在采用多种可再生能源和电力制氢系统的数据中心中，对供电及剩余能源利用进行优化

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Optimization of power supply and surplus energy utilization in data centers with multiple renewable energy sources and a power-to-hydrogen system

本文提出了一种融合风能、太阳能、柴油发电机和氢能系统的数据中心综合能源管理方案，通过电解水制氢和燃料电池发电优化 surplus 能源利用，在提升供电可靠性和经济性的同时减少碳排放。

　　随着数据存储、处理、云计算等数字应用的迅猛发展，数据中心的能耗问题日益突出。全球能源转型的加速使得寻求可持续的能源解决方案变得尤为迫切。将可再生能源与优化系统配置相结合，是确保数据中心运行效率与可靠性的关键策略。本文提出了一种混合能源系统，该系统融合了风能、太阳能、柴油发电以及以氢为基础的能源储存方案，包括电解装置、氢气储罐和燃料电池。该系统旨在提升电力供应的可靠性，同时高效利用多余的可再生能源，并在减少环境影响的前提下实现这一目标。

研究首先评估了不同规模的光伏系统对整体性能的影响，发现800千瓦的光伏系统表现最佳。随后，对不同氢气系统配置进行了分析，以选择最具潜力的电解装置设置用于进一步研究。最终，针对多个电解装置场景，优化了氢气转化为电能的过程，从而提升系统的经济性与可靠性。实验结果表明，所提出的系统在多种运行条件下显著提升了可靠性和经济性。

能源是人类社会进步和文明发展的基石。然而，近年来对化石燃料的过度依赖，导致了资源枯竭和气候变化等严峻挑战。因此，向可再生能源和可持续能源的转型已成为必须且紧迫的任务。许多国家正在积极采取措施，推动其能源系统的转型，以减少碳排放。在中国，"双碳"目标旨在于2030年前实现碳排放达峰，于2060年前实现碳中和。扩大可再生能源的部署被广泛认为是减少碳排放的关键策略。在过去十年中，中国的风电和光伏装机容量增长了十倍，清洁能源现在占全国总装机发电容量的58.2%。这些举措在减少污染和加快脱碳方面证明了其有效性。

许多跨领域的研究已经证明了用可再生能源替代化石燃料的可行性。例如，Caballero等人研究了海洋可再生能源在此转型过程中的作用，而Wang等人则评估了一种集成可再生能源与储能的分布式多能系统在工业区的应用。Quraan等人开发了一个与电网连接的混合可再生能源系统，用于住宅建筑，提升了系统性能并降低了成本。同样，Chekifi等人将太阳能、风能和地热能结合用于海水淡化。尽管在可再生能源利用方面取得了进展，但其固有的间歇性、输出不可预测性和电力供应的可靠性仍然是重大挑战。

氢能正逐渐被视为解决这些挑战的有前景方案，它有助于脱碳并支持可再生能源的整合。将多余的可再生能源转化为氢气已经引起了广泛关注。Hussam等人对混合可再生能源系统中的氢气生产进行了技术经济评估，发现与电网连接的设计最为经济。Yu等人利用岛屿上的可再生能源，结合多种电解装置，并优化调度以提高年度收益并延长设备寿命。Tebibel等人优化了一个风能与氢气生产系统，实现了每公斤氢气33.70美元的生产成本，同时确保了需求的满足。除了作为有效的能源载体，氢气还是一种多用途的储能介质。凭借其高能量密度和热值，氢气特别适用于燃料电池汽车，这些汽车提供了接近零排放、优越的热力学效率和操作灵活性。然而，目前仍有限的研究探讨了如何同时利用可再生能源进行电力生产和氢气生产。

全球互联网和云计算服务的快速增长推动了大规模数据中心的建设，导致能源消耗急剧上升。2018年，数据中心的用电量估计为大约200太瓦时（TWh），占全球电力使用的近1%，以及碳排放的0.3%。在中国，过去八年数据中心的能源消耗每年增长约12%。这一趋势凸显了创新策略在管理数据中心能源使用方面的重要性。Sheme等人研究了在高纬度数据中心利用可再生能源的可行性。然而，他们的研究忽略了此类系统中能源储存设备的关键作用。Karlsson等人研究了小型数据中心的电力需求，强调了其环境影响。为减少碳排放和运营成本，可再生能源已成为数据中心电力供应的有前景解决方案。Long等人引入了一个将数据中心与氢气储存系统结合的协作框架，以优化可再生能源的利用。同样，Jahangir等人将可再生能源应用于冷却系统以减少电力消耗，而Kwon等人则优化了数据中心的运营，以降低运营成本、提高可再生能源利用率并保持服务质量。

最近关于混合能源系统的相关研究如表1所示，按能源来源、经济评估和可靠性评估进行分类。尽管以往的研究主要集中在提高能源效率、运营策略和多余电力利用方面，但针对数据中心电力供应系统设计的研究仍较为有限。在许多研究中，光伏和风力涡轮机的配置是固定的或仅限于狭窄的范围内，对不同配置如何影响经济性和可靠性分析不足。直接利用可再生能源为数据中心供电仍然面临显著挑战，包括可再生能源的间歇性和电力弃用问题。He等人提出使用电池储存来管理多余可再生能源，以提高电力供应的可靠性。然而，其有效性受到充放电速率的限制，从而降低了多余电力的利用效率。电池相较于氢气储存较为经济，但其生命周期中的环境问题，如污染风险和容量退化受温度和储存时间影响，这些因素在长期储存场景中尤为关键。在高季节性变化和严格可再生能源利用需求的情况下，氢气储能提供了更大的优势。从可扩展性角度来看，氢气可以通过燃料电池转化为电能，或通过氢气甲烷化转化为甲烷，从而在高能耗领域进一步实现脱碳。

