机械一周解一惑系列：AI驱动美国燃气轮机景气度上行

本周关注：应流股份、奥比中光、浙江鼎力、巨星科技、广日股份。 AI驱动美国用电量需求，燃气发电有望充分受益。大规模的算力布局带来较为显著的用电需求。参考国际能源署（IEA）的报告，2022年全球数据中心、人工智能和加密货币的耗电量已经达到460TWh，占全球能耗的近2%。而且这个数字还在快速增长，IEA预测，在最糟糕的情况下，到2026年这些领域的用电量将达1,000TWh。从美国私人数据中心投资金额折年数来看，2024年11月已达315亿美元，是自2022年底OpenAI推出ChatGPT以来的两倍有余。近期，华盛顿特区—美国能源部(DOE)宣布发布由劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)制作的《2024年美国数据中心能源使用报告》，其统计得出2018年，数据中心耗电量约为76TWh，占美国年度总用电量的1.9%，到2023年达到176TWh，占美国总用电量的4.4%；预计到2028年，能耗区间的下限和上限分别约为325TWh和580TWh，占美国总用电量的6.7%-12.0%，假设平均容量利用率为50%，意味着数据中心的总装机在74GW-132GW。天然气发电在美国一直遥遥领先，天然气的低价和现代发电站的高效运转使得天然气作为发电来源的份额不断攀升，2006年超越了核能，2016年取代了煤炭，2023年发电占比高达42.7%。 考虑到核电的建设周期长，新能源的并网难度大&不稳定等问题，在新型核电技术尚未成熟之前，燃气发电有望成为满足美国数据中心用电的最佳解决办法。 受益燃机需求上行，海外龙头定订单快速增长。全球三大燃气轮机供货商GE、SIEMENS、MHI占据了全球燃气轮机市场接近90%的核心份额。我们从全球燃气轮机龙头GEV的数据来看，截至2023年底，公司设备在手订单400亿美金，是其2023年收入（180亿美金）的2.2倍，服务在手订单高达750亿美金，是其2023年收入（150亿美金）的5倍。从2024年前三季度燃气轮机新签订单来看，累计新签14.1GW（同比增90.5%），合计约780亿美金（同比增32.2%）；其中2024Q3，新签燃气轮机订单5.1GW（同比增64.5%），约合290亿美金（同比增45%），已经展现出快速增长的趋势。 建议关注燃气轮机产业链机会。①应流股份：GE/西门子燃气轮机优秀供应商。公司产品多次获得通用电气、西门子、艾默生、赛莱默、卡特彼勒等众多国际客户优秀供应商和产品质量奖。2023年度，公司燃气轮机业务多款型号取得重点突破，新接订单金额超6亿元，与国际燃机龙头签署战略协议，订单金额突破新高。②杰瑞股份：北美燃气轮机实现销售。公司对美国销售的燃气轮机组，主要为了配套电驱压裂设备，该设备全球首创单车载6MW级燃气轮机发电机组，2023年，公司成功实现北美第二套35MW燃气轮机发电机组的销售及交付。③豪迈科技：与GE/西门子/三菱合作多年。公司燃气轮机铸件业务竞争力强，与GE、三菱、西门子、上海电气、中车、东方电气、哈电等合作多年。④联德股份：与卡特彼勒合作多年。公司产品包括用于压缩机、工程机械、能源设备以及食品机械整机制造的精密零部件等。公司已与全球顶尖设备制造商江森自控、英格索兰、开利空调、麦克维尔、卡特彼勒等知名全球五百强企业建立了稳固的战略合作关系。 风险提示：燃气轮机需求低于预期风险，贸易摩擦加剧风险。 1AI驱动美国用电量需求，燃气发电有望充分受益 1.1AI带动用电需求快速增长 1.1.1全球AI产业规模趋势强劲 2023年以来人工智能市场持续保持高增长态势，成为推动各国经济增长和技术创新的关键因素。据IDC研究，预计2022年至2032年全球人工智能产业规模的复合增长率高达42%，2032年将达到1.3万亿美元。基于人工智能的广阔前景，全球科技巨头纷纷加大对AI基础设施布局以维持行业竞争力。