随着我国数字经济蓬勃发展，数据中心耗电量快速增加，对我国电力系统低碳转型带来了新的挑战。数据中心的能源消费主要来源于IT设备以及制冷系统的电耗。根据部分研究机构的估算，目前数据中心用电量占比约占我国全社会用电量的2-3%；到2035年很可能达到4%以上。
为支持数据中心的低碳化运营和发展绿色算力，国家及多个省份已经陆续出台一系列政策文件，提出数据中心的低碳发展具体做法。
数据中心可以通过技术创新、管理优化和体制机制创新提高能效；增加可再生电力的应用比例；推广余热利用技术、积极参与电力需求侧响应等，从而实现低碳化转型。
01
数据中心电力消耗增幅惊人
数据中心是存放大量服务器、存储设备、交换机、路由器等网络设备设施的物理位置，是人工智能、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术重要载体。[1]我国已经明确将数据中心纳入新型基础设施范围，作为支撑新质生产力发展的重要基础设施。
图1 数据中心
近些年，随着我国数字经济发展战略深入实施数据中心用电快速增长，年均增速超过两位数。根据中国电力企业联合会发布数据[2]，2018-2023年间用电量年均增长约28%；截止到2024年7月，大数据处理、云储存、云计算等互联网数据服务用电量同比增长33%。这一趋势在数据中心重点地区更为明显，例如贵州数据中心集群用电量同比增速高达43.96%。
根据多个研究机构对过去七年数据中心的电力消费量的估算，数据中心用电量约占全社会用电量的2-3%左右，2022年数据中心用电量接近湖北2023年全社会用电量；到2035年用电量占比可能达到4%，相当于河北省2023年全社会用电量。
绿色和平报告估算2018年全国数据中心总用电量为1609亿千瓦时，占全社会用电量的2.35%[3]。国网能源研究院研究估算2020年数据中心电力消费超过2000亿千瓦时，占全社会用电量的2.7%[4]。中国信通院估算[5]2023年我国数据中心在用的810万标准机架总耗电量达到1500亿千瓦时，占全社会用电量1.6%。
对于数据中心用电量未来的预测，国网能源研究院研究预测到2030年数据中心用电量将达到4000亿千瓦时，相当于用电量年均增速10%，占全社会用电量比重约3.7%左右。绿色和平、工业和信息化部和国家应对气候变化战略研究与国际合作中心2021年报告[6]预测到2035年数据中心用电量达到4505-4855亿千瓦时，占全社会用电量比重为3%-4.3%。
表1 各研究机构估算的数据中心用电量
图2 数据中心用电量历史值与预测
说明：*比重为作者根据能源局公布当年全社会用电量计算；**2023年用电量上限基于中电联增速和绿色和平报告中2018年用电量估算。
02
数据中心低碳化应从三方面发力
数据中心用电量剧增，对我国电力系统低碳转型提出了挑战。国家及多个省份已经出台一系列政策文件，推动数据中心的低碳化运营和绿色算力发展。
2024年7月国家发展改革委联合有关部门印发《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》（后文简称“《专项行动计划》”），提出“2025年平均单位算力能效和碳效显著提高，到2030年底，全国数据中心平均电能利用效率、单位算力能效和碳效达到国际先进水平，可再生能源利用率进一步提升，北方采暖地区新建大型及以上数据中心余热利用率明显提升”的整体目标。
《专项行动计划》的出台，进一步明确了数据中心的低碳化运营的几个主要途径实现。
首先，提升能效水平，通过提升IT设备和制冷等设备的能效，可以显著减少数据中心的电力消费和间接排放；
第二，提高可再生电力消费比例至关重要。可通过选址在可再生资源丰富的区域，建立分布式可再生发电系统并配备储能设备，或者通过购买绿电和绿证等方式减少电力间接排放；
第三，资源节约与集约利用，通过余热回收利用技术，将数据中心的废热用于供暖或其他热需求，以及参与电力需求侧管理，以支持电网可靠性与灵活性等。
图3 数据中心低碳化运营主要途径
来源：作者整理
发力点一：
提升能效水平
数据中心的电力消费主要来自IT设备（服务器，存储设备，网络通信设备等），是最主要的用能设施。制冷为数据中心用能第二高的设备，制冷占总能耗的比例在10%~50%左右。其他用能设施还包括供配电系统、照明等[8,9,5]。
数据中心能效水平可通过电能利用效率以及IT设备能效指标来评估。
