數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)能源報(bào)告 | 千家分享

如今，全球?qū)?shù)字服務(wù)的需求正在迅速增長(zhǎng)。自 2010 年以來(lái)，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量增長(zhǎng)了一倍多，互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了 20 倍。然而，能源效率的快速提高幫助緩和了數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能源需求增長(zhǎng)，它們各自占全球用電量的 1-1.5%。因此，政府和行業(yè)需要在能源效率、研發(fā)與示范以及電力供應(yīng)和供應(yīng)鏈脫碳方面做出重大額外努力，以在未來(lái)十年內(nèi)遏制能源需求并迅速減少排放，才能在2050 年實(shí)現(xiàn)凈零愿景。

數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)占能源相關(guān)溫室氣體排放量的近 1%

數(shù)字技術(shù)對(duì)能源使用和排放有直接和間接的影響，并具有幫助（或阻礙）全球清潔能源轉(zhuǎn)型的巨大潛力，包括通過(guò)能源部門(mén)的數(shù)字化。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，即支撐數(shù)字化的這些技術(shù)產(chǎn)生了約 300 Mt 的二氧化碳排放（包括隱含排放），相當(dāng)于能源相關(guān)溫室氣體排放量的 0.9%（或溫室氣體排放總量的 0.6%）。自 2010 年以來(lái)，盡管對(duì)數(shù)字服務(wù)的需求迅速增長(zhǎng)，但由于能源效率的提高、信息和通信技術(shù) (ICT) 企業(yè)購(gòu)買(mǎi)可再生能源以及許多地區(qū)更廣泛的電網(wǎng)脫碳，排放量?jī)H略有增長(zhǎng)。然而，要實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，到 2030 年排放量必須減半。

效率的大幅提升有助于限制全球數(shù)據(jù)中心能源需求的增長(zhǎng)

2021 年全球數(shù)據(jù)中心用電量為 220-320 TWh2，約占全球最終電力需求的 0.9-1.3%。這不包括用于加密貨幣挖礦的能源，2021 年為 100-140 TWh。。

自 2010 年以來(lái)，盡管對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)的需求強(qiáng)勁增長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)中心能源使用（不包括加密貨幣）僅溫和增長(zhǎng)，部分原因是 IT 硬件和冷卻效率的提高以及從小型、低效的企業(yè)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向更多高效的云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。

然而，大型數(shù)據(jù)中心處理的工作負(fù)載的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致過(guò)去幾年該領(lǐng)域的能源使用量增加（每年增加 10-30%）。未來(lái)幾年，總體數(shù)據(jù)中心能源使用似乎可能會(huì)繼續(xù)適度增長(zhǎng)，但長(zhǎng)期趨勢(shì)非常不確定。

盡管全球數(shù)據(jù)中心用電量?jī)H溫和增長(zhǎng)，但一些數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的較小國(guó)家正在快速增長(zhǎng)。例如，愛(ài)爾蘭的數(shù)據(jù)中心用電量自 2015 年以來(lái)增長(zhǎng)了兩倍多，占 2021 年總用電量的 14%。在丹麥，數(shù)據(jù)中心的能源使用量預(yù)計(jì)到 2025 年將增長(zhǎng)兩倍，約占該國(guó)用電量的 7%使用。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能效也得到快速提升

2021年全球數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)消耗 260-340 TWh，或全球用電量的 1.1-1.4%。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪茉葱试谶^(guò)去十年中得到了快速提升：發(fā)達(dá)國(guó)家固網(wǎng)能源強(qiáng)度每?jī)赡隃p半，移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)能源效率近年來(lái)每年提高10-30%。

2021 年全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了 23%，低于2020年大流行導(dǎo)致的40-50%的激增。GSMA成員報(bào)告稱(chēng)，2021年他們的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)了 31%，而運(yùn)營(yíng)商的總用電量增長(zhǎng)了 5%。Lundén 等人 (2022)分析的歐洲主要電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)反映了這些全球效率趨勢(shì)。報(bào)告企業(yè)的用電量(約占?xì)W洲用戶的36%和全球用戶的8%)在2015年至2018年期間僅增長(zhǎng)了1%，而數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)了兩倍。

流媒體、云游戲、區(qū)塊鏈、機(jī)器學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等新興服務(wù)和技術(shù)有望推動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求預(yù)計(jì)將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，主要受視頻流、云游戲以及增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等數(shù)據(jù)密集型活動(dòng)的推動(dòng)。然而，這些數(shù)據(jù)密集型服務(wù)在短期內(nèi)可能只會(huì)對(duì)能源使用產(chǎn)生有限的影響，因?yàn)槟茉词褂貌粫?huì)隨著流量的增加而等比例增加。

