中國儲能網(wǎng)訊：世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)站發(fā)表署名 Ian Goldsmith和 Zach Byrum 文章，題目是：Powering the US Data Center Boom: Why Forecasting Can Be So Tricky（美國數(shù)據(jù)中心電力需求激增：為何預(yù)測如此困難？）
美國需要多少電力來支持全國各地不斷涌現(xiàn)的新數(shù)據(jù)中心？在先進(jìn)人工智能技術(shù)（包括像 ChatGPT 這樣的生成式 AI 模型）興起的推動下，對云計算服務(wù)的需求日益增長，加上數(shù)千億美元的投資浪潮，數(shù)據(jù)中心行業(yè)預(yù)計將持續(xù)擴張。但回答這個問題并不容易。
我們已經(jīng)知道，數(shù)據(jù)中心的運營需要大量電力。數(shù)據(jù)中心可以是單個房間，也可以是占地數(shù)百英畝的大型設(shè)施，用于容納提供數(shù)據(jù)處理和存儲能力所需的物理計算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這些中心還包括資源密集型的冷卻系統(tǒng)、備用發(fā)電設(shè)備、消防和安保系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心的電力容量越大，其能同時處理的數(shù)據(jù)量就越多。
過去幾年發(fā)表的文章和報告估計，數(shù)據(jù)中心所需的電力可能會壓垮我們當(dāng)前的電力系統(tǒng)。例如，Rystad Energy 的一項評估發(fā)現(xiàn)，美國在 2024 年至 2035 年間將有超過 100 吉瓦（GW）的數(shù)據(jù)中心需求上線。作為對比，這大約是紐約市 2023 年夏季峰值用電量的 10 倍，當(dāng)時空調(diào)全速運轉(zhuǎn)。然而，其他報告則描繪了更模糊的圖景。例如，電力研究院（Electric Power Research Institute）2024 年的一份論文發(fā)現(xiàn)，到 2030 年，數(shù)據(jù)中心的電力需求可能占美國總電力消耗的 4.6% 到 9.1%。這兩個數(shù)字之間的差距約為 200 太瓦時（TWh），相當(dāng)于近 1100 萬戶家庭的能源消耗。
數(shù)據(jù)中心（如意大利歐洲中期天氣預(yù)報中心的這個數(shù)據(jù)中心）不僅需要大量電力來為計算機服務(wù)器供電，還需要維持冷卻系統(tǒng)、備用發(fā)電、消防和安保。圖片來源：Stefano Marzoli / iStock。
這種不確定性可能帶來巨大后果。如果管理不當(dāng)，這種不受控制的增長可能導(dǎo)致消費者能源賬單上漲、溫室氣體排放增加，以及能源系統(tǒng)可靠性下降。由于新的數(shù)據(jù)中心需求以及更頻繁的極端天氣事件，全國各地的電力公司已經(jīng)在尋求提高電價。盡管一些努力試圖將數(shù)據(jù)中心相關(guān)成本隔離開來，但家庭和企業(yè)最終可能仍需為過度建設(shè)、不必要或未充分利用的基礎(chǔ)設(shè)施買單。此外，為支持?jǐn)?shù)據(jù)中心需求而擴大天然氣發(fā)電并推遲燃煤電廠退役的計劃，可能會鎖定幾十年的溫室氣體排放，即使這些需求最終未能實現(xiàn)。
在這里，我們將深入探討這些預(yù)測差異背后的原因，以及地方政策制定者、監(jiān)管機構(gòu)和電力公司如何為電力需求的不確定性做好準(zhǔn)備。
數(shù)據(jù)中心：過去與未來的增長