数据中心电能利用效率（Power Usage Effectiveness, PUE），为数据中心总耗电量与数据中心IT设备耗电量的比值，数值越小表明制冷等的能源消费占比越低。世界先进水平超大数据中心的PUE可以达到1.1或更低。[10,11]据统计[5]，我国2023年全国数据中心PUE约为1.48，近十年来已有明显下降，但仍存在一定能效提升空间。
《专项行动计划》中提出“到2025年底，新建及改扩建大型和超大型数据中心电能利用效率降至1.25以内，国家枢纽节点数据中心项目电能利用效率不得高于1.2”，能效目标相较于2021年发布的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》进一步提升。
此外，随着“东数西算”工程进一步推进，近半的枢纽位于寒冷和严寒地区，可有效降低制冷能耗。此外，大型和超大型数据中心的占比不断提升，新建数据中心PUE降低，数据中心整体能源利用水平有望进一步提升。
用来衡量IT设备能效的指标主要包括算效等。算效是算力的用电效率。相关研究[12,11]认为，随着数据中心PUE降低空间越来越小，IT设备将逐步成为能效提升关注的核心。未来主要通过引导高性能算力的部署，以及集约化和高密化建设来提升单位输出算力。[13]
案例1：阿里巴巴仁和液冷数据中心
阿里巴巴仁和液冷数据中心位于杭州余杭，采用阿里单相浸没式液冷解决方案，单栋楼可部署约3万台液冷服务器，全球首座绿色等级达5A的液冷数据中心。液冷技术等助力PUE大幅降低，设计年均PUE达到1.12，运营PUE预期为1.09，达到全球领先的能效水平。由于不需要风扇、空调等大型制冷设备，也节省了约70%用地空间，大幅降低运营噪声。
参考资料：[14,15]
发力点二：
提升可再生电力利用率
《专项行动计划》中提出“到2025年底，可再生能源利用率年均增长10%；到2025年底，国家枢纽节点新建数据中心绿电占比超过 80%”。为提升可再生利用率，可以通过合理选址，将数据中心建设在电源结构更绿色低碳的地区，也可以购买绿电、绿证，或建设分布式可再生能源供数据中心使用。
一些省级地区也提出了数据中心可再生能源使用比例要求，例如山东省中提出“数据中心可再生能源使用比例达到25%以上” [16]。北京市要求项目节能报告包括可再生能源利用方案，鼓励2021年及以后新建项目可再生利用量占比按每年10%增加，不含电网既有可再生能源占比情况下，到2030年达到100%。[17]《上海市推进算力资源统一调度指导意见》提出，到2025年，新建数据中心绿色算力占比超过10%。
我国西部地区可再生资源丰富，能源成本相对较低。但和我国东部数据中心相比，建设相对晚，规模更小。[14]2020年后，数据中心开始向新疆、青海、内蒙古、贵州等地区迁移。[18]随着“东数西算”工程的推进，算力供需地理布局将进一步改变，有望推动数据中心用能结构的清洁化。[19]
案例2：中国电信(国家)数字青海绿色大数据中心
中国电信(国家)数字青海绿色大数据中心（简称“数据中心”）是我国第一个实现100%可溯源绿电供应的大数据中心。数据中心电力供应来自自建的分布式光伏配电化学储能，在自建电力供应系统无法出力时，再向大电网购买清洁电力。
数据中心充分利用青海省气候凉爽的特点，实现全年自然冷却时间长达314天，无需空调制冷，数据中心PUE值可达到在1.2以下。
参考资料：[5,20]
发力点三：
资源节约与集约利用
数据中心产生大量低品位热源，可通过余热回收利用，直接用于机房采暖，或利用热泵生产更高质量热量，用于区域供暖或生活热水生产等。数据中心消耗的电能近90%会转化为热能，有研究估算2025年数据中心余热回收后可供采暖面积超过3亿平方米，相当于北京市2022-2023采暖季供暖面积的三分之一。国外一些数据中心成功回收余热用于市政供暖，并从销售热量获得收益。但目前我国数据中心余热回收利用仍处于起步阶段，面临投资成本大、冷却介质不适宜、用热距离较远等问题的挑战。[1]
此外，数据中心可作为需求侧可控负荷，可通过直接负荷控制和蓄冷空调参与电力系统需求响应，支持当地电网的可再生消纳，并获取一定收益。[11] 江苏省2024年印发《江苏省电力需求响应实施细则》，鼓励数据中心等“具备可调节负荷的用户可通过独立户号、负荷聚合商或虚拟电厂运营商参与需求响应”。
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文字/李鑫迪 审核/杨鹂 汪燕辉 排版/包林洁
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