全球数据中心及网络传输能源利用现状

作者:兰洋科技    浏览量:3729    时间:2023年07月13日    标签: 碳排放 PUE 余热回收

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核心要点

1、为什么数据中心和数据传输网络很重要?

如今,全球对数字服务的需求正在快速增长。自2010年以来,全球互联网用户数量增加了一倍多,全球互联网流量也增加了20倍,随之而来的是支持数字化的数据中心和数据传输网络导致能源消耗不断增加。

2、数据中心和数据传输网络在清洁能源转型中发挥什么作用?

能源效率的快速提高有助于缓解数据中心和数据传输网络的能源需求增长,这些数据中心和数据传输网络分别约占全球用电量的1-1.5%。尽管如此,政府和行业在能源效率、可再生能源采购和研发方面的强有力努力对于抑制未来十年的能源需求和排放增长至关重要。

3、未来发展方向

自2010年以来,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,尽管对数字服务的需求迅速增长,但数据排放量仅小幅增长。然而,要实现净零情景,排放量必须到2030年减少一半。

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全球数据中心和数据传输网络能耗现状

二氧化碳排放

据统计,数据中心和数据传输网络占能源相关温室气体排放的1%。

数字技术对能源使用和排放有直接和间接的影响,数据中心连接到电网,基于化石燃料的发电比例较低,产生的相关排放较少,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。

2020年,支撑数字化的数据中心和数据传输网络排放了约330Mt(1Mt=100万吨)二氧化碳当量(包括隐含排放量),相当于能源相关温室气体排放量的0.9%(或温室气体总排放量的0.6%)。自2010年以来,尽管数字服务的需求快速增长,但由于能源效率的提高、信息和通信技术(ICT)qy购买可再生能源以及许多地区更广泛的电网脱碳,排放量仍略有增长。然而,为了实现净零情景,排放量必须在2030年之前减少一半。

能源效率

能源效率的大幅提高有助于限制全球数据中心能源需求的增长。

预计2022年全球数据中心用电量为240-340TWh,约占全球最终电力需求的1-1.3%。这还不包括用于加密货币挖矿的能源消耗,这部分预计2022年约为110TWh,占全球年度电力需求的0.4%。

自2010年以来,尽管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)仅小幅增长,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大型的数据中心,包括高效的云和超大规模数据中心

尽管效率大幅提高,但大型数据中心处理的工作负载快速增长,导致过去几年该领域的能源使用量大幅增加,每年增长20-40%。2017年至2021年间,亚马逊、微软、谷歌和Meta的综合用电量3增加了一倍多,到2021年将升至72太瓦时左右。数据中心的总体能源使用量(不包括加密货币)在未来几年可能会继续温和增长,但长期趋势高度不确定。

尽管全球数据中心电力消耗仅小幅增长,但一些数据中心市场不断扩大的小国却出现了快速增长。例如,爱尔兰数据中心用电量自2015年以来增加了两倍多,到2022年占总用电量的18%,除非发电能力增加,否则到2031年数据中心和其他非工业大型能源用户可能占该国用电需求的28%。在丹麦,到2030年,数据中心的能源消耗预计将增长六倍,占该国用电量的近15%。

2015-2022年数字和能源指标的全球变化趋势

资料来源:IEA

数据传输网络的能源效率也快速提升

2022年,全球数据传输网络消耗260-360TWh,即全球用电量的1-1.5%。移动网络约占网络总能耗的三分之二。数据传输的能源效率在过去十年中迅速提高:发达国家固网网络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%。

2022年全球互联网流量增长近30%,低于2020年Covid-19大流行导致的40-50%的激增。GSMA成员报告称,2021年其网络数据流量增长了31%,而运营商总用电量增加仅5%。

此外,数据中心的余热越来越多地用于帮助附近的商业和住宅建筑供暖或为工业用热用户供电,从而减少其他来源的能源使用。

助推数据中心需求增长的主要应用

流媒体、云游戏、区块链、人工智能机器学习和虚拟现实等新兴服务和技术有望增加对数据服务的需求

对数据网络服务的需求预计将继续强劲增长,这主要是由视频流、云游戏以及增强和虚拟现实应用等数据密集型活动推动的。然而,这些数据密集型服务在短期内对能源使用的影响可能有限,因为能源使用并不与交通量成比例地增加。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。

预计移动数据流量也将继续快速增长,到2028年将翻两番。5G在移动数据流量中的份额预计将从2022年的17%左右上升到2028年的近70%。尽管5G网络预计将比4G网络更加节能,但由于其较高的网络密度和每个站点的能源消耗,5G的整体 能源和排放影响仍不确定。2G和3G等传统网络的退役为减少移动网络能源使用提供了重要机会。需要有管理地逐步淘汰传统网络确保现有服务和设备(例如智能电表)能够维持功能。

对数据中心服务的需求也将增长,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——工作量证明区块链的最突出例子,也是按市值计算最有价值的加密货币——到2022年估计消耗110太瓦时,是2016年的20倍。以太坊,在市值方面仅次于比特币和能源使用量,2022年前三个季度消耗约18太瓦时。2022年9月,以太坊从工作量证明共识机制过渡到股权证明,预计将减少99.95%的能源消耗。随着区块链应用变得更加广泛,理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。

