能源专题研究：气电核电双擎驱动，破解数据中心供电瓶颈
就不用 数据中心催生对稳定电力的需求 云计算、AI等技术发展带动全球数据中心规模迅速扩大，催生用电需求。根据我们的测算，到2035年，谨慎、中性、乐观情形下全球数据中心耗电量将增至1544.38/2321.05/3911.11TWh，与2023年的414TWh相比CAGR分别为11.60%/15.45%/20.58%。 数据中心自备电力或将逐渐成为主流。数据中心的“清洁化”和“大型化”要求更多地自备电站，同时数据中心选址存在“聚集效应”，可将电力需求有效转化为装机需求。由于单个数据中心的规模扩大，功耗超过100MW的数据中心变得常见，由电网供电将对电网产生过大负担，尤其是在数据中心聚集的地区，因此自备电力或将逐渐成为主流。 国际数据中心巨头均有宏大的减排目标，“清洁化”趋势要求数据中心减少对电网中混合电力的购买，更多地自备清洁电力。由于数据中心建设常常聚集在某些区域，数据中心的扩张导致这些区域的电力逐渐吃紧，因此新的数据中心用电需求有望有效转化为装机需求。 稳定电力是数据中心供电的基石，首推气电和核电。我们通过模拟验证了稳定电力在数据中心供电中的重要性，若只 通过光伏为数据中心供电，扩大配套新能源电站额定功率的效果较差，即使配备的光伏电站额定功率达到数据中心功耗的4倍，也会因储能规模不足而不得不在夜间从电网购电。配备一定规模的稳定电力后，数据中心可迅速摆脱对电网的依赖，这是单独依靠光伏和常规储能难以实现的，气电和核电的发电稳定、选址灵活特性使其适合为数据中心 供电。 气电成为破解数据中心供电瓶颈的关键 数据中心对电网的冲击需要用气电化解。气电在数据中心供电领域的最大优势在于建设周期短和供电稳定，近年美国新投产的大功率气电站大多可在3年内投产，供电在部分市场已成为迫在眉睫的问题，需要先对碳排放问题妥协，使用气电缓解压力，长期来看需要通过CCUS来减少气电排放。 PPA或将提高气电为数据中心供电比例。未来新数据中心签订PPA的比例或将达到较高水平，同时PPA中气电的比例也有望提高。在我们的中性假设下，2035年，全球数据中心对气电的需求分别为812.94TWh，占2023年气电总发电量的12.43%；对天然气的需求分别为5.59亿立方米/天，占2023年天然气总需求的4.88%；若为数据中心建设的气电站均为基荷电站，以65%的容量因子计算，对气电新装机规模的需求分别为15.74GW，占2023年气电新装机规模的27.96%。 数据中心清洁化发展助力核电复兴 核电是已大规模应用的稳定清洁电力。随着数据中心“清洁化”趋势延续，核电作为为数不多的清洁稳定供电方案将越发受到重视。核电发展中的主要阻碍在于政策、公众接受度和建设中面临的风险，目前欧美政策对核电尤其是SMR （小型模块化反应堆）转向支持，公众对核电接受度回升，SMR的小型化也有助于控制建设中的延误和成本超支风 险，减少投资者的担忧。 核电或将在2030年后为数据中心提供更多电力。核电支持数据中心有两种模式，分别是重启已停运的核电站和建设新核电站。2023-2024年海外数据中心公司公布了较多与核电的合作协议，合作模式聚焦于SMR建设。目前全球仅少量SMR已投产，大多还处于在建或规划阶段，预计2030年后可看到更大规模的商业化。 风险提示 算力需求不及预期的风险；数据中心单位功耗下降的风险；政策变化的风险；核电技术发展不及预期的风险。 