數(shù)據(jù)中心行業(yè)對需求的快速增長并不陌生。在 2000 年代，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的興起帶來了開發(fā)爆炸式增長，數(shù)據(jù)中心的電力使用量在 2000 年至 2005 年間增長了 90%，在 2005 年至 2009 年間增長了 24%。然而，從 2010 年到 2018 年，全球數(shù)據(jù)中心的電力使用量基本保持不變，因為盡管全球計算需求激增，但引入了更高效的技術(shù)。事后看來，電力需求被高估了，當(dāng)年對電力短缺的擔(dān)憂與今天的擔(dān)憂如出一轍。
如今，幾乎所有人都認(rèn)為數(shù)據(jù)中心能源使用量持平的時代已經(jīng)結(jié)束。但對于未來十年數(shù)據(jù)中心的電力需求將增長多少，共識卻少得多。到 2030 年的建模能源使用預(yù)測范圍從每年 200 TWh 到超過 1050 TWh 不等。波士頓咨詢集團(tuán)（Boston Consulting Group）發(fā)布的高端預(yù)測值將占 2023 年美國總發(fā)電量（4178 TWh）的四分之一。相反，一項研究發(fā)現(xiàn)沒有全國電力需求增長的證據(jù)，但預(yù)計特定地區(qū)和電力公司的需求將增加。
然而，許多估計認(rèn)為，到 2030 年，數(shù)據(jù)中心的能源使用量將在每年 300 TWh 到 400 TWh 之間（這是一個顯著的數(shù)字，相當(dāng)于 2024 年德州總凈發(fā)電量的 53% 到 71%）。建模的敏感性也可能導(dǎo)致同一研究中的預(yù)測差異。例如，勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）對數(shù)據(jù)中心需求的研究估計，到 2030 年，數(shù)據(jù)中心的電力消耗將在每年 325 TWh 到 580 TWh 之間，占美國總電力消耗的 6.7% 到 12%。
預(yù)測未來數(shù)據(jù)中心能源需求的困難
為何這些預(yù)測差異如此之大？在考慮未來數(shù)據(jù)中心需求的估計時，有幾個原因需要謹(jǐn)慎考慮：
市場力量與影響
一些專家認(rèn)為，由于市場快速增長，電力公司被數(shù)據(jù)中心開發(fā)商的“投機性”并網(wǎng)請求淹沒。這可能是由于提交了早期階段項目的請求，這些項目不太可能完成；為同一設(shè)施向一家電力公司提交多個請求；或在不同電力公司轄區(qū)內(nèi)為同一項目提交多個請求。這種做法源于并網(wǎng)請求成本低，以及開發(fā)商希望了解項目并網(wǎng)并開始運營的速度。據(jù)專家稱，這種做法導(dǎo)致項目重復(fù)計算和永遠(yuǎn)不會建設(shè)的“幽靈”負(fù)荷，扭曲了負(fù)荷預(yù)測和電力公司資源規(guī)劃過程。
供應(yīng)端的問題也可能削弱預(yù)測。電力可用性已成為許多數(shù)據(jù)中心開發(fā)商的限制因素，一項分析發(fā)現(xiàn)，電力限制使數(shù)據(jù)中心的建設(shè)時間延長了 24 至 72 個月。變壓器、開關(guān)設(shè)備和燃?xì)廨啓C等基礎(chǔ)設(shè)施組件的短缺只會加劇這一問題。在計算方面，倫敦經(jīng)濟(jì)學(xué)院的一項研究發(fā)現(xiàn)，美國需要在未來五年內(nèi)購買全球 90% 的半導(dǎo)體制造產(chǎn)能，以支持到 2030 年宣布上線的所有數(shù)據(jù)中心負(fù)荷。
