利用低碳解决方案为数据中心繁荣提供动力

利用低碳解决方案为数据中心繁荣提供动力 中国视角与全球视角 作者和致谢 Authors 婷李伟李登峰廖玉静刘子怡刘光旭王蒙王红友徐 作者按字母顺序列出。除非另有说明 ， 否则所有来自 RMI 的作者。 联系人 版权和引文刘玉晶,yujingliu @ rmi. org李伟,wli @ rmi. org 刘玉晶 ， 李伟 ， 刘子怡 ， 王蒙等 ，低碳解决方案助力数据中心繁荣 ： 中国视角和全球视角, RMI, 2024,https: / / rmi. org / insight / powering - the - data - center - boom - with - low - carbon - solutions. RMI重视合作，并通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许有兴趣的相关方通过Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0国际许可协议引用、分享和引用我们的工作。https: / / creativecommons. org / licenses / by - sa / 4.0 /. 除非另有说明 ， 否则所有使用的图像均来自 iStock. com 。 Acknowledgments 我们衷心感谢以下专家的见解和评论 ： 施兴丁，东南大学 周 Hao 谷烽，中国电子科技集团有限公司江泽明，中国联通有限公司 王磊，中国联通有限公司 蒙尧，清华大学能网研究院 邵双泉，华中科技大学 唐金，中碳创新投资有限公司 赵世城，中国联通有限公司 周 Yingya，腾讯控股有限公司 本报告的内容不代表上述专家、其机构或项目支持者的观点。 关于 RMI RMI 是一家独立的非营利组织，于1982年作为Rocky Mountain Institute成立，通过市场驱动的解决方案推动全球能源系统的转型，以实现1.5°C的未来目标，并确保所有人都能拥有一个清洁、繁荣且无碳的未来。我们在世界最关键的地理区域开展工作，并与企业、政策制定者、社区和NGO合作，识别并扩大能源系统干预措施的规模，以在2030年前至少减少50%的气候污染。RMI在科罗拉多州的巴塞特尔和博尔德设有办公室，在纽约市、加利福尼亚州奥克兰、美国华盛顿特区、尼日利亚阿布贾以及中国北京均设有办事处。 目录 全球气候行动中的数据中心脱碳 … … … … … … … … … … … … … 5 计算能力的增长正在显著增加数据中心的能源消耗和碳排放................................................................. 5 从计算能力增长与碳排放脱钩是必要的选择............................................................................................ 7 数据中心脱碳面临的系统性挑战 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 数据中心的增长超越了能源基础设施的发展...............................9 数据中心的能效潜力仍被严重低估..........................................12 计算需求与绿色电力的时间和空间匹配问题为数据中心的脱碳带来了挑战...............................................................................15 需要协调政策和支持市场机制以推动数据中心的碳减排........................................................................................................18 数据中心繁荣与排放激增脱钩的综合转型路径。 整合数据中心选址和布局规划中的多种因素............................20 提高新建和现有数据中心的能源效率...................................................24 确保数据中心的可扩展、电网互动且无碳的能源使用............................28 利用政策和市场机制支持数据中心的碳减排........................................33 全球气候行动中的数据中心脱碳 计算能力的增长正在推动数据中心能耗和碳排放的大幅增长 随着全球数字化和智能化转型的加速，对计算能力的需求快速增长。i根据国际数据公司（International Data Corporation）的数据，截至2022年，全球15个主要经济体的数字经济在国民生产总值（GDP）中的平均占比从2017年的44.1%上升至50.2%，并预计到2026年将达到54.0%，超过40万亿美元。1,ii主要经济区域如中国、美国和欧盟已出台战略政策以加速计算能力、数字化和人工智能（AI）的发展。据中国信息通信研究院（CAICT）的估计，iii2023 年全球计算设备计算能力达到 1369 EFLOPS ，iv连续两年年度增长率接近50%，预计在未来五年内增长率将超过50%。2 数据中心作为承载计算能力的物理实体，正迅速从通用计算提供商转变为智能计算。在过去20年中，全球数据中心市场经历了平均每年超过20%的增长，经历了三个主要阶段：私有局部数据中心、云计算数据中心以及AI数据中心。3中国的数据中心市场也经历了快速的增长。截至2023年底，全国在用的标准数据中心机架超过81万个，总计算能力达到230 EFLOPS。过去五年间，平均年增长率接近30%，其中智能计算能力达到70 EFLOPS，较前一年增长超过70%。