元宇宙時代的能量之源
2021年是元宇宙元年，之后我們就進入了元宇宙時代，盡管它只是概念，但它的未來將聯(lián)絡(luò)我們整個世界。元宇宙最值得讓我們思考的問題是:它的“能量”或“動力”到底從哪里來？
比如電能，電能是支撐元宇宙數(shù)據(jù)中心的主要動力，沒有電，一切都是空談。我國目前主要的電力是火電（煤電和氣電）、水電（水力發(fā)電和抽水蓄能）、風電、太陽能（光伏和光熱）、生物質(zhì)等五個方面。其實這些都是太陽能，因為太陽內(nèi)部時刻發(fā)生著核聚變，核聚變的能量通過太陽輻射來到地球，所以我們的絕大多數(shù)能源都是太陽的核聚變。
除了來自太陽的能量外，地球上還有其它的能量來源，比如：地熱、人造的核能（核裂變和可控核聚變）、潮汐能等。
了解了能源的來源，我們來談一下元宇宙對能源的依賴。元宇宙是一個可以大規(guī)模連接的虛擬現(xiàn)實場景。我們目前處在元宇宙的初級階段，元宇宙基本場景的實現(xiàn)至少需要10年，大約在2030年會完全改變我們的生活方式。
元宇宙未來走向何方？我們無法預(yù)判，但是可預(yù)見的是“算力”將逐漸同“電力”、“水力”一樣重要。智能汽車、金融科技、智慧醫(yī)療、量子計算等應(yīng)用的落地，無不需要龐大的算力，算力的基礎(chǔ)就是元宇宙數(shù)據(jù)中心，而數(shù)據(jù)中心的動力又是綠色電力，那么綠色的電力到底從何而來呢？這是未來戰(zhàn)略性的問題。
自2021年元宇宙誕生以來，越來越多的跡象表明元宇宙有望成為下一個具有戰(zhàn)略意義的競爭領(lǐng)域。元宇宙需要強大的計算能力，因此需要大量的數(shù)據(jù)中心來支撐。元宇宙的數(shù)據(jù)中心包含大型的計算數(shù)據(jù)中心和小型的邊緣數(shù)據(jù)中心，而我們目前的數(shù)據(jù)中心還不具有這種級別的算力。在2030年時，元宇宙中的每個環(huán)境、對象和化身都將以數(shù)字方式駐留在數(shù)據(jù)中心里，數(shù)據(jù)中心將這種沉浸式體驗可靠地提供給想要同時參與并具有低延遲的每個人。而邊緣數(shù)據(jù)中心就是元宇宙的支撐平臺，邊緣計算能將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)盡可能地靠近用戶，這正是元宇宙無縫體驗所需要的本地計算能力，可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)延遲和擁塞風險。到2030年，大量的元宇宙邊緣數(shù)據(jù)中心將會按需而生，帶來的電力需求也將是巨大的。按照目前的情況，到 2030 年，全國數(shù)據(jù)中心年耗電將超過6000億度，占我國總用電量的5.5%。
元宇宙數(shù)據(jù)中心的高能耗讓我們不斷尋求節(jié)能降耗的方案。液冷結(jié)合自然冷卻等技術(shù)將成為元宇宙數(shù)據(jù)中心的主要冷卻方式，液冷數(shù)據(jù)中心將支撐元宇宙等應(yīng)用的發(fā)展。到2030年，元宇宙的邊緣數(shù)據(jù)中心功率密度將會達到50~100千瓦，液冷冷卻的場景將會和高性能的服務(wù)器完美融合，數(shù)據(jù)中心PUE將降到1.1以下。余熱回收技術(shù)將在數(shù)據(jù)中心全面普及，通過熱回收將數(shù)據(jù)中心余熱進行二次利用，數(shù)據(jù)中心的綜合PUE小于1，甚至達到0.5左右，數(shù)據(jù)中心將實現(xiàn)零耗水、零碳排，完全采用綠色電力供應(yīng)。
元宇宙之“電力元宇宙”
元宇宙時代的邊緣數(shù)據(jù)中心耗電量巨大，在能源轉(zhuǎn)型大勢下，到2030年，我國電力能源結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)不再是煤、石油，而是創(chuàng)新開發(fā)的新能源，包括新能源礦物質(zhì)、新材料的科學創(chuàng)新等，同時“核能”將成為算力數(shù)據(jù)中心的主要能源之一。
2030年后，核能將逐漸發(fā)展為綠色能源的主力。除了太陽能光伏、光熱以外，像風能、水能都屬于來自于太陽的核聚變能量。它們是清潔、低碳、可再生的。而另一類就是人類的可控核聚變，也就是人造太陽。目前我國的核電是依靠鈾元素裂變來產(chǎn)生核電，我國現(xiàn)儲鈾礦量將支持核電至2030左右，之后將由釷基熔鹽堆核電站代替鈾核電站，繼續(xù)支持元宇宙時代的超級電力，到2045年左右，“人造太陽”可控核聚變將開始投入商業(yè)應(yīng)用，到2050年，核能電力將達到我國電力主體的16%左右。