国际上Meta、微软&OpenAI、xAI等多家AI巨头陆续宣布或者完成10万卡集群建设，国内通信运营商、头部互联网、大型AI研发企业等均发力超万卡集群的布局。 IDC预计，全球人工智能硬件市场(服务器)，将从2022年的195亿美元增长到2026年的347亿美元，五年年复合增长率达17.3%；其中，用于运行生成式人工智能的服务器市场规模在整体人工智能服务器市场的占比将从2023年的11.9%增长至2026年的31.7%。 图1：全球AI产业规模预测（十亿美元） 图2：全球AI服务器市场规模预测（十亿美元） 以AIGC为代表的智能应用、大模型训练等新需求、新业务的崛起，推动全球智算规模呈现高速增长态势。据中国信通院测算，截至2023年底，全球算力总规模约为910EFLOPS“，同比增40%，智能算力规模达到335EFLOPS，同比增136%，增速远超算力整体规模增速。 大规模的算力布局带来较为显著的用电需求。以英伟达H100为例，它的峰值功耗高达700瓦，相当于一台正在工作的微波炉，而更新一代的芯片功耗可能会更高，比如，英伟达的Blackwell超级芯片包含两个1,200瓦的GPU和一个300瓦的CPU，一个机架就能耗掉120千瓦的电力。参考国际能源署（IEA）的报告，2022年全球数据中心、人工智能和加密货币的耗电量已经达到460TWh，占全球能耗的近2%。而且这个数字还在快速增长，IEA预测，在最糟糕的情况下，到2026年这些领域的用电量将达1,000TWh，与整个日本的用电量相当。 图3：全球算力规模（单位：EFLOPS） 图4：传统数据中心/加密货币/AI数据中心能耗估计值 1.1.2美国数据中心建设规模快速提升 从美国私人数据中心投资金额折年数来看，2024年11月已达315亿美元，是自2022年底OpenAI推出ChatGPT以来的两倍有余，目前仍呈现上行趋势。 图5：美国私人数据中心投资规模（百万美元） 1.1.3美国数据中心用电量快速增长 近期，华盛顿特区—美国能源部(DOE)宣布发布由劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)制作的《2024年美国数据中心能源使用报告》，其统计得出2014-2016年间，美国数据中心的年能源使用量保持稳定，约为60TWh，延续了自2010年左右开始的极低增长趋势；2017年，服务器总体装机量开始增长，用于人工智能（AI）的图形处理单元（GPU）加速服务器在数据中心服务器总量中占据了相当比例，以至于数据中心总用电量再次开始上升；到2018年，数据中心耗电量约为76TWh，占美国年度总用电量的1.9%。到2023年达到176TWh，占美国总用电量的4.4%。 预计到2028年，能耗区间的下限和上限分别约为325TWh和580TWh，占美国总用电量的6.7%-12.0%，假设平均容量利用率为50%，意味着数据中心的总装机在74GW-132GW。 图6：2014至2028年美国数据中心总用电量（TWh） 图7：前期对美国数据中心用电量进行估计的研究统计 1.2电力供应短缺成为美国数据中心停机的核心原因 1.2.1AI数据中心对供电系统的要求越来越高 参考UptimeInstitute发布的《AnnualOutageAnalysis2024》报告，调查结果显示，在2023年UptimeInstitute数据中心调查中，55%的运营商受访者表示，在过去三年中曾发生过停机，虽然低于2022年的60%和2021年的69%，但比例仍较高，报告显示，在故障原因方面，电力问题仍然是数据中心停机的最主要原因，紧随其后的是冷却系统故障。 图8：2021-2023年表示数据中心发生停机受访者占比 图9：2023年数据中心故障原因占比 当前数据中心的传统模型是根据美国电信工业协会（TIA）认证级别排名，AI数据中心对配套能源系统提出了更高的要求：高可靠性、高效率；减小UPS规模； 可孤网运行；低电价；电力和燃料冗余；电冷联供，降低数据中心电能利用效率（PUE）；低碳排放、低NOx排放、低噪声；简化设计，可变规模，占地空间小； 公众接受、符合地方法规；兼容掺氢、纯氢燃料等。