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1、1數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007編號 ODCC-2023-02007數據中心氫能應用白皮書開放數據中心委員會2023-09 發布I數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007版權聲明版權聲明ODCC（開放數據中心委員會）發布的各項成果，受著作權法保護，編制單位共同享有著作權。轉載、摘編或利用其它方式使用 ODCC 成果中的文字或者觀點的，應注明來源：“開放數據中心委員會 ODCC”。對于未經著作權人書面同意而實施的剽竊、復制、修改、銷售、改編、匯編和翻譯出版等侵權行為，ODCC 及有關單位將追究其法律責任，感謝各單位的配合與支持。II數據中心氫能應用白皮書ODCC

2、-2023-02007編寫組編寫組項目經理：項目經理：吳華勇維諦技術有限公司工作組長：工作組長：李代程百度在線網絡技術（北京）有限公司貢獻專家：貢獻專家：田軍維諦技術有限公司吳健維諦技術有限公司張迪維諦技術有限公司董龍龍維諦技術有限公司朱莉維諦技術有限公司查帥榮維諦技術有限公司蔡基勇維諦技術有限公司雷愛民維諦技術有限公司韓會先維諦技術有限公司李星維諦技術有限公司劉欣維諦技術有限公司阮迪中國信息通信研究院楊瑛潔中訊郵電咨詢設計院有限公司李鶯百度在線網絡技術（北京）有限公司馮臣秦淮數據集團鄒遠耀西安理工大學III數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007前前 言言對在全球氣候問題不斷凸顯

3、的當下，能源體系脫碳化是實現可持續發展的關鍵。氫能有著來源廣泛、清潔以及安全可控等特點，將成為能源體系脫碳的重點。全球很多政府都制定了相關政策來激勵氫能的發展和應用，例如在中國，氫能和燃料電池預計將為實現2060 年國家碳中和的官方承諾發揮重要作用，并已被納入多項經濟發展計劃和政策。目前，氫能產業發展特別是其在數據中心應用，仍面臨著成本較高、技術不夠成熟、配套設施不夠完善等亟待解決的難題，需要全產業鏈參與進來共同促進氫能產業未來商業化發展和落地。ODCC 始終關注數據中心技術以及氫能產業及其應用的發展，聯合相關單位共同編寫本白皮書，對數據中心氫能系統現狀、需求和當前主流氫能系統等方面進行了詳細

4、的梳理，以期更進一步推動數據中心氫能技術的發展。本文感謝以下起草單位（排名不分先后）：中國信息通信研究院、維諦技術有限公司、北京大學、西安交通大學、西安理工大學、中訊郵電咨詢設計院有限公司、百度在線網絡技術（北京）有限公司、秦淮數據集團等。起草人（排名不分先后）：田軍，吳健，張迪，吳華勇，董龍龍，楊瑛潔，朱莉，查帥榮，蔡基勇，馮臣，李鶯，雷愛民，韓會先，李星，劉欣，鄒遠耀等。IV數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別這些專利的責任。由于時間倉促，水平所限，錯誤和不足之處在所難免，歡迎各位讀者批評指正。如有意見或建議請聯

5、系編寫組。V數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007目目 錄錄版權聲明.I編制說明.II前言.III一、范圍.1二、引言.1三、縮略語和相關術語.2四、數據中心氫能應用前景.4（一）應用場景及技術方向.4（二）行動路線.4（三）可行性分析.5五、氫能數據中心主要技術架構.11（一）氫能 IDC 機柜級供電+綜合能源架構.11（二）氫能 IDC 低壓供電+綜合能源架構.12（三）氫能 IDC 高壓供電+綜合能源架構.13（四）氫能 IDC 風能、光伏供電+綜合能源架構.14（五）氫能備電+綜合能源架構.15六、氫能在不同規模數據中心場景的解決方案.16（一）邊緣/小型數據中心氫能解決

6、方案.17（二）大型/超大型數據中心氫能解決方案.20七、與數據中心相關的制、儲/運氫及交易氫.22（一）數據中心制氫解決方案.22（二）數據中心儲氫和運氫解決方案.27VI數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007（三）數據中心氫能交易平臺.29八、總結.301數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007數據中心數據中心氫能應用白皮書氫能應用白皮書一、一、范圍范圍本文主要討論范圍是數據中心的氫能系統，及其在數據中心中的應用。二、二、引言引言人類使用化石能源而引起的氣候變化，已經使人類和其他生物面臨地球上第六次大規模生物滅絕的風險。氣候變化已經成為當今全人類面臨的重大全球性挑