2030年核電力將大約占據(jù)我國電力主體的10%，和太陽能、風能、水能一體占據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)的56%左右，化石能源電力將縮減至44%。但2022年我國電力能源的65%仍為火力發(fā)電，也就是化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，無論是實現(xiàn)碳達峰還是碳中和，節(jié)能、提效是戰(zhàn)略之首。
根據(jù)2022年的數(shù)據(jù)，我國能源強度是世界平均水平的1.3倍以上。通俗來說，世界GDP產(chǎn)生1美元需要消耗的電量是1度電，而我國GDP產(chǎn)生1美元需要消耗的電量是1.3度以上。若到2030年，我們能將能源強度從1.3降低至1.0就意味著我國在GDP不變的情況下，每年的電力電耗可以降低30%。降低能源強度主要通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進步及企業(yè)管理和企業(yè)文化建設(shè)等方式。
雙碳目標實施路徑的核心在于兩個構(gòu)建：一個是構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系；二是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。即我國未來要重點減少化石能源總量，著力提高能源利用效能，實施可再生能源替代，以及深化電力體制改革。比如縱向的“源網(wǎng)荷儲”一體化，橫向多能互補，把可再生能源（尤其是是風能、太陽能）和智能電網(wǎng)及各種儲能技術(shù)相集成，使電力系統(tǒng)具備柔性和平衡功能，達到優(yōu)質(zhì)電力輸出，這就是智能電網(wǎng)。
有了智能電網(wǎng)的保證，到2030年，我國電力總體需求量大約為11萬億度，56%為清潔能源，其中風電占22%，太陽能占8%，水電占14%，核電占10%，生物質(zhì)能2%，可以保證數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域在2030年實現(xiàn)碳中和。
我國智能電網(wǎng)的元宇宙目前正在完善和成熟，預(yù)計在2030年左右將發(fā)揮巨大的作用，電力調(diào)度元宇宙是基于元宇宙理念和技術(shù)體系，針對復(fù)雜電力調(diào)度業(yè)務(wù)需求而構(gòu)建的專用數(shù)字化平臺。電力調(diào)度元宇宙將融合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、人機交互等技術(shù)構(gòu)建元宇宙技術(shù)體系，創(chuàng)建多級調(diào)度、協(xié)同合作的數(shù)字化指揮空間，探索電力調(diào)度自動化技術(shù)體系新發(fā)展趨勢。在電力調(diào)度元宇宙中，電網(wǎng)物理實體、抽象實體、“數(shù)字分身”等多要素對象將進行虛擬構(gòu)建、信息共享和互動共生。
電力調(diào)度元宇宙作為一種創(chuàng)新型的數(shù)字化平臺，將為我國電網(wǎng)帶來以下幾方面的意義：
（一）智能化調(diào)度水平。通過人工智能對電網(wǎng)全面感知、分析和優(yōu)化，對終端用戶和數(shù)據(jù)中心的供電將非常穩(wěn)定，無須擔心電力中斷的問題。
（二）電力協(xié)同調(diào)度能力。通過構(gòu)建多級調(diào)度、協(xié)同合作的數(shù)字化指揮空間，具備跨區(qū)域、多電廠、多路徑、長距離靈活供電的能力，能應(yīng)對自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭等造成的風險，保證數(shù)據(jù)中心電力的可靠供應(yīng)。
（三）提前預(yù)警能力。通過建立與真實世界同步更新的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行風險的及時預(yù)警和有效防控，增強電網(wǎng)的健壯性。
有了電力元宇宙，我國在智能電網(wǎng)上實現(xiàn)100%自動化，到2050年，我國社會將進入高度人工智能的時代，我國社會用電量比現(xiàn)在大約會翻一番，達到15萬億度。90%的電力將為新能源電力。這一切都要歸功于“電力元宇宙”！
元宇宙數(shù)據(jù)中心的“機智”冷卻
上面提及元宇宙離不開數(shù)據(jù)中心的保駕護航，而數(shù)據(jù)中心的碳排放已經(jīng)引起我們的注意，2022年，我國社會碳排放總量約106億噸，數(shù)據(jù)中心碳排放總量約為1.66億噸，約占1.56%，在當前2023年的政策背景下，我國數(shù)據(jù)中心將著力解決能源和水資源的消耗難題，伴隨而來的是數(shù)據(jù)中心行業(yè)也將面臨更為嚴格的能源管控。在“雙碳”政策和人工智能Chat GPT等大算力應(yīng)用的推動下，2023年以后的數(shù)據(jù)中心將逐漸呈現(xiàn)以下四個趨勢：
