算力之争，电力为王：聚焦美国AI能源革命核心赛道

算 力 之 争 ， 电 力 为 王 ：聚 焦 美 国A I能 源 革 命 核 心 赛 道 分析师张津铭执业证书编号：S0680520070001邮箱：zhangjinming@gszq.com分析师张卓然执业证书编号：S0680525080005邮箱：zhangzhuoran@gszq.com 分析师高紫明执业证书编号：S0680524100001邮箱：gaoziming@gszq.com分析师鲁昊执业证书编号：S0680525080006邮箱：luhao@gszq.com 分析师刘力钰执业证书编号：S0680524070012邮箱：liuliyu@gszq.com 打造极致专业与效率 目录 AI对美国电力需求的拉动几何 解决AI电力供需的有效途径 投资策略与相关标的 风险提示 01AI对美国电力需求的拉动几何 •美国电力供需现状•美国数据中心用电增长测算•供需错配与电网容量难以支撑用电高增 美国电力供需现状 ◼需求端：美国整体用电增速相对偏低 ✓与我国相比，美国用电增速相对偏低，2024年美国全年用电量为41104亿千瓦时，同比增长2.5%。✓美国各部门用电占比基本保持稳定，2024年工业用电、商业用电、居民用电以及交通用电占比分别为26.0%、36.5%、37.3%以及0.2%。 美国电力供需现状 ◼需求端：2024年美国电力弹性系数0.77，人均用电量是中国1.7倍 ✓美国商业与居民用电占比高，电力弹性系数2024年为0.77。美国经济转向服务业和信息技术，单位产出能耗持续下降，电力弹性系数长期低于1。2008-2024年，美国用电量复合增长率仅为0.38%，远低于同期2.09%的GDP复合增速。 ✓2024年美国人均用电量约为中国的1.7倍。 资料来源：EIA，Wind，国盛证券研究所 美国电力供需现状 ◼需求端：数据中心用电占比逐年提升 ✓2023年美国数据中心能耗占比提升至4.4%。根据Berkeley Lab，2014年-2016年，美国数据中心能耗保持相对稳定，约为60TWh；随着AI发展加速，其能耗在2017年开始显著增加，2018年美国数据中心能耗约为76TWh，占美国总电力消耗的1.9%；到2023年达到176太瓦时，占美国总电力消耗的4.4%。 ✓全球来看，美国、中国以及欧洲为数据中心中主要耗电贡献地区，根据国际能源署数据，2024年，美国占据全球数据中心用电量最大份额，占比达45%；其次是中国，占比25%；欧洲位居第三，占比15%。 美国电力供需现状 ◼供应端：天然气是美国当前最主要的发电电源 ✓装机容量与占比：2024年火电、水电、天然气、核电、太阳能以及风电装机容量分别为377.9、160.0、1142.5、207.2、248.6以及307.0 GW，装机占比分别为14%、6%、43%、8%、9%以及12%。✓装机容量增速：2024年煤电、水电、天然气、核电、太阳能以及风电装机容量增速分别为-2.3%、0、-0.2%、2.9%、34.1%、3.7%以及10.5%。 美国电力供需现状 ◼供应端：天然气是美国当前最主要的发电电源 ✓发电量占比：2016年起，天然气接替煤炭成为美国最主要的发电电源，并呈现占比提升趋势，2024年达到43%；煤电和核电发电占比近年均呈现下行趋势，2024年占比分别为15%和18%；水电发电占比相对稳定，2024年为6%；其他可再生能源近年发电占比提升至18%。 ✓发电量增速：2024年其他可再生能源发电、天然气、核电、水电以及火电的发电增速分别为11.7%、3.5%、0.9%、-0.9%以及-3.4%。 美国电力供需现状 ◼供应端：煤电产能下滑，天然气新增产能低位 ✓煤电容量系数逐年降低。煤电从基荷电力来源过渡到中间电力来源，容量系数下降明显。✓天然气近五年新增产能维持低位。伴随煤电发电占比的下降，天然气发电占比从2010年起显著提升，并在2016年超越煤电发电量，成为最重要的发电电源。