数据中心与数据传输网络能源报告 | 千家分享

如今，全球对数字服务的需求正在迅速增长。自 2010 年以来，全球互联网用户数量增长了一倍多，互联网流量增长了 20 倍。然而，能源效率的快速提高帮助缓和了数据中心和数据传输网络的能源需求增长，它们各自占全球用电量的 1-1.5%。因此，政府和行业需要在能源效率、研发与示范以及电力供应和供应链脱碳方面做出重大额外努力，以在未来十年内遏制能源需求并迅速减少排放，才能在2050 年实现净零愿景。

数据中心和数据传输网络占能源相关温室气体排放量的近 1%

数字技术对能源使用和排放有直接和间接的影响，并具有帮助（或阻碍）全球清洁能源转型的巨大潜力，包括通过能源部门的数字化。

据统计，2020 年数据中心和数据传输网络，即支撑数字化的这些技术产生了约 300 Mt 的二氧化碳排放（包括隐含排放），相当于能源相关温室气体排放量的 0.9%（或温室气体排放总量的 0.6%）。自 2010 年以来，尽管对数字服务的需求迅速增长，但由于能源效率的提高、信息和通信技术 (ICT) 企业购买可再生能源以及许多地区更广泛的电网脱碳，排放量仅略有增长。然而，要实现净零排放目标，到 2030 年排放量必须减半。

效率的大幅提升有助于限制全球数据中心能源需求的增长

2021 年全球数据中心用电量为 220-320 TWh2，约占全球最终电力需求的 0.9-1.3%。这不包括用于加密货币挖矿的能源，2021 年为 100-140 TWh。。

自 2010 年以来，尽管对数据中心服务的需求强劲增长，但数据中心能源使用（不包括加密货币）仅温和增长，部分原因是 IT 硬件和冷却效率的提高以及从小型、低效的企业数据中心转向更多高效的云和超大规模数据中心。

然而，大型数据中心处理的工作负载的快速增长导致过去几年该领域的能源使用量增加（每年增加 10-30%）。未来几年，总体数据中心能源使用似乎可能会继续适度增长，但长期趋势非常不确定。

尽管全球数据中心用电量仅温和增长，但一些数据中心市场不断扩大的较小国家正在快速增长。例如，爱尔兰的数据中心用电量自 2015 年以来增长了两倍多，占 2021 年总用电量的 14%。在丹麦，数据中心的能源使用量预计到 2025 年将增长两倍，约占该国用电量的 7%使用。

数据传输网络的能效也得到快速提升

2021年全球数据传输网络消耗 260-340 TWh，或全球用电量的 1.1-1.4%。数据传输的能源效率在过去十年中得到了快速提升：发达国家固网能源强度每两年减半，移动接入网络能源效率近年来每年提高10-30%。

2021 年全球互联网流量增长了 23%，低于2020年大流行导致的40-50%的激增。GSMA成员报告称，2021年他们的网络数据流量增长了 31%，而运营商的总用电量增长了 5%。Lundén 等人 (2022)分析的欧洲主要电信网络运营商的数据反映了这些全球效率趋势。报告企业的用电量(约占欧洲用户的36%和全球用户的8%)在2015年至2018年期间仅增长了1%，而数据流量增长了两倍。

流媒体、云游戏、区块链、机器学习和虚拟现实等新兴服务和技术有望推动对数据服务的需求

数据网络服务的需求预计将继续强劲增长，主要受视频流、云游戏以及增强和虚拟现实应用等数据密集型活动的推动。然而，这些数据密集型服务在短期内可能只会对能源使用产生有限的影响，因为能源使用不会随着流量的增加而等比例增加。

此外，与其他日常活动相比，视频流的平均能耗相当低，其中电视等终端用户设备消耗了大部分能源.但是，如果流媒体和其他数据密集型服务增加了互联网流量峰值，那么从长远来看，为适应更高的预期峰值容量而建设额外的基础设施可能会提高整体网络能源消耗。

移动数据流量预计也将继续快速增长，到 2027 年将翻两番。5G 在移动数据流量中的份额预计将从 2021 年的 10% 上升到 2027 年的 60%。尽管 5G 网络预计比4G 网络更节能，但 5G 的整体能源和排放影响仍不确定。

对数据中心服务的需求也有望上升，部分原因是区块链和机器学习等新兴数字技术的推动。例如，比特币在 2021 年估计消耗了 105 TWh。随着区块链应用变得越来越广泛，了解和管理其能源使用影响对于能源分析师和政策制定者来说可能变得越来越重要。

