饒文濤,魏 煒,蔡方偉,楊建夏,李文武,吳亦偉

(寶武清潔能源有限公司,上海 201900)

數據量的爆發(fā)性增長、云計算的興起將對數據中心建設產生巨大推力,推動數據中心產業(yè)的快速發(fā)展。受新基建政策和國家數字化轉型發(fā)展戰(zhàn)略利好帶動,2020年中國IDC行業(yè)快速發(fā)展,中國IDC業(yè)務市場總體規(guī)模達到2 238.7億元,同比增長43.3%。增長率持續(xù)上升的原因主要來自于增值業(yè)務的快速增長。國內 IDC 運營商主要集中在北京、上海、廣東三地,貼近 IDC 消費的客戶,上海區(qū)域市場份額在國內市場占比在 13%以上,近兩年客戶對機柜資源的需求會集中釋放[1-2]。

隨著IT技術的飛速發(fā)展,IT設備密度越來越高,傳統(tǒng)低密度機柜已經不能滿足市場需要且浪費資源;傳統(tǒng)機房建設周期長,已經向微模塊機房轉變,建設周期短、成本可控、技術等級高、管理方便等;單純售賣物理資源收益低,更多向虛擬云計算資源轉變,提供更多增值服務,獲取高收益。

本文首先分析國內數據中心的發(fā)展現狀、在雙碳形勢下面臨的轉型需求,介紹了國內外氫能源在數據中心應用的案例,分析了典型數據中心的能源結構、氫能源的特點,然后結合數據中心的典型場景進行了應用氫能源的可行性分析,最后指出氫能源在數據中心的應用前景。

1 數據中心現狀及用能分析

國內的華為公司對數據中心進行了系統(tǒng)分析,認為數據中心是數字經濟的底座,社會用電量2%的數據中心,支撐占GDP 36.2%的數字經濟規(guī)模,大數據中心是新基建七大核心領域之一。華為數據中心提出能源解決方案助力打造零碳數據中心[3-4]。

對于新建的數據中心,針對存在的能效低(實際PUE>設計PUE),施工污染大、“三廢”多,建設周期長(>2年)等痛點,樹立了“全生命周期綠色DC”的目標,提出三條技術路徑:一是創(chuàng)新建設模式,具體包括預制模塊化建設、 園區(qū)疊光、 綠電引入等;二是高效用能,具體包括高效溫控、自然冷源、 高效供電等;三是AI輔助運維,具體包括數字孿生、可視化運維、 AI能效系統(tǒng)級優(yōu)化等。

對于已經建成的數據中心,針對存在的老舊供電設備效率低、故障率高、占地面積大,傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)能耗高、人工調節(jié)效果差等痛點,提出“供電改造”和“溫控改造”兩條技術路徑,并擬定了高密高效,5年收回投資;模塊化設計,5 min維護的改造目標,最終實現PUE降低8%～15%。

2 數據中心用能分析

衡量數據中心能耗水平主要有如式(1)、(2)的兩個指標:

(1)

(2)

數據中心消耗的能源資源涉及電力、水,其中主要消耗的能源為電力。以某萬臺套標準機柜(20 A/機柜、約4.2 kW/機柜)進行測算,項目總用電能為66 976.18萬kWh,其中IT設備用能為47 455.37萬kWh,則PUE=1.411,一般數據中心的能耗構成見圖1。

圖1 傳統(tǒng)數據中心能耗構成Fig.1 Traditional data center energy consumption composition

IT設備、制冷系統(tǒng)是今后進一步提高PUE的重點。目前上海地區(qū)的代表性數據中心的PUE少部分達到1.3,大部分1.4,上海市要求1.3以下,所以需要進一步降低PUE。某典型數據中心的實踐表明,通過使用新技術,IT設備的能耗:50%→70%,制冷系統(tǒng):35%→25.75%,供配電系統(tǒng):10%→2%,照明及其他:5%→1.2%。FC的應用場景應該聚焦于IT設備和制冷系統(tǒng),而在照明及其他補充PUE的計算公式,系統(tǒng)中的應用可能相對應難度較小。

3 氫能在數據中心應用的國外現狀

隨著氫能的發(fā)展,已有不少公司在探索將氫能應用于數據中心。目前氫能發(fā)電的主要設備是燃料電池,燃料電池在國外代表性公司的應用匯總見表1。

表1 燃料電池在國外代表性公司的應用匯總Table 1 Summary of the application of fuel cells in foreign representative companies