此外，與其他日?；顒?dòng)相比，視頻流的平均能耗相當(dāng)?shù)停渲须娨暤冉K端用戶設(shè)備消耗了大部分能源.但是，如果流媒體和其他數(shù)據(jù)密集型服務(wù)增加了互聯(lián)網(wǎng)流量峰值，那么從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，為適應(yīng)更高的預(yù)期峰值容量而建設(shè)額外的基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)提高整體網(wǎng)絡(luò)能源消耗。

移動(dòng)數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)也將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，到 2027 年將翻兩番。5G 在移動(dòng)數(shù)據(jù)流量中的份額預(yù)計(jì)將從 2021 年的 10% 上升到 2027 年的 60%。盡管 5G 網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)比4G 網(wǎng)絡(luò)更節(jié)能，但 5G 的整體能源和排放影響仍不確定。

對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)的需求也有望上升，部分原因是區(qū)塊鏈和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興數(shù)字技術(shù)的推動(dòng)。例如，比特幣在 2021 年估計(jì)消耗了 105 TWh。隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，了解和管理其能源使用影響對(duì)于能源分析師和政策制定者來(lái)說(shuō)可能變得越來(lái)越重要。

機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 是需求增長(zhǎng)的另一個(gè)領(lǐng)域，可能對(duì)未來(lái)幾年的數(shù)據(jù)中心能源使用產(chǎn)生重大影響。雖然訓(xùn)練最大的 ML 模型所需的計(jì)算能力正在快速增長(zhǎng)，但尚不清楚數(shù)據(jù)中心中與 ML 相關(guān)的總體能源使用增長(zhǎng)速度有多快。在 Facebook，近年來(lái)ML 訓(xùn)練（每年增長(zhǎng)150%）和推理（每年增長(zhǎng)105%）的計(jì)算需求已經(jīng)超過(guò)了數(shù)據(jù)中心整體能源消耗（每年增長(zhǎng) 40% ）。谷歌報(bào)告稱(chēng)，盡管 ML 占總計(jì)算需求的 70-80%，但僅占其總能源使用量的 10-15% 。

未來(lái)十年，數(shù)據(jù)中心需求的性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化。5G、物聯(lián)網(wǎng)和元宇宙可能會(huì)增加對(duì)低延遲計(jì)算的需求，從而增加對(duì)邊緣數(shù)據(jù)中心的需求。越來(lái)越多地配備機(jī)器學(xué)習(xí)加速器的智能手機(jī)等用戶設(shè)備將增加機(jī)器學(xué)習(xí)的使用，但對(duì)整體能源需求的影響不確定。

ICT 企業(yè)是可再生能源的主要購(gòu)買(mǎi)者，占所有企業(yè)可再生 PPA 的一半

ICT 企業(yè)在可再生能源項(xiàng)目上投入大量資金，以保護(hù)自己免受電價(jià)波動(dòng)的影響，減少對(duì)環(huán)境的影響并提高品牌聲譽(yù)。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商在企業(yè)可再生能源采購(gòu)方面尤其領(lǐng)先，主要是通過(guò)購(gòu)電協(xié)議 (PPA)。事實(shí)上，亞馬遜、微軟、Meta 和谷歌是企業(yè)可再生能源 PPA 的四大購(gòu)買(mǎi)者，迄今為止已簽約超過(guò) 38 吉瓦（包括 2021 年的 15 吉瓦）。

蘋(píng)果（2.8 太瓦時(shí)）、谷歌（18.3 太瓦時(shí)）和 Meta（9.4 太瓦時(shí)）購(gòu)買(mǎi)或產(chǎn)生的可再生電力足以滿足 2021 年 100% 的運(yùn)營(yíng)用電量（主要是數(shù)據(jù)中心）。亞馬遜在 2021 年的運(yùn)營(yíng)中消耗了30.9 TWh（85% 是可再生能源），目標(biāo)是到 2025 年實(shí)現(xiàn) 100% 可再生能源。

然而，將 100% 的年度需求與可再生能源購(gòu)買(mǎi)并不意味著數(shù)據(jù)中心實(shí)際上完全由可再生能源供電。風(fēng)能和太陽(yáng)能的可變性可能與數(shù)據(jù)中心的需求概況不匹配，并且可再生能源可能從需求所在的不同電網(wǎng)或地區(qū)的項(xiàng)目中購(gòu)買(mǎi)。特別是可再生能源證書(shū)不太可能導(dǎo)致額外的可再生能源生產(chǎn)，從而導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)實(shí)世界減排量的夸大估計(jì)。

