划和政策。目前，氢能产业发展特别是其在数据中心应用，仍面临着成本较高、技术不够成熟、配套设施不够完善等亟待解决的难题，需要全产业链参与进来共同促进氢能产业未来商业化发展和落地。 O D C C 始终关注数据中心技术以及氢能产业及其应用的发展，联合相关单位共同编写本白皮书，对数据中心氢能系统现状、需求和当前主流氢能系统等方面进行了详细的梳理，以期更进一步推动数据中心氢能技术的发展。本文感谢以下起草单位（排名不分先后）中国信息通信研究院、维谛技术有限公司、北京大学、西安交通大学、西安理工大学、中讯邮电咨询设计院有限公司、百度在线网络技术（北京）有限公司、秦淮数据集团等。起草人（排名不分先后）田军，吴健，张迪，吴华勇，董龙龙，杨瑛洁，朱莉，查帅荣，蔡基勇，冯臣，李莺，雷爱民，韩会先，李星，刘欣，邹远耀等。I V 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组。V 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 目录版权声明 . I 编制说明 II 前言 . III 一、范围 1 二、引言 1 三、缩略语和相关术语 2 四、数据中心氢能应用前景 4 （一）应用场景及技术方向 . 4 （二）行动路线 . 4 （三）可行性分析 . 5 五、氢能数据中心主要技术架构 . 11 （一）氢能 IDC 机柜级供电综合能源架构 . 11 （二）氢能 IDC 低压供电综合能源架构 . 12 （三）氢能 IDC 高压供电综合能源架构 . 13 （四）氢能 IDC 风能、光伏供电综合能源架构 . 14 （五）氢能备电综合能源架构 . 15 六、氢能在不同规模数据中心场景的解决方案 . 16 （一）边缘/小型数据中心氢能解决方案 . 17 （二）大型/超大型数据中心氢能解决方案 . 20 七、与数据中心相关的制、储/运氢及交易氢 22 （一）数据中心制氢解决方案 22 （二）数据中心储氢和运氢解决方案 27V I 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 （三）数据中心氢能交易平台 29 八、总结 . 301 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 数据中心氢能应用白皮书一、范围本文主要讨论范围是数据中心的氢能系统，及其在数据中心中的应用。二、引言人类使用化石能源而引起的气候变化，已经使人类和其他生物面临地球上第六次大规模生物灭绝的风险。气候变化已经成为当今全人类面临的重大全球性挑战。目前全球已经有超过 1 2 0 个国家和地区提出了碳中和目标，全球形成了难得的政策与利益一致点。碳中和目标影响广泛、意义巨大。未来将为人类社会带来深刻的变革。实现碳中和，需要每个国家和个人的共同推动。我国也在 2 0 2 0 年提出了 “ 3 0 / 6 0 ” 碳达峰、碳中和目标。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体，成为实现碳中和目标的重要选择。氢能作为应对气候变化、建设脱碳社会的重要手段，受到世界各国的广泛关注。氢能也是我国能源战略布局的重要部分。 2 0 2 2 年 3 月，国家发展改革委、国家能源局联合印发氢能产业发展中长期规划（ 2 0 2 1 - 2 0 3 5 年），以实现 “ 双碳 ” 目标为总体方向，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，也是战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。规划提出了氢能 4 大示范应用场景，明确要依托通信基站、数据中心、铁路通信站点、电网变电站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。2 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 氢能作为高效低碳的能源载体，绿色清洁的工业原料，必将成为国家 “ 3 0 / 6 0 ” 碳达峰、碳中和目标的有力武器和重要举措之一。数据中心作为传统的能源消耗大户，一直面临着低碳、绿色发展的迫切压力。氢能作为一种清洁能源应用于数据中心建设，已经具备一定条件的可行性，未来有望获得快速发展。三、缩略语和相关术语灰氢通过化石燃料（例如石油、天然气、煤炭等）燃烧产生的氢气，在生产过程中会有二氧化碳等排放。目前，市面上绝大多数氢气是灰氢，约占当今全球氢气产量的 9 5 ％左右。蓝氢将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。虽然天然气也属于化石燃料，在生产时也会产生温室气体，但由于使用了碳捕捉、利用与储存（ C C U S ）等先进技术，温室气体被捕获，减轻了对地球环境的影响，实现了低碳制氢。绿氢通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在生产绿氢的过程中，完全没有碳排放。 