2024年智能算力快速發(fā)展對電力供需的影響分析報告-國網(wǎng)冀北經研院 （岳昊）

國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院STATEGRIDJIBEIELECTRICPOWERCOMPANYLIMITEDECONOM2024年8月自2022年11月美國人工智能實驗室公司(OpenAl)發(fā)布智能聊天機器人ChatGPT以來，全世界對人工智能的關注持續(xù)升溫。我國"人工智能+"首次被寫入政府工作報告，支持美國人工智能企業(yè)家不斷表達對"缺電"的焦慮，引發(fā)國內的關注升溫。2024年1月，OpenAl的創(chuàng)始人奧特曼在瑞士達沃斯舉行的世片了”。2024年3月，英偉達創(chuàng)始人黃仁勛在斯坦福大學演講中表示的無底洞”。ITATE1DmxCrIcPowcouANYuTEoEcoN智能算力發(fā)展及其電力需求現(xiàn)狀智能算力用電特性及其未來面臨的挑戰(zhàn)4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，碳壓力下綠電需求占比持續(xù)提升ITATEcIDcraicpowrcowAYuMTLoDECONowC算力一般可劃分為基于CPU芯片的基礎算力、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，也促進算力基礎設施向通用算力、智能算力、超算算力一體化演進。人工智能不斷增加模型參數(shù)、疊加芯片的技術路線，推動智能算力需求不斷提升。以ChatGPT的更新迭代為例，GPT-4的主要參數(shù)和計算量是GPT-3的10倍和3倍。智能算力超算算力基礎算力為主GPT大模型各版本訓練數(shù)量推出時間2018年GPT-11.17億5GB2019年15億2020年1750億2023年1.8萬億資料來源：工行投行研究中心61、數(shù)字經濟和人工智能技術加速算力規(guī)模爆發(fā)式增長，智能算力成為發(fā)展主流0■算力總規(guī)?！鰯?shù)據(jù)中心標準機架萬架02023年我國算力結構超算算力2019-2023年全國數(shù)據(jù)中心機架和算力總規(guī)模2019-2023年全國數(shù)據(jù)中心機架和算力總規(guī)模一、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)提升國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院ITATEG*10mCrNicpowrcowraWYuMITto22、數(shù)據(jù)中心布局呈“由東向西”轉移特點，京津冀算力規(guī)模全國居前列京津冀算力樞紐承載力在全國比較領先，算力規(guī)模處于國內第一梯隊，算力市場規(guī)模占全國份額的30%以上。能算力占比38%。國家發(fā)改委高技術司認定的12家數(shù)據(jù)中心骨干企業(yè)中，9家企業(yè)已在張家口市落地數(shù)據(jù)中心項目，其中，秦淮(主要承接字節(jié)跳動、微軟等業(yè)務)、合盈(主要承接字節(jié)跳動、美團等業(yè)務)、阿里(自用為主)慶陽集群和林格爾集群中衛(wèi)集群京津冀算力樞紐節(jié)點算力布局樞紅京計重張家口集群蕪潮集群慶陽集群和林格爾集群中衛(wèi)集群京津冀算力樞紐節(jié)點算力布局樞紅京計重張家口集群蕪潮集群一方肉需安集群部關象群板虹天府集群重慶集群概紅低紅河北省8一、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)提升國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院STATEc*10uCracpowrcowraYuM33、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“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15%。GPU服務器的能耗功率通常是CPU服務器的4~5倍，智能算力較基礎算力能耗明顯增加?！?022—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-3一次訓練的耗電量為128.7萬干瓦時，相當于我國約430個家庭一整年的生活用電量。覆屬酒基覆屬酒基直播生態(tài)爆發(fā)式發(fā)展生成式人工智能模型訓練和推生成式人工智能模型訓練和推理消耗概念趨勢圖生成式人工智曉噪型開發(fā)生成式入工智躲模型調憂生成式人工智能模型推理生成式人工智能軟件生成內容類型GPT-3一次訓練的耗電量128.7萬千瓦時整年生活用電量9一、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ITATEc10nrcraicpowcowaYuwTto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猛苿恿藬?shù)據(jù)中心電力需求井噴式增長，當前全國數(shù)據(jù)中心用電量占全社會用電量比重約1.6%。