（一）零耗水、低能耗是標準
2022年我國數(shù)據(jù)中心耗電量占全國電耗量的3.24%，預(yù)計到2030年元宇宙數(shù)據(jù)中心用電量將突破6000億千瓦時，占社會總用電量的5.5%。數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)采取措施進行自我監(jiān)測和節(jié)能，并且將越來越傾向于選擇零耗水的制冷方案，水冷系統(tǒng)陸續(xù)被高效技術(shù)的氟系統(tǒng)代替。在2023年到2025年的時間里，水系統(tǒng)冷卻逐漸退出，氟系統(tǒng)將取而代之，例如：PHU整體式氟泵機組、磁懸浮相變多聯(lián)系統(tǒng)等。
這些新型的氟系統(tǒng)機組系統(tǒng)簡單、維護量小，不僅零耗水，且PUE可達到1.2以下，在未來不長的時間內(nèi)可以作為過渡方案。但隨著元宇宙等數(shù)據(jù)中心功率密度的提升，2025年以后，以冷板液冷、浸沒式液冷為基礎(chǔ)的冷卻技術(shù)將成為元宇宙數(shù)據(jù)中心的主要冷卻方案。
而在大型算力數(shù)據(jù)中心將采用相變浸沒液冷技術(shù)，為超級算力模塊進行冷卻。
（二）工業(yè)化快速集成的場景特點
工業(yè)化集成數(shù)據(jù)中心將成為未來所有數(shù)據(jù)中心的主要特征。因為未來數(shù)據(jù)中心的需求要在短時間內(nèi)融入實際場景并快速投入應(yīng)用，實現(xiàn)電力、冷卻、計算等模塊的快速對接和部署，所以電力、制冷、算力模塊需要在工廠完成測試和封裝，以此減少現(xiàn)場的工作和對環(huán)境的依賴，做到出廠即部署，部署即上線。
大型算力中心數(shù)據(jù)機房仍以鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化預(yù)制為主要建筑形式實現(xiàn)快速部署交付、任意擴容，例如：海悟的微模方等。
與原來傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相比，其內(nèi)部的IT機柜將以更高功率的液冷服務(wù)器為主。工業(yè)預(yù)制化的邊緣數(shù)據(jù)中心對外部環(huán)境依賴非常小，只是根據(jù)場景的需求部署，從生產(chǎn)到交付使用可以縮減至15天以內(nèi)，比如集裝箱、海底艙、拼裝預(yù)制板房等，以滿足快速落地、快速適應(yīng)的需求，不依賴于場景環(huán)境，易回收利用，對環(huán)境污染最小。
（三）“氫”潔能源無處不在
2030年前，以氫為代表的儲能系統(tǒng)將逐步替代現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機系統(tǒng)，未來數(shù)據(jù)中心將采用氫儲能作為主要備用能源方案，保證后備電力，包括新的電池技術(shù)，例如：氫燃料電池。
2022年3月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確了氫能源是未來國家能源體系的組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳的特點，推動用能終端和高耗能、高排放的行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。
元宇宙的實施是利用5G網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)超低延遲功能。這將需要在5G邊緣位置進行更高功率的計算，邊緣數(shù)據(jù)中心就成為重要的算力保證設(shè)施，現(xiàn)場儲能電力將成為可靠供電的保證。氫能將成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，氫燃料電池的功能一開始很像柴油發(fā)電機，提供瞬間的負載支持，甚至是連續(xù)運行。從2025年以后至2030年將進行更廣泛的部署。
另外，除了氫能源以外，鋰電池技術(shù)也作為過渡階段的不間斷電源系統(tǒng)將在元宇宙邊緣數(shù)據(jù)中心并存部署，為數(shù)據(jù)中心提供持續(xù)動力保證。
（四）“液冷”廣泛應(yīng)用于實際場景
到2030年，絕大部分數(shù)據(jù)中心的功率密度將超過50千瓦，大型和邊緣數(shù)據(jù)中心都將采換熱效率極高的相變冷板液冷和浸沒相變液冷等技術(shù)，所有數(shù)據(jù)中心的PUE都可以達到1.05~1.1之間。大型數(shù)據(jù)中心的機柜將以液冷Tank為主，超級算力的液冷服務(wù)器將支持80℃的冷卻液溫度，算力Tank的外部管路具備向外圍提供供熱服務(wù)的能力，較高品味的熱源將被集中使用于生活供熱、商業(yè)用熱、農(nóng)業(yè)用熱等。