F C 燃料电池（ F u e l C e l l ），把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外使用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，排放出的有害气体极少，使用寿命长。 P E M 质子交换膜（ P r o t o n Ex c h a n g e M e m b r a n e ）是质子交换膜3 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 燃料电池（ P r o t o n Ex c h a n g e M e m b r a n e F u e l C e l l ， P E M F C ）的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。 B O P 除了燃料电池堆本身之外，系统中用于支持和管理燃料电池正常运行所需的各种组件和系统（ B a l a n c e of P l a n t ）。包括各种辅助设备、管道、控制系统和配件，用于处理氢气供应、氧气供应、冷却、循环、水管理、气体处理、压力控制、废气处理等。 P M C 能源管理机柜（ P o w e r M a n a g e m e n t C a b i n e t ），在内部集成了燃料电池系统（包括 D C / D C 变换器）、锂电池、逆变器、 R D U 、配电单元和交换机或服务器等部件，各部件均为模块化设计。 A W E 碱性水制氢，是产业化发展时间最长、现阶段技术最为成熟的电解制氢技术，其以氢氧化钾（ K O H ）水溶液为电解质，以石棉膜为隔膜，通电将水分子进行电解得到氢气和氧气。碱水电解槽是碱水电解技术所需的核心装备，主要由槽体、阳极、阴极、隔膜等组成。 E M S 能源管理系统（ E n e r g y M a n a g e m e n t S y s t e m ，是对园区级数据中心的电能、天然气、蒸汽、冷（热）量、和用水等能源数据进行自动监测、记录、分析，进而完成能源的优化调度和管理。总目标是建立一个全局性的能源管理系统，包括三大部分内容能源数据采集、能源数据实时监控以及能源数据统计、分析和管理。 T R L 技术成熟度水平（ T e c h n o l o g y R e a d i n e s s L ev e l ），是评估和描述新技术发展成熟程度的一种标准系统。它被广泛应用于科技领域，包括工程和能源等领域。 T R L 以数字 0 到 9 表示不同的技4 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 术成熟度水平。四、数据中心氢能应用前景（一）应用场景及技术方向 1 ）从数据中心在用户侧的应用形态来看，氢能可将从单纯的电力消费者转变为电力 “ 产消者 ” ，实现发电与备电兼顾； 2 ）氢作为一种二次能源，可配合绿电做长周期的针对储能发电、配合热电联供，实现园区零碳供能。（二）行动路线首先，建设百千瓦级中试项目，打通氢能输入、发电、以及数据中心综合供电一体化流程，获取实际运行数据，验证燃料电池作为发电站 / 数据中心主用、备用电源的稳定性，及扩容能力，为日后扩容成为兆瓦级电站的设计积累实际数据；其次，建设兆瓦级试验项目，获取实际运行数据，验证燃料电池扩容级联性能，持续优化控制策略，积累氢能产、输、发、供安全运行数据和经验，保证氢能单边供电的可靠性和安全性，同时可以探索燃料电池热电联供路径，测试氢能发电 / 数据中心供能综合能源利用盈利能力；最后，借助国家、地方政府规模化加氢站，长距离输氢管网，建设百兆瓦级氢能发电项目作为电站 / 数据中心常用电源，提高氢能发电和余热利用效率，提升氢能发电的盈利能力与经济效益，实现真正意义的零碳供能。5 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 （三）可行性分析 1 ）成本方面氢能 “ 零碳 ” 发电目前主要有两种实现方式一种是将氢能用于燃气轮机将机械能转化为电能，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 “ 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 2 0 2 2 年时发电成本均为 2 . 5 元 / k W h 左右，但到 2 0 3 0 年，氢燃料电池的发电成本仅有 0 . 8 元 / k W h ，但氢能发电机的成本却反而升至 2 . 8 8 元 / k W h 。由此可知，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。显而易见氢燃料电池将是大势所趋。而相比目前市电峰电平均 1 . 1 元 / k W h 左右的价格来看，按照燃料电池 5 0 的发电效率来计算，氢气的售价只要降至 1 8 元以下，就可以与使用市电竞争。经计算与推测，上游绿氢的制造成本约在 2 0 3 0 年左右实现与化石燃料或工业副产氢平价，得益于光伏大规模并网价格将小于 0 . 2 元 / k W h ，碱性电解槽成本由当前 2 2 0 0 元 / k W 下降至 1 7 0 0 元 / k W ，使得最终氢气的成本预计可控制在 1 5 元 / k g 之内，这将极大的推动氢能产业快速发展。