美國新能源國家實驗室(NREL)啟動了實驗論證項目,燃料電池采用PEM(質子交換膜)70 kW氫燃料電池,提供380 V的DC直供給兩個機架,氫氣供應管道連續(xù)供氫,燃料電池產生的余熱通過屋頂集中排出。在使用場景的選擇上,計劃通過DC短路切換、N+1冗余、完全替代UPS和備用柴油發(fā)電機等3個方向實現應用。

微軟供氣啟動了氫能替代方案,燃料電池功率采用250 kW 的PEM(質子交換膜)燃料電池,給10個機架供電。目前已完成24 h持續(xù)供電實驗,正在進行48 h供電實驗,未來將擴展到3 MW,實現直接替換單個備用的柴油發(fā)電機。

蘋果公司的數據中心項目,采用功率達4 MW的燃料電池,應用的場景選擇替代柴油發(fā)電機作為備用電源,燃料電池選擇了SOFC(固體氧化物燃料電池),燃料采用生物質燃料作為原料氣,后續(xù)規(guī)模準備擴展到20 MW。

Ebay公司的數據中心項目,功率采用6 MW的燃料電池,替代柴油發(fā)電機作為備用電源,燃料電池選擇 SOFC(固體氧化物燃料電池),燃料采用天然氣作為原料氣。

4 數據中心應用氫能的典型場景

考慮到氫能具有零碳的特色,其應用到數據中心后的主要功能應該是為數據中心提供綠電,打造零碳數據中心。氫能發(fā)電的主要設備燃料電池最主要的典型產品是質子交換膜燃料電池(PEM),如果用到IDC需要分析IDC的供能系統(tǒng),找到最佳的切入點。

4.1 燃料電池在IDC應用場景的理論分析

根據上面的分析可知,數據中心的主要供能分布在IT設備系統(tǒng)的供電、空調等系統(tǒng)的供冷。

燃料電池是一種高效的發(fā)電系統(tǒng),有更高的發(fā)電效率,同時也放出余熱,如果能把電能和余熱能結合使用,就能獲得更高的效率,見圖2。

圖2 燃料電池發(fā)電效率、熱效率、熱電聯供效率Fig.2 Fuel cell power generation efficiency,thermal efficiency,combined heat and power generation efficiency

從供電端的切入,可以有如圖3的3個切入點,分別為市電供電端、UPS端和機柜端。

圖3 氫能源在數據中心中可能的應用場景Fig.3 Possible application scenarios of hydrogen energy in data centers

市電端電壓一般為10 kV,接入端的電力都需要滿足這一條件。目前現有的輸入端電力一般包括風電、光伏電、儲能電、柴油發(fā)電。

UPS端和機柜端,比較典型的供電是138～485 V的電壓范圍,電池采用鉛酸電池和鋰電池的結合,其中鉛酸電池的電壓為360～528 V,鋰電池的為512 V,輸出端需要滿足機柜0.5 kW、220 V 交流電的用電需求。

結合上面IDC供電的需求,如果采用燃料電池需要有一個明確的定位,以往通過風光電+儲能電的形式已經可以實現IDC供電的綠電為主、市電為輔的模式,并且開始具有經濟性,那么當采用燃料電池時,必須有一個明確的定位,才能凸顯燃料電池的使用優(yōu)勢。

氫燃料電池的效率大概為40%～60%,可以這樣理解,每產生1 kWh電能,就會產生5 400 kJ的熱量。如果燃料電池的效率為50%,則產生的熱能和產生的電能一樣多,溫度跟燃料電池類型有關,質子交換膜燃料電池排出的溫度大約在50～90 ℃之間。一般需要采取風冷或者液冷,采用冷卻水箱或余熱處理系統(tǒng)吸收或處理PEMFC發(fā)電機運行產生的熱量,保障發(fā)電環(huán)境不超溫。將PEMFC燃料電池的余熱進行再利用,如用于工程除濕、空調等,實現電熱聯產聯供,可大大提高燃料利用效率,具有極好的發(fā)展與應用前景。

