解耦算力发展与碳排放 – 数据中心用能增长的挑战与解决路径

解耦算力发展与碳排放 数据中心用能增长的挑战与解决路径 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(Rocky Mountain Institute, RMI)是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库，与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所着重借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市及华盛顿特区和尼日利亚设有办事处。 解耦算力发展与碳排放 – 数据中心用能增长的挑战与解决路径 作者与鸣谢 作者 落基山研究所：李婷，李威，廖登峰，刘雨菁，刘子屹，王广煦，王萌，徐红柚作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 联系方式 刘雨菁，yujingliu@rmi.org李威，wli@rmi.org 引用建议 刘雨菁，李威，刘子屹，王萌，王广煦等. 解耦算力发展与碳排放 – 数据中心用能增长的挑战与解决路径，落基山研究所，2024,https://rmi.org.cn/insights/decarbonizing-data-centers-report/ RMI重视合作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过知识共享CCBY-SA 4.0 许可参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。 鸣谢 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 丁 世 兴东南大学电气工程学院丁 肇 豪华北电力大学电气与电子工程学院郭丰中国电子学会节能减排工作推进委员会侯 士 彦中国通信学会信息通信能源专业委员会蒋 则 明联通支付有限公司李 卫 兵联通支付有限公司孟垚清华大学能源互联网创新研究院欧 阳 武中国通信学会齐 曙 光中国通信学会信息通信能源专业委员会，中国信息通信研究院泰尔系统实验室邵 双 全华中科技大学能源与动力工程学院唐进北京中创碳投科技有限公司陶 思 成联通支付有限公司完 欣 玥中国通信学会周 滢 垭腾讯碳中和实验室 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构，以及项目支持方的观点。 执行摘要 算力是数据中心服务器对数据处理并实现结果输出的一种能力，是集信息计算力、网络运载力、数据存储力于一体的新型生产力。随着全球产业数字化、智能化转型升级，算力成为最受重视的战略性生产力，对其的需求也在快速攀升。算力产生于数据中心的运行，并伴随着大量的能源消耗，算力的指数级增长意味着数据中心用能的剧增。既要大力发展数字经济，又要实现碳中和目标，则必须实现算力增长与能源消耗碳排放的解耦。若算力发展可以打破由传统化石能源带来的碳排放约束、实现规模化增长，算力驱动的数智化转型将极大地赋能各行各业低碳转型、产生协同效应。鉴此，从政策、市场、技术路径等方面深入探索算力增长与能源消耗碳排放的解耦，具有重要意义和高度紧迫性。 当前，算力的发展速度已显著超越能源基础设施的规划建设步伐，既加剧了能源稳定供给的压力，也为双碳目标和能源转型带来不小的挑战。实现数据中心大幅度降低碳排放主要依靠能效提升和绿色电力的应用，但是，目前数据中心的建设标准中能效评估指标和能效措施尚不充分，算力需求与绿色电力供应之间存在时空不匹配问题，同时，数据中心节能降碳的政策和市场机制的协同保障不足，这些构成有效应对算力中心碳排放的主要挑战。 针对以上主要挑战，本报告从数据中心规划选址、建设改造、运行管理、保障机制的全流程视角，结合全球的最新趋势与实践，提出四个方向的重点解决路径，以期为政策制定者及行业实践者提供兼具前瞻性与务实性的行动建议。 统筹考虑六大要素，优化数据中心选址布局：数据中心应在选址阶段坚持需求导向、成本导向、绿色导向、安全导向，综合协调考虑算力应用场景、绿色电力资源、自然冷源、余热利用、土地价格及政策、网络基础设施等要素，以确保在满足业务需求和经济性的同时，也能实现节能降碳潜力的最大化。 发挥标准引领作用，提高数据中心能效水平：为提高数据中心的能效并促进减碳，应充分发挥标准的引领作用，设定合理的能碳指标，构建综合的多指标能碳评估体系。同时，也应完善数据中心节能标准，积极引导新型制冷技术、高效安全供电及新型储能、高效算力设备及系统等节能技术以及余热回收技术、智能化能源管理系统的应用。 打造清洁低碳、电网友好的数据中心电力消费模式：在运行管理环节，最大化数据中心的绿电供应是实现数据中心用能低碳化的重要抓手。一方面，数据中心运行方可因地制宜地组合选择场内分布式可再生能源、绿电专线直供、绿电交易、绿证交易等采购方式，加速实现电力供应的绿色化。另一方面，算力与电力系统的友好互动有利于实现电网清洁化和数据中心用电低碳化的双赢效应，数据中心应充分挖掘算力调度、制冷等多个系统的时空灵活性，积极推动电力需求侧管理、响应电力市场价格信号，促进实现园区、区域等多层级的算电协同效应。 促成 政策与市场合力，推动数据中心绿色发展：应完善针对数据中心和数据中心产品（例如算力等）的碳排放约束政策和披露机制，通过上市公司、下游算力买方等主体推动数据中心碳排放披露，鼓励购买低碳数据产品。应建立明确的数据中心碳核算体系，明确数据类产品的碳核算边界，解决不同运营控制类型的数据中心碳排放权责分配问题。同时，应推动绿色金融工具在数据中心领域的应用，开发创新绿色金融工具、扩充绿色债券项目目录，为节能降碳技术提供金融指引和资金支持。 目录 4 1.1 全球算力发展浪潮推动数据中心用能和碳排放显著增长.......................................................................61.2.