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 1 k W h 的电价（ 1 k g 氢 1 1 . 2 立方氢）。6 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 由此分析，电解水制氢的成本其实主要取决于电量和电价这两个因素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。按当前数据测算，当电价低于 0 . 3 元 / k W h 时，具备较好的经济性。由于电解水制氢到氢能发电存在电 - 氢 - 电的转换过程，所以单从成本的角度分析电解水制氢成本组成，其电力成本占总成本 6 0 以上，所以必须结合廉价的绿电资源，做风光互补耦合制氢发电模式是目前的公认路线。 2 ）技术方面氢能使用最核心的两个部件是燃料电池和气体供应系统。其中燃料电池是一种把燃料所具有的化学能通过电化学反应直接转换成电能、热能和其他反应物的的发电装置。其组成原理如下图 1 所示阳极（负极）通常由铂或铂合金制成。氢气在阳极上催化分解成质子和电子。阴极（正极）通常由氧气和电子反应生成水的催化剂组成，常用的催化剂有铂、钯和铱等。7 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 1 氢燃料电池系统的组成原理而气体供应系统主要完成流量 Q 、压力 P 、温度 T 、湿度 H 和洁净度的控制。主要包含节温阀、散热器、氢气喷射器、背压阀、中冷器、空气压缩机等几个重要部件，参见下图 2 。图 2 气体供应系统的组成及功能目前，氢能发电技术关键点在于燃料电池系统发电稳定性、效8 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 率的提升，及系统使用寿命的提升。相应所采取的措施分别如下表 1 和表 2 所示表 1 系统稳定性和效率的提升措施电堆质子交换膜（复合膜）技术进步，催化剂载体性能改进，效率提升 5 BOP 降低电堆附件功耗，引射器，高效空压机、碳化硅元件应用，效率提升 4 系统高效的水热管理技术，精准的气体输送控制，效率提升 3 综合效率当前42-45，提升至 55（预计 2025 年后）表 2 系统寿命提升措施电堆单电池电压均匀性提升，膜电极、双极板复合材料、涂层、密封技术进步 BOP 定制化开发，新型材料与控制系统优化系统电气控制逻辑提升综合寿命当前 25000 ～ 30000h ，提升至 50000 ～ 60000h （预计 2025 年后） 3 ）氢安全方面针对氢安全系统，在数据中心使用要通过气体监测手段来避免氢气泄漏，杜绝火灾或爆炸的风险。因此，在氢能数据中心中，必须采取适当的方法来实时监测氢气泄漏，并及时采取安全措施，如通风系统、泄漏报警系统和自动关闭阀门等；遵循严格的安全标准和规定储存和处理不同状态的氢气；合理部署有效的火灾报警系统、自动灭火系统和设备；同时也要制定安全培训和操作规程来保障数据中心工作人员的安全。9 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 目前在加注、储氢、供氢、系统控制端均具备成熟的技术，后期的主要问题在于氢系统各阀类元件的国产化以提升阀件安全性能指标。相应各个环节的保护措施如下表 3 所示表 3 加氢/储氢/供氢/系统控制 4 个环节的氢能相关安全保护措施加氢 1.加氢模块设置压力表、过滤器、单向阀等功能阀件，直接与加氢枪实现对接 2.加氢口接地设计，消除静电储氢 1.被动保护高压保护（高压安全阀）、起火防护（TPRD） 2.主动保护低压保护、高温保护、氢气泄漏保护供氢 1.过流保护（过流阀） 2.过压保护（低压安全阀）控制 1.针对氢系统超压、超温、过流、或氢气浓度超标问题，设置三级声、光告警 2.设置告警联动措施，可配合应急风扇、百叶窗、弹开门、天窗等器件实现氢气安全泄放 4 ）氢源与数据中心相匹配方面近期（截至 2 0 2 5 年前），主要面临着氢能数据中心选址受限所引发的问题 1 可靠近副产氢丰富地区， ≤ 2 0 0 k m 内，采用长管拖车运输氢气； 2 结合 “ 三北地区 ” 风电、光伏制绿氢资源，可就近选址，就地用氢。中期（ 2 0 3 0 年），随着氢气储、运技术进步，中下游加氢、用氢产业划化布局，氢能数据中心用氢问题缓解 1 0 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 1 高压液氢管网运输针对不同市场和区域同步发展，可覆盖至 1 0 0 0 k m 内，数据中心用氢问题缓解； 2 随着 “ 风光氢储 ” 产业链成熟，电解槽成本进一步降低，可因地制宜布局 “ 制、储、加、用 ” 一体化氢能数据中心， I D C 综合能源利用具备经济效益。远期（ 2 0 5 0 年），氢能数据中心用氢问题基本可以完全解决 1 管网输氢，可覆盖至大部分城市、乡村； 2 具备经济性的绿电制氢， I D C 综合能源利用具备盈利能力。 5 ）政策方面目前针对氢能数据中心已发布了一些支持政策，鼓励和支持小型模块化机房或边缘数据中心推广使用氢能源，做主用电源或备用电源应用。