邊緣數(shù)據(jù)中心的機柜將普遍采用相變冷板集成的高性能服務(wù)器。相變冷板技術(shù)將成為冷板液冷的主流技術(shù)，不但傳熱效率高，而且系統(tǒng)簡單易大規(guī)模部署。
除了浸沒液冷和冷板液冷以外，根據(jù)地方優(yōu)勢而發(fā)展的新型數(shù)據(jù)中心也百花齊放，例如：沿海將大規(guī)模部署海底數(shù)據(jù)中心艙，海底數(shù)據(jù)中心將在廣東、福建、山東大量部署，發(fā)揮越來越重要的作用，為元宇宙帶來更多的利益。海底數(shù)據(jù)中心省電、省水、省地，能完全利用海水實現(xiàn)全年自然冷卻，再匹配變頻泵、空調(diào)群控等技術(shù)，可以將整體PUE低至1.1以內(nèi)，是沿海地區(qū)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的強力趨勢。
此外，在靠近大壩、湖泊等區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)越來越多的江水全時冷卻數(shù)據(jù)中心，直接采用長江或湖水進行全時直接冷卻， PUE可以降低到1.1以下，靠近大壩的機房還可以采用大壩的電力直供，江水全時冷卻數(shù)據(jù)中心將設(shè)計趨向于無耗水、全綠電、近自然冷源，是當前及未來的理想方案。
零碳數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)“風光”無限
到2030年，我國71%的人口將生活在城市地區(qū)。元宇宙智慧城市將為各種應(yīng)用部署人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在相互通信的同時會創(chuàng)建大量的數(shù)據(jù)，所以從現(xiàn)在到那個時候需要對衛(wèi)生、交通、安全、能源分配等設(shè)施進行優(yōu)化升級，需要有效地集成先進技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)中心平穩(wěn)運行和不間斷連接。這就對低延遲處理和實時自動化決策解決方案要求非常的高，以及在線視頻流的激增等，邊緣數(shù)據(jù)中心將在2030年左右達到最大數(shù)量規(guī)模。
那個時候越來越多的企業(yè)將其設(shè)備和系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)和運營。因此，邊緣數(shù)據(jù)中心為企業(yè)提供了一種更快速、可靠和安全的數(shù)據(jù)處理解決方案。
邊緣數(shù)據(jù)中心是為支撐更低延遲的5G新業(yè)務(wù)開展而生，通過邊緣數(shù)據(jù)中心，把云數(shù)據(jù)中心的IT資源遷移到靠近用戶側(cè)的地方，將更加靠近數(shù)據(jù)源頭，方便數(shù)據(jù)的處理。例如：智能駕駛汽車業(yè)務(wù)、遠程醫(yī)療業(yè)務(wù)等。
如此龐大的數(shù)據(jù)中心數(shù)量規(guī)模，必將產(chǎn)生強大的電力供應(yīng)系統(tǒng)，2030年所有數(shù)據(jù)中心都實現(xiàn)了碳中和，而且PUE基本都控制在1.1以內(nèi)，大型算力中心PUE將在1.05左右，根據(jù)地區(qū)需要部分數(shù)據(jù)中心采用熱回收，PUE可以控制在0.5左右。
強大的虛擬電廠將為數(shù)據(jù)中心提供清潔電力，風電、太陽能電力將發(fā)揮巨大作用，風電以陸上風電、海上風電組成，太陽能以光伏、光熱電站為主，光伏又以陸上光伏和海面光伏為主，太空太陽能發(fā)電廠也開始并入電網(wǎng)。
我國為了實現(xiàn)碳中和，必須在新能源方面加大投入，尤其是風能、太陽能，按照目前我國的雙碳行動方針，預(yù)計到2050年，我國社會風電占比約40%，太陽能占比23%，太陽能和風能將占據(jù)社會能源電力的63%，真可謂是“風光”無限。
我們試想一下，2050年的我國數(shù)字能源的發(fā)展是什么樣的？風能、太陽能、水力發(fā)電、核電將成為能源主力，氫能源無人駕駛車大規(guī)模普及，每個家庭都配套了太陽能發(fā)電和儲能系統(tǒng)，基本依靠太陽能自給自足。登月、上火星已不再新奇，太空太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟并大量部署。
量子計算機已經(jīng)進入眾多領(lǐng)域并開始普及，光子芯片逐漸取代了硅基芯片，每個家庭都擁有一臺仿生機器人。元宇宙已經(jīng)接近于實際，每天8個小時可以在元宇宙學習工作，你期待嗎？
而支撐這一切的就是數(shù)據(jù)中心的"算力"、"電力"，元宇宙的能量之源！