7、戰。目前全球已經有超過 120 個國家和地區提出了碳中和目標，全球形成了難得的政策與利益一致點。碳中和目標影響廣泛、意義巨大。未來將為人類社會帶來深刻的變革。實現碳中和，需要每個國家和個人的共同推動。我國也在 2020 年提出了“30/60”碳達峰、碳中和目標。氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體，成為實現碳中和目標的重要選擇。氫能作為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要手段，受到世界各國的廣泛關注。氫能也是我國能源戰略布局的重要部分。2022 年 3 月，國家發展改革委、國家能源局聯合印發氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年），以實現

8、“雙碳”目標為總體方向，明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，也是戰略性新興產業和未來產業的重點發展方向。規劃提出了氫能 4 大示范應用場景，明確要依托通信基站、數據中心、鐵路通信站點、電網變電站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。2數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007氫能作為高效低碳的能源載體，綠色清潔的工業原料，必將成為國家“30/60”碳達峰、碳中和目標的有力武器和重要舉措之一。數據中心作為傳統的能源消耗大戶，一直面臨著低碳、綠色發展的迫切壓力。氫能作為一種清潔能源應用于數據中心建設，已經具備一定條件的可

9、行性，未來有望獲得快速發展。三、三、縮略語和相關術語縮略語和相關術語灰氫灰氫：通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產生的氫氣，在生產過程中會有二氧化碳等排放。目前，市面上絕大多數氫氣是灰氫，約占當今全球氫氣產量的 95左右。藍氫藍氫：將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。雖然天然氣也屬于化石燃料，在生產時也會產生溫室氣體，但由于使用了碳捕捉、利用與儲存（CCUS）等先進技術，溫室氣體被捕獲，減輕了對地球環境的影響，實現了低碳制氫。綠氫綠氫：通過使用再生能源（例如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發電進行電解水制氫，在生產綠氫的過程中，完全沒有碳排放。FCFC：燃

10、料電池（Fuel Cell），把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高;另外使用燃料和氧氣作為原料，沒有機械傳動部件，排放出的有害氣體極少，使用壽命長。PEMPEM：質子交換膜（Proton Exchange Membrane）是質子交換膜3數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，對電池性能起著關鍵作用。它不僅具有阻隔作用，還具有傳導質子的作用。BOPBOP：除了

11、燃料電池堆本身之外，系統中用于支持和管理燃料電池正常運行所需的各種組件和系統（Balance of Plant）。包括各種輔助設備、管道、控制系統和配件，用于處理氫氣供應、氧氣供應、冷卻、循環、水管理、氣體處理、壓力控制、廢氣處理等。PMCPMC：能源管理機柜（Power Management Cabinet），在內部集成了燃料電池系統（包括 DC/DC 變換器）、鋰電池、逆變器、RDU、配電單元和交換機或服務器等部件，各部件均為模塊化設計。AWEAWE：堿性水制氫，是產業化發展時間最長、現階段技術最為成熟的電解制氫技術，其以氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質，以石棉膜為隔膜，通電將水分子進行電

12、解得到氫氣和氧氣。堿水電解槽是堿水電解技術所需的核心裝備，主要由槽體、陽極、陰極、隔膜等組成。EMSEMS：能源管理系統（Energy Management System)，是對園區級數據中心的電能、天然氣、蒸汽、冷（熱）量、和用水等能源數據進行自動監測、記錄、分析，進而完成能源的優化調度和管理?？偰繕耸墙⒁粋€全局性的能源管理系統，包括三大部分內容：能源數據采集、能源數據實時監控以及能源數據統計、分析和管理。TRLTRL：技術成熟度水平（Technology Readiness Level），是評估和描述新技術發展成熟程度的一種標準系統。它被廣泛應用于科技領域，包括工程和能源等領域。TRL

13、以數字 0 到 9 表示不同的技4數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007術成熟度水平。四、四、數據中心數據中心氫氫能應用前景能應用前景（一）（一）應用場景及技術方向應用場景及技術方向1）從數據中心在用戶側的應用形態來看，氫能可將從單純的電力消費者轉變為電力“產消者”，實現發電與備電兼顧；2）氫作為一種二次能源，可配合綠電做長周期的針對儲能發電、配合熱電聯供，實現園區零碳供能。（二）（二）行動路線行動路線首先，建設百千瓦級中試項目，打通氫能輸入、發電、以及數據中心綜合供電一體化流程，獲取實際運行數據，驗證燃料電池作為發電站/數據中心主用、備用電源的穩定性，及擴容能力，為日后擴容成為

