中國儲能網(wǎng)訊：自2022年11月美國人工智能實驗室公司（OpenAI）發(fā)布智能聊天機器人ChatGPT以來，全世界對人工智能的關(guān)注持續(xù)升溫。我國的云計算和人工智能科技公司迅速跟進(jìn)，文本、圖像等多媒體生成式人工智能進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用時代，“人工智能+”首次被寫入政府工作報告，《算力基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展行動計劃》《深入實施“東數(shù)西算”工程 加快構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)的實施意見》等支持政策文件相繼印發(fā)，全國各地爭相布局算力產(chǎn)業(yè)，智能算力需求呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。算力發(fā)展提速帶來巨大的用電需求，數(shù)據(jù)中心負(fù)荷呈井噴式增長。
一、智能算力規(guī)模加速增長，催生數(shù)據(jù)中心旺盛電力需求，碳排放壓力下綠電需求占比持續(xù)提升
數(shù)字經(jīng)濟和人工智能技術(shù)加速算力規(guī)模爆發(fā)式增長，智能算力成為發(fā)展主流。根據(jù)計算機處理能力，算力一般可劃分為基于CPU芯片的基礎(chǔ)算力、基于GPU芯片的智能算力和基于超級計算機集群的超算算力。從智能駕駛、智慧城市、元宇宙，再到以ChatGPT、Sora為代表的生成式人工智能，拉動算力需求爆發(fā)式增長，也促進(jìn)算力基礎(chǔ)設(shè)施由通用算力為主，向通用算力、智能算力、超算算力一體化演進(jìn)。人工智能不斷增加模型參數(shù)、疊加芯片的發(fā)展路線，推動智能算力需求不斷提升。以ChatGPT的人工智能大模型更新迭代為例，GPT-4的主要參數(shù)和計算量分別是GPT-3的10倍和3倍。數(shù)據(jù)中心是規(guī)?；懔Φ妮d體。據(jù)工信部統(tǒng)計，截至2023年底，我國在用數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機架超過810萬架，算力總規(guī)模達(dá)到230EFlops，是2020年的3倍，居全球第二位，算力總規(guī)模近5年年均增速近30%。其中，智能算力規(guī)模達(dá)到了70EFlops，占比超過30%、增速超過70%，呈現(xiàn)爆發(fā)性增長態(tài)勢。作為“東數(shù)西算”十大國家數(shù)據(jù)中心集群之一的張家口，目前已投運標(biāo)準(zhǔn)機柜超33萬架、服務(wù)器超150萬臺，智能算力占比38%。
算力崛起催生旺盛電力需求，數(shù)據(jù)中心高能耗特性日益凸顯。進(jìn)入“十四五”以來，快手、抖音等視頻直播生態(tài)爆發(fā)式發(fā)展，圖片、視頻存儲等通用算力需求快速增長，推動數(shù)據(jù)中心用電量年均增速超過15%。GPU服務(wù)器的能耗功率通常是CPU服務(wù)器的4～5倍，智能算力能耗較基礎(chǔ)算力能耗明顯增加。據(jù)《2022—2023全球計算力指數(shù)評估報告》分析，在數(shù)據(jù)中心電能使用效率（PUE）為1.1的情況下，人工智能大語言模型GPT-3一次訓(xùn)練的耗電量為128.7萬千瓦時，相當(dāng)于我國約430個家庭一整年的生活用電量。而大模型更新迭代伴隨著計算參數(shù)的翻倍，能耗也會大幅增加，GPT-4的能耗是上一代的40倍以上。人工智能的規(guī)?；瘧?yīng)用推動了數(shù)據(jù)中心電力需求井噴式增長，當(dāng)前全國數(shù)據(jù)中心用電量占全社會用電量比重約1.6%。張家口在“東數(shù)西算”樞紐節(jié)點建設(shè)和承接北京算力需求溢出的推動下，數(shù)據(jù)中心用電量占全社會用電量比重從2019年的6.8%增長至2023年的20.1%，數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)日趨成為電網(wǎng)重要的電力負(fù)荷和耗能用戶。