4 计算能力的指数级增长导致数据中心的能源消耗显著增加，从而整个行业的碳排放量也随之上升。2022年，全球数据中心消耗了大约460太瓦时（TWh）的电能，占全球电力消费量的大约1.7%，相应的碳排放量约为220万吨（见图1）。v取决于数据中心部署速度、能源效率提升以及人工智能和区块链等技术的发展趋势，预计从2022年至2026年，数据中心用电量将以每年8%至23%的速度增长，潜在地达到 到 2026 年 620 - 1, 050 TWh ，5对应于290百万至490百万吨的碳排放量。展望2030年，全球数据中心的电力消耗预计将进一步增加至750至2,300万亿千瓦时（TWh），相应的年度碳排放量约为290百万至1,040百万吨，约占基于2023年水平的全球碳排放量的0.9%至2.8%。6 除了来自电网供电的间接排放外，数据中心运营过程中还应考虑备用柴油发电机、制冷剂泄漏及其他来源的温室气体（GHG）排放（见图2）。此外，从生命周期角度来看，还需考虑设备生产和数据中心建设过程中嵌入的排放，这进一步增加了计算能力的碳足迹。 将计算能力增长与碳排放脱钩是必要选择 向排放转移数据中心已成为全球呼吁。主要的数据中心—发展中国家和地区已设定雄心勃勃的政策目标以推动这一转型。在美国，一系列政策措施，包括联邦数据中心整合倡议（Federal Data Center Consolidation Initiative），7通过升级或退役过时和低效的数据中心等措施推动能源效率改进，8提高服务器利用率 ， 增强设施可用性。9欧盟率先通过为数据中心行业设定碳减排目标来引领低碳发展。通过建立能效框架和推广最佳实践指南等举措，欧盟旨在减少数据中心的能源消耗，并确保到2030年实现数据中立和气候中和。10 在中国，已出台政策优化数据中心选址和规划，严格执行新建项目的能源效率标准，并推进现有数据中心的能效改造。到2025年，中国计划将新建和升级的大中型数据中心的电能使用效率（PUE）降至1.25或更低（相比2023年的全国平均PUE约1.48）。11,vi 超越监管政策，全球数据中心市场的领先企业还承诺实现碳中和目标。在《财富》全球500强企业中，大多数科技公司和数据中心服务提供商已将碳中和目标设定为2030年或更早，领先于许多其他行业设定的2050年目标。全球互联网巨头如谷歌、微软、Adyen和Zalando已经实现了运营层面的碳中和，并正努力实现全天候（24/7）无碳能源供应。在中国，至少有12家数据中心和云服务公司承诺在其自身运营中实现碳中和。阿里云和腾讯走在前列，宣布将在2030年前实现其运营及供应链的碳中和目标。 如果计算能力的发展能够克服能源消耗和碳排放的限制，实现可扩展的增长，它可能成为推动各行业数字化和智能化转型的动力，并与低碳转型产生协同效应。以电力行业为例，数字技术和人工智能可以显著提高发电侧可再生能源预测的准确性，优化电力市场交易策略，并提升可再生能源资产的盈利能力。在输电和配电方面，广泛采用数字技术于电网设备、发电单元和调度管理系统中，可以增强电网管理的预测和预防能力。此外，使用无人机和机器人进行设备检查将大幅提高电网运行和维护效率。在消费端，数字技术能够实现对能源供应和消费的全面、实时监控，支持企业和工业园区开展能效分析并优化生产流程。 数据中心脱碳的系统性挑战 在人工智能时代，以数据中心为主要载体的计算能力已成为推动各行业数字化转型的新生产力。然而，随着计算能力的提升，能源消耗和温室气体（GHG）排放相关的问题日益突出。提高数据中心的能效和减少碳排放至关重要，但这一过程面临着四大主要挑战。 数据中心的增长超过了能源基础设施的发展 大规模发展智能计算能力预计将会推动数据中心的电力需求超出当前的预测，从而增加发电单元和电网网络规划的压力。根据2024 年全球数据中心趋势报告显示，全球持续的电力短缺显著制约了数据中心市场的增长，北美、欧洲、拉丁美洲以及亚太地区的数据中心运营商正优先确保电力供应。12电力基础设施通常具有较长的规划周期和复杂的建设过程，短期内电力需求的激增将 likely 造成显著的平衡压力。特别是在传输和配电网络的规划与发展往往滞后于数据中心的规划与发展的背景下，某些地区的数据中心项目可能会面临长期的电网连接排队问题（见图3）。 中国的数据中心用电量也在加速增长，其在中国总用电量中的占比有望从2023年的1.6%增加到2030年的约5%。中国信息通信研究院（CAICT）估计，截至2023年底，中国的数据中心用电量达到150太瓦时，同比增长15.4%，占中国总用电量的1.6%，碳排放总量约为8400万吨。13到2030年，在低、基线和高增长情景下，数据中心的电力消耗预计分别达到300、400和700万亿千瓦时（TWh），分别是2023年水平的2到5倍。vii中国总用电量的份额可能上升到 2.0% - 5.1% (见图表 4) 。 同时，数据中心规模越来越大，并且越来越集中在特定地区，进一步加剧了某些区域电网稳定性的挑战。根据Synergy Research Group的数据，截至2023年底，全球超大规模数据中心的数量增至992个，并在2024年初超过1000个，相比2018年底翻了一番。viii这个数字预计在未来四年内将再次翻一番。14数据中心规模不断扩大和集中的趋势可能导致局部电网过载、上游输电线路拥堵等问题，从而影响供电质量和稳定性。 在美国，电力建设研究会（EPRI）预测，到2030年，80%的数据中心用电量将集中在15个州。15根据TD证券的报告，在德克萨斯州达拉斯、弗吉尼亚州北部、俄亥俄州新奥尔巴尼以及加利福尼亚州硅谷等数据中心集中地区的本地电力系统，很可能面临保持系统灵活性和可靠性的挑战（见图表5）。 在中国 ， 数据中心的新电力需求将越来越集中在重点枢纽城市。 中央政府制定了国家级计算能力布局的顶层设计，在全国建立了8个国家级计算枢纽和10个国家数据中心集群。原则上，这些枢纽和