2025面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性白皮书-西门子

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面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 1 面向未来的中国数据中心： 绿色低碳与高可靠性 siemens-energy.cn 西门子能源商标由西门子股份公司授权使用。 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 2 01 概述 02 算力拉动全球电力需求 03 中国数据中心规模与现状 04 中国电力供给结构与低碳转型 05 中国数据中心的发展趋势 06 面临的挑战 07 数据中心低碳解决方案 08 结语 概述 在人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术加速融合的 背景下，数据中心作为算力基础设施的核心载体，已成为推 动全球数字经济发展的战略基石。 中国作为全球最具活力的数字经济市场之一，数据中心产业 正迎来规模扩张与结构升级的双重机遇，同时也面临着绿色 低碳转型、区域协同发展等关键挑战。 为应对上述挑战，数据中心必须重塑电力供应与基础设施策 略，采用包括用户侧发电、微电网和先进储能在内的多元化 方案，加速部署，增强韧性。 西门子能源致力于成为数据中心全生命周期合作伙伴——从 概念规划到运营维护，我们提供一站式电网解决方案、高可 靠性燃气轮机、数字化优化系统及深度咨询服务，助力数据 中心运营商实现快速投入运营、保障运维，并具备未来扩展 能力。 能源转型的成功有赖于平衡可靠性、安全性、经济性与可持 续性。西门子能源通过为数据中心运营商制定稳健的能源系 统战略规划，提供全球高效的能源技术方案，助力数据中心 运营商在当前和未来能源体系中实现这四个关键要素的协同 优化。 目录 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 3 算力拉动全球电力需求 根据国际能源署测算，2024 年全球数据中心电力消费约为 415 TWh，占全球电力总需求的 1.5%。在基准情景下，预计 到 2030 年这一数字将翻番至 945 TWh，年均增速约 15%， 是其他高能耗行业需求增速的四倍以上。 随着人工智能的快速发展，预计 2025 至 2030 年间，全球 数据中心服务器的用电增长将呈现显著的结构性特征：其中， 50% 的用电增长将来自高性能服务器，年均增速达 30%。而 传统服务器仅贡献约 20% 的用电增长。此外，约 10% 来自 其他 IT 设备，约 20% 来自如冷却系统等基础设施。 从区域视角来看，中国和美国将成为数据中心用电增长最显 著的两个国家，预计到 2030 年合计贡献全球近 80% 的增长 量。未来几年，美国、中国和欧洲仍将是全球数据中心用电 量最大的地区。与此同时，以东南亚为代表的其他地区也在 快速发展，其中新加坡和马来西亚南部作为区域枢纽，当地 数据中心的用电量预计到 2030 年将增长一倍以上，在全球 格局中占据重要位置。 在满足持续增长的电力需求方面，可再生能源和天然气将共 同发挥主力作用。全球新增数据中心电力负荷中，约一半将 由风电、光伏等可再生能源满足，这得益于其建设周期短、 成本竞争力强以及科技公司采购绿色电力的积极性。预计到 2035 年，全球将新增超过 450 TWh 的可再生能源电力用于 支撑数据中心运行。 与此同时，天然气将作为重要的可调度能源，有效补充可再 生能源的间歇性，预计到 2035 年新增发电量约 175 TWh， 主要集中在北美地区。此外，小型模块化核反应堆（SMR） 等新型清洁能源技术也开始受到关注，首批商业化项目有望 在 2030 年前后投入运行。 数据中心行业在人工智能发展的推动下呈现快速增长态势， 但在一些发达经济体地区，电力基础设施却成为关键瓶颈。 