兼顧碳排放雙控要求和新型電力系統(tǒng)發(fā)展，數(shù)據(jù)中心綠電需求增長趨勢明顯。高能耗用能特性下，算力行業(yè)的快速發(fā)展帶來了碳排放量增長壓力，國家層面已經(jīng)將數(shù)據(jù)中心與鋼鐵、電解鋁、水泥等八大傳統(tǒng)高耗能、高污染行業(yè)一同納入重點推進(jìn)節(jié)能降碳的領(lǐng)域。增加綠電使用是解決算力高能耗需求下兼顧節(jié)能減排的重要手段。一方面，《深入實施“東數(shù)西算”工程 加快構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)的實施意見》明確提出到2025年底，國家樞紐節(jié)點新建數(shù)據(jù)中心綠電占比超過80%，考慮到截至2023年底我國數(shù)據(jù)中心綠電使用率約22%，“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心需要大幅提升綠色能源使用比例。另一方面，我國可再生能源裝機占全國發(fā)電總裝機已超過50%，可再生能源發(fā)電量接近全社會用電量的三分之一，隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)推進(jìn)，新能源逐漸由容量主體發(fā)展為電量主體，供需雙方作用下數(shù)據(jù)中心綠電需求增長潛力巨大，用能結(jié)構(gòu)中綠電占比將持續(xù)快速提升。
二、人工智能規(guī)?；瘧?yīng)用推動數(shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負(fù)荷周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)
人工智能逐漸步入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，推動數(shù)據(jù)中心用電需求不斷攀升?；A(chǔ)算力等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電力需求在數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展拉動下將保持穩(wěn)定增長，而隨著人工智能大模型對算力處理能力和規(guī)模要求的雙重提升，大型、超大型智能算力中心正日益成為新建數(shù)據(jù)集群的發(fā)展趨勢。一方面，人工智能大模型將從訓(xùn)練階段步入應(yīng)用推理階段，其推理算力需求會顯著高于訓(xùn)練算力；另一方面，在A100等高性能芯片禁運背景下，我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)面臨“疊加數(shù)量換性能”處境，智能算力的用電量將會進(jìn)一步提升。按照我國對于2025年中國算力總規(guī)模將超過300EFlops、智能算力占比達(dá)到35%的發(fā)展目標(biāo)，預(yù)計今明兩年算力總規(guī)模年均增長14.2%，設(shè)定基礎(chǔ)和高速發(fā)展情景，考慮未來數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）下降，預(yù)計今明兩年全國數(shù)據(jù)中心用電量年均增長約290億～469億千瓦時，到2025年將達(dá)到2053億～2412億千瓦時，用電量年均增速約18.0%～27.9%，占全社會總用電量比重將提升至2.0%～2.3%，接近金屬制品行業(yè)用電量規(guī)模。
數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)區(qū)域集聚化發(fā)展態(tài)勢，局部地區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨壓力。國家發(fā)展改革委等部門明確指出，充分發(fā)揮全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點引領(lǐng)帶動作用，進(jìn)一步推動各類新增算力向國家樞紐節(jié)點集聚。當(dāng)前，“東數(shù)西算”八大樞紐節(jié)點算力規(guī)模占比約71.5%，新建數(shù)據(jù)中心90%是大型及以上規(guī)模，數(shù)據(jù)中心規(guī)?；?、區(qū)域集聚化趨勢明顯。隨著“東數(shù)西算”工程建設(shè)，預(yù)計東部數(shù)據(jù)中心用電量比重逐步下降，中西部數(shù)據(jù)中心增速將高于東部。西部數(shù)據(jù)中心與新能源選址整體耦合，但局部方案、具體設(shè)計落地時并非完全匹配。電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程點多面廣、建設(shè)周期長，局部地區(qū)爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)中心電力需求將給電力保供和輸配電設(shè)施建設(shè)帶來較大壓力，大量數(shù)據(jù)中心項目密集并網(wǎng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)接入資源緊張。比如，美國智能算力爆發(fā)引起的電力負(fù)荷激增已對其電力運行構(gòu)成較大挑戰(zhàn)，當(dāng)前美國70%的電網(wǎng)接入和輸配電設(shè)施已老化和落后，某些地區(qū)電網(wǎng)傳輸線路甚至嚴(yán)重不足。