張家年的6.8%增長至2023年的20.1%,數(shù)據(jù)產業(yè)日趨成為電網(wǎng)重要的電力負荷和耗能用戶。201920202021張家口數(shù)據(jù)中心用電量占全社會用電量比重全國數(shù)據(jù)中心用電量占全社會用電量比重一、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)提升國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院sTATEG10LEcrICPowKRcoM44、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《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》-L…算力應用領城算力設施電力消耗算力中心《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》-L…算力應用領城算力設施電力消耗算力中心研究實驗類軸智能計算超算中心數(shù)據(jù)中心國2023年算力總規(guī)模我國2023年數(shù)照中心耗基因組學智吸設備和作感器實時正維識別程更檢洲疫術計算機稅健圖像處理經術高性版計算集群分布式計算系統(tǒng)工業(yè)，城教高領域醫(yī)學銹城人然圖像分析解釋醫(yī)學影懂智能學習發(fā)改環(huán)資[2024]970號發(fā)改環(huán)資[2024]970號一、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，碳排放一方面，《深入實施“東數(shù)西算”工程加快構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”目標下數(shù)據(jù)中心需要大幅提升綠色能源使用比例。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)建設推進，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，用能結構中綠電占比將持續(xù)快速提升。現(xiàn)有可再生能源裝機占比超現(xiàn)有可再生能源裝機占比超0二、Al規(guī)模化應用推動數(shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負荷周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)iTATEc10axcricPowrcowaYuMTto11、人工智能逐漸步入規(guī)?；瘧秒A段，推動數(shù)據(jù)中心用電需求不斷攀升基礎算力等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電力需求在數(shù)字經濟發(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練階段步入應用推理階段，其推理算力需求會顯著高于訓練算力。等高性能芯片禁運背景下，我國數(shù)據(jù)中心建設面臨“疊加數(shù)量換性能”處境，智能算力的用電量將會進一步提升。機架占比(%)個數(shù)占比(%)個數(shù)占比(%)20232023Group,中國通服數(shù)字基建產業(yè)研究院資料來源：《2023-2024中國人工智能計算力發(fā)展評估報告》資料來源：Group,中國通服數(shù)字基建產業(yè)研究院資料來源：《2023-2024中國人工智能計算力發(fā)展評估報告》二、Al規(guī)?；瘧猛苿訑?shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負荷周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)iTArE*10crNicPo*xNcewe11、人工智能逐漸步入規(guī)?；瘧秒A段，推動數(shù)據(jù)中心用電需求不斷攀升計今明兩年全國數(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。主要目標到2025年實現(xiàn)情情t2資料來源：《中國智能計算產業(yè)聯(lián)盟》、招商證券國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院ITATEG10ucmicpowrcowraYuMTLo二、Al規(guī)?；瘧猛苿訑?shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負荷國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院ITATEG10ucmicpowrcowraYuMTLo22、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)電力基礎設施建設面臨壓力長三角成渝京津露“十四五”末部分樞紐節(jié)點數(shù)據(jù)中心投資規(guī)模十四五水蘿三方專業(yè)服務貿投餐照?！