摘要：本文介紹了根據(jù)“雙碳”的要求數(shù)據(jù)中心在當(dāng)前情況下采用氫能源的優(yōu)缺點(diǎn),以及制造氫氣和儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)碾y點(diǎn),也介紹了幾種制備氫氣的方法以及現(xiàn)在利用和制造氫能源的情況,同時(shí)也介紹了氫電池和氫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。為了解決氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存采取的有效措施。

當(dāng)前,能源依然是我們數(shù)據(jù)中心永遠(yuǎn)的需求,而氫能作為高效、可再生和零污染的清潔能源,在能源方面起到了它的作用。以往的數(shù)據(jù)中心氫作為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖1(a)所示,火力發(fā)電的市電占了很大比重,如圖1(b)所示。從圖中可以看出目前的數(shù)據(jù)中心用電來(lái)源主要不是綠色的,超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商和邊緣計(jì)算初創(chuàng)公司正在推動(dòng)氫作為柴油燃料的可能替代品。PlugPower為微軟開(kāi)發(fā)了一臺(tái)3MW的氫燃料電池,該電池可能會(huì)在微軟數(shù)據(jù)中心替代柴油發(fā)電機(jī)。希望以后的數(shù)據(jù)中中心用電系統(tǒng)如圖2所示的解決方案。

但在數(shù)據(jù)中心供電中使用氫能的潛在好處和障礙又有哪些,這也是急需探討和解決的問(wèn)題。

在過(guò)去的幾年里,人們對(duì)使用氫能作為備用發(fā)電機(jī)的替代品并最終成為數(shù)據(jù)中心的主要能源的興趣急劇上升。像IBM、AWS和Equinix這樣的公司的持續(xù)努力已經(jīng)開(kāi)始取得了一些成果,例如微軟最近就成功測(cè)試了一臺(tái)3MW的燃料電池。

那么氫能源燃料電池原理是什么呢?

氫能燃料電池的基本原理是電解水的逆反應(yīng),氫氣和氧氣分別供給陽(yáng)極和陰極。氫氣通過(guò)陽(yáng)極擴(kuò)散出去,電解液反應(yīng)后,釋放的電子通過(guò)外部負(fù)載到達(dá)陰極,如圖3所示。

氫燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng),代替燃燒(汽油和柴油)或儲(chǔ)能(蓄電池)。最典型的傳統(tǒng)備用電源方案,燃燒時(shí)會(huì)釋放出COx、NOx、SOx等污染物氣體和粉塵。燃料只產(chǎn)生水和熱。如果用可再生能源生產(chǎn)氫氣,整個(gè)循環(huán)就是一個(gè)不產(chǎn)生有害物質(zhì)的完整過(guò)程。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō),氫燃料電池是一種發(fā)電裝置。和發(fā)電廠一樣,它是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。此外,氫燃料電池的電極由特殊的多孔材料制成,這是氫燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)。它不僅為氣體和電解質(zhì)提供了大的接觸面,而且在電池的化學(xué)反應(yīng)中起著催化作用。燃料電池運(yùn)行安靜,噪音只有55dB左右,相當(dāng)于正常通話的水平。這使得燃料電池適用于室內(nèi)安裝或噪音有限的室外安裝。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。如圖4所示。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程不涉及燃燒,具有無(wú)機(jī)械損耗、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物僅為電和熱和水,運(yùn)行平穩(wěn),噪.聲低等優(yōu)點(diǎn)。

與數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)許多創(chuàng)新一樣,超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商正在進(jìn)行多個(gè)開(kāi)發(fā)計(jì)劃?？紤]到他們?cè)谖磥?lái)幾年的能源承諾,這是有意義的。2030年并不遙遠(yuǎn)。氫能源對(duì)于他們來(lái)說(shuō),不是“能不能用”,而是“什么時(shí)候用”的問(wèn)題。

另一個(gè)推進(jìn)氫能的障礙是由于氫氣的壓縮、儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面的困難導(dǎo)致相對(duì)缺乏,如圖5所示,這也使得其價(jià)格遠(yuǎn)高于其它替代方案。氫能利用除了制氫成本和使用系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是眾所關(guān)注的因素之外,技術(shù)上一直有一個(gè)瓶頸,就是氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。氫氣易燃易爆。由于分子量太小,還很容易泄露。而且現(xiàn)有的汽油柴油加注站無(wú)法被再利用,必須新建高壓加氫站。一般氫氣壓力在70-90MPa(700-900個(gè)大氣壓)。國(guó)內(nèi)起步階段加氫壓力是350-450個(gè)大氣壓,即使如此,加氫站關(guān)鍵部件大多依賴進(jìn)口,建設(shè)成本高昂。但是,隨著超大規(guī)模運(yùn)營(yíng)商致力于將氫能添加到未來(lái)可再生能源選項(xiàng)的武器庫(kù)中,這些問(wèn)題將會(huì)被解決。

空間研究和發(fā)展在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里開(kāi)創(chuàng)了許多新技術(shù),氫能源也不例外。現(xiàn)在,航天工業(yè)正在推動(dòng)將水作為未來(lái)的燃料來(lái)源,即電解水,如圖6所示。這可以通過(guò)分解水產(chǎn)生氫氣,用于未來(lái)月球和火星任務(wù)。這也是美國(guó)聯(lián)邦政府制定“氫能之路”框架的原因之一。