机器学习 (ML) 是需求增长的另一个领域，可能对未来几年的数据中心能源使用产生重大影响。虽然训练最大的 ML 模型所需的计算能力正在快速增长，但尚不清楚数据中心中与 ML 相关的总体能源使用增长速度有多快。在 Facebook，近年来ML 训练（每年增长150%）和推理（每年增长105%）的计算需求已经超过了数据中心整体能源消耗（每年增长 40% ）。谷歌报告称，尽管 ML 占总计算需求的 70-80%，但仅占其总能源使用量的 10-15% 。

未来十年，数据中心需求的性质可能会发生变化。5G、物联网和元宇宙可能会增加对低延迟计算的需求，从而增加对边缘数据中心的需求。越来越多地配备机器学习加速器的智能手机等用户设备将增加机器学习的使用，但对整体能源需求的影响不确定。

ICT 企业是可再生能源的主要购买者，占所有企业可再生 PPA 的一半

ICT 企业在可再生能源项目上投入大量资金，以保护自己免受电价波动的影响，减少对环境的影响并提高品牌声誉。超大规模数据中心运营商在企业可再生能源采购方面尤其领先，主要是通过购电协议 (PPA)。事实上，亚马逊、微软、Meta 和谷歌是企业可再生能源 PPA 的四大购买者，迄今为止已签约超过 38 吉瓦（包括 2021 年的 15 吉瓦）。

苹果（2.8 太瓦时）、谷歌（18.3 太瓦时）和 Meta（9.4 太瓦时）购买或产生的可再生电力足以满足 2021 年 100% 的运营用电量（主要是数据中心）。亚马逊在 2021 年的运营中消耗了30.9 TWh（85% 是可再生能源），目标是到 2025 年实现 100% 可再生能源。

然而，将 100% 的年度需求与可再生能源购买并不意味着数据中心实际上完全由可再生能源供电。风能和太阳能的可变性可能与数据中心的需求概况不匹配，并且可再生能源可能从需求所在的不同电网或地区的项目中购买。特别是可再生能源证书不太可能导致额外的可再生能源生产，从而导致对现实世界减排量的夸大估计。

谷歌和微软宣布了 2030 年目标，即在需求所在的每个电网内全天候 24/7 采购和匹配零碳电力。越来越多的组织正在努力实现 24/7 无碳能源。

尽管少数网络运营商也实现了100%可再生能源（包括BT、TIM和T-Mobile），但数据传输网络运营商在可再生能源采购和使用方面普遍落后于数据中心运营商。与通常大型、集中且位置更灵活的数据中心相比，电信网络运营商的站点较多（站点选择的灵活性有限）。因此，获取可再生能源被认为是许多市场面临的挑战，尤其是在能源市场欠发达的新兴和发展中经济体中。

几乎没有实施政策来解决数据中心和网络的能源和排放足迹

虽然更广泛的电力脱碳政策在减少数据中心和网络的运营排放方面发挥着关键作用，但只有少数现有政策和法规主要侧重于减少其能源消耗或排放足迹。在数据中心，这些包括：

最近的一些政策发展旨在改善数据收集和透明度：

欧盟委员会在其Fit for 55 立法包中提议的能源效率指令包括对数据中心运营商的可持续性报告要求。它还要求数据中心容量超过 100 千瓦（阈值待定），以对废热利用进行成本效益评估。2021年，挪威政府提出了对容量在2兆瓦以上的数据中心的要求，以探索与区域供热供应商的联系。

在中国，作为东数西算项目的一部分，政府要求东部的平均电力使用效率 (PUE) 为 1.25，西部为 1.2。中国主要城市对新建数据中心有最低 PUE 要求，包括北京（1.4）、上海（1.3）和深圳（1.4 以上无补贴）。

其他地区宣布在 2022 年对新的超大规模数据中心开发实施临时限制，包括荷兰。新加坡最近解除了 2019 年暂停建设新数据中心的禁令。

多项举措正在努力衡量、跟踪和减少数字基础设施对环境的影响

给政策制定者的建议

改进数据收集和透明度

改进有关 ICT 及其能源使用特征的数据收集和共享有助于为能源分析和决策提供信息，特别是在数据有限或不可用的部分（例如小型数据中心）。国家研究计划可以开发更好的建模工具，以提高对数据中心和网络的能源和可持续性影响的理解和预测。

