深度|数据中心能源变革方向在哪里?

发布时间:

2024-05-26

2024年4月底,高盛发布了一篇名为AI datacenters and electrification to drive +c 40%_50% growth in electricity consumption 的深度报告(以下简称“报告”),这份报告阐述了随着人工智能、云计算等新兴技术加速演进,以智能计算为主的数据中心正迎来高速发展期。报告预测,到2033年,欧洲AI和传统数据中心新增用电需求将相当于葡萄牙、希腊和荷兰当前的总电力消耗。放眼中国,作为全球数字经济发展的重要引擎,数据中心能源消耗增长态势更为迅猛。报告特别指出,未来AI和传统数据中心的电力需求增长,将主要集中在两类国家:一是拥有廉价、充足基础电力资源的国家,如北欧、西班牙和法国;二是拥有大型金融服务和科技公司,且愿意出台税收优惠等政策吸引数据中心的国家,如德国、英国和爱尔兰。对比来看,中国在能源禀赋和产业政策上具备吸引数据中心投资的综合优势。

 

 

智算中心能耗问题凸显。报告指出,AI服务器的功耗是传统服务器的10倍,一次ChatGPT查询耗电量是传统搜索的10倍。这意味着,随着AI技术在金融、制造、交通等领域渗透加深,中国智算中心能源供给保障将面临挑战。

基于以上背景,我们对智算需求爆发背景下,中国数据中心产业的三个能源变革方向进行简单的探讨

 

01

能源效率提升

 

报告显示,2022年爱尔兰数据中心耗电已占全国总量的18%,且过去7年增长了4倍。面对数据中心用电量"疯狂"增长,欧盟提出到2030年,新建大型数据中心PUE降至1.3以下。

 

 

 

中国IDC圈分析

 

这张图展示了未来十年(2023-2033年)欧洲电力需求的预期增长情况,分不同场景给出了估计值。从图中可以看出,在基准情景下,预计到2033年欧洲电力需求将比2023年累计增长约40%,年均复合增长率达到3.6%。造成需求增长的主要驱动因素包括电气化、工业电力需求、电动汽车以及电力供暖等。

 

其中,电气化(如电动交通工具、电力采暖等)和电动汽车推广将贡献最大的需求增量,工业用电需求增长次之。同时,各驱动因素对电力需求的影响程度也有所不同,如电气化带来的需求增长年均复合增长率高达11%,而能效的提升则在一定程度上抑制了需求的增长。可以预见,在各国持续推进能源转型、电气化进程加速的背景下,未来电力需求仍有较大增长空间。

 

对比欧洲,中国工信部《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》明确,到2023年新建大型、超大型数据中心PUE降至1.3以下。这意味着数据中心能源利用率需提升23%。要实现上述目标,智算中心需从芯片、架构、散热、供电等各环节系统优化。例如液冷技术可将制冷能耗降低50%以上;采用AI调度、负载预测等智能运维技术,可实现能耗再降10%。此外,国内头部企业正通过自研芯片、定制化服务器,从底层硬件和算法优化能效。如阿里云研发的含光800芯片,较通用芯片功耗降低50%。综合来看,软硬件协同创新有望使智算中心PUE降至1.1,超额完成政策目标。

 

02

能源结构转型

 

报告预测,欧洲2023-2033年将新增800吉瓦风光装机。可再生能源成本优势凸显,风光发电平准化度电成本已低于火电。

 

 

 

中国IDC圈分析

 

该图展示了欧盟27国一次能源消费结构的变化情况,可以看出电力在一次能源中的占比从2000年的20%持续上升,2021年已达到28%,预计到2033年将进一步提高到54%,成为主要的能源消费形式。

 

化石能源,尤其是煤炭和石油的消费占比则逐步下降,煤炭占比从2000年的近20%下降到2021年的12%,到2033年将降至4%以下;石油占比也从2000年的近40%降至2021年的36%,预计2033年仅占21%。天然气占比基本保持稳定。可再生能源,主要是风能、太阳能、生物质能、地热能等发电量将大幅提升,在一次能源中的占比由2021年的17%提高到2033年的28%。欧盟能源结构的变化趋势体现了各国大力发展清洁能源、淘汰化石能源的能源转型决心。未来可再生能源发电量将持续快速增长,以电力为主的清洁低碳能源体系加速构建。

 

在"30·60"双碳目标引领下,中国风光发电也将迎来黄金十年。预计到2030年,中国风电容量达到8亿千瓦。面对新增电力消纳压力,智算中心大有可为。一方面,凭借负荷稳定、可调节等优势,数据中心可通过错避峰用电,高效利用弃风、弃光电量;另一方面,数据中心集中用能的特点,与大型风光基地规模开发、集中送出相匹配。双方强强联合,不仅可实现数据中心供电低碳化,也有利于风光消纳,助力构建新型电力系统。

 

03

电网基础设施智能化

 

据测算,欧洲电网平均年龄已超40年,急需升级改造。未来十年欧洲输配电网络投资将达8000亿欧元,重点推进智能电表、柔性互动等建设。中国电网基础设施相对较新,报告指出中国电网平均年龄仅为15-20年,但随着风光等新能源大规模接入,中国的电网现代化进程也在加快。

 

 

 

中国IDC圈分析

 

该图比较了全球不同地区电网的平均老化程度。可以看出,欧洲电网年龄最大,平均在45-50年,远高于其他地区,这意味着欧洲电网基础设施总体上较为老旧,亟需升级改造。北美电网平均年龄次之,为35-40年。拉美、亚太其他地区电网年龄在25-30年。非洲、东南亚、中东地区电网相对较新,平均年龄为20-25年。

 

中国电网平均年龄最小,仅为15-20年,反映出中国电力基础设施建设较晚,但发展速度较快。一个地区电网平均年龄越大,往往意味着电力系统效率较低,并且面临设备老化失修的风险,需要投入更多资源进行维护和升级换代。

 

通过抽象、赋能,智慧电网将全面赋能数据中心灵活高效用能。首先,数字孪生、VR仿真等新技术应用,可实现数据中心选址优化,提升电网接入便利性;其次,AI调度、需求响应等手段,可突破电网调峰限制,帮助数据中心实现错避峰用电;再次,区块链、能源互联网等探索,可促进数据中心参与分布式电力交易,构建源网荷多元协同的新生态。

 

可以预见,随着新型电力系统加快构建,数据中心作为灵活负荷的价值将不断凸显,其参与电力市场化改革的广度和深度值得期待。

 

综上所述,智算爆发正重塑数据中心能源版图。技术创新、能源转型、电网智能化三大变革方向,将共同助推数据中心产业迈向绿色、低碳、高效发展的新阶段。这一转型过程需要产业链各方协同发力,在体制机制创新上先行先试,探索符合我国国情的能源数字化发展新路径。唯有如此,数据中心才能成为构建以新能源为主体的新型电力系统的重要支点,为数字经济注入源源不断的绿色算力。

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