人工智能(AI)和机器学习(ML)是需求增长的另一个领域,对未来几年的数据中心能源使用具有潜在的重大影响。虽然训练最大的机器学习模型所需的计算能力正在快速增长,但目前尚不清楚数据中心中与机器学习相关的能源使用总量增长的速度有多快。

早期研究重点关注与训练大型ML模型相关的能源和碳排放,但Meta和Google的最新数据表明,训练阶段仅占ML相关能源使用总量的20-40%左右,其中60-70%用于训练阶段。推理(AI模型的应用或使用)以及高达10%的模型开发(实验)。Google估计,2019-2021年ML占其总能源使用量的10-15%,其增长速度与整体能源增长相当(同期每年+20-25%)。

快速增长的模型规模和计算需求的结合可能会超过能源效率的强劲提升,从而导致未来几年人工智能相关能源使用总量的净增长。尽管人工智能本身可以帮助减少数据中心的能源使用,但OpenAI的ChatGPT和GoogleBard等人工智能聊天机器人的快速主流采用可能会加速人工智能能源需求的增长。

数据中心需求的性质预计将在未来十年内发生变化,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。智能手机等用户设备(越来越多地配备机器学习加速器)将增加机器学习的使用,但对整体能源需求的影响不确定。

可再生能源利用情况

ICT企业是可再生能源的主要购买者,企业可再生能源购电协议正在蓬勃发展。

欧盟委员会于2022年通过企业可持续发展报告指令(CSRD),并于2024年起生效。它将要求包括科技公司在内的大型组织报告可持续发展指标以及能源和碳排放量。在美国,俄勒冈州正在执行类似的报告任务,而在联邦一级,签署了“确保数字资产负责任的发展”行政命令,以探索未来加密资产报告要求的潜力。

重新制定的能源效率指令(EED)将从2024年5月起对位于欧盟的数据中心引入能源和可持续发展报告要求。这将要求装机容量超过500kW的数据中心报告总能源消耗–包括衍生的份额来自可再生能源——用水和废热利用。欧盟委员会将评估这些数据,以确定是否需要采取进一步的措施,例如数据中心的最低性能标准。

在中国,作为“东数算”项目的一部分,政府要求东部地区的平均电力使用效率(PUE)达到1.25,西部地区达到1.2。各大城市对新建数据中心都有最低PUE要求,包括北京(1.4)、上海(1.3)和深圳(1.4以上无补贴)。

其他地区宣布对2022年新的超大规模数据中心开发实施临时限制,其中包括荷兰。新加坡最近取消了2019年新建数据中心的暂停令。

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数据中心未来发展建议

提高数据收集和透明度

改善信息通信技术公司及其能源使用的数据收集和共享有助于为能源分析和政策制定提供信息,特别是在数据有限或无法获得的领域(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影响的理解和预测。

政府还可以在行业和研究人员努力的基础上发挥重要作用,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

政府可以帮助实施提高数据传输网络能源效率的举措,同时确保可靠性和弹性。潜在的政策工具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。

数据中心可以提高能源效率,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,以鼓励进一步提高能源效率,而法规和价格信号则有助于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)可以使数据中心运营商更容易参与需求响应计划。

信息通信技术行业一直是企业可再生能源采购的领导者,特别是在北美和欧洲。但亚太地区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应有限、监管复杂且成本高昂。监管框架应鼓励多样化、负担得起的额外可再生能源购买选择。

支持数据中心余热利用

数据中心的余热可以帮助为附近的商业和住宅建筑供暖或供应工业热用户,从而减少其他来源的能源使用。余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、承购商需求以及对能源效率的影响。鉴于新基础设施的成本高昂,需要靠近废热用户或现有基础设施,以确保废热得到实际利用。

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提供足够的激励和保障。

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情况和其他可持续性指标(例如排放量、用水量)。云数据中心运营商应为其客户提供强大且透明的工具来测量、报告和减少云服务的温室气体排放。

致力于效率和气候目标并采取措施实现这些目标

ICT公司应制定雄心勃勃的效率和二氧化碳排放目标,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来说,这包括遵循能源效率最佳实践,将新数据中心选址气候适宜且水资源压力较小的地区,以及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,包括硬件制造商、软件开发商和客户,都必须尽自己的一份力量来提高整个系统的效率。

增加清洁电力和其他清洁能源技术的购买和使用

几家主要数据中心和电信网络运营商已设定或实现了每年配套使用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,特别是通过考虑地点和时间。机器学习和其他数字技术可以通过主动将计算任务转移到低碳资源丰富的时代和地区来帮助实现这些目标。

投资可再生能源的数据中心运营商应与电力公司、监管机构和项目开发商合作,确定能够最大限度提高当地电网效益并减少温室气体排放总量的项目。这还可能包括使用电池存储和低排放氢等新兴清洁能源技术以提高灵活性并促进全系统脱碳。

投资研发以实现高效的下一代计算和通信技术

在媒体流和人工智能、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减速(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。

减少生命周期环境影响

除了运营能源使用和排放之外,数据中心和数据传输网络还负责“隐含”生命周期排放,包括原材料提取、制造、运输和报废处理或回收。企业应加大力度减少整个供应链(包括设备和建筑)的隐含排放。

除了能源使用和温室气体排放之外,数据中心和数据传输网络还造成其他环境影响,例如用水和电子废物的产生。企业应采用技术和方法来最大限度地减少用水,特别是在干旱多发地区。

本文标题:全球数据中心及网络传输能源利用现状

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