數字技術是我們在本次疫情居家隔離期間最大的幫手，也是疫情后“新基建”的最大受益者。按照國家發改委的表述，“新基建”主要涉及數字技術，包括信息基礎設施和融合基礎設施。信息基礎設施包括以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施，以人工智能、云計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施，以及以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等。融合基礎設施主要是指深度應用互聯網、大數據、人工智能等技術，支撐傳統基礎設施轉型升級，進而形成的融合基礎設施，如智能交通基礎設施、智慧能源(4.220, 0.00, 0.00%)基礎設施等。
數字技術消耗能源。當您用手機或電腦發微信或參加線上會議時，您家里的路由器或者身邊的移動通信基站會把您的信息傳輸到服務商的數據中心，在那里計算處理后再回到您的手機或電腦上，完成您的社交或會議功能。在這一場景中，除了您手機或電腦耗電之外，后面的路由器、移動基站、數據中心都在耗電，并且消耗的電量要比您手機或電腦大得多。
今天所有數字技術設備都由電力驅動，凸顯了安全、穩定、不中斷的電力供應對于現代社會運營的重要性，而新數字基礎設施中最大的耗電量將來自于5G基站、數據中心、邊緣計算服務器和端設備。
由于這些消耗之前沒人做過系統的分析且在傳統能源工作者關注的范圍之外，大家普遍認為數字新基建耗能不高。本文分析數字新基建對電力需求的影響，并以2025年為時間節點，匡算可能新增的電力負荷，建議國家在“十四五”規劃制定過程中，對數字技術引起的能耗增加以及全國電力供應的結構性改變給予高度重視。
5G基站能耗：2025年或新增53GW
無線通信的基站是連接移動設備和固定線路的連接點。根據3GPP(由七家國際移動通信標準化組織組成的“第三代伙伴計劃”，The 3rd Generation of Partnership Project)組織的規則，無線基站分為四類，分別是宏基站、微基站、皮基站和飛基站。它們的具體參數見表。
我們通常所說的4G或5G基站指的是宏基站。通過宏基站和微、皮、飛基站的組合可實現一個城區的全域覆蓋。
無線通信從1G到5G發展，所用的頻段越來越高，導致信號傳輸的距離逐步縮短，基站覆蓋面積變小，因而需要部署更多的基站。4G基站在城區的覆蓋半徑是1000米-3000米，而5G基站覆蓋半徑按照其采用的頻段(電信3.4-3.5GHz;聯通3.5-3.6GHz;移動2.5-2.6GHz和4.8-4.9GHz)不同而不同，一般在300米-450米之間。據中國信息通信研究院副院長何桂立預測，5G宏基站數量約為4G基站數量的2倍以上才能覆蓋4G的范圍。
根據何家愛、劉曉村《基站節能減排措施探討》的統計，基站(指的是宏基站，下同)功耗由主設備(45%)和空調系統(40%)為主，另外的15%用于電源系統和其他設備功耗。根據其他相關文獻，對于5G基站來說，站點的通信設備能耗和其他輔助能耗比例平均在50∶50左右。5G網絡由于高帶寬、高流量、高發射功率，其單站能耗比4G要大幅增加。據中國通信標準化協會的數據，目前主要運營商的5G基站主設備空載功耗約2.2-2.3kW，滿載功耗約3.7-3.9kW，是4G單站的2.5倍-3.5倍。按照基站主設備能耗與空調等輔助能耗45∶55的比例來說，5G基站單站滿載功耗在8.2-8.7kW，而4G基站總能耗則在2-2.5kW之間。
華為在去年10月的全球電信業能效峰會上發表了一份“5G通訊電力目標網絡白皮書”，描述了5G基站建設對電力系統的需求。白皮書顯示，今天的一座5G基站平均耗電6kW，滿載功耗8kW。三年后，隨著大功率多發射器多接收器天線(Massive MIMO)的普及和移動邊緣計算的嵌入，基站的功耗要提高到平均10.4kW，滿載功率達到13.7kW。五年后，隨著毫米波(mm Wave)和其他新技術的應用，基站的能耗將上升到平均13.4kW，滿載功率到18.9kW。
