数据中心氢动力备用能源系统的技术分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Technical analysis of a hydrogen-powered backup energy system for a data center

　　

摘要

在电网故障时确保数据中心的持续供电是一项至关重要的运营需求。本文针对一台装机功率为10千瓦的小型试点数据中心，分析了基于氢能的备用能源配置方案，该方案是按照大规模数据中心（5–200兆瓦）的比例建模的。共评估了四种备用配置：仅电池储能系统、光伏与电池储能系统组合，以及两种氢能混合系统，一种采用质子交换膜燃料电池，另一种采用内燃机。通过数学建模和TRNSYS仿真，量化了氢气消耗量、部分负荷下的燃料电池效率以及储能需求。研究发现在10千瓦的规模下，目前市面上不存在能够100%使用氢气的商用内燃机模块，因此质子交换膜燃料电池是这一功率范围内可行的氢能转电能技术。在理想效率假设下，这种燃料电池配置需要13.2千克氢气，而在实际的部分负荷情况下（最恶劣情况为夏季），这一数值会上升到约25千克。最优的运行策略是使用两台5千瓦的质子交换膜燃料电池并联工作。35巴压力下的金属氢化物储氢被认定为最佳的储氢方案。本文还探讨了将此类配置扩展到300–400千瓦规模的可行性，预计在这一更高功率范围内，氢气生产和转换技术将会有更多选择，包括氢燃料内燃机。这项分析属于技术研究而非经济研究，通过对现场氢气生产系统的动态TRNSYS仿真，其结果与分析得到的质量平衡模型相比，误差在1%以内。对部分负荷下燃料电池效率模型的参数敏感性分析表明，两台设备并联运行的策略相比单台运行更能有效应对效率曲线参数的不确定性。

引言

随着数字基础设施的快速发展，数据中心已成为现代经济中最为重要且能耗最高的设施之一。根据国际能源署的数据，2022年全球数据中心的电力消耗量约为200太瓦时，而随着云计算、人工智能以及物联网应用的普及，这一数字预计还将进一步上升[1]。数据中心的装机电力容量从5兆瓦到200兆瓦不等[1,2]，一旦电力供应中断，就会带来严重的运营、经济和安全问题，因此无论何种规模的数据中心，都需要配备备用电源系统。

传统的备用系统主要以阀控铅酸电池或锂离子UPS电池为主，在长时间停电时还会辅以柴油发电机[3,4]。然而，日益严格的可持续性要求以及可再生氢能的日益普及，使得人们开始关注基于氢能的备用解决方案。在各种氢能转电能技术中，质子交换膜燃料电池具有运行安静、无本地二氧化碳排放且响应速度快的优点，而氢燃料内燃机则成本可能更低，但电效率较低且排放更多[2,5,6]。与此同时，电池储能系统也存在材料供应有限、可回收性差以及使用寿命结束后的环境问题等挑战[7,8]。因此，通过可再生能源电解产生的氢气有望成为一种理想的辅助能源，既能实现季节性储能，也有助于实现减排目标[9,10]。由于可再生能源的间歇性，更加强化了长期储能解决方案的必要性[10]。

此前已有研究从不同角度探讨了氢能在数据中心能源系统中的应用。Song等人[1]和Iverson等人[3]对光伏-氢能系统及混合可再生能源配置进行了技术经济分析，而Haddad等人[4]和Kurtz等人[5]则研究了中型和大型数据中心的氢能基础设施。Celestine等人[2]则总结了大型设施中基于氢能的备用解决方案，包括氢气储存和基础设施需求方面的内容。同时，通过生命周期分析，人们也对绿色氢能的环境性能进行了广泛研究，证实了其相比化石燃料替代品的减排潜力[[11], [12], [13]]。这些研究大多针对中型及以上规模的数据中心，而对于小型数据中心而言，设备供应状况是一个重要的限制因素，目前仍存在明显的研究空白。据作者所知，此前尚无研究将实际的部分负荷燃料电池效率模型、基于TRNSYS的动态氢气生产仿真以及氢能转电能技术的市场可用性评估整合到一个针对小型（≤10千瓦）数据中心的备用系统框架中。因此，本研究采用了兼顾市场情况的综合分析方法，这使其有别于上述那些针对大型数据中心的研究[[1], [2], [3], [4], [5]]，也是本研究的主要贡献所在。