国际能源署警告称，若未能及时应对潜在挑战，约 20% 的数 据中心规划项目或将遭遇建设延期。 当前，无论是发电侧还是用电侧，电网接入的周期普遍较长， 审批流程日趋复杂；在一些先进经济体地区，新建长距离输 电线路通常需要 4 至 8 年时间；同时，变压器、电缆、发电 机组等关键电力设备的交付周期也显著延长。在此背景下， 电力行业亟需加速扩容和提效，在电力系统低碳转型、制造 业协同发展和能源可负担性等多重目标之间寻求平衡。 在全球范围内，人工智能正在重塑经济与产业格局，成为推动全球数据中心扩张的核心动力。 而数据中心电力需求增速正迅速赶超传统工业，成为能源系统转型的不可忽视的关键变量。 全球数据中心用电量及展望（IEA） 单位：TWh 数据来源：国际能源署（IEA） 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 4 中国数据中心规模与现状 截至 2024 年底，全国在用算力中心机架总数已突破 880 万 标准机架 1，算力总规模达到 280 EFLOPS（每秒百亿亿次浮 点运算），其中智能算力占比显著提升至 32%。 以大模型训练与推理为代表的人工智能技术革命，正在推动 数据中心形态和基础设施需求发生结构性变革。与传统互联 网服务相比，人工智能算力任务在计算密度、持续运行时间 和电力消耗等方面均呈现数量级提升，这对数据中心的供电 系统、散热方案和整体能效提出了全新要求。 为优化全国算力资源布局，中国政府实施了“东数西算”国家 战略工程，规划建设了八大算力网络枢纽节点（京津冀、长 三角、粤港澳大湾区、成渝、贵州、内蒙古、甘肃、宁夏）。 该战略将东部地区的实时性算力需求与西部地区的非实时性 算力保障有机结合，同时充分利用西部地区丰富的可再生能 源优势。 据市场研究预测，到 2030 年中国互联网数据中心（IDC）基 础设施年投资规模预计将达到 2800 亿元人民币，2024 至 2030 年期间的复合增长率约为 7%。 用电量跃升 2024 年中国数据中心用电量已占全球数据中心用电总量的 25%，仅次于美国。 与快速增长的算力需求相对应，中国数据中心电力消费正以 远超全国平均水平的速度持续攀升。国际能源署（IEA）数据 显示，2024 年中国数据中心用电量约为 102TWh，同比大 幅增长 21%，显著高于全国全社会用电量 6.8% 的年度增速。 综合多家机构的预测，到 2030 年，中国数据中心用电负荷 将提升至 1 亿千瓦左右，年耗电量将达到 400-600 TWh，其 占全国总用电量的比例将从当前的不足 2% 升至 6%。 值得注意的是，这一用电激增趋势在部分算力枢纽节点城市 表现得更为突出。预计 2025 年数据中心用电占比将达 2.4%， 在某些数据中心高度聚集的区域，这一比例已接近 20%。 总体来看，2024 至 2030 年间，中国数据中心用电量预计将 保持 20% 左右的年均增速，算力基础设施正在成为能源系统 中不可忽视的负荷源。 中国作为全球数字经济发展的重要引擎，数据中心市场正在快速扩张。2019 至 2024 年间，中 国数据中心基础设施算力规模保持 26% 的年均增长率，成为全球最具活力的数据中心市场之一。 中国数据中心基础设施算力总规模与机架数量 ■ 算力数据： 单位：EFLOPS 数据来源：国家数据局 ■ 机架数据： 单位：万架 数据来源：工业和信息化部 中国数据中心基础设施行业市场规模 单位：亿元人民币 数据来源：智研瞻 1 标准机架：以功率 2.5 千瓦为一个标准机架。 来源：https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202404/ P020240517496566744152.pdf 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 5 中国电力供给结构与低碳转型 中国当前的能源结构为数据中心的低碳 发展提供了重要背景。