未来，随着地方政府对氢能数据中心具体的政策、标准及规划发布，安全评价等关键审批流程优化，氢能 “ 安全绿色 ” 审批通道建立，以及加氢站等基础设施完善，有助于推动氢能数据中心的进一步布局与发展。如下表 4 所示表 4 氢能在数据中心应用的相关利好政策支持政策发布时间政策内容北京市数据中心统筹发展实施方案 2021-2023年 2021.04 鼓励氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房等高效系统设计和应用绿色数据中心政府采购需求标准试行 2021.12 优先选择氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房的高效系统设计方案1 1 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和 5 G 等新型基础设施绿色高质量发展实施方案 2021.12 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的推广应用氢能产业中长期发展规划（ 2 0 2 1 - 2 0 3 5 年） 2022.03 明确指出，要依托通信基站、数据中心、铁路通信站点、电网变电站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五、氢能数据中心主要技术架构氢能在数据中心的应用方案有如下几种技术发展趋势，从演进的方向上看，可以概括总结为从低压到高压、从补充到备用、从依赖市电到引进光伏、从部分替代到完全取代油机。所有设备可以通过 U P S 或 H V D C 来供电，与不同供电制式相对应， U P S 和燃料电池 D C / A C 逆变器组合； H V D C 和燃料电池 D C / D C 变换器组合。（一）氢能 I D C 机柜级供电综合能源架构这种方式适用中小型数据中心， A 路主要由市电供电，仍然保留柴油发电机作为应急补充，氢燃料电池输出幅值等级较低的电压，可切入 B 路实现机柜级直供，如下图 3 所示。1 2 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 3 氢能 IDC 机柜级供电综合能源架构示意图（二）氢能 I D C 低压供电综合能源架构这种方式适用功率容量更大的中小型数据中心， A 路主要由市电供电，仍然保留柴油发电机作为应急补充， B 路仍然由氢燃料电池输出幅值等级较低的电压，但输出功率更大，通过低压配电柜，与 A 路的低压交流电实现母线联络，不再实现机柜级直供，而是通过后端的 U P S 或者 H V D C 形成双母线供电，如下图 4 所示。1 3 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 4 氢能 IDC 低压供电综合能源架构示意图（三）氢能 I D C 高压供电综合能源架构这种方式适用功率容量较大的大型数据中心，仍然保留的柴油发电机同时作为 A 路和 B 路的应急补充， A 路主要由市电供电， B 路由氢燃料电池输出幅值等级较高的电压，通过高压配电柜，与 A 路的高压交流电实现母线联络，同时，经过变压器降压后，通过低压配电柜，在低压侧又实现母线联络，通过后端的 U P S 或者 H V D C 形成双母线供电，如下图 5 所示。1 4 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 图 5 氢能 IDC 高压供电综合能源架构示意图（四）氢能 I D C 风能、光伏供电综合能源架构图 6 氢能 IDC 风能、光伏供电综合能源架构示意图这种方式适用坐落于风光等新能源富裕地区的，功率容量较大的大型数据中心，放弃掉柴油发电机，而以市电同时作为 A 路和 B1 5 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 路的应急补充， A 路主要由新能源供电， B 路由氢燃料电池输出幅值等级较高的电压，通过高压配电柜，与 A 路的高压交流电实现母线联络，同时，经过变压器降压后，通过低压配电柜，在低压侧又实现母线联络，通过后端的 U P S 或者 H V D C 形成双母线供电，如上图 6 所示。（五）氢能备电综合能源架构这种方式适用功率容量较大的大型数据中心， A 路和 B 路分别由两路相互独立的市电供电，放弃掉柴油发电机，而以燃料电池输出幅值等级较高的电压，作为 A 路和 B 路的应急补充， A 路和 B 路分别通过高压配电柜母线联络，通过变压器降压后在低压侧又实现母线联络，通过后端的 U P S 或者 H V D C 形成双母线供电，如下图 7 所示。图 7 氢能备电综合能源架构示意图1 6 数据中心氢能应用白皮书 O D C C - 2 0 2 3 - 0 2 0 0 7 六、氢能在不同规模数据中心场景的解决方案相比于传统数据中心，采用氢燃料电池的数据中心无论规模大小，都有如下 5 个共同特点柔性化、智能化、模块化、安全化和低碳化。这也是相较以往建设模式所具备显著的差异点。柔性化综合考虑氢能特殊的物化特性、使用要求和相关标准，按照实际负载容量，可以拼接柔性扩容设计，提高产品柔性，满足现场扩容需求。储氢柜支持级联，满足更长的