更大的市場因素使得數(shù)據(jù)中心投資的中長期未來充滿不確定性。推動當(dāng)前數(shù)據(jù)中心熱潮的 AI 應(yīng)用市場潛力仍未知。盡管許多企業(yè)報告了生成式 AI 技術(shù)的使用和集成增加，但其他分析師和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人已看到 AI 應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)中心建設(shè)出現(xiàn)泡沫的跡象。一些投資已經(jīng)遭遇挫折——OpenAI 和軟銀的“星際之門”項目（Stargate）于 1 月宣布，計劃到 2029 年投資 5000 億美元建設(shè)新的 AI 數(shù)據(jù)中心，但啟動速度低于預(yù)期，僅宣布計劃在今年年底前開設(shè)一個小型數(shù)據(jù)中心。關(guān)稅、中東沖突以及清潔能源和制造業(yè)投資的回退等重大經(jīng)濟(jì)沖擊也威脅著支撐企業(yè)數(shù)據(jù)中心投資的更廣泛經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性。
效率提升的潛力
數(shù)據(jù)中心技術(shù)的變化也推動了電力需求估計的差異。正如 2010 年代末效率提升使數(shù)據(jù)中心能源使用量持平一樣，硬件和軟件的新效率提升速度可能導(dǎo)致能源增長比當(dāng)前預(yù)測更快或更慢。英偉達(dá)（Nvidia）和 Arm 等制造商一直在競相提高其硬件的能效，以滿足對 AI 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施的新需求。與此同時，軟件和算法性能的新發(fā)展在最大化現(xiàn)有硬件性能方面具有巨大潛力。某些 AI 模型（如 DeepSeek 和 z.ai）已經(jīng)證明了重大軟件效率提升是可能的。
此外，非計算系統(tǒng)的效率提升也可以降低整體能源消耗。冷卻系統(tǒng)尤其可以占數(shù)據(jù)中心能源使用量的 40%，使其成為提高效率的主要目標(biāo)。然而，重要的是要注意，這些效率提升遠(yuǎn)未得到保證，專家警告稱，即使有所改進(jìn)，該行業(yè)也可能會經(jīng)歷“反彈效應(yīng)”，最終推動需求更高。
建模與預(yù)測差異
至少部分國家預(yù)測差異是由于不同組織在不同時間使用不同的統(tǒng)計模型和方法；這些與電力公司預(yù)測不同。嚴(yán)格的模型采用“自下而上”的方法，通過單個組件（如服務(wù)器的功耗和設(shè)施的整體效率）的數(shù)據(jù)構(gòu)建電力需求假設(shè)。再結(jié)合當(dāng)前安裝的服務(wù)器基礎(chǔ)，估計當(dāng)前電力使用量。未來的電力需求則通過增加設(shè)備出貨量和預(yù)期趨勢來預(yù)測。使用自下而上建模的研究人員仍可能使用不同的輸入和假設(shè)，且并不總是透明，導(dǎo)致結(jié)果差異顯著。
“自上而下”的方法則較少使用，它通過估算地理區(qū)域內(nèi)的能源消耗和數(shù)據(jù)中心服務(wù)需求，來預(yù)測滿足該需求所需的物理基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量。然而，盡管建模方法不同，對未來能源需求的估計似乎隨時間推移而上升。咨詢公司 Grid Strategies 發(fā)現(xiàn)，電力公司發(fā)布的五年未來夏季峰值需求增長預(yù)測總量從 2023 年的 38 GW 增加到 2024 年的 128 GW。
政策制定者如何應(yīng)對其轄區(qū)內(nèi)的不確定性？
顯然，美國電力系統(tǒng)的未來將在一定程度上受到數(shù)據(jù)中心增長的影響。然而，盡管這些估計通常在全國范圍內(nèi)討論，但區(qū)域當(dāng)局、州和地方政府將負(fù)責(zé)大部分對數(shù)據(jù)中心影響的現(xiàn)場監(jiān)督和管理工作。在這些層級上規(guī)劃數(shù)據(jù)中心的能源需求，取決于數(shù)據(jù)中心的具體負(fù)荷并網(wǎng)請求，這些請求通過內(nèi)部模型和假設(shè)進(jìn)行分析?，F(xiàn)在就必須就建設(shè)發(fā)電、輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施做出決策，這些基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)計將持續(xù)數(shù)十年（可能比新數(shù)據(jù)中心的使用壽命還長），最終將由客戶買單。