谷歌和微軟宣布了 2030 年目標(biāo)，即在需求所在的每個(gè)電網(wǎng)內(nèi)全天候 24/7 采購(gòu)和匹配零碳電力。越來(lái)越多的組織正在努力實(shí)現(xiàn) 24/7 無(wú)碳能源。

盡管少數(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也實(shí)現(xiàn)了100%可再生能源（包括BT、TIM和T-Mobile），但數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在可再生能源采購(gòu)和使用方面普遍落后于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商。與通常大型、集中且位置更靈活的數(shù)據(jù)中心相比，電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的站點(diǎn)較多（站點(diǎn)選擇的靈活性有限）。因此，獲取可再生能源被認(rèn)為是許多市場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)，尤其是在能源市場(chǎng)欠發(fā)達(dá)的新興和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體中。

幾乎沒(méi)有實(shí)施政策來(lái)解決數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的能源和排放足跡

雖然更廣泛的電力脫碳政策在減少數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)排放方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但只有少數(shù)現(xiàn)有政策和法規(guī)主要側(cè)重于減少其能源消耗或排放足跡。在數(shù)據(jù)中心，這些包括：

最近的一些政策發(fā)展旨在改善數(shù)據(jù)收集和透明度：

歐盟委員會(huì)在其Fit for 55 立法包中提議的能源效率指令包括對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的可持續(xù)性報(bào)告要求。它還要求數(shù)據(jù)中心容量超過(guò) 100 千瓦（閾值待定），以對(duì)廢熱利用進(jìn)行成本效益評(píng)估。2021年，挪威政府提出了對(duì)容量在2兆瓦以上的數(shù)據(jù)中心的要求，以探索與區(qū)域供熱供應(yīng)商的聯(lián)系。

在中國(guó)，作為東數(shù)西算項(xiàng)目的一部分，政府要求東部的平均電力使用效率 (PUE) 為 1.25，西部為 1.2。中國(guó)主要城市對(duì)新建數(shù)據(jù)中心有最低 PUE 要求，包括北京（1.4）、上海（1.3）和深圳（1.4 以上無(wú)補(bǔ)貼）。

其他地區(qū)宣布在 2022 年對(duì)新的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心開(kāi)發(fā)實(shí)施臨時(shí)限制，包括荷蘭。新加坡最近解除了 2019 年暫停建設(shè)新數(shù)據(jù)中心的禁令。

多項(xiàng)舉措正在努力衡量、跟蹤和減少數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)環(huán)境的影響

給政策制定者的建議

改進(jìn)數(shù)據(jù)收集和透明度

改進(jìn)有關(guān) ICT 及其能源使用特征的數(shù)據(jù)收集和共享有助于為能源分析和決策提供信息，特別是在數(shù)據(jù)有限或不可用的部分（例如小型數(shù)據(jù)中心）。國(guó)家研究計(jì)劃可以開(kāi)發(fā)更好的建模工具，以提高對(duì)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的能源和可持續(xù)性影響的理解和預(yù)測(cè)。

在行業(yè)和研究人員努力的基礎(chǔ)上，政府也可以發(fā)揮重要作用，幫助制定適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來(lái)跟蹤能源效率和可持續(xù)性方面的進(jìn)展。

制定鼓勵(lì)能源效率、需求響應(yīng)和清潔能源采購(gòu)的政策

府可以在實(shí)施政策和計(jì)劃方面發(fā)揮重要作用，以提高數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能源效率，同時(shí)確?？煽啃院蛷椥?。潛在的政策包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)高效網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的指標(biāo)和激勵(lì)措施，以及支持國(guó)際技術(shù)協(xié)議。

數(shù)據(jù)中心還可以變得更加節(jié)能，同時(shí)為電網(wǎng)提供靈活性。政府可以提供指導(dǎo)、激勵(lì)措施和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)鼓勵(lì)進(jìn)一步提高能源效率，而法規(guī)和價(jià)格信號(hào)可以幫助激勵(lì)需求方的靈活性。例如，允許輔助服務(wù)要求具有一定的靈活性（例如更長(zhǎng)的通知期、更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間）可能使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商更容易參與需求響應(yīng)計(jì)劃。

ICT 行業(yè)一直是企業(yè)可再生能源采購(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者，尤其是在北美和歐洲。但亞太地區(qū)在可再生能源使用方面一直相對(duì)落后，部分原因是可再生能源的可用性有限、監(jiān)管復(fù)雜且成本高。監(jiān)管框架應(yīng)激勵(lì)多樣化、負(fù)擔(dān)得起的和額外的可再生能源購(gòu)買(mǎi)選擇。