數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷呈現(xiàn)周期特性，與地區(qū)夏季負(fù)荷高峰時間重合，加大迎峰度夏電力保供壓力。近年來，夏季降溫負(fù)荷占比不斷提升，成為拉動電力尖峰負(fù)荷增長的重要因素，部分省份夏季降溫負(fù)荷占最高用電負(fù)荷比重達(dá)40%～50%。數(shù)據(jù)中心降溫需求旺盛，制冷系統(tǒng)的能耗占比為30%～40%，負(fù)荷呈現(xiàn)一定的晝夜、季節(jié)特性。從年負(fù)荷特性來看，高峰出現(xiàn)在夏季，低谷出現(xiàn)在冬季，以張家口數(shù)據(jù)中心集群為例，夏季最大負(fù)荷較冬季高18.9%，整體較為平穩(wěn)，僅在大量服務(wù)器新投運時會出現(xiàn)負(fù)荷突變。從日負(fù)荷特性來看，日間負(fù)荷大、晚間負(fù)荷小；夏季日峰谷差率較大，冬季日峰谷差率較小，張家口數(shù)據(jù)中心夏、冬日峰谷差分別為17%和7%。降溫負(fù)荷占比高、用電需求與夏季負(fù)荷高峰時間重合度高等用電特性將持續(xù)推高夏季極端天氣下的地區(qū)電力需求，過去五年，張家口數(shù)據(jù)中心集群最大負(fù)荷逐年攀升，年均增速達(dá)28%。
智能算力數(shù)據(jù)中心具有單地點、全時段、大功率的用電特點，對電力供應(yīng)穩(wěn)定性要求更高，與新能源發(fā)電的波動性存在結(jié)構(gòu)性矛盾。中西部地區(qū)風(fēng)光資源豐富，在“東數(shù)西算”背景下，數(shù)據(jù)中心向西部轉(zhuǎn)移，既可以消納新能源又可以實現(xiàn)自身降碳。但數(shù)據(jù)中心的高性能設(shè)備及業(yè)務(wù)需求對電源穩(wěn)定性要求極高，與風(fēng)光發(fā)電波動性大、利用小時數(shù)低的特性存在結(jié)構(gòu)性矛盾。特別是智能算力數(shù)據(jù)中心對供電穩(wěn)定性的要求，高于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。人工智能訓(xùn)練的工作負(fù)載可達(dá)100%，而且模型的單次訓(xùn)練時間隨著迭代呈指數(shù)級增長，如GPT-4的單次訓(xùn)練時長可達(dá)7個月，是GPT-3的280倍，后續(xù)模型的迭代將進(jìn)一步提升對供電穩(wěn)定性的要求。河北、甘肅、寧夏等“東數(shù)西算”國家數(shù)據(jù)中心集群所在省份新能源裝機占比已超過50%，新能源大發(fā)與用電負(fù)荷季節(jié)性錯配、時段性錯配越來越明顯，夏季“極熱無風(fēng)”、晚峰“日落無光”，導(dǎo)致新能源出力嚴(yán)重受阻，影響發(fā)電能力。雖然數(shù)據(jù)中心+源網(wǎng)荷儲一體化模式可以兼顧綠電和供電穩(wěn)定性，但對周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)的長時儲能技術(shù)經(jīng)濟性要求較高。
三、統(tǒng)籌算力電力協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)、風(fēng)光綠電消納和數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展
加強算力和電力發(fā)展規(guī)劃銜接，統(tǒng)籌兼顧綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)和本地風(fēng)光綠電消納。一方面，加強政府、企業(yè)、電網(wǎng)等多方溝通協(xié)作，科學(xué)研判算力發(fā)展規(guī)模、類型及用電需求，滾動完善數(shù)據(jù)中心集群所在地能源電力發(fā)展規(guī)劃，適度超前做好新能源場址預(yù)留和電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，結(jié)合數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷增長爬坡特性，制定滿足近遠(yuǎn)期發(fā)展的供電方案，滿足數(shù)據(jù)中心全生命周期綠色供能需求。