痘?*十四三水其他服務前控資艦模(《化光》資料來源：八大樞紐節(jié)點申報方案、中國通服數(shù)字基建產業(yè)研究院ITATEc*10ncraicpowrcow周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)ITATEc*10ncraicpowrcow西部數(shù)據(jù)中心與新能源選址整體耦合，但局部方案、具體設計落地時并非完全匹配。電力基礎設施建設工程點多面廣、建設周期長，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施建設帶來較大壓力，大量數(shù)據(jù)中心項目密集并網(wǎng)可能導致電網(wǎng)接入資源緊張。比如，美國智能算力爆發(fā)引起的電力負荷激增已對其電力運行構成較大挑戰(zhàn)，當前美國70%的電網(wǎng)接入和輸配電設施已老化和落后，某些地區(qū)電網(wǎng)傳輸線路甚至嚴重不足。二、Al規(guī)?；瘧猛苿訑?shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負荷周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)3、數(shù)據(jù)中心用電負荷呈現(xiàn)周期特性，與地區(qū)夏季負荷高峰時間重合，或加大迎峰度夏電力保供壓力用電負荷比重達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%,負荷呈現(xiàn)一定的晝新風直接冷卻新風直接冷卻全新風冷自然風冷直接水側冷卻海水冷卻水下冷卻湖水冷卻冷板式液冷全液冷板系統(tǒng)液冷CDU浸沒式液冷單相浸沒液冷液冷微型機柜液冷計算機張家口數(shù)據(jù)中心集群年負荷曲線標么值ITATEc10mscrcpoWEcowAXYuMTtoITATEc10mscrcpoWEcowAXYuMTto3、數(shù)據(jù)中心用電負荷呈現(xiàn)周期特性，與地區(qū)夏季從日負荷特性來看，日間負荷大、晚間負荷?。幌募救辗骞炔盥瘦^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%。降溫負荷占比高、用電需求與夏季負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)中心集群最大負荷逐年攀升，年均增速達28%。萬干瓦2022年2023年冀北電網(wǎng)最大負荷曲線張家口數(shù)據(jù)中心集群日負荷曲線冀北電網(wǎng)最大負荷曲線張家口數(shù)據(jù)中心集群日負荷曲線iTATEcInmcricpowrcowrAWYu二、Al規(guī)?；瘧猛苿訑?shù)據(jù)中心用電持續(xù)增長，區(qū)域集聚性、負荷周期性、用電高可靠性對電力保供提出挑戰(zhàn)iTATEcInmcricpowrcowrAWYu4、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4、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，對電力供應穩(wěn)定性要求更高，與新能源發(fā)電的波動性存在結構性矛盾傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心實際功率波動性較大資料來源：《東數(shù)西算“背景下大型數(shù)據(jù)中心建設對電網(wǎng)規(guī)劃的影響研突》盧子敬等2022年AI數(shù)據(jù)中心的用能可能會持續(xù)在峰值負荷不變峰值負荷不變數(shù)據(jù)中心不阿工作負載通常會曬機達到值，區(qū)統(tǒng)計，所有這整峰值網(wǎng)時出觀的概率極低因此，如果將所有單個工作負載的峰借相加，以總平均功耗，糞型的大型數(shù)據(jù)中統(tǒng)的因。但正如人工智院屬性與段的”部分所述.人工智前訓負救缺乏變化。這帶工作負載可以在峰值功率下運行數(shù)小時，數(shù)天基至數(shù)園，其結果星加了上游大型斷路麗脫扣的可能性，這就像家中許多大負粒時運行時，主面板上的斷器院扣一樣，圖3量示了西數(shù)據(jù)中心的負載轉為100%人工智蝴負臨時，峰均比(也稱為差舞系數(shù))的型餡溫資料來源：施耐德，華泰研究ChatGPT模型訓練參數(shù)增長量資料來源：LanguageModelsareFew.ShotLeamers、招商證券44、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，對電力供應穩(wěn)定性要求更河北、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)與用電負荷季節(jié)性錯配、時段性錯配越來越明顯，夏季“極熱無風”、晚峰“日落無光”,導致新能源出力嚴重受阻，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，但對周調節(jié)、季調節(jié)的長時儲能技術經濟性要求較高。