数据中心水冷制氢及氢能电源协同提升数据中心能效与水效机制

摘要

【目的】随着AI与5G技术的不断发展，数据中心已经成为未来发展的重要基础设施。数据中心的高能耗特性与当前低碳发展需求间存在突出矛盾，而单纯依赖清洁能源供电的优化路径又存在多重瓶颈，如废热回收难和效率低等问题。因此，本文针对数据中心的余热回收问题展开研究，提出一种规模化制氢容量配置方法，以期为数据中心供能系统的绿色低碳发展与绿氢生产效率提升提供新思路。【方法】首先，分析数据中心能耗架构，构建水冷模式数据中心输出热能的数学模型，并建立有关电解液温度变化对电解制氢效率影响的数学模型，将电解液温升系数作为数据中心与电解制氢的耦合节点，为后续废温水协同机制的构建奠定基础。其次，分析数据中心能耗特征与氢能需求，基于废热回收加热电解液理论，构建数据中心+清洁能源+绿氢运行架构并设计与之匹配的运行模式。建立系统整体动态供需平衡模型后，根据清洁能源出力情况与数据中心运行情况制定电解制氢的多种运行模式。最后，综合考虑数据中心负荷特性、清洁能源出力波动、氢能市场需求等因素，构建了以系统经济性、碳排放量、可再生能源消纳率为优化目标的制氢容量配置模型，设计了基于改进时序差分算法和粒子群算法的多目标优化求解方法，并采用Matlab软件进行了仿真分析。【结果】数据中心+清洁能源+绿氢协同运行模式能够在典型日场景下减少2.59%的年用电量能耗，辅助调峰市场的定价方法可以引导系统按不同目标运行，并能在不同程度上满足系统的经济性与低碳性需求。多维度技术的创新性耦合，推动了数据中心能源系统的结构性变革。【结论】本文提出的规模化电解制氢容量配置方法，既能满足数据中心废热利用的消纳需求，又能降低供能系统对化石能源(柴油)的依赖程度，可为数据中心构建可调负荷-储能-供能三位一体的新型能源系统提供新的技术路径，进而助力我国经济的数字化转型及“双碳”目标的稳步推进。

关键词

数据中心 / 电解制氢 / 余热回收 / 改进时序差分算法 / 粒子群算法 / 容量配置 / 低碳经济运行 / 绿色低碳转型

基金资助

辽宁省联合基金项目面上计划项目(2023-MSLH-267); 国网辽宁省电力有限公司科技项目(2024YF-97)