基于其高功率需求，大規模5G基站建設所引起的耗電賬單(一座功耗10kW的基站每年電費就要7萬多元)不僅是電信運營商的不堪承受之重，對于城市配電網來說也是非常嚴重的挑戰。5G基站建設前需要對現有電網及其配套設施進行擴容。
作為“新基建”的核心內容之一，三大電信運營商和全國多個省市都出臺了5G專項發展規劃。
按照中國信息通信研究院的統計，截至今年4月，中國已開通5G基站達到25萬個，5G套餐用戶突破7300萬，且基站建設按照每周新增1萬座左右的速度增長。賽迪研究院2020年6月發布的研究報告估計，到2020年底，全國的5G基站將到達63萬座。隨著“新基建”的推進，基站的數量在未來幾年肯定會大幅增長。
按照國信證券(14.450, 0.00, 0.00%)的統計，目前全國有544萬座4G基站。因5G基站覆蓋的距離要比4G短，按照保守的一個4G基站需要1.2個5G基站來計算，替代全國現有的4G基站需要650萬座5G基站。如果每座5G基站的平均總功耗是7kW(不是滿載功率)，相比4G新增的電力需求按照5kW來算，假設5G在全國范圍五年內通過改造來代替三分之二的4G基站，相當于改造433萬座基站，這就需要新增電力負荷21.65GW。
4G移動通信的應用主要在民生服務(如手機)領域，而5G的廣連接、高傳速和低延時功能不僅使民生服務領域的應用得到大幅度提升，結合4K/8K高保真電視、VR/AR(虛擬現實/增強現實)、全息視頻等技術，5G將進一步加強互聯網在文娛新聞、智慧教育、遠程辦公、醫療健康等領域的體驗，同時也給自動駕駛、工業物聯網等應用提供了可能，而基于4G改造的5G基站將無法滿足這些特定環境下大數據高速傳輸需求。
如果商業模式成熟，更多的5G基站將會布局在工業、交通等應用場景，相應的電力需求及配網設施投資也會增加。如果按照與民生領域1∶0.5來算的話，即在全國工業、交通等物聯、車聯領域五年內新布局218萬座5G基站，每個基站功耗7kW，新增的電力需要15.26GW左右。
以上2025年5G基站對于電力負荷的增加(21.65+15.26=36.91GW)是基于今天5G基站的平均7kW來測算的。如果按照華為白皮書所說的，三年后5G基站的功耗幾乎翻倍，達到平均10.4kW，滿載功率達到13.7kW，那么2025年5G基站的總功耗會更高。在上述白皮書中，華為預測到2026年，中國的電信運營商將有475萬座5G宏基站和950萬座小微基站在用毫米波技術運營。按照這個預測，如果到2025年，有400萬座宏基站并且都使用毫米波技術，每座耗電15kW，總負荷就會達到60GW，遠高于以上37GW的保守估算。
除了以上分析的宏基站耗能情況外，比宏基站數量多出幾倍的微基站、皮基站和飛基站的能耗也值得重視。宏基站適用于廣域覆蓋，微基站偏向局域覆蓋，皮基站相當于企業級WiFi，而飛基站則與家庭路由器相當。微基站主機功耗1kW，加上空調的輔助設施就是2kW每座。皮基站一般安裝在室內不需要獨立空調，每座功耗在800W左右。家庭級的飛基站的能耗可以納入端設備。
籠統估算，如果只考慮微基站，2025年建成800萬座微基站，每座功耗2kW，相比現有的4G微基站增加1kW負荷的話，就需要增加負荷8GW。企業級皮基站的數量要比微基站更多，如果在2025年前新建1000萬座，每座耗電800W，那么又要增加8GW。
綜合以上分析，粗略估計2025年5G基站(包括宏、微、皮基站)的電力負荷增加53GW以上。
準確估算5G對電力需求影響涉及到兩個核心參數：5G基站的單站功耗和5G在全國推廣的速度。單站功耗在短時間內很難大幅度下降，反而會隨著性能的提升而大幅度提高，關鍵就要看基站的推廣速度：五年內能否完成對4G三分之二的替代?5G應用能否創造足夠大的價值，使得它在工業物聯、交通與車聯等領域大規模推廣?這是決定5G基站新增電力需求估算的主要不確定因素。反過來看，5G基站的高能耗帶來的高成本也許成為其大規模推廣的主要制約因素。
數據中心能耗：2025年或新增78GW
相比5G基站，數據中心的能耗更大，對電力系統的影響也更大。
