“双碳”背景下数据中心采用氢能源的优缺点分析
摘要：本文介绍了根据“双碳”的要求数据中心在当前情况下采用氢能源的优缺点,以及制造氢气和储存运输的难点,也介绍了几种制备氢气的方法以及现在利用和制造氢能源的情况,同时也介绍了氢电池和氢发动机的工作原理。为了解决氢气的运输和储存采取的有效措施。
当前,能源依然是我们数据中心永远的需求,而氢能作为高效、可再生和零污染的清洁能源,在能源方面起到了它的作用。以往的数据中心氢作为数据中心供电系统如图1(a)所示,火力发电的市电占了很大比重,如图1(b)所示。从图中可以看出目前的数据中心用电来源主要不是绿色的,超大规模运营商和边缘计算初创公司正在推动氢作为柴油燃料的可能替代品。PlugPower为微软开发了一台3MW的氢燃料电池,该电池可能会在微软数据中心替代柴油发电机。希望以后的数据中中心用电系统如图2所示的解决方案。
但在数据中心供电中使用氢能的潜在好处和障碍又有哪些,这也是急需探讨和解决的问题。
在过去的几年里,人们对使用氢能作为备用发电机的替代品并最终成为数据中心的主要能源的兴趣急剧上升。像IBM、AWS和Equinix这样的公司的持续努力已经开始取得了一些成果,例如微软最近就成功测试了一台3MW的燃料电池。
那么氢能源燃料电池原理是什么呢?
氢能燃料电池的基本原理是电解水的逆反应,氢气和氧气分别供给阳极和阴极。氢气通过阳极扩散出去,电解液反应后,释放的电子通过外部负载到达阴极,如图3所示。
氢燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,代替燃烧(汽油和柴油)或储能(蓄电池)。最典型的传统备用电源方案,燃烧时会释放出COx、NOx、SOx等污染物气体和粉尘。燃料只产生水和热。如果用可再生能源生产氢气,整个循环就是一个不产生有害物质的完整过程。
严格来说,氢燃料电池是一种发电装置。和发电厂一样,它是直接将化学能转化为电能的电化学发电装置。此外,氢燃料电池的电极由特殊的多孔材料制成,这是氢燃料电池的关键技术。它不仅为气体和电解质提供了大的接触面,而且在电池的化学反应中起着催化作用。燃料电池运行安静,噪音只有55dB左右,相当于正常通话的水平。这使得燃料电池适用于室内安装或噪音有限的室外安装。
燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。如图4所示。氢燃料发动机工作过程不涉及燃烧,具有无机械损耗、能量转化率高、产物仅为电和热和水,运行平稳,噪.声低等优点。
与数据中心行业内许多创新一样,超大规模运营商正在进行多个开发计划。考虑到他们在未来几年的能源承诺,这是有意义的。2030年并不遥远。氢能源对于他们来说,不是“能不能用”,而是“什么时候用”的问题。
另一个推进氢能的障碍是由于氢气的压缩、储存和运输方面的困难导致相对缺乏,如图5所示,这也使得其价格远高于其它替代方案。氢能利用除了制氢成本和使用系统的经济性是众所关注的因素之外,技术上一直有一个瓶颈,就是氢气的储存和运输。氢气易燃易爆。由于分子量太小,还很容易泄露。而且现有的汽油柴油加注站无法被再利用,必须新建高压加氢站。一般氢气压力在70-90MPa(700-900个大气压)。国内起步阶段加氢压力是350-450个大气压,即使如此,加氢站关键部件大多依赖进口,建设成本高昂。但是,随着超大规模运营商致力于将氢能添加到未来可再生能源选项的武器库中,这些问题将会被解决。
空间研究和发展在过去的一个世纪里开创了许多新技术,氢能源也不例外。现在,航天工业正在推动将水作为未来的燃料来源,即电解水,如图6所示。这可以通过分解水产生氢气,用于未来月球和火星任务。这也是美国联邦政府制定“氢能之路”框架的原因之一。
通过直接电解纯水产生高纯氢气(不加碱),电解池只电解纯水即可产氢。通电后,电解池阴极产氢气,阳极产氧气,氢气进入氢/水分离器。氧气排入大气。氢/水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后,经稳压阀、调节阀调整到额定压力(0.02～0.45Mpa可调)由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在0.45Mpa左右,当压力达到设定值时,电解池电源供应切断;压力下降,低于设定值时电源恢复供电。
对于数据中心提供商来说,我们有机会利用像氢能这样的新技术提供可再生能源。但是我们必须建立一个可靠的供应链才能大规模使用氢能。一个潜在的解决方案是将燃料源(例如为电池供电的天然气)与氢交换,因为可靠地输送氢气的能力已经开发出来。如今,氢能源可以在集装箱大小的形式提供1-2MW的能量,产生的副产品只是120℃的蒸汽。与吸收式制冷机配合使用,蒸汽的能量可用于为数据中心提供制冷。
在Flexential,节能作为我们对未来承诺的一部分，一些运营团队正在努力评估许多新的燃料来源，为未来我们剧本多样化的能力而努力。我们的第5代设计已经实现了1.4或更低的PUE值和零用水量，目标是在未来的迭代中能够进一步降低PUE值。
用氢替代能源有巨大的潜力。随着逐渐远离传统的基础负载能源，我们需要找到新的选项来运行数据中心，光伏发电、光热发电和风力发电在不刮风或无太阳光照的时候这些手段就相形见拙了。随着时间的推移，如果我们能够有效地和经济地实现产能的规模化，氢气可以成为其中的一个选择。
但是通常分离氢气仍需要用化石燃料,这就提出了一个问题,即我们能多快转向真正的零碳方法。在有关《通胀削减法案》(IRA)的刺激下,可以看到了许多新的将大型绿色氢项目上线的举措。这些都处于早期阶段,因此价格和可用性仍有待观察。
此外,氢气发电设备(燃料电池或内燃机)还需要进一步发展。我们相信,随着时间的推移,氢气、核能和水力发电都将在取代产生碳排放的基础负载能源方面发挥作用。
这里可以用氢燃料汽车的例子来比拟数据中心的的后备发电机:汽车的发动机和后备发电机的发动机是一个概念,汽车的发动机驱动的车轮旋转就相当于发电机的旋转轴,如图7所示。
氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油内燃机车是做了小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢,不使用其它燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里,很快便没有了能量。另一方面,各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间,例如用液态氢或氢化
为了解决氢气的运输和储存问题,一个折中的办法是将氢气制造成氢油,如图8所示,将氢油运输到发电地点后再将氢分离出来去驱动燃料发电机发电。氢油的储氢质量密度高达6%,氢油的密度略小于1%。因此体积储氢密度为60kg/m3,接近液体氢的密度70kg/m3。作为对比,70MPa(700个大气压)时的压缩氢气体积密度为39kg/m3。氢油还有一个好处,就是可以露天放置不挥发,遇到明火不燃烧。储油还可以重复使用。因为发动机工作中,氢油进入脱氢系统,脱出的氢气进入燃料电池,进气压力为0.2MPa,氢油脱氢后变为储油回到储油油箱。储油在氢油加注站进行回收,最后集中运送到加氢工厂再次加氢,重新使用。
最关键的,储存和运输过程是常温常压,根本上杜绝了液化气槽运车或高压加氢站的爆炸事故发生的可能性。
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