目前天然气发电基本来自于过去的产能，近五年新建产能维持低位。 资料来源：美国环保署，国盛证券研究所 资料来源：美国环保署，国盛证券研究所 美国电力供需现状 ◼供应端：政策支持核电重启，可再生能源政策由支持转向缩紧 ✓近几年美国政策重启支持，核电趋势可能会在未来几年内逆转。 ✓可再生能源政策由支持转向缩紧。可再生电力太阳能和风能主导了近年新电网容量的建设，但今年《大美丽法案》开启对风光建设的政策转向。 美国数据中心用电增长测算 ◼BerkeleyLab：预计美国数据中心2028年耗电量约在325-580太瓦时 ✓预计美国数据中心2028年耗电量在325-580太瓦时，占美国电力消耗比例的6.7%-12%。2023年美国数据中心的能耗达到176太瓦时，占美国总电力消耗的4.4%。根据伯克利大学预测，美国数据中心2028年耗电量约在325-580太瓦时，占美国电力消耗比例的6.7%-12%。 ✓未来AI对于电力的使用需求增加主要取决于AI服务器的数量及其运作。分设备来看，近年传统服务器和AI服务器共同贡献了数据中心用电需求的增加，存储板块的用电需求虽然也持续增加但不及服务器的增速，基础设施用电比例逐步降低。 美国数据中心用电增长测算 ◼IEA国际能源署：预计2030年美国数据中心耗电量增加240太瓦时至420太瓦时 ✓2015-2024年，美国数据中心的电力消耗每年增长约12%。2024年，美国数据中心电力消耗约为180太瓦时，占全球总量的近45%，占美国电力消耗总量的比例超过4%。预计到2030年，全球数据中心电力消耗将达到约945太瓦时，占全球电力消耗总量的比例接近3%。中国和美国是数据中心电力消耗增长最重要的地区，到2030年将占全球增长的近80%。与2024年水平相比，预计2030年美国的消耗增加约240太瓦时（增加130%）、中国增加约175太瓦时（增加170%）、欧洲增长超过45太瓦时（增加70%）、日本增加约15太瓦时（增加80%）。 美国数据中心用电增长测算 ◼Mckinsey：预计2024-2030年美国数据中心耗电量增加428太瓦时 ✓麦肯锡预测美国有望成为数据中心电力需求增长最快的市场，预计2024年至2030年间，美国数据中心的电力需求将以约23%的复合年增长率增加约428太瓦时至606太瓦时。✓美国能源部预测，从2023年开始，美国数据中心的电力需求将每年增加约13-27%，2028年将达到325-580TWh，占美国总电力需求的6.7%-12%。 资料来源：华尔街见闻，国盛证券研究所 美国数据中心用电增长测算 ◼至2030年数据中心额外电力装机容量需求在9-100GW ✓EPRI：2023-2030年预计数据中心电力需求年增速在3.7%-15%，至2030年电力消耗占比达到4.6%-9.1%，对应额外装机容量需求9-18GW（低增情景）、12-25GW（中增情景）、28-57GW（高增情景）、49-100GW（更高增长场景）。 ✓JLL：预计2030年数据中心所需额外装机容量30-62GW。✓MCKINSEY：预计2030年数据中心所需额外装机容量22-47GW。✓E3：预计2030年数据中心所需额外装机容量20-100GW。 美国数据中心用电增长测算 ◼数据中心电力需求年复合增长率在3.7%-27% ✓综合各机构对于美国数据中心用电需求的预测，预计2028-2030年美国数据中心用电需求在325-580太瓦时，所需额外电力装机容量9-100GW，年复合增长率在3.7%-27%。 美国数据中心用电增长测算 ◼我们测算2030年美国数据中心总用电694太瓦时，2024-2030年复合增速21% ✓美国算力规模：根据中国信通院2024年《先进计算暨算力发展指数蓝皮书》，预计未来五年全球算力规模仍将以超过50%的增速发展，2030年超过16000EFLOPS，根据我们测算预计美国算力规模全球占比在2030年维持在31%左右，美国2030年算力规模在5000EFLOPS左右水平。 ✓能效比：根据2021-2023美国数据中心算力规模增长与用电量，倒算出能效比分别为43.09、60.21以及70.68，预计未来芯片等设备的能耗仍有优化空间，假设未来能效比持续提升。 ✓新增功率：综合前文各机构预测，预计至2030年美国数据中心电耗新增功率在50GW左右，假设2024-2030年美国数据中心电耗新增功率以17%的增速梯度增加，2024-2030年新增功率分别为4.4/5.1/6.0/7.0/8.2/9.6/11.2 GW，共计增加51.6GW。 ✓PUE：数据中心能耗除设备外还受制冷、配电等系统影响，PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗。根据RAND预测，美国数据中心PUE从2024年的1.25逐步降至2028年1.12，外推2030年PUE预计为1.10。 ✓利用小时数：假设全年24小时运行，利用小时数为8760小时。 美国数据中心用电增长测算 ◼我们测算2030年美国数据中心总用电694太瓦时，2024-2030年复合增速21% ✓综合以上，我们测算2030年美国算力规模4960 EFLOPS，2024-2030年复合增长率33%；2030年美国数据中心能效比为90，PUE降至1.10；2023至2030年新增功率51.6GW，新增用电517.8 TWh，总用电达到693.8TWh，2024-2030年用电量复合增长率21%。结合EIA对于美国总用电量的预测，预计2030年美国总用电量4497.4TWh，数据中心用电占比提升至15%。 美国数据中心用电增长测算 ◼预计25-27年美国总电量缺口分别为942、917、1015亿千瓦时 供需错配与电网容量难以支撑用电高增 ◼数据中心分部及用电需求区域差异大 ✓美国数据中心高度集中于弗吉尼亚、德克萨斯和加利福尼亚等少数州。这种集聚虽得益于完善的能源与网络条件，却导致区域电力负荷显著不均，部分州数据中心用电已占总耗电量的10%以上，其中弗吉尼亚州高达25.6%，远超全国其他地区。在弗吉尼亚等地，数据中心密集引发输电瓶颈与容量紧张，使“缺电”风险集中于少数高负载州，电网调度与能源转型在部分州面临更严峻挑战。 供需错配与电网容量难以支撑用电高增 ◼供电系统是当前数据中心事故的主要来源 ✓数据中心故障主要来源于供电系统。全球数据中心故障主要来源于供电系统、制冷系统以及其他，2023年占比分别为52%、19%以及11%，且供电系统事故占比呈现逐年提升趋势。2020-2022年美国整体年平均电力扰动时长较2017-2019年中枢提升，难以匹配数据中心高连续性全生命周期用电的需求。 供需错配与电网容量难以支撑用电高增 ◼美国发用电均集中于东南部，中西部电力富余 ✓发电端，德克萨斯、佛罗里达和加利福尼亚等州产能远超全国平均，形成明显的能源集中格局；用电端，东南部与中大西洋地区（如德克萨斯、佛罗里达、弗吉尼亚）需求相对较高。部分高负载州面临容量紧张与供电风险，而中西部等地区则电力相对富余，加利福尼亚、俄亥俄、佐治亚以及纽约等区域存在自身电力缺口。 供需错配与电网容量难以支撑用电高增 ◼区域电网互联容量难以匹配不平衡的电力负荷增长 ✓北美各区域电力负荷增长驱动不同，东部受AI数据中心与工业负荷拉动，南部由制造业回流和人口增长带动，西部以交通电气化发展为主。东部工业复苏叠加数据中心用电激增，负荷增速可能将进一步增长，各区域用电不平衡现象进一步加剧。 ✓美国电网的主要问题在于区域互联容量不足。美国电网区域间互联能力有限，多数跨区输电通道容量不足5GW。电网互联度低导致能源在空间上的调度受限，部分地区供需紧张难以跨区缓解，成为制约美国电力系统稳定性与保供能力的关键瓶颈。 资料来源：NERC，国盛证券研究所 供需错配与电网容量难以支撑用电高增 ◼季节性负荷变化进一步加剧供需矛盾