14、兆瓦級電站的設計積累實際數據；其次，建設兆瓦級試驗項目，獲取實際運行數據，驗證燃料電池擴容級聯性能，持續優化控制策略，積累氫能產、輸、發、供安全運行數據和經驗，保證氫能單邊供電的可靠性和安全性，同時可以探索燃料電池熱電聯供路徑，測試氫能發電/數據中心供能綜合能源利用盈利能力；最后，借助國家、地方政府規?；託湔?，長距離輸氫管網，建設百兆瓦級氫能發電項目作為電站/數據中心常用電源，提高氫能發電和余熱利用效率，提升氫能發電的盈利能力與經濟效益，實現真正意義的零碳供能。5數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007（三）（三）可行性分可行性分析析1）成本方面：氫能“零碳”發電目前主要有兩種實

15、現方式：一種是將氫能用于燃氣輪機將機械能轉化為電能，也就是通常說的“氫能發電機”；另一種方式是利用電解水的逆反應產生電，也就是“氫燃料電池”。根據用氫成本對比分析，氫能發電機和氫燃料電池在 2022 年時發電成本均為 2.5 元/kWh 左右，但到 2030 年，氫燃料電池的發電成本僅有 0.8 元/kWh，但氫能發電機的成本卻反而升至 2.88 元/kWh。由此可知，隨著氫燃料電池發電成本大幅下降，數據中心氫能應用的經濟性也將逐漸體現。顯而易見氫燃料電池將是大勢所趨。而相比目前市電峰電平均 1.1 元/kWh 左右的價格來看，按照燃料電池 50%的發電效率來計算，氫氣的售價只要降至 18 元

16、以下，就可以與使用市電競爭。經計算與推測，上游綠氫的制造成本約在 2030 年左右實現與化石燃料或工業副產氫平價，得益于光伏大規模并網價格將小于 0.2元/kWh，堿性電解槽成本由當前 2200 元/kW 下降至 1700 元/kW，使得最終氫氣的成本預計可控制在 15 元/kg 之內，這將極大的推動氫能產業快速發展。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）。6數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007由此分析，電解水制氫的成本其實主要取決于電量和電價這兩個因素：制氫消耗的電量越少、電價越便

17、宜，電解水制氫的成本就越低。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。由于電解水制氫到氫能發電存在電-氫-電的轉換過程，所以單從成本的角度分析電解水制氫成本組成，其電力成本占總成本60%以上，所以必須結合廉價的綠電資源，做風光互補耦合制氫發電模式是目前的公認路線。2）技術方面：氫能使用最核心的兩個部件是燃料電池和氣體供應系統。其中燃料電池是一種把燃料所具有的化學能通過電化學反應直接轉換成電能、熱能和其他反應物的的發電裝置。其組成原理如下圖 1 所示：陽極（負極）通常由鉑或鉑合金制成。氫氣在陽極上催化分解成質子和電子。陰極（正極）通常由氧氣和電子反應生成水的催化劑組成

18、，常用的催化劑有鉑、鈀和銥等。7數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007圖 1氫燃料電池系統的組成原理而氣體供應系統主要完成流量 Q、壓力 P、溫度 T、濕度 H 和潔凈度的控制。主要包含節溫閥、散熱器、氫氣噴射器、背壓閥、中冷器、空氣壓縮機等幾個重要部件，參見下圖 2。圖 2氣體供應系統的組成及功能目前，氫能發電技術關鍵點在于燃料電池系統發電穩定性、效8數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007率的提升，及系統使用壽命的提升。相應所采取的措施分別如下表1 和表 2 所示：表 1系統穩定性和效率的提升措施電堆質子交換膜（復合膜）技術進步，催化劑載體性能改進，效率提升 5%

19、BOP降低電堆附件功耗，引射器，高效空壓機、碳化硅元件應用，效率提升 4%系統高效的水熱管理技術，精準的氣體輸送控制，效率提升 3%綜合效率當前：42%-45%，提升至 55%（預計 2025 年后）表 2系統壽命提升措施電堆單電池電壓均勻性提升，膜電極、雙極板復合材料、涂層、密封技術進步BOP定制化開發，新型材料與控制系統優化系統電氣控制邏輯提升綜合壽命當前：2500030000h，提升至 5000060000h（預計 2025 年后）3）氫安全方面：針對氫安全系統，在數據中心使用要通過氣體監測手段來避免氫氣泄漏，杜絕火災或爆炸的風險。因此，在氫能數據中心中，必須采取適當的方法來實時監測氫氣

20、泄漏，并及時采取安全措施，如通風系統、泄漏報警系統和自動關閉閥門等；遵循嚴格的安全標準和規定儲存和處理不同狀態的氫氣；合理部署有效的火災報警系統、自動滅火系統和設備；同時也要制定安全培訓和操作規程來保障數據中心工作人員的安全。9數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007目前在加注、儲氫、供氫、系統控制端均具備成熟的技術，后期的主要問題在于氫系統各閥類元件的國產化以提升閥件安全性能指標。相應各個環節的保護措施如下表 3 所示：表 3加氫/儲氫/供氫/系統控制 4 個環節的氫能相關安全保護措施加氫1.加氫模塊設置壓力表、過濾器、單向閥等功能閥件，直接與加氫槍實現對接2.加氫口接地設計，消