内容目录 数据中心新趋势催生对稳定清洁电力需求5 “若要来，请自备电力”5 全球数据中心用电量或将保持高速增长8 数据中心需要稳定清洁电力9 稳定电力是数据中心供电的基石10 气电、核电可匹配数据中心需求15 清洁化推动气电+CCUS及核电需求16 较低的土地占用为气电和核电提供了更灵活的选址17 兼顾清洁和稳定需要付出更高的成本18 近火要用近水救——气电可快速缓解数据中心电力紧张20 数据中心带动气电和天然气需求22 气电+CCUS以满足清洁化需求22 数据中心电力清洁化推动核电复兴25 SMR或将得到长足的发展25 SMR可降低投资者面临的风险26 政策支持SMR发展27 核电公众接受度提高31 SMR普遍还处于计划和设计阶段32 核电产业链拆解34 风险提示35 图表目录 图表1：全球数据中心分布存在聚集效应5 图表2：以美国弗吉尼亚州为例，数据中心集中在该州北部，对局部电网造成很大压力6 图表3：以美国弗吉尼亚州为例，该州更多地区将面临数据中心的压力6 图表4：JLARC预测弗吉尼亚州电力需求将因数据中心而飙升6 图表5：2018-2023年全球运营中数据中心IT功耗CAGR为16.69%7 图表6：2023年末全球在建数据中心IT功耗达到37.59GW7 图表7：2023年末全球早期阶段数据中心IT功耗达到28.02GW7 图表8：预计2018-2023年全球已运营数据中心IT功耗CAGR为16.72%7 图表9：部分主要数据中心市场概况7 图表10：使用历史用电量测算，中性情形2035年数据中心用电量将达到2321.05TWh9 图表11：使用英伟达GPU测算，中性情形2035年数据中心AI训练&推理用电量将达到2428.06TWh9 图表12：头部数据中心公司均有减排目标9 图表13：数据中心小时级别电力供应框架10 图表14：为50MW功耗数据中心配备的电站规模假设11 图表15：100MW光伏电站全年小时级别发电量模拟11 图表16：50MW光伏小时级别供电占比热力图11 图表17：50MW光伏+20MW稳定电力+2小时储能小时级别供电占比热力图11 图表18：50MW光伏+30MW稳定电力+4小时储能小时级别供电占比热力图12 图表19：50MW光伏+40MW稳定电力+4小时储能小时级别供电占比热力图12 图表20：100MW光伏小时级别供电占比热力图12 图表21：100MW光伏+4小时储能小时级别供电占比热力图12 图表22：100MW光伏+20MW稳定电力+2小时储能小时级别供电占比热力图13 图表23：100MW光伏+40MW稳定电力+4小时储能小时级别供电占比热力图13 图表24：200MW光伏小时级别供电占比热力图13 图表25：200MW光伏+2小时储能小时级别供电占比热力图13 图表26：200MW光伏+4小时储能小时级别供电占比热力图14 图表27：200MW光伏+20MW稳定电力+2小时储能小时级别供电占比热力图14 图表28：100MW光伏+100小时储能小时级别供电占比热力图14 图表29：200MW光伏+100小时储能小时级别供电占比热力图14 图表30：不同模拟情景下，电站为数据中心全年供电量占比15 图表31：不同模拟情景下，数据中心一年内需要从电网购电的小时数15 图表32：核电和气电发电稳定16 图表33：在稳定电力中，气电和核电具备较多优势16 图表34：核电在全生命周期内排放量极低17 图表35：气电和核电土地使用效率较高18 图表36：气电LCOE较低，核电LCOE较高18 图表37：各类清洁稳定电力的单位成本处在同一级别19 图表38：加入清洁稳定电力可降低整个电力系统的成本19 图表39：电力系统成本测算中的假设19 图表40：2024年公布了较多数据中心与气电的合作20 图表41：新气电项目的建设周期大多在3年以内21 图表42：预计弗吉尼亚州气电装机需求将飙升21 图表43：预计弗吉尼亚州气电发电需求将飙升21 图表44：数据中心对气电的需求有望快速增长22 图表45：数据中心带动天然气需求22 图表46：数据中心刺激气电装机22 图表47：与一年前相比，美国规划的气电新装机规模增长22 图表48：涉及电力行业的CCUS项目较多23 图表49：各地区政策支持CCUS23 图表50：气电产业链概况24 图表51：CCUS产业链概况24 图表52：数据中心公司积极考虑通过核电供电25 图表53：部分核电项目建设严重延误，打击了核电投资者的信心27 