实现算碳解耦是达成数智化转型和低碳转型双赢的必经之路................................................................9 2全球数据中心算碳解耦的系统性挑战13 2.1.规划建设难以协调，基础设施落后于算力发展.................................................................................. 132.2.多环节能效亟待提升，评估与建设标准缺乏指引............................................................................... 162.3.算力与绿电时空不匹配，用能低碳化存在显著障碍............................................................................ 202.4.政策与市场保障有待完善，数据中心减碳缺乏推动力........................................................................ 21 3数据中心算碳解耦全方位转型路径24 3.1.协同六大要素优化数据中心选址布局................................................................................................ 243.2.多维度促进新建与既有数据中心能效提升.........................................................................................303.2.1 完善新建数据中心的能碳评估与建设标准....................................................................................303.2.2 全面开展低能效数据中心降碳改造...............................................................................................313.3 将数据中心打造成大规模绿色电力消纳的创新场景............................................................................343.3.1 实现多元稳定的绿色电力供给..................................................................................................... 343.3.2 促进算力 - 电力系统协同运行.......................................................................................................393.4.推动政策和市场机制保障数据中心节能降碳...................................................................................... 42 4赋能绿色智慧未来：算碳解耦行动建议46 参考文献48 1解耦算力发展与碳排放是实现碳中和的必由之路 11 全球算力发展浪潮推动数据中心用能和碳排放显著增长 算力是数据中心服务器对数据处理并实现结果输出的一种能力，是集信息计算力、网络运载力、数据存储力于一体的新型生产力。随着全球产业数字化、智能化转型升级，算力i已经成为全球最受重视的战略性生产力，对其需求也在快速攀升。近年来，大数据、人工智能等新一代数字技术与实体经济加速融合，正驱动着生产方式和生活方式的深刻改变。据国际数据公司（IDC）数据显示，从 2017 年到 2022 年，全球十五个主要国家ii的数字经济占GDP 的平均比重已经从 44.1% 上升到 50.2%，预计到 2026 年将上升到 54.0%、金额超过 40 万亿美金1。伴随着数据量的指数级增长，数据正在成为新一轮科技革命和产业变革的关键生产要素，算力则是激活数据要素增长潜能的最重要的新质生产力。 对通用人工智能时代到来的普遍预期，使得算力建设加速形成新的浪潮。开放人工智能研究中心（Open AI）的ChatGPT 的发布引发了全球对人工智能大模型的广泛关注，人工智能的发展与布局是各国政府和企业的战略布局重点之一。中国、美国、欧盟等主要经济体均从国家（区域）层面发布了与人工智能及算力相关的战略政策（图表 1）。继 ChatGPT 仅用两个月吸引了 1 亿全球用户后，谷歌、社群元宇宙公司 Meta、阿里巴巴、百度等科技公司也都各自开发推出了 Gemini、LLaMA、通义千问、问心一言等大模型，人工智能正快速渗透进各行各业和日常生活。伴随着人工智能复杂度和能力的不断提高，对算力的需求也在剧烈增加。据中国信息通信研究院测算iii，2023 年全球计算设备算力规模为 1,369EFlops，连续两年增速近 50%，且预计未来 5 年增速将超过 50%2。 数据中心是承载算力的物理实体，并建立在计算、存储、通信三大科技基础上，正在从提供传统基础算力向提供智能算力快速发展。近 20 年，全球数据中心市场规模的年平均增长率突破了 20%，并经历了三个主要发展阶段，即从初始的服务于政府、高校和企业的本地化信息和计算中心，过渡到云服务供应商引领的公有云计算中心，再发展到近年来面向人工智能场景的智能算力中心3。中国数据中心市场同样历经了一轮高速发展，根据工业和信息化部数据，截至 2023 年底，全国在用数据中心标准机架超过 810 万架，算力总