21、除靜電儲氫1.被動保護：高壓保護（高壓安全閥）、起火防護（TPRD）2.主動保護：低壓保護、高溫保護、氫氣泄漏保護供氫1.過流保護（過流閥）2.過壓保護（低壓安全閥）控制1.針對氫系統超壓、超溫、過流、或氫氣濃度超標問題，設置三級聲、光告警2.設置告警聯動措施，可配合應急風扇、百葉窗、彈開門、天窗等器件實現氫氣安全泄放4）氫源與數據中心相匹配方面：近期（截至 2025 年前），主要面臨著氫能數據中心選址受限所引發的問題：1可靠近副產氫豐富地區，200km 內，采用長管拖車運輸氫氣；2結合“三北地區”風電、光伏制綠氫資源，可就近選址，就地用氫。中期（2030 年），隨著氫氣儲、運技術進步，中下游

22、加氫、用氫產業劃化布局，氫能數據中心用氫問題緩解：10數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-020071高壓+液氫+管網運輸針對不同市場和區域同步發展，可覆蓋至1000km 內，數據中心用氫問題緩解；2隨著“風光氫儲”產業鏈成熟，電解槽成本進一步降低，可因地制宜布局“制、儲、加、用”一體化氫能數據中心，IDC 綜合能源利用具備經濟效益。遠期（2050 年），氫能數據中心用氫問題基本可以完全解決：1管網輸氫，可覆蓋至大部分城市、鄉村；2具備經濟性的綠電制氫，IDC 綜合能源利用具備盈利能力。5）政策方面目前針對氫能數據中心已發布了一些支持政策，鼓勵和支持小型模塊化機房或邊緣數據中心推廣使用氫

23、能源，做主用電源或備用電源應用。未來，隨著地方政府對氫能數據中心具體的政策、標準及規劃發布，安全評價等關鍵審批流程優化，氫能“安全綠色”審批通道建立，以及加氫站等基礎設施完善，有助于推動氫能數據中心的進一步布局與發展。如下表 4 所示：表 4氫能在數據中心應用的相關利好政策支持政策發布時間政策內容北京市數據中心統籌發展實施方案(2021-2023年)2021.04鼓勵氫能源、液冷、分布式供電、模塊化機房等高效系統設計和應用綠色數據中心政府采購需求標準(試行)2021.12優先選擇氫能源、液冷、分布式供電、模塊化機房的高效系統設計方案11數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007貫徹落

24、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展實施方案2021.12提出支持模塊化氫電池和太陽能板房在小型或邊緣數據中心的推廣應用氫能產業中長期發展規劃（2021-2035年）2022.03明確指出，要依托通信基站、數據中心、鐵路通信站點、電網變電站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五、五、氫氫能數據中心主要技術架構能數據中心主要技術架構氫能在數據中心的應用方案有如下幾種技術發展趨勢，從演進的方向上看，可以概括總結為：從低壓到高壓、從補充到備用、從依賴市電到引進光伏、從部分替代到完全取代油機。所有設備可以通過 UPS 或 HVDC 來供電，與不同

25、供電制式相對應，UPS 和燃料電池+DC/AC 逆變器組合；HVDC 和燃料電池+DC/DC 變換器組合。（一）（一）氫氫能能 IDCIDC 機柜級供電機柜級供電+綜綜合能源架構合能源架構這種方式適用中小型數據中心，A 路主要由市電供電，仍然保留柴油發電機作為應急補充，氫燃料電池輸出幅值等級較低的電壓，可切入 B 路實現機柜級直供，如下圖 3 所示。12數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007圖 3氫能 IDC 機柜級供電+綜合能源架構示意圖（二）（二）氫氫能能 IDCIDC 低壓供電低壓供電+綜綜合能源架構合能源架構這種方式適用功率容量更大的中小型數據中心，A 路主要由市電供電，

26、仍然保留柴油發電機作為應急補充，B 路仍然由氫燃料電池輸出幅值等級較低的電壓，但輸出功率更大，通過低壓配電柜，與 A 路的低壓交流電實現母線聯絡，不再實現機柜級直供，而是通過后端的 UPS 或者 HVDC 形成雙母線供電，如下圖 4 所示。13數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007圖 4氫能 IDC 低壓供電+綜合能源架構示意圖（三）（三）氫氫能能 IDCIDC 高壓供電高壓供電+綜綜合能源架構合能源架構這種方式適用功率容量較大的大型數據中心，仍然保留的柴油發電機同時作為 A 路和 B 路的應急補充，A 路主要由市電供電，B路由氫燃料電池輸出幅值等級較高的電壓，通過高壓配電柜，與