在这一背景下，氢气储能作为一种有前景的替代方案，为解决上述限制提供了可能。本文提出了一种结合风能、太阳能、柴油发电机和氢气储能系统的混合能源系统，以增强数据中心的电力供应。该混合系统优先考虑直接利用可再生能源，柴油发电机作为备用电源。多余的可再生能源通过电解装置转化为氢气，储存在氢气储罐中，并在需要时使用。通过分析多种系统配置，研究旨在减少碳排放、降低对电网的依赖并提升经济性能。据作者所知，此前尚无研究探讨氢气作为介质，同时用于利用多余能量和提升离网数据中心的可靠性。本文提出的系统通过氢气转化利用剩余能量，有效减少了可再生能源的盈余，同时通过氢气的利用提升了混合能源系统的性能。考虑了两种潜在的氢气利用途径：将氢气出售以产生额外收入，以及通过燃料电池将其转化为电能以提高电力供应的可靠性。在后一种情况下，燃料电池容量被优化以在经济性和可靠性之间取得平衡，配置选择基于性能评估。第五部分通过可靠性指标和平准化成本分析，对多种配置进行了技术经济评估。整个系统结构如图1所示。

系统评价指标包括混合能源系统和氢气系统。混合能源系统由风力涡轮机、光伏板和柴油发电机组成，负责为数据中心提供电力。与此同时，氢气系统包括质子交换膜（PEM）电解装置和氢气储罐，用于高效地存储和管理多余能量。混合能源系统包含大量可再生能源，导致输出波动。为确保系统的稳定运行，研究重点在于如何优化这些波动，提高整体能源利用效率。

优化方法和参数方面，根据当地的风能潜力，风力涡轮机的额定功率被设定为750千瓦，而混合能源系统中的每块光伏板的额定功率为250瓦。由于数据中心的空间和安装限制，光伏模块的总额定输出功率被限制在800千瓦。为了应对多余的电力生产，考虑了200、300、400和500千瓦的电解装置容量。氢气储罐的容量则基于最大累积氢气量进行设计，以确保系统在高负载和低负载条件下的稳定运行。

在假设和模型验证方面，实际应用中，电解装置的效率受到实际运行功率与额定功率比的影响，特别是在部分负载条件下。在本研究中，电解装置的效率假设为全年8760小时内的每小时恒定。氢气从电解装置泄漏到需求侧的情况被忽略。此外，由于开发用于氢气生产、储存和利用的能源管理系统软件的成本较高，这些成本在研究中被排除。同时，模型验证过程中，假设所有参数均处于理想状态，以确保研究结果的准确性。

对不同配置的比较分析表明，评估可再生能源在数据中心供电中的影响时，需综合考虑可靠性、经济可行性和环境可持续性。如图2所示，展示了不同光伏额定功率对RP（可靠性）、LCOE（平准化电力成本）和碳排放的影响。从图2(a)可以看出，随着光伏额定功率的增加，RP也随之提升。而在图2(b)中，随着光伏额定功率的增加，LCOE和碳排放均有所下降。当光伏额定功率达到800千瓦时，RP达到了其峰值。这表明，适当增加光伏系统的容量可以有效提升数据中心的电力供应可靠性，同时降低运营成本和碳排放。此外，氢气系统的不同配置对整体性能也有显著影响。研究分析了不同电解装置容量对系统可靠性和经济性的影响，发现200千瓦的电解装置在多数情况下表现最佳。氢气储罐的容量则根据最大累积氢气量进行设计，以确保系统在高负载和低负载条件下的稳定运行。燃料电池的容量被优化以在经济性和可靠性之间取得平衡，以满足数据中心的电力需求。

研究结果表明，所提出的混合能源系统在多种运行条件下显著提升了可靠性和经济性。该系统通过合理配置风能、太阳能和柴油发电机，实现了对多余可再生能源的有效利用，同时减少了对电网的依赖。氢气作为能源储存介质，不仅能够缓解可再生能源的间歇性问题，还能在电力需求高峰时提供稳定的电力供应。燃料电池的引入进一步提高了系统的灵活性和可靠性，使其能够适应不同季节和气候条件下的运行需求。此外，氢气的利用还可以通过出售氢气来产生额外收入，从而提升系统的经济性。这种双重利用方式为数据中心的可持续发展提供了新的思路。

通过综合分析和优化，研究提出了一个兼顾经济性、可靠性和环境可持续性的数据中心能源供应方案。该方案不仅能够有效利用可再生能源，还能通过氢气储能和燃料电池技术，实现对多余能量的转化和再利用。这种系统设计为未来数据中心的能源管理提供了重要参考，同时也为可再生能源的整合和利用提供了新的途径。研究结果表明，通过合理配置和优化，混合能源系统能够在减少碳排放的同时，提升数据中心的电力供应效率和可靠性。这为实现"双碳"目标提供了实际可行的解决方案，同时也为全球数据中心的可持续发展提供了新的方向。