支持?jǐn)?shù)據(jù)中心余熱利用

來(lái)自數(shù)據(jù)中心的廢熱可以幫助加熱附近的商業(yè)和住宅建筑或供應(yīng)工業(yè)熱用戶，從而減少其他來(lái)源的能源使用。廢熱安排應(yīng)逐個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，并包括一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性、承購(gòu)商需求和對(duì)能源效率的影響。鑒于新基礎(chǔ)設(shè)施的高成本，需要靠近余熱用戶或現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施以確保余熱得到實(shí)際利用。

為了克服余熱利用的潛在障礙，例如實(shí)現(xiàn)足夠高的溫度以及合同和法律挑戰(zhàn)，政策制定者、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和區(qū)域供熱供應(yīng)商需要共同努力，制定適當(dāng)?shù)募?lì)措施和保障措施。

對(duì)企業(yè)的建議

收集和報(bào)告能源使用和其他可持續(xù)性數(shù)據(jù)

ICT 企業(yè)可以通過(guò)共享可靠、全面和及時(shí)的數(shù)據(jù)，幫助能源研究人員和政策制定者更好地了解不斷變化的 ICT 服務(wù)需求如何轉(zhuǎn)化為整體能源需求。例如，數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商應(yīng)跟蹤并公開(kāi)報(bào)告能源使用和其他可持續(xù)性指標(biāo)（例如排放、用水）。云數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商應(yīng)為其客戶提供強(qiáng)大而透明的工具，以衡量、報(bào)告和減少云服務(wù)的溫室氣體排放。

從成員那里收集自我報(bào)告的能源和可持續(xù)性信息的行業(yè)團(tuán)體應(yīng)該與研究人員共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法，以提高其可持續(xù)性聲明的可信度。

致力于實(shí)現(xiàn)效率和氣候目標(biāo)并采取措施實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)

ICT 企業(yè)應(yīng)設(shè)定雄心勃勃的效率和 CO₂排放目標(biāo)，并實(shí)施具體措施來(lái)跟蹤進(jìn)展并實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。這包括與 ICT 行業(yè)基于科學(xué)的目標(biāo)保持一致，即在 2020 年至 2030 年間將溫室氣體排放量減少45%。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商而言，這包括遵循能效最佳實(shí)踐，將新數(shù)據(jù)中心安置在氣候適宜且缺水壓力低的地區(qū)，并采用最節(jié)能的服務(wù)器和存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和冷卻設(shè)備。ICT 價(jià)值鏈上的所有公司都必須盡自己的一份力量來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，包括硬件制造商、軟件開(kāi)發(fā)商和客戶。

增加清潔電力等清潔能源技術(shù)的購(gòu)買(mǎi)和使用

幾家主要的數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)設(shè)定或?qū)崿F(xiàn)了在年度匹配的基礎(chǔ)上使用 100% 清潔電力的目標(biāo)。更雄心勃勃的無(wú)碳運(yùn)營(yíng)方法可以帶來(lái)更大的環(huán)境效益，特別是考慮到地點(diǎn)和時(shí)間。ML 和其他數(shù)字技術(shù)可以通過(guò)將計(jì)算任務(wù)主動(dòng)轉(zhuǎn)移到低碳資源豐富的時(shí)間和地區(qū)來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

與電力公司、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商合作，投資可再生能源的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商應(yīng)確定能夠最大限度地為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來(lái)收益并減少總體溫室氣體排放的項(xiàng)目。這還可能包括使用新興的清潔能源技術(shù)，例如電池存儲(chǔ)和綠色氫，以提高靈活性并促進(jìn)全系統(tǒng)脫碳。

投資研發(fā)高效的下一代計(jì)算和通信技術(shù)

在流媒體和人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、5G 和區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的推動(dòng)下，對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)的需求將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。隨著當(dāng)前技術(shù)的效率提升在未來(lái)幾年放緩甚至停滯，將需要更高效的新技術(shù)來(lái)跟上不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。

減少生命周期對(duì)環(huán)境的影響

除了它們的運(yùn)營(yíng)能源使用和排放外，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)還負(fù)責(zé)“具體”生命周期排放，包括來(lái)自原材料提取、制造、運(yùn)輸和報(bào)廢處理或回收的排放。企業(yè)應(yīng)加大力度減少其整個(gè)供應(yīng)鏈（包括設(shè)備和建筑物）的隱含排放。

除了能源使用和溫室氣體排放，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)還會(huì)帶來(lái)其他環(huán)境影響，例如用水和電子垃圾的產(chǎn)生。企業(yè)應(yīng)采用技術(shù)和方法來(lái)盡量減少用水，特別是在干旱多發(fā)地區(qū)。

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