2024 年，全国 发电总量中火电占比仍高达 63%，其中 煤电占据主导地位。尽管火电比重呈逐 年下降趋势，但在短期内仍难以被完全 替代，导致大多数数据中心在实际运营 中仍不得不依赖高碳电源。 可再生能源（风电、光伏、水电）发电 量合计占比约 32%，但存在明显的区域 分布差异：西北地区集中了大量风光发 电设施，而水电资源则主要分布在西南 地区。这种不均衡的分布格局直接影响 着不同区域数据中心获取绿电的能力。 “东数西算” 国家战略工程正是针对这一 能源结构特点，推动算力向西部可再生 能源富集区布局，实现算力扩张与低碳 发展的平衡。然而，即使在资源条件相 对优越的地区，要达到 80% 的绿电使 用目标仍面临挑战。以宁夏中卫枢纽节 点为例，当前绿电使用比例仅为 46%， 距离理想目标尚有较大差距。 从行业发展现状来看，2023 年国家级 绿色数据中心的平均可再生能源使用比 例已达到 50%，较 2018 年的 15% 有 显著提升，但整个行业仍处于绿色转型 的初级阶段。同时，数据中心的区域集 聚发展特点对当地电网造成较大压力。 在某些枢纽节点内部，区域电力系统面 临着集中化负载带来的严峻挑战。 以京津冀地区典型城市为例，自成为国 家级数据中心集聚区以来，当地数据 中心用电量占全社会用电量的比例从 2019 年的 6.8% 快速攀升至 2023 年的 20.1%。这种算力与电力需求的同步快 速增长，使得局部地区电网在调峰能力、 基础设施扩容和绿色电力消纳等方面都 面临着多重挑战。 到 2025 年 • 国家枢纽节点新建数据中心绿电占比超过 80%。 • 新建及改扩建的大型、超大型数据中心电能利用效率 （PUE）降至 1.25 以内，其中国家枢纽节点数据中心 PUE 不得超过 1.2。 • 全国数据中心平均 PUE 低于 1.5，同时可再生能源利用 率年均增长 10%。 • 推进存量数据中心项目节能降碳改造。 • 鼓励有关地区探索开展数据中心绿电直供。 到 2030 年 • 数据中心的绿电消费比例不低于全国可再生能源电力总 量消纳责任权重平均水平。 • 国家枢纽节点新建数据中心绿电消费比例在 80% 的基础 上进一步提升。 • 显著提升北方采暖地区新建大型及以上数据中心余热利 用率。 低碳转型中数据中心的政策目标 中国政府已将数据中心列为节能降碳的重点领域，并为此制定了明确的阶段性目标： 2024 年中国主要能源装机容 量与发电量结构 数据来源：国家统计局 5 截至 2025 年 6 月，中国已建成 246 家 “国家绿色数据中心”，这些数据中心覆盖通信、互联网、能源、金融、智算等多个领域， 覆盖 “东数西算” 工程各大枢纽节点。最新一批 “国家绿色数据中心” 的 PUE 平均值已降至 1.26。 装机容量 单位：吉瓦（GW） 发电量 单位：太瓦时（TWh） 3349 10087 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 6 中国数据中心的发展趋势 中国数据中心市场在需求增长与产业转型的双重驱动下稳步发展， 呈现出以下趋势： 数据中心市场在保持增长态势的同时，增速逐步趋 于理性。在“东数西算”和市场需求的引导下，超大 型和大型数据中心逐步成为主流，分布式和边缘节 点同步发展。小型、分散、能效低的数据中心将加 速退出市场，推动行业集中度和资源配置效率持续 提升。 规模增长与结构优化并进 可持续性已成为衡量数据中心竞争力的重要指标。 除传统的 PUE 指标外，可再生能源占比、水资源 使用效率、碳排放强度等综合指标日益受到重视。 根据政策要求，到 2025 年国家枢纽节点新建数据 中心绿电占比需超过 80%，推动绿色能力建设成为 企业实现差异化发展的关键要素。 绿色低碳成为核心竞争力 随着人工智能生成内容（AIGC）和高性能计算场景 的涌现，市场对算力的需求正在由通用基础算力向 智能算力跃升。