這些政策制定者的應(yīng)對方式將對氣候、電網(wǎng)和家庭能源賬單產(chǎn)生巨大影響。我們已經(jīng)在聯(lián)邦層面看到，特朗普政府如何利用全國 AI 數(shù)據(jù)中心需求的估計，來證明增加煤炭生產(chǎn)投資的合理性，并迫使多家化石燃料電廠在計劃退役日期后繼續(xù)運營。
作為能源系統(tǒng)規(guī)劃的前線，區(qū)域、州和地方?jīng)Q策者可以利用這些全國聚焦的數(shù)據(jù)中心負(fù)荷預(yù)測的經(jīng)驗，更好地為其轄區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)中心帶來的能源需求增長做好準(zhǔn)備。
以下是他們可以應(yīng)對新數(shù)據(jù)中心開發(fā)的三種方式：
1）提高大型負(fù)荷并網(wǎng)請求的報告透明度
盡管關(guān)于數(shù)據(jù)中心增長的討論很多，但要獲得關(guān)于數(shù)據(jù)中心實際和預(yù)期能源使用的具體信息卻很難。將設(shè)施并網(wǎng)到電力系統(tǒng)的請求被視為專有信息，不對外公開。對于數(shù)據(jù)中心而言，能源使用直接與其計算能力和業(yè)務(wù)發(fā)展相關(guān)，尤其如此。但政策制定者可以采取措施，使數(shù)據(jù)中心能源使用和請求的信息更加透明。
一種選擇是要求電力公司定期報告其并網(wǎng)隊列中的大型負(fù)荷。自 2024 年第一季度起，佐治亞電力公司（Georgia Power）開始發(fā)布季度《大型負(fù)荷經(jīng)濟(jì)發(fā)展報告》，作為其 2023 年綜合資源計劃更新合規(guī)協(xié)議的一部分。這些報告要求佐治亞電力公司公開披露所有尋求與其簽約的商業(yè)大型負(fù)荷項目（超過 115 兆瓦）的規(guī)模、審查狀態(tài)、擬議服務(wù)日期和負(fù)荷爬坡時間表。通過這種方式，佐治亞州的監(jiān)管機構(gòu)、利益相關(guān)者和政策制定者能夠獲得關(guān)于該州大量能源需求的準(zhǔn)確且及時的信息。
另一種政策選擇是建立主動利益相關(guān)者參與機制。在弗吉尼亞州，眾議院第 1601 號法案曾要求電力公司通知地方政府任何新建或現(xiàn)有變電站，以及為任何擬建的大型負(fù)荷設(shè)施（超過 100 兆瓦）提供服務(wù)的預(yù)期輸電電壓。
2）要求電力公司和電網(wǎng)規(guī)劃者采用考慮不確定性的電力需求預(yù)測方法
準(zhǔn)確預(yù)測未來能源需求對于做出明智的投資、基礎(chǔ)設(shè)施和政策決策至關(guān)重要。盡管全國范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心的快速增長已經(jīng)打亂了近期的負(fù)荷增長預(yù)測，但電力公司和電網(wǎng)規(guī)劃者別無選擇，只能繼續(xù)進(jìn)行能源需求預(yù)測。幸運的是，已經(jīng)開始出現(xiàn)評估不同大型電力和數(shù)據(jù)中心需求請求不確定性的方法。例如，為應(yīng)對電力公司年度預(yù)測的大幅增長，德克薩斯州電網(wǎng)監(jiān)管機構(gòu) ERCOT 開發(fā)了一種新的“調(diào)整后大型負(fù)荷預(yù)測”方法，該方法根據(jù)服務(wù)延遲、負(fù)荷爬坡時間表以及當(dāng)前實際運行的數(shù)據(jù)中心負(fù)荷占此前預(yù)期比例的觀察信息，對電力公司負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行折減。