27、 A路的高壓交流電實現母線聯絡，同時，經過變壓器降壓后，通過低壓配電柜，在低壓側又實現母線聯絡，通過后端的 UPS 或者 HVDC 形成雙母線供電，如下圖 5 所示。14數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007圖 5氫能 IDC 高壓供電+綜合能源架構示意圖（四）（四）氫氫能能 IDCIDC 風能、光風能、光伏伏供電供電+綜綜合能源架構合能源架構圖 6氫能 IDC 風能、光伏供電+綜合能源架構示意圖這種方式適用坐落于風光等新能源富裕地區的，功率容量較大的大型數據中心，放棄掉柴油發電機，而以市電同時作為 A 路和 B15數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007路的應急補充

28、，A 路主要由新能源供電，B 路由氫燃料電池輸出幅值等級較高的電壓，通過高壓配電柜，與 A 路的高壓交流電實現母線聯絡，同時，經過變壓器降壓后，通過低壓配電柜，在低壓側又實現母線聯絡，通過后端的 UPS 或者 HVDC 形成雙母線供電，如上圖6 所示。（五）（五）氫氫能備電能備電+綜綜合能源架構合能源架構這種方式適用功率容量較大的大型數據中心，A 路和 B 路分別由兩路相互獨立的市電供電，放棄掉柴油發電機，而以燃料電池輸出幅值等級較高的電壓，作為 A 路和 B 路的應急補充，A 路和 B 路分別通過高壓配電柜母線聯絡，通過變壓器降壓后在低壓側又實現母線聯絡，通過后端的 UPS 或者 HVDC

29、形成雙母線供電，如下圖 7 所示。圖 7氫能備電+綜合能源架構示意圖16數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007六、六、氫氫能在不同規模數據中心場景的解決方案能在不同規模數據中心場景的解決方案相比于傳統數據中心，采用氫燃料電池的數據中心無論規模大小，都有如下 5 個共同特點：柔性化、智能化、模塊化、安全化和低碳化。這也是相較以往建設模式所具備顯著的差異點。柔柔性化：性化：綜合考慮氫能特殊的物化特性、使用要求和相關標準，按照實際負載容量，可以拼接柔性擴容設計，提高產品柔性，滿足現場擴容需求。儲氫柜支持級聯，滿足更長的后備時間需求，同時具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機等功能，多維度保護

30、系統安全、穩定、可靠運行。智智能化：能化：運用 EMS、AI、變頻氟泵、冷板液冷等先進技術，運用到系統能量管理和調優策略中。以系統負載變化為目標，考慮鋰電池 SOC容量保護，區分啟動、備機、運行、加載、減載、停機和切換等工況，協調燃電系統和鋰電池系統配合，利用 AI 技術構建預測模型，預估系統負載變化和需求側輸出響應，提前調整燃電系統和鋰電池系統邏輯輸出，實時保證整機效率最優。模塊化：模塊化：采用全模塊化設計，將數據中心建設簡化為搭積木模式。首先燃電系統支持單模塊獨立運行或多機并聯運行，可切斷故障燃電系統模塊，不影響其他燃電系統模塊或整機運行，實現系統不停電更換、維護燃電系統。其次，逆變器可以

31、單相或三相輸出，任何一個模塊故障或更換，17數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007均不影響其余模塊運行。逆變器模塊熱拔插設計，提高了系統擴容、維護和更換的便利性。安全化：安全化：系統分艙設計，IT/CT 設備、電氣、燃料電池和儲氫等各功能艙體在物理上相互隔離，各自獨立，系統融合，熱管理獨立設計，電氣艙和 IT 柜、空調柜增加物理隔離。儲氫艙采用獨立冷板液冷，與電氣艙隔離分倉設計，互不影響。儲氫柜獨立部署，自然散熱，遠離用電艙室，滿足氫氣快速逃逸的需求。低低碳碳化：化：目前系統整體供電以市電為主用電源，氫燃料電池作為備用，代替柴油發電機做應急電源使用。而在未來氫能成本降低到一定程度

32、時，系統整體供電以氫燃料電池為主用電源，市電作為備用。無論是現階段還是將來，整個氫能供電系統（前端可配置電解水制氫系統、儲氫罐或儲氫車，實現連續供氫）在正常運行過程中都可以做到零碳排放，且環境友好。（一）（一）邊邊緣緣/小型數據中心小型數據中心氫氫能解決方案能解決方案邊緣/小型數據中心存在著發電效率不高，體積能量密度偏低等缺點和制約因素，而引入氫能可以讓這一狀況得以改善，使得氫燃料電池發電技術在小型數據中心的應用成為可能。小型邊緣計算數據中心的特點是整體耗電量不高，選址相對分散，且遠離辦公環境。10kW 左右的電量需求，結合 35MPa 高壓儲氫、PEMFC 發電技術，提出了燃料電池邊緣計算數

