西北首个氢能低碳数据中心开工，氢能在新型电力系统下有什么发展及应用？

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文章来源：全球氢能

7月5日上午，鹏博士西北5G大数据产业园项目开工奠基仪式在榆中举行，鹏博士西北5G大数据产业园项目是鹏博士大数据+氢能“双轮驱动”，发展西北产业园项目的重要落地。

鹏博士西北5G大数据产业园项目计划总投资30.5亿元，规划占地175亩，其中硬件投资10.5亿，配套服务器及设备20亿，项目建设分为两个部分：

• 氢能低碳数据中心部分占地46亩，计划总投资19.5亿元，包括适用于工业互联网等产业用途的高密机柜，并配套氢燃料电池分布式电站。

• 产业园部分，占地129亩，计划总投资11亿元。

资料显示，鹏博士西北5G大数据产业园是甘肃省首个氢能低碳数据中心，将打造成为西部新能源数据中心的示范项目，为推动“东数西算”国家工程绿色化、节能化发展做出贡献。

图1 项目开工奠基仪式。图源鹏博士集团

随着国家东数西算项目的启动，国家对于数据中心的运行电能利用效率和可再生能源利用率指标有了明显提升。到2025年具体要求如下：

• 新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率<1.3；

• 国家枢纽节点平均电能利用效率<1.25；

• 绿色低碳等级达到4A级以上；

特别在绿色能源方面有明确的要求：“支持模块化氢电池和太阳能板房等在小型或边缘数据中心的规模化推广应用。结合储能、氢能等新技术，提升可再生能源在数据中心能源供应中的比重”。

目前，中国大力推动构建以新能源为主体的新型电力系统。新能源发电是最具前景的能源利用方式，传统能源承担能源保供和确保电网安全稳定运行的责任。

氢能是环境友好、动态性能优良且易与新能源融合发展的清洁二次能源。作为重要的清洁能源，氢能与电力系统融合发展场景包括制氢、输氢、储氢、用氢等全环节：电源侧和电网侧氢储能是有效消纳电力系统多余负荷和提高电力系统灵活性的重要手段；碱性电解水制氢是目前应用最广的电解水制氢技术，已实现工业化应用；质子交换膜电解水制氢目前处于商业化应用的初期。氢能应用于新型电力系统，模式也是多样化的。

01

电解水制氢应用

氢的制备方式有很多种，完整的制氢路线如下图2所示。

图2 氢的制备来源及技术，资料来源《中国冶金》

（1）电解水制氢

在电力系统应用中，电解水制氢可以实现大规模储能，通过供城镇燃气使用和氢燃料电池调节电网负荷，提升电力系统的灵活性；通过制氢-加氢-充（发）电综合能源服务站提升交通领域等城市能源供应效率，增加电力企业的经济效益。应用于电力系统，电解水制氢技术路线特点如下图3所示。

图3 电解水制氢主要技术路线比较。数据来源：中国船舶重工集团， 国家能源集团， 中国华能集团，康明斯 （中国） 投资有限公司。

受电费成本的限制，现阶段电解水制氢的应用场景主要为电力成本相对较低的新能源电解水制氢和低谷电制氢。

• 新能源电解水制氢主要是指，在新能源电站的基础上开展电解水制氢，在电力系统电源侧消纳多余负荷，以氢能的形式储存能源，其储能利用流程如下图4所示。新能源电解水制氢的优势是生产过程中碳排放强度极低，是未来电解水制氢的主要形式。

图4 新能源发电制氢储能示意图

• 低谷电制氢主要是指在近负荷中心利用谷负荷时段电解水制氢，从而提升电力系统的调峰能力。谷电制氢的最大优点是氢能运输成本低，可以就地通过氢储能调峰电站发电或制氢-加氢能源服务站用能。

目前，中国新能源电力产业快速发展，新能源发电量急剧增多，但是为保证电网侧负荷稳定和用户供需平衡，要求电源侧自主消纳新能源电力，以防出现大面积的弃风弃光现象。

值得注意的是，目前中国电力供应最主要的来源依然是火力发电。中国提出构建以新能源为主体的新型电力系统宏伟蓝图，但是鉴于新能源的反调峰特性，火力发电作为中国目前能源结构中容量最大的机组，其调峰能力巨大，深度调峰可有效解决新能源电力资源并网运行问题，但是长时间处于较低负荷的状态下运行，不仅严重影响机组运行的可靠性和经济性，也会对环保设施的稳定运行及污染物的达标排放造成影响，所以，进一步发展煤电企业制氢储氢有很大的经济效益和安全保障。