可以借鑒此類案例，制定政策，鼓勵或要求規(guī)劃機構(gòu)開發(fā)并使用類似方法。在擁有受監(jiān)管、垂直一體化電力公司的州，政策制定者可以要求電力公司在綜合資源規(guī)劃過程中開發(fā)和評估多種大型負(fù)荷增長情景。在區(qū)域和國家層面，聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）第 1920 號命令要求輸電規(guī)劃者在長期區(qū)域輸電規(guī)劃過程中至少使用三種不同的長期情景。在制定這些情景及隨后的長期輸電計劃時，倡導(dǎo)者和州代表可以主張對各種不確定性來源的負(fù)荷增長進(jìn)行仔細(xì)分析和建模。
政策制定者應(yīng)確保電力公司和建模者在此類建模中使用最佳實踐，以提高監(jiān)管者指導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)劃的有效性。分享經(jīng)驗和建立新標(biāo)準(zhǔn)的努力已經(jīng)取得良好進(jìn)展，如美國國家公用事業(yè)監(jiān)管委員會（NARUC）和能源系統(tǒng)集成集團(tuán)（Energy Systems Integration Group）的“大型負(fù)荷工作組”正在積極召集會議，討論大型負(fù)荷預(yù)測的挑戰(zhàn)與解決方案。
3）制定電價機制，確保長期承諾和公平成本分?jǐn)?/strong>
不確定性帶來的最大擔(dān)憂之一是，其他電力用戶可能最終為專為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施買單。一些專家已經(jīng)警告稱，當(dāng)前的電價結(jié)構(gòu)和成本分?jǐn)偡椒赡軐?dǎo)致其他住宅或商業(yè)用戶為僅用于服務(wù)新數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施付費。如果數(shù)據(jù)中心的預(yù)期能源需求低于預(yù)期、提前退出系統(tǒng)或未能實現(xiàn)，消費者和企業(yè)可能面臨更高的賬單。
為解決其中一些問題，監(jiān)管機構(gòu)已批準(zhǔn)多項新穎的大型負(fù)荷電價機制，以管理數(shù)據(jù)中心并應(yīng)對此類風(fēng)險。盡管這些電價是在監(jiān)管層面確定的，但州立法者可以鼓勵或要求采用特定電價規(guī)則，保護(hù)其他客戶免受賬單影響，無論數(shù)據(jù)中心是否上線。
例如，俄勒岡州最近通過的《POWER 法案》（HB 3546）為超過 20 兆瓦的大型負(fù)荷設(shè)施創(chuàng)建了一個新的、獨立的客戶類別。該類別客戶的電價明確要求將服務(wù)大型負(fù)荷客戶相關(guān)的成本直接分配給該客戶，并降低這些成本轉(zhuǎn)嫁給其他客戶的風(fēng)險。此外，所有這些電價下的電力供應(yīng)合同必須為 10 年或更長時間，并要求客戶根據(jù)其預(yù)計電力使用量向電力公司支付最低金額或比例。明尼蘇達(dá)州通過的一項類似法案也要求為超大型能源用戶創(chuàng)建新的客戶類別，并防止成本轉(zhuǎn)嫁給其他電力用戶，但未包含合同條款。
總之，對快速增長的預(yù)測已將數(shù)據(jù)中心推至能源需求上升討論的中心。然而，查看這些預(yù)測可以發(fā)現(xiàn)，模型估計本身以及更廣泛的經(jīng)濟(jì)因素都存在顯著的不確定性。隨著州和地方政策制定者被要求應(yīng)對新的數(shù)據(jù)中心發(fā)展，他們應(yīng)采取措施，對沖這種不確定性，以確保所有人都能擁有一個清潔、經(jīng)濟(jì)且可靠的能源系統(tǒng)。