“算力 1.0” 阶段的传统数据中心主 要提供存储与分发服务，如今以人工智能训练和推 理为核心的新型智算中心（AIDC）正在开启 “算力 2.0” 阶段，具备大规模和高性能数据处理、智能调 度、融合协同等特征。 算力需求多元化与智能化 集中式云计算数据中心与分布式边缘数据中心的协 同将更加紧密，形成覆盖云、边、端的立体化算力 服务体系，以满足智慧城市、自动驾驶、工业互联 网等复杂应用场景对时延、带宽和数据处理能力的 多样化需求。 云 - 边 - 端协同架构加速形成 人工智能和数据密集型任务推动服务器数量与单 机功耗迅速上升。中国数据中心单机柜功耗从传 统通算中心的 4–6kW 跃升至当前智算中心的 20– 40kW，未来部分场景将会突破 100kW。这种高密 度负载对配电、制冷、空间布局和散热系统提出了 更高要求，推动传统基础设施进行全面升级。 单机架功率密度大幅提升 为适应高密度与低能耗需求，液冷技术正逐步从边 缘走向主流，尤其适用于高散热量的人工智能服务 器。同时，存算一体、光电融合等新架构也在探索 落地路径，网络系统则朝着更高带宽、更低延迟、 更智能的方向发展。 技术路线持续深化 随着数据承载的价值和敏感性日益凸显，数据安全、 网络安全、供应链安全与运行过程的可追溯性成为 数据中心建设和运营的基础底线。与之配套的合规 要求、分区部署策略、安全审计机制等也将更加系 统和严格。 安全可信要求提升 作为复杂的系统工程，数据中心的发展需要运营商、 设备商、软件商、云服务提供商、能源供应商及下 游应用企业间的深度合作。基础设施的创新和优化 不仅聚焦于单设备或单系统架构的突破，更需要与 上层应用、IT 设备技术更新共同推进，综合考虑设 计、建设与运维各环节的成本、效率与复杂度，实 现全生命周期内的整体优化。 企业间生态协同更加紧密 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 7 面临的挑战 在生成式人工智能浪潮下，数据中心的交付与安装调试环节 面临严峻的时间挑战。这一复杂过程耗时漫长，是企业数字 化加速转型的关键瓶颈。 由于数据中心集成了供配电、制冷、网络等多个精密系统， 其间的协同工作量巨大，任一环节的疏漏都可能导致整体延 误。此外，核心设备漫长的供货周期及供应链不确定性，进 一步加剧了工期风险。 为应对这些挑战，供配电系统的模块化和预制化正成为重要 解决方案。它将传统的现场供配电设备组装转变为工厂化生 产、测试的标准化“电源模块”。该预制化模块（包含变压器、 UPS、配电单元等）可大幅缩短现场安装与接线时间，实现 与土建工程的并行作业，从而显著压缩整体工期，同时调试 流程也得以简化和加速。 因此，算力基础设施的升级不仅依赖于更强的电源能力，更 需要空间 - 电力 - 散热管理的一体化设计，推动供电设备向 小型化、高能效、模块化方向发展，以适应高密度智算中心 的发展需求。 在中国碳达峰、碳中和的“双碳”目标约束下，电力来源的低 碳化和稳定性正成为新的挑战。 一方面，数据中心长期处于高负载运行状态，对电力稳定性 和连续性有着极高的要求，同时还需要兼顾不断提高的绿电 使用比例目标；另一方面，区域间绿电资源分布不均，部分 枢纽节点所在地区具备较丰富的可再生电源，而东部算力集 中地区绿电供应紧张、溢价偏高。 受限于省际间输送通道容量、交易时机不确定、区域市场壁 垒等因素影响，跨省绿电交易存在现实瓶颈，绿电直连项目 试点仍处于起步阶段。据预测，到 2030 年中国数据中心的 绿电消费需求将达到 360TWh，但当前可获得的绿电资源远 不能满足快速增长的算力需求。 此外，由于绿电固有的波动性特征，要实现稳定供电，就要 求负荷侧必须部署大规模电池储能系统来承担削峰填谷、稳 定电压和应急保障等功能，这将进一步增加整体系统的复 杂性。 有限的安装和交付时间 稳定的低碳能源供给不足 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 8 作为关键信息基础设施，数据中心必须保障全天候不间断运 行，任何电力中断都可能导致停机甚至数据丢失。