全球數(shù)據(jù)中心及網(wǎng)絡(luò)傳輸能源利用現(xiàn)狀

核心要點(diǎn)

為什么數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)很重要？

如今，全球?qū)?shù)字服務(wù)的需求正在快速增長(zhǎng)。自2010年以來，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量增加了一倍多，全球互聯(lián)網(wǎng)流量也增加了20倍，隨之而來的是支持?jǐn)?shù)字化的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致能源消耗不斷增加。

數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在清潔能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮什么作用？

能源效率的快速提高有助于緩解數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能源需求增長(zhǎng)，這些數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分別約占全球用電量的1-1.5%。盡管如此，政府和行業(yè)在能源效率、可再生能源采購(gòu)和研發(fā)方面的強(qiáng)有力努力對(duì)于抑制未來十年的能源需求和排放增長(zhǎng)至關(guān)重要。

未來發(fā)展方向

自2010年以來，由于能源效率的提高、信息和通信技術(shù)(ICT)企業(yè)購(gòu)買可再生能源以及許多地區(qū)更廣泛的電網(wǎng)脫碳，盡管對(duì)數(shù)字服務(wù)的需求迅速增長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)排放量?jī)H小幅增長(zhǎng)。然而，要實(shí)現(xiàn)凈零情景，排放量必須到2030年減少一半。

全球數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)能耗現(xiàn)狀

二氧化碳排放量

據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)占能源相關(guān)溫室氣體排放的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，數(shù)據(jù)中心連接到電網(wǎng)，基于化石燃料的發(fā)電比例較低，產(chǎn)生的相關(guān)排放較少，并具有幫助（或阻礙）全球清潔能源轉(zhuǎn)型的巨大潛力，包括通過能源部門的數(shù)字化。

2020年，支撐數(shù)字化的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)排放了約330Mt（1Mt=100萬噸）二氧化碳當(dāng)量（包括隱含排放量），相當(dāng)于能源相關(guān)溫室氣體排放量的0.9%（或溫室氣體總排放量的0.6%）。自2010年以來，盡管數(shù)字服務(wù)的需求快速增長(zhǎng)，但由于能源效率的提高、信息和通信技術(shù)(ICT)qy購(gòu)買可再生能源以及許多地區(qū)更廣泛的電網(wǎng)脫碳，排放量仍略有增長(zhǎng)。然而，為了實(shí)現(xiàn)凈零情景，排放量必須在2030年之前減少一半。

能源效率

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

預(yù)計(jì)2022年全球數(shù)據(jù)中心用電量為240-340TWh，約占全球最終電力需求的1-1.3%。這還不包括用于加密貨幣挖礦的能源消耗，這部分預(yù)計(jì)2022年約為110TWh，占全球年度電力需求的0.4%。

自2010年以來，盡管數(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）僅小幅增長(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)向更大型的數(shù)據(jù)中心，包括高效的云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。

盡管效率大幅提高，但大型數(shù)據(jù)中心處理的工作負(fù)載快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致過去幾年該領(lǐng)域的能源使用量大幅增加，每年增長(zhǎng)20-40%。2017年至2021年間，亞馬遜、微軟、谷歌和Meta的綜合用電量3增加了一倍多，到2021年將升至72太瓦時(shí)左右。數(shù)據(jù)中心的總體能源使用量（不包括加密貨幣）在未來幾年可能會(huì)繼續(xù)溫和增長(zhǎng)，但長(zhǎng)期趨勢(shì)高度不確定。

盡管全球數(shù)據(jù)中心電力消耗僅小幅增長(zhǎng)，但一些數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的小國(guó)卻出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。例如，愛爾蘭數(shù)據(jù)中心用電量自2015年以來增加了兩倍多，到2022年占總用電量的18%，除非發(fā)電能力增加，否則到2031年數(shù)據(jù)中心和其他非工業(yè)大型能源用戶可能占該國(guó)用電需求的28%。在丹麥，到2030年，數(shù)據(jù)中心的能源消耗預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)六倍，占該國(guó)用電量的近15%。

2015-2022年數(shù)字和能源指標(biāo)的全球變化趨勢(shì)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的能源效率也快速提升

2022年，全球數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)消耗260-360TWh，即全球用電量的1-1.5%。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)約占網(wǎng)絡(luò)總能耗的三分之二。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪茉葱试谶^去十年中迅速提高：發(fā)達(dá)國(guó)家固網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能源強(qiáng)度每?jī)赡隃p半，移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)能源效率近年來每年提高10-30%。

2022年全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)近30%，低于2020年Covid-19大流行導(dǎo)致的40-50%的激增。GSMA成員報(bào)告稱，2021年其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)了31%，而運(yùn)營(yíng)商總用電量增加僅5%。

此外，數(shù)據(jù)中心的余熱越來越多地用于幫助附近的商業(yè)和住宅建筑供暖或?yàn)楣I(yè)用熱用戶供電，從而減少其他來源的能源使用。

助推數(shù)據(jù)中心需求增長(zhǎng)的主要應(yīng)用

流媒體、云游戲、區(qū)塊鏈、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等新興服務(wù)和技術(shù)有望增加對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求