在行业和研究人员努力的基础上，政府也可以发挥重要作用，帮助制定适当的指标来跟踪能源效率和可持续性方面的进展。

制定鼓励能源效率、需求响应和清洁能源采购的政策

府可以在实施政策和计划方面发挥重要作用，以提高数据传输网络的能源效率，同时确保可靠性和弹性。潜在的政策包括网络设备能效标准、改进高效网络运营的指标和激励措施，以及支持国际技术协议。

数据中心还可以变得更加节能，同时为电网提供灵活性。政府可以提供指导、激励措施和标准来鼓励进一步提高能源效率，而法规和价格信号可以帮助激励需求方的灵活性。例如，允许辅助服务要求具有一定的灵活性（例如更长的通知期、更长的响应时间）可能使数据中心运营商更容易参与需求响应计划。

ICT 行业一直是企业可再生能源采购的领导者，尤其是在北美和欧洲。但亚太地区在可再生能源使用方面一直相对落后，部分原因是可再生能源的可用性有限、监管复杂且成本高。监管框架应激励多样化、负担得起的和额外的可再生能源购买选择。

支持数据中心余热利用

来自数据中心的废热可以帮助加热附近的商业和住宅建筑或供应工业热用户，从而减少其他来源的能源使用。废热安排应逐个地点进行评估，并包括一系列标准，包括经济可行性、技术可行性、承购商需求和对能源效率的影响。鉴于新基础设施的高成本，需要靠近余热用户或现有基础设施以确保余热得到实际利用。

为了克服余热利用的潜在障碍，例如实现足够高的温度以及合同和法律挑战，政策制定者、数据中心运营商和区域供热供应商需要共同努力，制定适当的激励措施和保障措施。

对企业的建议

收集和报告能源使用和其他可持续性数据

ICT 企业可以通过共享可靠、全面和及时的数据，帮助能源研究人员和政策制定者更好地了解不断变化的 ICT 服务需求如何转化为整体能源需求。例如，数据中心和电信网络运营商应跟踪并公开报告能源使用和其他可持续性指标（例如排放、用水）。云数据中心运营商应为其客户提供强大而透明的工具，以衡量、报告和减少云服务的温室气体排放。

从成员那里收集自我报告的能源和可持续性信息的行业团体应该与研究人员共享基础数据和方法，以提高其可持续性声明的可信度。

致力于实现效率和气候目标并采取措施实现这些目标

ICT 企业应设定雄心勃勃的效率和 CO₂排放目标，并实施具体措施来跟踪进展并实现这些目标。这包括与 ICT 行业基于科学的目标保持一致，即在 2020 年至 2030 年间将温室气体排放量减少45%。

对于数据中心运营商而言，这包括遵循能效最佳实践，将新数据中心安置在气候适宜且缺水压力低的地区，并采用最节能的服务器和存储、网络和冷却设备。ICT 价值链上的所有公司都必须尽自己的一份力量来提高整个系统的效率，包括硬件制造商、软件开发商和客户。

增加清洁电力等清洁能源技术的购买和使用

几家主要的数据中心和电信网络运营商已经设定或实现了在年度匹配的基础上使用 100% 清洁电力的目标。更雄心勃勃的无碳运营方法可以带来更大的环境效益，特别是考虑到地点和时间。ML 和其他数字技术可以通过将计算任务主动转移到低碳资源丰富的时间和地区来帮助实现这些目标。

与电力公司、监管机构和项目开发商合作，投资可再生能源的数据中心运营商应确定能够最大限度地为当地电网带来收益并减少总体温室气体排放的项目。这还可能包括使用新兴的清洁能源技术，例如电池存储和绿色氢，以提高灵活性并促进全系统脱碳。

投资研发高效的下一代计算和通信技术

在流媒体和人工智能、虚拟现实、5G 和区块链等新兴技术的推动下，对数据中心服务的需求将继续强劲增长。随着当前技术的效率提升在未来几年放缓甚至停滞，将需要更高效的新技术来跟上不断增长的数据需求。

减少生命周期对环境的影响

除了它们的运营能源使用和排放外，数据中心和数据传输网络还负责“具体”生命周期排放，包括来自原材料提取、制造、运输和报废处理或回收的排放。企业应加大力度减少其整个供应链（包括设备和建筑物）的隐含排放。

除了能源使用和温室气体排放，数据中心和数据传输网络还会带来其他环境影响，例如用水和电子垃圾的产生。企业应采用技术和方法来尽量减少用水，特别是在干旱多发地区。

资料来源：iea

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