數據中心是集中儲存和處理數據的地方，小的是一個房間，大的可以是一棟大樓或幾棟大樓。數據中心由成排的機架(或機柜)組成，機架大小不一，大的與集裝箱一樣，以方便運輸與安裝。一個數據中心可以有幾千個甚至幾萬個機架，通過管理軟件進行組合。機架里面裝的是由無數芯片組成的服務器(server)，這些服務器就如我們平常用的電腦，由電力驅動，消耗電力后產生的熱量通過附帶的金屬片散發。
為了使服務器在穩定的溫度和濕度(18℃-27℃，濕度在60%以下)環境下運營，需要將服務器產生的熱量排到室外，這就需要額外的電力來給數據中心制冷。此外，數據中心需要非常可靠的電力供應，都帶有自己的備用電源。數據中心的能耗很高，目前全球大型數據中心需要的電力供應都在100MW以上。
因為數據中心在驅動服務器等硬盤設施所需的電力之外還需要輔助設施來降溫并提供不間斷電源保障，衡量數據中心能源效率的一個重要指標就是其總能耗與真正用于驅動IT設施的能耗之間的比例，即電能使用效率值(Power Usage Effectiveness，PUE)，PUE越低，證明它需要的輔助能耗越少。按照中國信息通信研究院的數據，2013年以前，全國對外服務型數據中心平均PUE在2.5左右，而到2019年底，這些數據中心的平均PUE已經接近1.6。工業和信息化部聯合國家機關事務管理局、國家能源局印發的《關于加強綠色數據中心建設的指導意見》(工信部聯節〔2019〕24號)要求到2022年，全國新建大型、超大型數據中心的電能使用效率值達到1.4以下。
數據中心的電力消費主要發生在機架上，而機架又可以按照其安裝的服務器性能來劃分，高密度機架安裝更多計算能力更強的服務器，所需要的電力供應也更大。根據全球數據中心經理人協會(Association For Computer Operations Management，AFCOM)對機架密度的分類，低密度機架每臺耗電在4kW以下，中密度為5-8kW，高密度為9-15kW，超高密度為16kW以上。隨著新興技術的快速發展，特別是高性能計算設備和GPU(Graphic Processing Unit)服務器的使用，單機機架的功耗將朝著20-30kW甚至更高規模發展。
數據中心已經成為數字經濟發展的基石。截至2018年底，中國大小規模的數據中心總量已超過40萬個。據國網能源研究院的統計，2018年，全國大型及以上數據中心的總機架數已達204萬個，預計到2020年、2025年這些數據中心機架數量分別達到498萬、802萬個。國網能源研究院估計，2018年，全國數據中心的耗電總量達到1609億kWh，超過上海市當年全社會用電量(1567億kWh)，占全國用電量比重的2.35%。中國電子節能技術協會數據中心節能技術委員會秘書長呂天文在2019年的一次會議上透露，目前中國數據中心的耗電量已連續八年以12%以上的速度增長，預計2020年總耗電量將達到2962億kWh。
結合這兩組數據，如果我們取2500億kWh作為比較保守的2020年全國數據中心總耗電量，并取8kW為數據中心的機架平均密度(標準機架)，那就得出全國數據中心在2020年有357萬個標準機架在運行，需要的電力容量(包括制冷等非IT部分)支撐是28.5GW。
中國自2015年以來，數據處理量每年以95%的速度增長，與全球數據量每隔11個月翻番的速度可以相比。有專家預計，2025年全球數據量將會從2016年的16ZB(1ZB=10的18次方比特)上升至163ZB，2021年中國人均移動數據流量要比2015年增長18倍。
隨著5G、大數據、人工智能、工業物聯網、區塊鏈等技術的發展，越來越多的設備如移動設備、可穿戴設備、家用電器、醫療設備、工業探測器、監控攝像頭、汽車以及服裝等都會連接到互聯網上，各種類型的數據正在以更快的速度指數級地增長，而這些海量數據(27.250, 0.00, 0.00%)也將會推動數據中心向超大規模發展。中國的數據中心除了滿足本國需求之外，還可以為其他國家提供服務。
估算未來數據中心能耗總量也面臨著5G基站同樣的問題：機架數量的增加與單架能效提高之間如何平衡?