33、據中心解決方案，如18數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007下圖 9 所示。鑒于邊緣計算數據中心的應用場景。燃料電池邊緣計算數據中心將應用環境定義為戶外或簡易防護環境。在 IP55 高防護等級設計基礎上，增加可拼接柔性擴容設計，滿足現場靈活的擴容需求。配電一體柜、IT 柜、空調柜和儲氫柜可自由組合為不同功率密度的集成系統，滿足從 2.525kW 邊緣計算小型數據中心應用場景。儲氫柜支持級聯，滿足更長的后備時間需求，同時具備一鍵更換、一鍵加氫和一鍵停機等功能，多維度保護系統安全、穩定、可靠運行。圖 8邊緣/小型數據中心場景的氫能柔性拼接方案氫能在邊緣/小型數據中心場景的柔性拼接組成

34、方案由儲氫柜、PMC 柜（包含：配電倉和燃料電池倉）、設備柜、空調柜和監控系統，共 5 部分組成，分別具體介紹如下：1）儲氫柜：符合標準機柜的寬度 600mm/800mm，儲氫柜可柔性擴展，滿足不同的系統運行時長需求。在儲氫柜中，可以內置多個35MPa 的 III 型儲氫瓶，儲氫量約 10kg。如下圖 9 所示，儲氫柜內置加氫口、壓力表、儲氫瓶、瓶口閥、19數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007減壓閥、氫控制器及其它管閥件，主要作用是為燃料電池發電單元提供氫氣，同時需設置氫氣的壓力、溫度、濃度監測功能，確保氫能系統使用過程安全、可靠。圖 9儲氫柜內部組成原理2）PMC 柜：內置燃

35、料電池系統（集成 DC/DC 變換器）、鐵鋰電池、DC/AC 逆變器、監控單元、配電單元（PMU）和交換機等部件，各部件均為模塊化設計。a)燃料電池系統：作為氫能發電單元，其利用氫氣與氧氣的化學反應產生電能原理，通過 DC/DC 變換器穩壓后向外部的負載側輸出電力。b)鐵鋰電池：由于燃料電池瞬態響應還有提升空間，鋰電單元一方面做燃料電池功率變載時的電能補充，另一方面用于整個系統的備用電源應用。c)其它配電單元：包括配電單元 PMU，DC/AC 逆變器、監控單元等；3）設備柜：用于安裝固定服務器、交換機等 IT/CT 設備；20數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-020074）列間空調柜：

36、為設備機柜和 PMC 柜配電倉提供熱管理；5）監控系統：通過多種協議管理內部功率變換器、各種傳感器、空調系統等部件；而氫系統采用二級監控架構，連接和上傳到上一級監控系統中。（二）（二）大型大型/超大型數據中心超大型數據中心氫氫能解決方案能解決方案目前國內大型或超大型數據中心尚屬起步的預研階段，而國外近兩年取得了示范性案例可供參考，以下圖 10 所示的微軟氫能應用數據中心為例：該項目在兩個 40 英尺集裝箱中使用了零排放的氫燃料電池，提供 3MW 的用電容量，這是向數據中心零碳后備電源邁出的標志性的一步，也是代表了替代柴油發電機，實現數據中心無柴油的趨勢。圖 10（a）微軟氫能應用數據中心側視圖

37、21數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007圖 10（b）微軟氫能應用數據中心俯視圖它基于大容量 PEM 燃料電池技術，結合氫和氧，產生電、熱和水。在該站點，產生的電力被輸送到模擬整個數據中心的電力消耗的假負載（加熱裝置）。每個裝有燃料電池的集裝箱頂部都裝有超大尺寸的散熱器風扇蓋。其他基礎設施包括用于在燃料電池啟動時吸收負載的電池（白盒）和用于在原型系統測試期間模擬數據中心負載的負載組（藍盒）。由此可以進一步再提出一種可行性方案：從長遠來看，廉價的可再生能源（棄光或棄風）可以使綠氫成為現實。未來在發電端，因地制宜在一定的數據中心園區內，設置綠電電解水制氫裝置，既可以就地消納氫氣節省

38、輸運成本，同時也可以部署余熱利用設備，提高能源轉換效率，提升經濟效益。22數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007并且將制氫的能量來源多元化，可以根據當地峰谷電價，從市電、新能源和儲能中合理調配，在園區內自主制備氫氣，形成如下圖 11 所示的制/儲（輸）/用氫一體，融合源網荷儲的解決方案。圖 11 制/儲（輸）/用氫一體，融合源網荷儲的解決方案七、七、與數據中心相關的制、儲與數據中心相關的制、儲/運運氫氫及交及交易氫易氫氫能產業鏈條較長，涉及能源、化工、交通、工業制造等多個行業。除了上述數據中心應用方案中提到的下游用氫環節，氫能產業鏈的上游包括了制氫、儲氫、運氫、加氫等氫氣供應環節