對(duì)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)，這主要是由視頻流、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)推動(dòng)的。然而，這些數(shù)據(jù)密集型服務(wù)在短期內(nèi)對(duì)能源使用的影響可能有限，因?yàn)槟茉词褂貌⒉慌c交通量成比例地增加。此外，與其他日?；顒?dòng)相比，視頻流的平均能耗相當(dāng)?shù)?，其中電視等終端用戶設(shè)備消耗了大部分能源。

預(yù)計(jì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量也將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，到2028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2022年的17%左右上升到2028年的近70%。盡管5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將比4G網(wǎng)絡(luò)更加節(jié)能，但由于其較高的網(wǎng)絡(luò)密度和每個(gè)站點(diǎn)的能源消耗，5G的整體?能源和排放影響仍不確定。2G和3G等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的退役為減少移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能源使用提供了重要機(jī)會(huì)。需要有管理地逐步淘汰傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)確?，F(xiàn)有服務(wù)和設(shè)備（例如智能電表）能夠維持功能。

對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)的需求也將增長(zhǎng)，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——工作量證明區(qū)塊鏈的最突出例子，也是按市值計(jì)算最有價(jià)值的加密貨幣——到2022年估計(jì)消耗110太瓦時(shí)，是2016年的20倍。以太坊，在市值方面僅次于比特幣和能源使用量，2022年前三個(gè)季度消耗約18太瓦時(shí)。2022年9月，以太坊從工作量證明共識(shí)機(jī)制過渡到股權(quán)證明，預(yù)計(jì)將減少99.95%的能源消耗。隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用變得更加廣泛，理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說可能變得越來越重要。

人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)是需求增長(zhǎng)的另一個(gè)領(lǐng)域，對(duì)未來幾年的數(shù)據(jù)中心能源使用具有潛在的重大影響。雖然訓(xùn)練最大的機(jī)器學(xué)習(xí)模型所需的計(jì)算能力正在快速增長(zhǎng)，但目前尚不清楚數(shù)據(jù)中心中與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的能源使用總量增長(zhǎng)的速度有多快。

早期研究重點(diǎn)關(guān)注與訓(xùn)練大型ML模型相關(guān)的能源和碳排放，但Meta和Google的最新數(shù)據(jù)表明，訓(xùn)練階段僅占ML相關(guān)能源使用總量的20-40%左右，其中60-70%用于訓(xùn)練階段。推理（AI模型的應(yīng)用或使用）以及高達(dá)10%的模型開發(fā)（實(shí)驗(yàn)）。Google估計(jì)，2019-2021年ML占其總能源使用量的10-15%，其增長(zhǎng)速度與整體能源增長(zhǎng)相當(dāng)（同期每年+20-25%）。

快速增長(zhǎng)的模型規(guī)模和計(jì)算需求的結(jié)合可能會(huì)超過能源效率的強(qiáng)勁提升，從而導(dǎo)致未來幾年人工智能相關(guān)能源使用總量的凈增長(zhǎng)。盡管人工智能本身可以幫助減少數(shù)據(jù)中心的能源使用，但OpenAI的ChatGPT和GoogleBard等人工智能聊天機(jī)器人的快速主流采用可能會(huì)加速人工智能能源需求的增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)中心需求的性質(zhì)預(yù)計(jì)將在未來十年內(nèi)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。智能手機(jī)等用戶設(shè)備（越來越多地配備機(jī)器學(xué)習(xí)加速器）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。

可再生能源利用情況

ICT企業(yè)是可再生能源的主要購(gòu)買者，企業(yè)可再生能源購(gòu)電協(xié)議正在蓬勃發(fā)展。

歐盟委員會(huì)于2022年通過企業(yè)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告指令(CSRD)，并于2024年起生效。它將要求包括科技公司在內(nèi)的大型組織報(bào)告可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)以及能源和碳排放量。在美國(guó)，俄勒岡州正在執(zhí)行類似的報(bào)告任務(wù)，而在聯(lián)邦一級(jí)，簽署了“確保數(shù)字資產(chǎn)負(fù)責(zé)任的發(fā)展”行政命令，以探索未來加密資產(chǎn)報(bào)告要求的潛力。

重新制定的能源效率指令(EED)將從2024年5月起對(duì)位于歐盟的數(shù)據(jù)中心引入能源和可持續(xù)發(fā)展報(bào)告要求。這將要求裝機(jī)容量超過500kW的數(shù)據(jù)中心報(bào)告總能源消耗–包括衍生的份額來自可再生能源——用水和廢熱利用。歐盟委員會(huì)將評(píng)估這些數(shù)據(jù)，以確定是否需要采取進(jìn)一步的措施，例如數(shù)據(jù)中心的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。