一方面，按照保守估計，中國數據中心的機架數量將會以每年30%的速度增長。按照這個速度，2025年的標準機架總數將達到1325萬個，比目前的357萬個機架要增加968萬個。假設單架功率保持在8kW不變，1325萬個機架需要的電力支撐就是106GW，比目前的28.5GW凈增加77.5GW的電力負荷需求。
另一方面，隨著技術進步和數據中心的結構調整，單機能耗會降低，PUE數值也會進一步下降。
國際能源署在2017年出版的《數字化與能源》報告中估計，2014年全球數據中心的電力消費總量為194TWh，占全球電力消費的1%。美國作為全球最大的數據中心市場，2014年數據中心的耗電量占全國總量的1.8%。IEA預計，得益于服務器、存儲器和網絡開關等設施的能效提高和數據中心向超大型和云中心的結構性轉變，盡管數據中心工作負荷到2020年會在2014年基礎上增加3倍，數據中心的耗電總量只會增長3%，到200TWh。在其兩年后發布的《能源效率2019》報告中，國際能源署更新了這一數字，估計全球數據中心和傳輸網絡在2018年一共消費了460TWh電力，其中網絡傳輸250TWh，數據中心210TWh。
2020年2月，《Science》雜志刊登了美國五位學者的一篇論文《重新校準全球數據中心能耗估算》。作者指出，得益于數據中心從較小分散的傳統數據中心向超大規模數據中心集約化轉變、全球服務器效率以及虛擬化程度的提高、制冷和供配電等基礎設施技術的不斷改進，與2010年相比，2018年全球數據中心計算實例(Compute Instances)增加了550%，而同期全球數據中心的耗電量僅增加了6%。
毫無疑問，技術還會進步，數據中心單位數據處理的能源效率還會提高，但在數據處理量快速上升時如何把新增電力需求控制在合理水平?這是一個重大問題，需要繼續深入研究。
按照工信部賽迪研究院的數據，全國目前有48%的數據中心PUE值在1.8以上，即為了提供1單元的計算電力，需要同時消耗0.8個單元來提供制冷等輔助服務。值得注意的是，為了降低數據中心的PUE值，擁有龐大服務器群的云計算、互聯網企業紛紛在電力資源豐富、氣候涼爽的偏遠地區(如廣西、內蒙古)建立數據中心，此舉雖然降低了PUE，但減少了原來規劃輸出到東部沿海省份的電量。
數據中心不是數字技術唯一消耗電力的環節。比如說，比特幣的挖礦機，就是通過建立自己的數據中心，消耗大量的電力來運營特制的芯片，以此獲取比特幣。這些“挖礦”者也選擇電費較低，且氣候涼爽的地區建立計算中心，進一步減少這些地區的電力出口能力。按照國際能源署的統計，2019年，全球的比特幣挖礦機消耗了50-70TWh的電力，占全球電力總量的0.2%-0.3%。
邊緣計算服務器：或增加39GW
邊緣計算是指將計算與存儲資源從傳統的云數據中心向用戶側遷移，拉近用戶和計算中心的物理距離，在用戶端即時對數據進行處理，實現更低的數據交互時延、節省網絡流量，從而為用戶提供低延時、高穩定性的IT解決方案。
隨著5G、AI和工業互聯網的發展，很多業務場景需要海量數據接入和超低的網絡時延，集中式的計算處理模式將面臨難解的瓶頸和壓力，需要更多的邊緣計算能力來完成，形成新的“云計算+邊緣計算”數據處理模式，在邊緣計算、云計算以及網絡之間協同，實現計算與存儲資源的最優化利用。