39、和相關設備、部件的研發、制造環節。（一）（一）數據中心制數據中心制氫氫解決方案解決方案隨著“零碳發電”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。但電解水制氫若想在數據中心實現規?；瘧?，離不開技術成熟度 TRL 的不斷提高：TRL 越高，市場需求越大，規?；瘽M足后成23數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007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 12 從技術成熟度 TRL，共分為 19 個等級，（數值越大表示技術成熟度越高，規?；瘜崿F越快），列出了 23 種電解水制氫相關技術：圖 12當前 23 種電解水制氫相

40、關技術的 TRL 對比結合市場現狀，當前技術流派有以下四種：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?；碾A段。固體氧化物電解水 TRL 達到56，也就是技術示范到系統開發階段（比 ALK、PEM 效率更高、成24數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007本更低），但尚未進入規?；A段。而陰離子交換膜電解水仍處于技術開發階段，距離規?；€有一段較長的距離。另外，電解槽作為電解水制氫的核心設備，規?；潭纫仓档藐P注。雖然其早在十九世紀初

41、就在英國誕生，但至今依然面臨技術要求高、制造成本高的問題。因此，仍然需要行業進一步開發技術、標準化系統應用、努力提高制造能力，并準備在未來十年甚至更長時間內，實現大規模供應電解槽。以堿性電解水（ALK）為例，展示了各主要組成部分及其功能，詳見下圖13和下表5。圖 13 堿性電解水（ALK）的系統構成示意圖25數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007表5堿性電解水（ALK）的組成部件及其功能序號部件作用1電解槽把水分子分解成氫氣和氧氣。2氣液分離框架將氫從水中分離出來，得到99.99%的純氫3氫氣純化裝置（可選）如果需要，氫可以進一步純化到燃料電池質量(99.998%)4給水系統將自

42、來水轉化為清潔的去離子水，適合電解槽使用5控制系統集中的數據中心場景下邏輯和安全控制系統6整流柜和變壓器將交流電轉換為可供電解槽使用的直流電。由于變換器負載是電解器，而電解器制氫量與供電電流有關，因此制氫用的功率變換器需要同時滿足低壓大電流且輸出電流紋波低的要求。通過對新能源制氫的電力電子變換器進行了分類和討論，梳理出如下圖14所示的不同種類的電解制氫電源。圖14電解制氫所用到的電源類別在光伏制氫中，多采用DC/DC變換器為電解器供電，由于光伏組件的直流母線電壓一般高于電解器電壓，所以DC/DC變換器需滿足高降壓比。通過從降壓能力、電流紋波、開關管電壓應力、效率及成26數據中心氫能應用白皮書O

43、DCC-2023-02007本等方面對相關DC/DC 變換器進行比較：不同變換器有著其自身的優缺點和適用場合。在 DC/DC變換器中：1）交錯并聯類型的Buck變換器更適用于新能源制氫場合，特別是改進占空比擴展交錯Buck變換器，無論是在降壓能力、輸出電流紋波還是開關管電壓應力方面綜合表現突出。2）傳統Buck變換器在電流紋波方面表現一般，但是成本方面具有優勢。3）抽頭電感型變換器在電流紋波方面表現最差，原因是其電流紋波與匝數比n的平方成正比。4）開關-X型變換器只有一個開關管，控制簡單，但是電流紋波較大。5）對于隔離DC/DC變換器，半橋DC/DC變換器更適合高降壓比的場合，而多端口變換器適

44、合光-氫儲的小功率系統在小型數據中心的應用。此外，可采用在變壓器一次側應用三電平拓撲，在變壓器二次側應用倍流整流電路的方式進一步減小開關管電壓應力，提高電流輸出能力。風電制氫功率等級通常大于光伏制氫，并且主要采用AC/DC整流器為電解器供電，目前功率最大已達兆瓦級。27數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-020071）在面向大型或超大型數據中心的大功率應用場合，單級AC/DC變換器采用晶閘管相控整流器，技術成熟，可靠性高，如2脈波晶閘管橋式整流器和6脈波晶閘管雙星形整流器已成功應用于兆瓦級大功率堿性電解槽供電；2）電流源型整流器在未來應用于中小功率電解器供電的可能性較大。另一方面，雙級A