本研究还探讨了10千瓦规模下氢能转电能技术的市场可用性问题。在这一功率范围内，市面上的热电联产模块仅能接受20–40%体积比的氢气混合物[14]。而功率低于50千瓦的纯氢内燃机模块并非标准商用产品，这一缺陷在更大功率等级的系统中并不存在。这一市场缺口是本研究的重要发现，也为未来扩大系统规模的研究提供了方向。

基于以上背景，本研究旨在：（1）通过数学建模和TRNSYS仿真，量化实际部分负荷条件下的氢气消耗量；（2）通过两台燃料电池并联的方式优化其运行效率；（3）比较压缩气体储氢与金属氢化物储氢的优劣；（4）评估10千瓦规模下氢能转电能技术的市场可用性；（5）为未来针对300–400千瓦规模系统的研究奠定方法基础。

章节节选

试点数据中心的规格

本研究以一台装机总功率为10千瓦的小型试点数据中心为研究对象，该设计是参照大规模数据中心的比例制定的。该系统由三个子系统组成：CPU服务器机架（3千瓦）、GPU服务器机架（5千瓦）以及空调系统（2千瓦）。这一试点配置是Ro-HydroHub项目中所规划的基于氢能的数据中心能源枢纽的第一阶段实施内容（详见致谢部分）：即这座10千瓦的数据中心。

仅电池储能及光伏+电池储能系统配置

将公式（1）和（2）应用于正常运行场景（备用功率为9千瓦，持续时间为4小时），可得备用能源需求为36千瓦时，相应的电池储能系统额定容量则为43.5千瓦时。而在持续48小时的紧急场景下（备用功率为5千瓦），电池储能系统的额定容量则需要大约290千瓦时（接近300千瓦时），这充分说明了仅依靠电池储能方案的不可行性，因为其需要巨大的存储容量以及较高的初始投资成本。

该10.5千瓦p的光伏系统每年可产生的能量量为

结论

本研究对10千瓦试点数据中心的基于氢能的备用架构进行了技术评估，考虑了电池储能、氢气生产、部分负荷下的燃料电池运行、氢气储存方案以及向更大规模系统扩展的可能性。主要研究结论如下。

• 1.
  基于电池的备用方案适用于短时间停电情况，但对于长时间停电则不太实用，因为此时需要的存储容量会迅速增加。尽管光伏

数据获取方式

如有需要，可提供相关数据。经合理申请，可从相应作者处获取TRNSYS仿真输入文件以及负载曲线数据。

CRediT作者贡献说明

Diana Ban：概念构思、正式分析、方法设计、结果可视化、初稿撰写。Cristian Gheorghiu：数据整理、研究调研、软件应用。Eduard Minciuc：项目指导、结果验证、论文审阅与修改。Vladimir Tanasiev：资金筹措、项目指导、论文审阅与修改。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

致谢

本研究得到了欧洲区域发展基金在“2021–2027年智能增长、数字化与金融工具计划”项目下的资助，该资助属于“罗马尼亚氢能与新能源技术枢纽”项目——Ro-HydroHub的一部分，项目合同编号为G 2024-81692/390006，起始日期为2024年11月13日，SMIS代码为351358。

Diana Ban|Cristian Gheorghiu|Eduard Minciuc|Vladimir Tanasiev

罗马尼亚布加勒斯特POLITEHNICA国立科技大学动力工程系能源生成与利用专业，地址：布加勒斯特独立大道313号