邊緣計算要么將存儲與計算能力放到端設備(如手機)，要么將服務器安裝在應用場景中。我在挪威國家石油公司中國區工作期間，有一個親身的經歷。當時我們在北京有一個十幾人的研發中心，需要較為強大的數據處理能力。北京中心雖然與公司在挪威和美國的其他數據中心有高速網絡相連，但速度和可靠性不足以支撐本地的需求，因此在我們辦公室同一樓層的租用空間里專門留出一個房間來安裝一個服務器，這就是邊緣計算的一個案例。這個邊緣計算服務器是一個耗能大戶，每年的電費在25萬元左右。類似這樣的邊緣計算服務器數量無法統計，但總的趨勢是，隨著5G、車聯網和工業物聯網布局的展開，大量的邊緣計算中心將布局在應用場景端。
5G應用、車聯、工業物聯和其他城市設施物聯的數據將越來越多地由數據邊緣計算服務器處理，而不是傳輸到大型的中央數據中心。長期看，邊緣計算的比例要高于集中式計算中心的處理量。邊緣計算所用的處理器和機架與大型數據中心的基本相同，因此可以設定邊緣計算與集中計算的比例來推算邊緣計算所需要的機架數量。2025年，如果邊緣計算量所需要的標準機架數是2020年-2025年期間新建大型數據中心機架數的一半的話，那就需要在全國各地的應用場景建設484萬個標準機架，每個機架8kW，就是38.7GW。
端設備：或增加17GW
除了邊緣計算服務器之外，越來越多的計算與數據存儲功能會被整合到終端設備上，這些帶有智能與互聯功能的設備叫端設備。
國際能源署估計，2015年，全球有155億臺終端數字設備在運營，包括智能表計、視頻監控、電視機、機頂盒、路由器、音響，手機、電腦、平板電腦，等等。它們一共消耗了340TWh的電力，平均每臺22kWh。這些端設備的數量已經增加到2018年的180億臺，年均增長8%。
根據思科今年3月發布的《2018-2023年度互聯網報告》分析和預測，到2023年，互聯網總用戶將達到53億(占全球人口的66%)，高于2018年的39億(占全球人口的51%)。但這一數字與整體聯網設備的數量相比相形見絀：到2023年，聯網設備數量為293億臺，而2018年為184億臺。思科的這一數據可能還低估了一些物聯設施。按照咨詢公司Strategy Analytics的估計，在2016年，全球已經有近200億個聯網設備，這個數量在2020年會達到500億。
結合兩者的預測，在2025年，全球聯網的智能設備應該在500億左右。鑒于中國經濟規模和在數字化領域的領先地位，在全球智能設備份額中占10%不成問題，也就是50億。假設這50億中，有一半是今后五年新增的，就是25億個新的互聯終端設備要在五年內接到電網上。
這些設備量大面廣，種類繁多，從家里的電視、音響、手機、電腦、無線路由器、監控設備，到工廠、道路、機場、車站、城市街道里的各種聯網的傳感設備、布置在室內的5G飛基站等，它們無法統計，所需要的功耗也不一樣。假設每個設備按照全球平均每年耗電20kWh來算，25億個設備就是500億kWh(50TWh)，如果每天8小時時間運營就需要17GW電力來支撐。這些互聯的設備很大一部分都接到電源上，平時處于待機模式。每個設備待機耗電1瓦來算，就是2.5GW，全年就是22TWh的耗電量。
國際能源署在2017年的報告中預測，到2025年，包括電視和電腦在內的全球互聯設備的待機狀態將無端浪費740TWh的電力，這一總量相當于法國和英國兩國的全年電力消費總量。萬物互聯帶來的量大面廣的待機能耗問題很值得關注并尋找解決方案。
結論與建議
5G的大規模普及存在商業可行性方面的挑戰，基站的高能耗也可能成為其推廣的制約因素之一。即使如此，數字經濟的發展必將進一步推動數據的爆發性增長，帶動數據傳輸、存儲、計算、應用環節和互聯設備的能耗大幅度上升。數字基礎設施的能耗強度如果沒能得到有效控制，數字經濟的低碳效果就會大打折扣。