45、C/DC整流器具有PF高、THDi低和輸出電流紋波小等優點，適合低壓中小功率電解槽?？紤]到冗余性和電流紋波，可采用帶三相交錯Buck變換器結合橋式整流方案。（二）（二）數據中心儲數據中心儲氫氫和運和運氫氫解決方案解決方案隨著全球氫能戰略的不斷深化，在“碳中和”的愿景下，氫能即將迎來新的歷史機遇和發展契機，但是目前氫氣生產主要來源于化石能源及工業副產品，綠氫占比較少。未來，如何實現大規模高效率新能源制氫仍然存在諸多技術挑戰，如綠電成本、產氫效率、用氫安全等。電力電子變換器作為新能源制氫系統中的核心裝備，在轉換效率、可靠性、功率密度、規?；瘏f同控制及穩定性等方面仍有待進一步深入研究。從可持續發展的

46、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?；瘧?。因此，如何有效管理氫安全、保證零事故是最核心前提。28數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007數據中心氫能供電的主要風險并不是發生在制氫和用氫階段，而是發生在儲運階段。目前，氫能的儲運技術主要包括以下四種：低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、有機液態儲氫和固態材料儲氫。表 6不同的氫能的儲運技術對比比較項目低溫液態高溫氣態有機液態固態材料密度（%）5.7101.05.75.07.21.04.5原理高壓低溫下液化壓縮在耐高壓容器催化加氫反應，需要時脫氧反應利用固體進行物理吸附或化學反應裝備液化

47、裝置、液氫儲罐儲氫罐、管道供熱儲氫裝置固體材料優點密度高、純度高、輸送效率高成本低、能耗低、充放電速度快密度高、成本較低、安全性高密度高、安全方便、無需高壓缺點耗能大、成本高、易揮發密度低，存在安全隱患純度低、需配加氫脫氫裝置、成本高密度低、有溫度要求、成本高運輸工具液氫槽罐車管道/長管拖車槽罐車貨車單車儲運量（kg）40003000/連續20002000技術水平成熟發展較快產業示范產業化前期應用場景國際、規?；?、長距離跨區域、城市內規?；?、長距離/從上表 6 對以上四種儲運技術的多維度對比可以看出，高壓氣態儲氫是當前我國主流的發展方向，具體包括高壓氫氣瓶和固定式29數據中心氫能應用白皮書OD

48、CC-2023-02007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，暫時無法規?；a。另一類是金屬材料的高壓儲運設備發生氫脆，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

49、，氫原子就會變成氫分子，然后在內部產生巨大壓力，從而導致斷裂發生。而且設備的等級越高、壓力越大，氫脆發生的概率就越大。（三）（三）數據中心數據中心氫氫能交能交易易平臺平臺隨著碳交易和綠電交易的方興未艾，可以看到氫能作為一種重要的綠色能源也有其獨特的商業價值，可以為與數據中心相關的制氫、運氫、儲氫、用氫產業鏈上下游的客戶提供 B2B 的交易服務，實現數據中心的成功運營和健康成長。氫能交易平臺體系是指為促進氫能市場的發展和促進氫能交易而建立的一系列相關平臺和系統。以下是關鍵組成部分：30數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007氫能市場平臺：為氫能生產商、供應商和需求方提供交易和市場機制

50、。這些核心平臺通常提供氫氣的定價、交易撮合、合同管理和結算服務。氫能交易平臺：提供在線交易平臺或應用程序，使氫能市場參與者能夠直接進行交易和信息共享。氫能數據平臺：用于收集、處理和分析與氫能市場相關的數據，并為市場參與者提供市場洞察和決策支持?？梢哉细鞣N數據源。氫能證書系統：類似于可再生能源證書（RECs）的機制，用于追蹤和認證氫能的產生和使用?？梢源_保氫能的可持續性和環境效益。隨著氫能市場的不斷發展，建立一個完善的氫能交易平臺體系將有助于促進氫能的廣泛應用特別是在數據中心的市場化。八、八、總結總結氫能有著來源廣泛、清潔以及安全可控等特點，是實現國家“雙碳”目標和達成數據中心能源體系脫碳化的關鍵要素，然而其在全國乃至全球范圍內尚處于起步階段，并沒有規?；墒鞈?。本白皮書通過剖析數據中心氫能系統的核心技術，結合不同規模的數據中心典型場景，提出了與之對應的結合氫能技術的供配電解決方案，及與之相關的制備和儲運等實現方式。希望能對數據中心行業低碳建設和運營提供一定參考價值和借鑒意義。31數據中心氫能應用白皮書ODCC-2023-02007數據中心氫能應用的前景非常廣闊，可以幫助數據中心實現更加可靠、穩定、環保和經濟的電力供應。盡管目前氫燃料電池技術還存在一些挑戰和限制，但是隨著技術的不斷發展和應用范圍的擴大，相信氫能將成為未來數據中心可持續發展的重要組成部分。