0功率(兆瓦)2022年6月25日冀北電網(wǎng)新能源出力一負荷一風電萬千瓦負荷低谷風大、晚高峰無光萬干瓦一負荷一光伏H國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院ITATEc10mcricpoWEcowraYuMITEo三、統(tǒng)籌算力電力協(xié)同發(fā)展，促進新型電力系統(tǒng)建設、風光綠電消納和數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院ITATEc10mcricpoWEcowraYuMITEo張家口國家級可再生能源示范區(qū)十京津冀樞紐節(jié)點張家口數(shù)據(jù)中心集群電陽內蒙古在話數(shù)據(jù)中心活西電而送大容量新能源西電而送外送格局在達中O在盜數(shù)或中O在盜數(shù)或中O在諸器驅中O路東部負荷中心廊坊45個廊坊45個在道數(shù)麗中心曬西電東道縱”500千伏西電東道堅強受端網(wǎng)架冀北電網(wǎng)主網(wǎng)架示意圖冀北地區(qū)數(shù)據(jù)中心分布三、統(tǒng)籌算力電力協(xié)同發(fā)展，促進新型電力系統(tǒng)建設、風光綠電消一方面，加強政府、企業(yè)、電網(wǎng)等多方溝通協(xié)作，科學研判算力發(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留和電網(wǎng)規(guī)劃建設?！笆奈濉敝两窦奖彪娋W(wǎng)以平均每年落地一座220千伏變電站的速度，滿足張家口數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心集群的用電需求。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，提升本地風光綠電消納。時間具體內容《關于加領綠色數(shù)據(jù)中鼓勵數(shù)據(jù)中心直接與可再生能源發(fā)電金業(yè)開展時間具體內容《關于加領綠色數(shù)據(jù)中鼓勵數(shù)據(jù)中心直接與可再生能源發(fā)電金業(yè)開展源綠色電力證書，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)用能的清潔低碳體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導意見》引導清潔能源開發(fā)使用，加快推廣應用先進節(jié)能技術：推動綠色數(shù)據(jù)中心建設，加快數(shù)據(jù)中心節(jié)能和綠色化改造。北京市《關于進一步加強數(shù)據(jù)中心項日節(jié)能審鼓勵數(shù)據(jù)中心逐步提高可再生能源利用水平。下，鼓勵2021年及以后建成的數(shù)據(jù)中心，通過自建可再生能源設施、綠色電力交易、認購可再生能源綠色電力證書等方式，逐年提高可再生能源利用比例，在2030年達到100%.ChatGPT年耗電量(億度/年)火電二氧化碳排放量(kg/度)火電占比風電二氧化碳排放量(kg/度)水電二氧化碳排放量(kg/度)清潔能源二氧化碳平均排放量(kg/度)清潔能源占比清潔能源二氧化碳梅放量(噸/年)二氧化碳排放總量(噸/年)比原有方式減少資料來源：工信部、發(fā)改委資料來源：OpenAI、世界核協(xié)會三、統(tǒng)籌算力電力協(xié)同發(fā)展，促進新型電力系統(tǒng)建設、風光綠電消納和數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展國網(wǎng)冀北電力有限公司經濟技術研究院1、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)中心建設和本地風光綠電消納長時儲能技術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，是能源領域首臺(套)重大技術裝鐵鉻液流電池儲能電站重力儲能項目三、統(tǒng)籌算力電力協(xié)同發(fā)展，促進新型電力系統(tǒng)建設、風光綠電消納和數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展ITATEG*10mnrcricpowcowraYuMITtoEcoNoMC22、挖掘數(shù)據(jù)中心集群靈活調節(jié)潛力，助力電力供需協(xié)同和新型電力系統(tǒng)建設·服務器通過操作系統(tǒng)電源管理、外部PowerCap和軟關機·功耗狀態(tài)之間的切換時間影響應用場景等任務可降低2%-26%功率可降低2%-26%功率33動態(tài)調節(jié)計算任務立/耦合型計