在中國(guó)，作為“東數(shù)算”項(xiàng)目的一部分，政府要求東部地區(qū)的平均電力使用效率（PUE）達(dá)到1.25，西部地區(qū)達(dá)到1.2。各大城市對(duì)新建數(shù)據(jù)中心都有最低PUE要求，包括北京（1.4）、上海（1.3）和深圳（1.4以上無補(bǔ)貼）。

其他地區(qū)宣布對(duì)2022年新的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心開發(fā)實(shí)施臨時(shí)限制，其中包括荷蘭。新加坡最近取消了2019年新建數(shù)據(jù)中心的暫停令。

數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展建議

提高數(shù)據(jù)收集和透明度

改善信息通信技術(shù)公司及其能源使用的數(shù)據(jù)收集和共享有助于為能源分析和政策制定提供信息，特別是在數(shù)據(jù)有限或無法獲得的領(lǐng)域(例如小型數(shù)據(jù)中心)。國(guó)家研究計(jì)劃可以開發(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)性影影響的理解和預(yù)測(cè)。

政府還可以在行業(yè)和研究人員努力的基礎(chǔ)上發(fā)揮重要作用，幫助制定適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來跟蹤能源效率和可持續(xù)性的進(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

政府可以幫助實(shí)施提高數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)能源效率的舉措，同時(shí)確?？煽啃院蛷椥浴撛诘恼吖ぞ甙ňW(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)中心可以提高能源效率，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)，以鼓勵(lì)進(jìn)一步提高能源效率，而法規(guī)和價(jià)格信號(hào)則有助于激勵(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)可以使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商更容易參與需求響應(yīng)計(jì)劃。

信息通信技術(shù)行業(yè)一直是企業(yè)可再生能源采購(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者，特別是在北美和歐洲。但亞太地區(qū)在可再生能源使用方面一直落后，部分原因是可再生能源供應(yīng)有限、監(jiān)管復(fù)雜且成本高昂。監(jiān)管框架應(yīng)鼓勵(lì)多樣化、負(fù)擔(dān)得起的額外可再生能源購(gòu)買選擇。

支持?jǐn)?shù)據(jù)中心余熱利用

數(shù)據(jù)中心的余熱可以幫助為附近的商業(yè)和住宅建筑供暖或供應(yīng)工業(yè)熱用戶，從而減少其他來源的能源使用。余熱安排應(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)商需求以及對(duì)能源效率的影響。鑒于新基礎(chǔ)設(shè)施的成本高昂，需要靠近廢熱用戶或現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，以確保廢熱得到實(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)商需要共同努力提供足夠的激勵(lì)和保障。

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)跟蹤并公開報(bào)告能源使用情況和其他可持續(xù)性指標(biāo)(例如排放量、用水量)。云數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商應(yīng)為其客戶提供強(qiáng)大且透明的工具來測(cè)量、報(bào)告和減少云服務(wù)的溫室氣體排放。

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

ICT公司應(yīng)制定雄心勃勃的效率和二氧化碳排放目標(biāo)，并實(shí)施具體措施來跟蹤進(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)商來說，這包括遵循能源效率最佳實(shí)踐，將新數(shù)據(jù)中心選址氣候適宜且水資源壓力較小的地區(qū)，以及采用最節(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，包括硬件制造商、軟件開發(fā)商和客戶，都必須盡自己的一份力量來提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

增加清潔電力和其他清潔能源技術(shù)的購(gòu)買和使用

幾家主要數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已設(shè)定或?qū)崿F(xiàn)了每年配套使用100%清潔電力的目標(biāo)。更雄心勃勃的無碳運(yùn)營(yíng)方法可以帶來更大的環(huán)境效益，特別是通過考慮地點(diǎn)和時(shí)間。機(jī)器學(xué)習(xí)和其他數(shù)字技術(shù)可以通過主動(dòng)將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到低碳資源豐富的時(shí)代和地區(qū)來幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

投資可再生能源的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商應(yīng)與電力公司、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目開發(fā)商合作，確定能夠最大限度提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)效益并減少溫室氣體排放總量的項(xiàng)目。這還可能包括使用電池存儲(chǔ)和低排放氫等新興清潔能源技術(shù)以提高靈活性并促進(jìn)全系統(tǒng)脫碳。

投資研發(fā)以實(shí)現(xiàn)高效的下一代計(jì)算和通信技術(shù)

在媒體流和人工智能、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)的效率提升在未來幾年減速(甚至停滯)，將需要更高效的新技術(shù)來跟上不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。

減少生命周期環(huán)境影響

除了運(yùn)營(yíng)能源使用和排放之外，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)還負(fù)責(zé)“隱含”生命周期排放，包括原材料提取、制造、運(yùn)輸和報(bào)廢處理或回收。企業(yè)應(yīng)加大力度減少整個(gè)供應(yīng)鏈(包括設(shè)備和建筑)的隱含排放。

除了能源使用和溫室氣體排放之外，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)還造成其他環(huán)境影響，例如用水和電子廢物的產(chǎn)生。企業(yè)應(yīng)采用技術(shù)和方法來最大限度地減少用水，特別是在干旱多發(fā)地區(qū)。

資料來源：IEA

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