图5 氢储能利用示意图

为避免锅炉长期低负荷运行同时满足电网深度调峰要求，可以将燃煤电站部分多余负荷用于制氢储氢，其储能利用流程如上图5所示，深度调峰制氢原理如下图6所示。这样既有利于电网负荷稳定和煤电机组安全稳定运行，又能增加发电企业的经济效益，提升发电企业的价值创造能力，推动企业向二次能源综合服务商转型。

图6 煤电系统深度调峰制氢示意图

（2）氢电综合能源服务站

此外，通过可以制氢-加氢-充（发）电服务站模式的氢电综合能源服务站，制得的氢可以储能发电。氢储能调峰电站旨在充分利用电网未消纳的新能源和传统能源负荷，通过电解水制氢实现大规模储能，然后输出至加氢站或者储能发电，实现能源综合利用，有效提高能源消纳水平和电力系统灵活性。

氢储能调峰电站有4种模式，即

• 碱性电解水制氢+富氢燃气发电；

• 碱性电解水制氢+燃料电池发电；

• PEM电解水制氢+富氢燃气发电；

• PEM电解水制氢+燃料电池发电。

这4种模式均采用高压气体储氢，其中，碱性电解水制氢要求电源稳定，适合在电网负荷端使用；PEM电解水制氢对波动性电源有很好的适应性，适合在波动性新能源电站和深度调峰时的燃煤电站使用。

2021年8月23日，兆瓦级质子交换膜水电解制氢系统在国网安徽公司氢综合利用站成功投入使用，该系统是由大连化物所燃料电池系统科学与工程研究中心研制。该系统产氢量220m³/h，峰值产氢量达到275m³/h。该示范项目建成投运后，将为实现可再生能源最大程度储存利用，推进电制氢技术应用和多能互补自愈式微电网应用，助力碳达峰、碳中和提供重要支撑，具有典型的示范价值。

2021年11月26日，华能清洁能源技术研究院和华能四川公司主导研制出目前世界单槽产能最大的碱性制氢水电解槽，每小时可制氢1300m³，最多达1500m³，这也是世界上首套实现这一规模及6000A/m²电流密度性能的商业化碱性制氢水电解槽。该设备的成功研制标志着中国已成功掌握高性能大型电解制氢设备的关键技术，向大规模“绿氢”制备迈出了坚实的一步。

02

掺氢发电应用

H₂掺混天然气作为燃气可以供应城市能源或者供燃气轮机燃烧发电，都是有效的电力系统氢能利用途径。

鉴于可再生能源发电的规模化发展态势，欧洲多国将可再生能源电力制取的H₂掺入天然气管网中，且掺杂比例高达20%。中国氢能利用潜在市场巨大，2019年中国天然气消费量为3.067×10¹¹m³，若按照20%比例掺入H₂，则每年H₂消耗量将达6.0×10¹⁰m³，可减少CO₂排放约0.12Gt，碳减排效果非常显著，氢能的有效利用将推进城市能源供应高效化和清洁化进程。

掺氢燃气可作为燃气电厂燃料，天然气掺混H₂燃烧所产生的CO₂排放量少，同时使得Hg、氮氧化物、硫化物、颗粒物等其他污染物的排放水平更低。氢燃气电厂的投入能有效调节电网负荷，实现电能、氢能的直接转化和闭环利用。

图7 三菱重工燃氢重型燃气轮机。图源两机动力控制

在氢能源工业应用领域内，燃氢燃气轮机是达成“全球使用可再生能源在2050年实现无碳-氢能社会”目标的关键因素之一。据研究表明，当该燃烧器在10%到20%的氢含量范围内，可实现安全和稳定燃烧，并满足排放的要求。燃气轮机的混氢和纯氢燃烧，是实现碳中和的重要技术路径，这在全球范围已达成共识。目前全世界的燃气轮机厂商，如GE、西门子、三菱日立等企业都将目光投向了富氢燃料燃烧技术，并开展了大量的研究与验证工作。

当前，在我国富煤贫油少气的国情下，氢燃气轮机发电技术可以与氢燃料电池技术并行发展，有效支撑氢能参与我国未来能源体系的建设，实现用能终端的清洁低碳转型。

2021年3月29日，由中国能建广东院设计、广东火电承建的国内首个兼具氢能利用的一体化综合能源示范基地项目惠州大亚湾石化区综合能源站项目进行了第一方混凝土浇筑，标志着项目正式开工。项目规划建设4×600兆瓦级燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，本期建设2×600兆瓦9H型燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，相关机组由哈电通用燃气轮机（秦皇岛）有限公司生产。项目投产后，两台燃机将采用10%（按体积计算）的氢气掺混比例与天然气混合燃烧。