通過(guò)直接電解純水產(chǎn)生高純氫氣(不加堿),電解池只電解純水即可產(chǎn)氫。通電后,電解池陰極產(chǎn)氫氣,陽(yáng)極產(chǎn)氧氣,氫氣進(jìn)入氫/水分離器。氧氣排入大氣。氫/水分離器將氫氣和水分離。氫氣進(jìn)入干燥器除濕后,經(jīng)穩(wěn)壓閥、調(diào)節(jié)閥調(diào)整到額定壓力(0.02～0.45Mpa可調(diào))由出口輸出。電解池的產(chǎn)氫壓力由傳感器控制在0.45Mpa左右,當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí),電解池電源供應(yīng)切斷;壓力下降,低于設(shè)定值時(shí)電源恢復(fù)供電。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心提供商來(lái)說(shuō),我們有機(jī)會(huì)利用像氫能這樣的新技術(shù)提供可再生能源。但是我們必須建立一個(gè)可靠的供應(yīng)鏈才能大規(guī)模使用氫能。一個(gè)潛在的解決方案是將燃料源(例如為電池供電的天然氣)與氫交換,因?yàn)榭煽康剌斔蜌錃獾哪芰σ呀?jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。如今,氫能源可以在集裝箱大小的形式提供1-2MW的能量,產(chǎn)生的副產(chǎn)品只是120℃的蒸汽。與吸收式制冷機(jī)配合使用,蒸汽的能量可用于為數(shù)據(jù)中心提供制冷。

在Flexential,節(jié)能作為我們對(duì)未來(lái)承諾的一部分，一些運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)正在努力評(píng)估許多新的燃料來(lái)源，為未來(lái)我們劇本多樣化的能力而努力。我們的第5代設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1.4或更低的PUE值和零用水量，目標(biāo)是在未來(lái)的迭代中能夠進(jìn)一步降低PUE值。

用氫替代能源有巨大的潛力。隨著逐漸遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的基礎(chǔ)負(fù)載能源，我們需要找到新的選項(xiàng)來(lái)運(yùn)行數(shù)據(jù)中心，光伏發(fā)電、光熱發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在不刮風(fēng)或無(wú)太陽(yáng)光照的時(shí)候這些手段就相形見(jiàn)拙了。隨著時(shí)間的推移，如果我們能夠有效地和經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的規(guī)?；?，氫氣可以成為其中的一個(gè)選擇。

但是通常分離氫氣仍需要用化石燃料,這就提出了一個(gè)問(wèn)題,即我們能多快轉(zhuǎn)向真正的零碳方法。在有關(guān)《通脹削減法案》(IRA)的刺激下,可以看到了許多新的將大型綠色氫項(xiàng)目上線的舉措。這些都處于早期階段,因此價(jià)格和可用性仍有待觀察。

此外,氫氣發(fā)電設(shè)備(燃料電池或內(nèi)燃機(jī))還需要進(jìn)一步發(fā)展。我們相信,隨著時(shí)間的推移,氫氣、核能和水力發(fā)電都將在取代產(chǎn)生碳排放的基礎(chǔ)負(fù)載能源方面發(fā)揮作用。

這里可以用氫燃料汽車的例子來(lái)比擬數(shù)據(jù)中心的的后備發(fā)電機(jī):汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和后備發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)概念,汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輪旋轉(zhuǎn)就相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸,如圖7所示。

氫內(nèi)燃車和氫燃料電池車不同。氫內(nèi)燃車是傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)車是做了小量改動(dòng)的版本。氫內(nèi)燃直接燃燒氫,不使用其它燃料或產(chǎn)生水蒸氣排出。這些車的問(wèn)題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數(shù)英里,很快便沒(méi)有了能量。另一方面,各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間,例如用液態(tài)氫或氫化

為了解決氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存問(wèn)題,一個(gè)折中的辦法是將氫氣制造成氫油,如圖8所示,將氫油運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電地點(diǎn)后再將氫分離出來(lái)去驅(qū)動(dòng)燃料發(fā)電機(jī)發(fā)電。氫油的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度高達(dá)6%,氫油的密度略小于1%。因此體積儲(chǔ)氫密度為60kg/m3,接近液體氫的密度70kg/m3。作為對(duì)比,70MPa(700個(gè)大氣壓)時(shí)的壓縮氫氣體積密度為39kg/m3。氫油還有一個(gè)好處,就是可以露天放置不揮發(fā),遇到明火不燃燒。儲(chǔ)油還可以重復(fù)使用。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作中,氫油進(jìn)入脫氫系統(tǒng),脫出的氫氣進(jìn)入燃料電池,進(jìn)氣壓力為0.2MPa,氫油脫氫后變?yōu)閮?chǔ)油回到儲(chǔ)油油箱。儲(chǔ)油在氫油加注站進(jìn)行回收,最后集中運(yùn)送到加氫工廠再次加氫,重新使用。

最關(guān)鍵的,儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程是常溫常壓,根本上杜絕了液化氣槽運(yùn)車或高壓加氫站的爆炸事故發(fā)生的可能性。

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本文標(biāo)題：“雙碳”背景下數(shù)據(jù)中心采用氫能源的優(yōu)缺點(diǎn)分析

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