按照以上分析和粗略匡算，在不考慮能效大幅提升以及數據中心的結構性大調整的情況下，到2025年，數字基礎設施的“新基建”起碼需要187GW新增電力裝機容量來支持，5G基站(53GW)、數據中心(78GW)和分布式邊緣計算服務器(39GW)和端設備(17GW)是主要耗能大戶。
這一數字基于許多假設，比如5G的推廣速度、數據中心機架的增長速度、機架的能耗及輔助電力需求，還有邊緣計算服務器的布局數量，端設備的功耗水平等。核心不肯定因素主要體現在兩個方面：
一方面是數字基礎設施建設的力度。5G的推廣速度取決于它所帶來的價值，是否具備足夠的經濟推動力來達到文中假設的基站數量還存在不確定性。
基于今后幾年數據的爆發性指數級增長，其應用或許超出我們今天線性思維的想象，對數據存儲和處理的需求肯定會大幅度增加，數據中心規模每年30%的增長率應該還是一個比較保守的假設。
另一方面，IT設施包括服務器的能效提高能在多大程度上減緩數據中心的電力需求。數據中心的PUE已經從2013年的2.5降到了目前的1.6，今后還有下降的空間，但幅度不會像前幾年這么大。服務器的能耗取決于芯片技術，未來幾年短時間內下降的幅度不會太大。
精準估算數字基礎設施的電力需求需要更加細致嚴謹的調研。
您可能會說，五年之內增加187GW，對于中國目前2000GW裝機規模來說不到10%，沒什么值得大驚小怪的，但有三點值得我們重視：
一是這些數字基礎設施的不間斷運營所消耗電力的占比要高于其在裝機容量的占比。5G基站和數據中心的170GW需要全年8760小時連續運營，消耗的電量就是1489TWh，加上17GW端設備消耗的50TWh，就是1539TWh，是2019年全國耗電量(7225TWh)的21.3%。如果2019年-2025年期間，電力消費按照年3%的速度增長，2025年數字基礎設施占全國耗電量的比例將是17.8%。隨著數字經濟的持續發展，這一比例還會快速上升。
二是這些數字基礎設施的布局問題。大量數字技術應用場景將在城市發生，需要安全、穩定、高質量且不間斷的電力供應。加上充電基礎設施作為新基建組成部分的加速布局，城市電力系統面臨著擴容改造的巨大壓力。
三是數據中心布局西移對目前中國“西電東送”格局的影響。需要評估數據中心在廣西、云南、內蒙古等地的布局對現有或計劃的西電東送項目的影響。
為此，建議國家在“十四五”規劃中高度重視數字新基建引發的電力需求劇增以及電力布局改變的問題，做好滿足電力增量需求、優化電源布局的規劃工作。具體來說，有以下幾點：
一是充分考慮到數字技術基礎設施對電力增量的需求，結合疫情后其他領域的電力需求趨勢分析，科學合理地規劃建設新的電源，特別是清潔電源，以保證全國范圍內的電力供應保障。
二是將數據中心建設與分布式能源生產(風、光、水、各類熱泵)同步考慮，盡可能減少對電網電量的需求。在數字基礎設施建設密度高的東部沿海地區布局更多的電源，一方面滿足新增電力需求，另一方面以彌補數據中心在西部建設(10.610, 0.00, 0.00%)帶來的西電東送電量的減少。
三是做好5G基站、邊緣計算中心和電動汽車充電樁在城市布局所需要的配電網改造與建設規劃。5G基站的建設要與推廣應用同步，鼓勵電信運行商共建共享5G基站，減少重復布局。
四是繼續加大5G基站和數據中心的節能力度，鼓勵分布式光伏與無線基站綜合開發，挖掘利用數據中心余熱為社會供熱的潛力，并把余熱利用納入數據中心的PUE能效考核指標。
此外，數字基礎設施在全社會用電量比例的不斷上升也可能改變電力消費與經濟增長之間的線性關系。電力消費能否繼續成為經濟增長的風向標這一問題值得研究。