目前雙元混合工質噴射式制冷系統(tǒng)發(fā)生器熱源溫度可低至60 ℃;兩級溴化鋰吸收式制冷機驅動熱源溫度為65～75 ℃,這里取平均值70 ℃;常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機驅動熱源溫度在88 ℃以上,這里取為90 ℃。冷熱電聯供的質子交換膜燃料電池系統(tǒng)額定發(fā)電功率不小于200 kW,發(fā)電效率≥50%,系統(tǒng)供電制冷效率≥70% LHV,熱電聯供總效率≥85%。

4.2 燃料電池典型應用場景

4.2.1 替代柴油發(fā)電機

數據中心用的柴油發(fā)電機多為康明斯柴油發(fā)電機系列,其功率為1 800 kW,功能主要是作為市電的一路備用電源。

該場景的好處是減碳功效大。燃料電池作為備用電源中的一路,可以保障供電安全,見圖4。風險相對小,缺點是對燃料電池的功率要求較大,功率達到兆瓦級,需要將多個千瓦級的燃料電池進行串接,造成系統(tǒng)一次投資金額大,影響推廣普及的進程。

圖4 燃料電池替代柴油發(fā)電機功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of the function of fuel cell replacement diesel hair

4.2.2 替代高壓直流供電系統(tǒng)(HVDC)

高壓直流供配電技術(HVDC)就是在供配電系統(tǒng)中將交流電轉換成為穩(wěn)定的直流電,然后再應用到供配電中。HVDC供配電技術不存在感抗,容抗也在線路中不起作用,不存在同步問題。高壓直流供電可提高供電系統(tǒng)可靠性,減少UPS占地面積,降低機房建設及維護成本。 高壓直流供電方案減少機房供電轉換層級,提高系統(tǒng)供電效率15%～25%。

燃料電池本身輸出的就是直流電,將燃料電池用于替代HVDC實現了直流供電,在技術上是可行的,見圖5。同時還可以提高系統(tǒng)供電效率,不足就是目前的主流技術是使交流變直流,由燃料電池供應直流電需要有配套的標準,否則用戶不敢選用。

圖5 兆瓦級的燃料電池直流供電系統(tǒng)Fig.5 MW-class fuel cell DC power supply system

4.2.3 替代空調

數據中心對室溫的要求很嚴,以往都是采用空調進行控溫,見圖6。該方式的主要缺點是能耗大,制冷效果也不理想。

圖6 傳統(tǒng)的數據中心機房制冷系統(tǒng)Fig.6 Traditional data center room cooling system

采用燃料電池進行室溫控制有兩大好處:一是燃料電池可以小型化,甚至實現一個機架配一個燃料電池;二是燃料電池除了供電制冷外,多余的熱能還能用來吸熱式制冷,系統(tǒng)效率可以達到90%以上,比空調制冷的效率高出20%以上。圖7為 SOFC燃料電池應用于數據中心三聯供流程圖。

圖7 SOFC燃料電池應用于數據中心三聯供流程圖Fig.7 SOFC fuel cells used in data center triple supply flowcharts

綜上所述,集合燃料電池可以冷、電等聯供的特點,結合數據中心的需求,在替代柴油發(fā)電機、HVDC和制冷等方面均有應用前景,另外在機柜制冷等領域也有應用的可能性。

關于燃料電池系統(tǒng)還需要從以下方面進行工作,包括氫能制備及儲運、燃料電池供電入網技術、燃料電池應用場景、效果評價等四大部分,可以細化為7個研究部分:①制氫儲氫系統(tǒng)研制;②FC接入IDC能源供應系統(tǒng)最佳模式研究;③適用于數據中心的百千瓦級燃料電池供電系統(tǒng)的研制;④兆瓦級PEM燃料電池替代柴油發(fā)電機供電可行性研究;⑤百千瓦級PEM燃料電池替代UPS(HVDC)供電可行性研究;⑥千瓦級SOFC燃料電池替代局部制冷系統(tǒng)可行性研究;⑦燃料電池在數據中心綠色用能轉型中的效果評價。

5 后續(xù)應用展望及研究

燃料在數據中心具有應用場景,具體的應用落地應綜合考慮氫氣制備、氫氣儲運、FC選型與現有系統(tǒng)的接入等問題,同時緊緊圍繞綠色數據中心的評價標準,最終才能實現既具有技術可行性,又具有性價比的應用場景。