图表54：反应堆建设周期中位数为6.3年，部分项目存在严重延期27 图表55：欧洲支持SMR发展27 图表56：美国支持SMR发展28 图表57：部分州限制核电29 图表58：部分州重新对核电开放或考虑SMR30 图表59：美国公众对核电支持率上升31 图表60：共和党人对核电支持率更高31 图表61：核电站周边居民对核电站的好感度创下新高31 图表62：大多核电站周边居民接受核电站扩建，尤其是新建SMR31 图表63：2022年欧洲公众对核电支持率较2021年上升32 图表64：SMR普遍还处于计划和设计阶段32 图表65：核电产业链概况34 图表66：SMR常见反应堆类型35 数据中心新趋势催生对稳定清洁电力需求 数据中心“清洁化”和“大型化”催生稳定电力需求。在对电力需求方面，数据中心最主要的两个变化趋势为“清洁化”和“大型化”，这两种变化趋势均要求数据中心提前规划配套电站，尤其是采购稳定电力。数据中心的“大型化”对电网供电的压力倍增，需要数据中心自备电站以缓解这种压力，这种需求不涉及电力的清洁化，核心只在于“自备电站”；“清洁化”需求目前主要来自于国际数据中心巨头，要求数据中心进一步减少对电网中混合电力的采购，通过自备更多清洁电力以满足需求，核心在于“自备清洁电站”。数据中心的聚集效应导致局部地区负荷过高，从而促进用电需求向装机需求的有效转化。 “若要来，请自备电力” 数据中心的规模正在迅速扩大。AI模型的训练和推理、云计算、数据分析等需要消耗大量计算资源，催生了对数据中心井喷式的需求，不论是单个数据中心的规模还是全球数据中心整体规模，均将迅速扩大。在过去，一个功耗不到50MW的数据中心被认为是大型数据中心，而现在超过100MW的数据中心已变得常见。以目前常见的单个数据中心10万卡集群和单卡功率1.2kW计算，一个AI数据中心的功耗就可以达到120MW，部分未来的数据中心园区的功耗甚至会超过1GW。 大型数据中心自备电力将是大势所趋。大功耗的数据中心接入电网将造成极大的负担，这种负担体现在两方面：1）整个电网的发电能力开始承压；2）数据中心选址存在聚集效应，导致局部区域电力负荷过高。因此新建数据中心需要与电站合作，提前规划单独供电。例如，美国德克萨斯州公用事业委员会已向科技公司表示，若希望尽快接入电网，那么他 们需要自备一些电力。美国弗吉尼亚州聚集了大量数据中心，据弗吉尼亚州联合立法审计和审查委员会估算，若没有限制，数据中心将导致该地区2040年电力装机规模较2025年增长超过30000MW，接近目前装机量存量，建设足够的发电和输电设施将非常困难。在“大型化”趋势下，自然需要整个电网以更快的速度扩大装机规模，数据中心自备电站也越来越有必要性，尤其是在数据中心聚集的地区。 图表1：全球数据中心分布存在聚集效应 来源：datacentermap，国金数字未来实验室，国金证券研究所 图表2：以美国弗吉尼亚州为例，数据中心集中在该州北部，对局部电网造成很大压力 图表3：以美国弗吉尼亚州为例，该州更多地区将面临数据中心的压力 来源：JLARC，国金证券研究所来源：JLARC，国金证券研究所 图表4：JLARC预测弗吉尼亚州电力需求将因数据中心而飙升 来源：JLARC，国金证券研究所 美洲和亚太地区数据中心规模增速更快。据DCByte统计，2018-2023年，全球数据中心 IT功耗从17.32GW提升至37.48GW，CAGR为16.69%；2023年末，美洲、亚太和EMEA （欧洲、中东和非洲）已运营数据中心的IT功耗分别为17.45、11.18、8.85GW，5年CAGR分别为16.42%、19.54%和14.08%；EMEA和亚太在建项目较多，2023年末美洲、亚太和EMEA在建项目IT功耗分别为9.51、12.69、15.39GW，早期阶段项目IT功耗分别为11.22、10.61、6.19GW，全球已规划项目的IT功耗共计65.61GW。据DCByte预计，到