2021年12月23日，国家电投荆门绿动电厂在运燃机，成功实现15%掺氢燃烧改造和运行，机组具备了纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力。12月26日，改造后的机组接受电网调度，正式投入运行，整体方案可行性得到验证，这标志着国内已掌握一套完整的燃气轮机电站掺氢改造工程设计方案。

2022年3月，水发派思燃气参与建设的浙江石化燃气-蒸汽联合循环电站项目三台西门子SGT5-2000E机组，先后点火成功。水发派思燃气为电站供应调压站设备，此项目为世界首套天然气与氢气、一氧化碳混合介质调压站。

未来，可再生能源的规模化发展以及气电行业的减排需求，将会促进燃气轮机“掺氢”技术发展，作为大规模氢燃料发电的关键设备，掺氢燃气轮机将迎来巨大的发展空间。

03

氢燃料电池数据中心供电能源替换

氢能具有零碳的特色，在数据中心的应用主要功能是为数据中心提供绿电，利用氢燃料电池可打造零碳数据中心。

氢燃料电池的效率约为 40%~60%，可以理解为每产生1kWh 电能，就会发出5400kJ 的热量。视燃料电池的功率，如果燃料电池的效率为50%，则产生的热能和产生的电能相同温度与燃料电池类型有关，质子交换膜燃料电池排出的热量大约在 50~90 ℃。一般需要采取风冷或者液冷，通常需要采用冷却水箱或余热处理系统吸收或处理 PEMFC 发电机运行产生的热量，保障发电环境不超温。将 PEMFC 燃料电池的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调等，实现电热联产联供，可大幅提高燃料利用效率，具有极好的发展与应用前景。

图源视觉中国

在国外，美国新能源国家实验室（NREL）启动了实验论证项目。燃料电池采用PEM（质子交换膜）70 kW氢燃料电池，提供380V的DC直供给两个机架，氢气供应管道连续供氢，燃料电池产生的余热通过屋顶集中排出。在使用场景的选择上，计划通过 DC短路切换、N+1冗余、完全替代UPS和备用柴发等三个方向实现应用。

微软供气启动了氢能替代方案，燃料电池功率采用250 kW 的PEM（质子交换膜）燃料电池，给10个机架供电。目前已完成24h持续供电实验，正在进行48h供电实验，未来将扩展到3MW，实现直接替换单个备用的柴油发电机。

苹果公司的数据中心项目，采用功率达4 MW的燃料电池，应用的场景选择替代柴发作为备用电源，燃料电池选择了SOFC（固体氧化物燃料电池），燃料采用生物质燃料作为原料气，后续规模准备扩展做到20 MW。

在国内，当前，随着国家东数西算项目的启动，国家对于数据中心的运行电能利用效率和可再生能源利用率指标有了明显提升。除了鹏博士西北5G大数据产业园项目，今年也有其他上市大公司对氢能发电项目作出部署。

2月，互联网公司巨头腾讯正式公布“净零行动”。腾讯表示：将持续关注电解水制氢、电化学储能等颠覆性创新技术，助力低碳、零碳、负碳技术发展；不晚于2030年，实现自身运营及供应链的全面碳中和。同时，不晚于2030年，实现100%绿色电力。

3月，四川中核国兴科技有限公司与联想新视界（北京）科技有限公司在成都举行全面合作协议签约仪式，双方将共同推进氢能在智慧数据产业领域的应用。四川中核国兴与联想新视界集团将利用各自优势在氢燃料电池系统的应用、氢气储运、氢能发电项目、氢能入户项目、碳数据碳交易项目、双碳金融等方面开展全方位的合作。

氢能与电力系统协同互补融合发展，共同保障未来低碳社会的用能需求，在制、储、用各环节都有广阔的应用前景和实用价值，这有助于进一步提升能源消纳水平、电力系统整体运行效率和灵活性，在中国能源革命变局中开新局，助力电力系统早日实现“碳达峰、碳中和”目标。

参考资料

[1]鹏博士集团-《西北首个氢能低碳数据中心，鹏博士西北5G大数据产业园项目正式开工建设》

[2]饶文涛,魏炜,蔡方伟,杨建夏,李文武,吴亦伟.氢能源在绿色数据中心中的应用现状及前景分析[J].上海节能,2022(06):716-720.

[3]王涵啸,厉富超,王磊,徐龙飞,刘庆华.在新型电力系统下氢能的发展研究[J].能源与节能,2022(06):36-39.

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 编辑：戴戴联系邮箱：[e-mail]

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