另一方面，因地制宜開展可再生能源與算力資源融合開發(fā)，提升樞紐節(jié)點布局與新能源發(fā)展規(guī)劃匹配度，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心集群向可再生能源資源富集地區(qū)布局，依據(jù)地區(qū)資源稟賦發(fā)掘分布式能源、自然冷源等供能新模式，提升本地風(fēng)光綠電消納。大力發(fā)展低成本、高安全、大容量的長時儲能技術(shù)，滿足數(shù)據(jù)中心供電可靠性需求。2023年底，代表大容量長時儲能技術(shù)路線之一的鐵鉻液流電池儲能電站（500千瓦/4000千瓦時）在張家口懷來云數(shù)據(jù)中心成功交付，另一技術(shù)路線的重力儲能項目（100兆瓦時）緊鄰懷來數(shù)據(jù)中心集群，是能源領(lǐng)域首臺(套)重大技術(shù)裝備。
挖掘數(shù)據(jù)中心集群靈活調(diào)節(jié)潛力，助力電力供需協(xié)同和新型電力系統(tǒng)建設(shè)。數(shù)據(jù)中心區(qū)別于僅具備時間調(diào)節(jié)潛力的空調(diào)等傳統(tǒng)柔性負(fù)荷，是目前已知的唯一一種可以不依賴電網(wǎng)而實現(xiàn)電力負(fù)荷瞬時轉(zhuǎn)移的新型負(fù)荷，同時具備時間、空間調(diào)節(jié)潛力，可在價格信號的引導(dǎo)下進(jìn)行數(shù)據(jù)中心電力負(fù)荷的時空轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)“算力-電力”跨區(qū)協(xié)同，能夠為高比例新能源電力系統(tǒng)的運行優(yōu)化創(chuàng)造更大的調(diào)峰空間。推動數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心直接參與或通過虛擬電廠、負(fù)荷聚合商、數(shù)據(jù)中心運營商參與電力市場和需求側(cè)響應(yīng)，用電力市場信號引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心用戶靈活調(diào)度算力負(fù)載執(zhí)行時間、地點，增加電力系統(tǒng)靈活性，促進(jìn)新能源消納，降低數(shù)據(jù)中心用能成本和碳排放。2022年6月，在電力系統(tǒng)調(diào)峰信號的引導(dǎo)下，阿里巴巴位于江蘇省南通數(shù)據(jù)中心的部分算力負(fù)載（約100千瓦電力、150千瓦時電量）轉(zhuǎn)移至張家口張北數(shù)據(jù)中心，在全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了以促進(jìn)可再生能源消納為目標(biāo)的數(shù)據(jù)中心和電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度，也是國內(nèi)首次完成跨區(qū)域“算力-電力”優(yōu)化調(diào)度驗證實驗。
完善數(shù)據(jù)中心參與綠電市場、碳市場、綠證市場的機制，助力數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展。推動更多新能源電力進(jìn)入市場，積極引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心參與綠電、綠證交易，探索發(fā)用雙方簽訂多年期綠色電力購買協(xié)議，為數(shù)據(jù)中心等綠電需求量大的用戶提前鎖定綠電供應(yīng)。加快推動跨省區(qū)綠電、綠證交易，擴大跨省區(qū)綠色電力供給，滿足跨省區(qū)綠色電力消費需求。推進(jìn)“碳-電”市場協(xié)同，推進(jìn)綠證與全國碳排放權(quán)交易機制、溫室氣體自愿減排交易機制的銜接協(xié)調(diào)。推動數(shù)據(jù)中心納入全國性碳排放權(quán)交易市場，以市場化手段加快數(shù)據(jù)中心綠色化進(jìn)程。統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)中心電能利用效率、綠電消費等情況，制定數(shù)據(jù)中心碳排放水平評價標(biāo)準(zhǔn)和方法，科學(xué)合理控制新上項目的能耗與碳排放強度，強化碳排放評價事中事后監(jiān)管，推動數(shù)據(jù)中心綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。