目前Tier3级在全球大型数据中心中最为常见（如果一个数据中心需要10个变压器，N+1的冗余度表示总共需要储备11个变压器，其中10个可运行，1个冗余，而2N则需要购买20个变压器）。 表1：TIA数据中心级别 通常电力公司供应电力是高压（＞100kv），需要现场变电站和功率变压器来将电压降至中电压（MV，例如11、25、33kv），使用MV开关设备安全地分配MV电力，通过变压器，该变压器物理上靠近数据大厅，将电压降至低电压（415v，美国家庭可用电伏），如果电力公司停电，自动转换开关（ATS）将自动将电源切换至发电机。电力进入数据大厅后，开始分成两条传输路径：一条通向IT设备，一条通向冷却设备。我们重点来看IT设备的电力传输路径。首先，电力流经UPS系统，通过配电单元（PDU）将电力输送给IT设备，该系统连接到一组电池，通常有5-10分钟的电池存储时间，足够发电机启动并避免暂时停电。随后通过电源单元(PSU)和稳压器模块(VRM)向芯片进行供电。 图10：数据中心电力传输路径示意图 生成式AI带来了新的大规模计算需求，从而显著改变了数据中心的设计和规划。第一个重大变化是电力，AI的电力需求正在快速上升，而且明年每个设施50兆瓦的电力将不再足够。第二个主要变化是计算密度，AI对计算密度影响的一个主要例子是最新的机架规模GPU服务器，如下所示Nvidia的GB200系列。我们在这里发布了对其架构的全面分析。NVL72版本是一个由72个GPU组成的机架，总共提供130千瓦的电力。未来，数据中心每个机架的装机将持续提升。 图11：数据中心单个机架平均装机规模（kw） 1.3燃气发电或成近几年最佳解决方案 1.3.1燃气发电占美国发电量比例达到40%以上 2023年美国电力生成来源分析：天然气占主导，其它包括煤炭、核能、风能、水能、太阳能、地热、生物质和石油。在成本和供电灵活性方面，天然气在美国一直遥遥领先，天然气的低价（页岩油革命后美国已成为世界上最大的天然气生产国）和现代发电站的高效运转（现代天然气联合循环发电站的热效率大约为65%，几乎是传统煤电站的两倍）使得天然气作为发电来源的份额不断攀升，2006年超越了核能，2016年取代了煤炭，2023年发电占比高达42.7%。可再生能源（包括风能、水能、太阳能、地热和生物质）在总发电量中的份额略有增加，达到了22.8%。 核电在总发电量中的份额略有上升，达到18.3%。石油液体和石油焦发电占比降至0.4%。 2023年，风力发电在总发电量中的份额略微减少至10.0%。太阳能发电（包括屋顶太阳能）份额大幅上升达5.6%，与水能的份额基本持平，成为唯一增长的能源。生物质和地热能源综合占总发电量的8.5%，生物质包括一些小类别，如木材及其衍生燃料、垃圾填埋气和其他废弃生物质，大部分地热发电站位于加利福尼亚州，建于20世纪70年代。小规模太阳能，例如屋顶系统，占2023年总发电量的份额跃升至1.7%，共计73,619千兆瓦时。自2014年（EIA开始追踪该数据的第一年）以来，其发电量已增长超过6倍。 图12：2001-2023年美国各能源发电量占比 图13：2001-2023年美国各种新能源发电量占比 1.3.2核电：预计2030年及以后启动，SMR获得青睐 1949年，世界第一座核反应堆“芝加哥1号堆”在美国验证了可控的核裂变链式反应的科学可行性，人类从此进入原子能时代。1957年，美国第一座商用核电站---希平港原子能发电站投入使用。但1979年宾夕法尼亚州哈里斯堡附近的三哩岛核电站发生核泄露事故，导致美国此后30多年再无核电站新增。直到2023年，沃格特勒3号机组正式投入商业运行，成为美国在21世纪启动建设并投运的首台核电机组，也是美国首台投运的AP1000机组。2024年4月，沃格特勒4号机组开始商运，标志着沃格特勒扩建项目全部完工，美国在运核电机组数量达到94