在高负载、 连续运行的工况下，数据中心的电气系统需满足多层面的稳 定性要求。 与传统数据中心电力负荷相对平稳不同，AIDC 在大模型训练 和推理过程中，算力负载波动快速且不可预测，供配电系统 需具备更迅捷的响应能力。 一些常见运行问题——如设备老化、负载波动、短路、谐波 污染干扰等可能引发电气设备故障，或受到如自然灾害、电 网扰动等外部环境的干扰。 因此，冗余设计成为数据中心电气架构的基础标准，以确保 关键负载不断电运行。同时，备用电源作为关键支撑设备， 需具备高转换效率、快速响应能力和智能诊断功能，以保障 主电源异常时实现无缝切换。 电气系统的智能运维能力正在成为高可靠性的全新支撑。通 过部署状态感知与预测性维护平台，实时监测关键设备的 温升、电流、电压波动等参数，结合算法识别故障趋势、预 警隐患，从而降低非计划性停机概率，提升系统响应韧性。 早在绿色电力供给广受关注之前，数据中心在用能端的节能 增效就已是行业共识。但在智能算力大规模扩张、单机架功 耗倍增的背景下，如何在保障供电稳定的同时进一步压降 PUE，并持续控制运营成本，面临更多技术瓶颈亟待突破。 当前，许多在役数据中心仍使用传统UPS、变压器和配电设备， 在中低负载场景下效率降低，电力转换损耗较高。与此同时， 冷却系统能耗占比增大，在高密度部署下，机柜散热功率增 加，推高整体能耗。 低效数据中心不仅难以满足日趋严格的能效与排放考核，也 拉高了单算力成本，限制了其在高强度智能应用场景中的市 场扩展潜力。 关键电气设备能力的提升将成为节能增效的突破口。例如， 采用模块化配电系统，可根据负载灵活扩展，提升运行效率。 同时，引入智能能源调度系统，结合负荷预测与设备能效模 型，动态优化供配电与冷却系统运行策略。通过精细化功率 调度与运行参数调优，在保障算力需求的前提下，实现设备 负载率最大化、非高峰时段功耗下降，从而降低单位算力的 能源成本。 复杂工况下的高可靠性 节能增效和运营成本控制 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 9 数据中心低碳解决方案 当前，数据中心市场已步入以 “算力驱动、电力支撑、绿色转 型 ” 为核心特征的新发展阶段。数据中心电力负荷曲线正在 被爆发式增长的应用需求深刻改变，也挑战着传统能源系统。 中国正以前所未有的速度推进建设新型能源体系和新型电力 系统，能源结构将迎来深刻变革。与此同时，数据应用需求 的激增推动高质量、低排放的用电量持续攀升，能源与算力 的协同发展已经成为数据中心行业的重要课题。 作为全球领先的能源科技企业， 西门子能源 为中国数据中心 绿色低碳转型提供 “源 - 网 - 荷 - 储 + 智” 一体化解决方案 ， 涵盖可再生能源接入、智能电网优化、高效负荷管理、储能 系统集成及数字化智能运维，助力数据中心在保障高可靠性 的同时实现低碳可持续发展。 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 9 面向未来的中国数据中心：绿色低碳与高可靠性 10 在可再生能源解决方案中，风电以其高效率和规模化潜力，正日益成为数据中心实现减碳目标的重要支撑。西门子歌美飒作为 全球风能领域的领先企业，拥有四十余年行业经验，为海上风电和陆上风电各类终端用能场景提供高效可靠的风能解决方案。 自 2006 年进入中国市场以来，西门子歌美飒累计为中国市场提供的陆上风电和海上风电装机容量已达数十吉瓦。未来，公司 将继续通过技术合作、运维服务等方式持续参与并推动中国风电市场的发展。 在陆上风电领域，西门子歌美飒的产品组合包括各类传动技 术、涵盖 2MW-7MW 机型，能够适应多样化的风资源条件 和场地限制。为满足风电项目开发商对不同风电场的定制化 需求，公司创新性地提出了 OptimaFlex 概念，通过结合风 机灵活的额定功率、定制塔筒与电气和土建工程（BoP）方 案，提升发电量、优化成本