预计到2025年，中国新增电力负荷187GW，相当于目前全国装机容量的9.4%，2019年总用电量的21.3%。城市地区的5G基站、边缘计算服务器、电动汽车充电桩等，将对现有城市配电网络产生巨大影响。西部地区大规模建设大型数据中心，将增加本地用电量，降低外送功率，改变“西电东送”格局。如果数字基础设施的能源强度得不到有效控制，数字经济的低碳效应将大打折扣

运维人员配合机器人对特高压淮南变电站电力设备进行巡检。图/IC

正文 | 陈新华

数字技术是我们在这次疫情中最大的帮手，也是疫情过后“新基建”的最大受益者。据国家发改委介绍，“新基建”主要涉及数字技术，包括信息基础设施和融合基础设施。信息基础设施包括以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以及以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等。融合基础设施主要是指互联网、大数据、

数字技术消耗能源。当您使用手机或电脑发送微信或参加在线会议时，您家中的路由器或您周围的移动通信基站会将您的信息传输到服务提供商的数据中心，在那里进行计算和处理，然后返回到您的手机或手机。在您的计算机上，完成您的社交或会议功能。在这种场景下，除了你的手机或者电脑的耗电，后面的路由器、移动基站、数据中心都在耗电，而且耗电量比你的手机或者电脑要大很多。

当今所有数字技术设备均由电力供电，凸显了安全、稳定和不间断电源对现代社会运行的重要性，而新数字基础设施中最大的用电量将来自 5G 基站、数据中心、边缘计算服务器和终端设备。

由于这些消耗之前没有系统分析过，超出了传统能源工作者的范围，因此普遍认为数字新基建的能源消耗并不高。本文分析了数字化新基建对电力需求的影响，并以2025年为时间节点，估算了可能的新增电力负荷。电力供应的结构性变化被高度重视。

01

5G基站能耗：2025年可能新增53GW

用于无线通信的基站是移动设备和固定线路之间的连接点。根据七个国际移动通信标准化组织组织的3GPP（“The 3rd ”，The 3rd of）的规则，无线基站分为四类，即宏基站、微基站、微微基站和毫微微基站。它们的具体参数如表所示。

我们通常所说的4G或5G基站是指宏基站。通过宏基站与微基站、微微基站、毫微微基站的结合，可以实现城区的全区域覆盖。

随着无线通信从1G到5G的发展，使用的频段越来越高，导致信号传输距离逐渐缩短，基站覆盖范围缩小。因此，需要部署更多的基站。市区4G基站的覆盖半径为1000米到3000米，而5G基站的覆盖半径则根据使用的频段（电信3.4-3.5GHz；联通< @3.5-3.6GHz；移动2.5-2.6GHz和4.8-4.9GHz）不同，一般在300米和450米。据中国信息通信研究院副院长何桂丽介绍，

据何家爱、刘晓存《关于基站节能减排措施的探讨》统计，基站（指宏基站，下同）的功耗以主要设备为主（45% ) 和空调系统 (40%)。15%用于电力系统和其他设备用电。其他相关文件显示，对于5G基站而言，通信设备能耗与站内其他辅助能耗之比平均约为50:50。由于5G网络的高带宽、高流量、高发射功率，单站能耗明显高于4G。根据中国通信标准化协会的数据，各大运营商5G基站主设备空载功耗约为2.2-2.3kW，满载功耗约为3.7-< @3.9kW，是4G单站的2.5倍-3.5倍。按照基站主设备能耗与空调等辅助能耗45:55的比例计算，5G基站满载功耗为8.2-< @8.7kW，而4G基站的总能耗为2-2.5kW。是4G单站的5倍。按照基站主设备能耗与空调等辅助能耗45:55的比例计算，5G基站满载功耗为8.2-< @8.7kW，而4G基站的总能耗为2-2.5kW。是4G单站的5倍。按照基站主设备能耗与空调等辅助能耗45:55的比例计算，5G基站满载功耗为8.2-< @8.7kW，而4G基站的总能耗为2-2.5kW。

华为在去年10月的全球电信行业能效峰会上发布了《5G通信电力目标网络白皮书》，描述了5G基站建设的电力系统要求。白皮书显示，如今的5G基站平均功耗为6kW，满载功耗为8kW。三年后，随着大功率多发多收天线（MIMO）的普及和移动边缘计算的嵌入，基站的平均功耗将增加到10.4kW，满载功率可达13.7kW。五年后，随着毫米波（mm Wave）等新技术的应用，基站能耗平均会上升到13.4kW，

基于其高用电需求，建设大型5G基站（一个10kW耗电量的基站每年要花费7万元以上）带来的电费，不仅是电信运营商难以承受的负担，也适用于城市配送网络。这也是一个非常严峻的挑战。在5G基站建设之前，需要对现有电网及其配套设施进行扩建。

作为“新基建”的核心内容之一，三大电信运营商和全国多个省市纷纷出台5G专项发展规划。

据中国信息通信研究院统计，截至今年4月，中国已开通5G基站25万个，5G套餐用户已超过7300万。赛迪研究院2020年6月发布的一份研究报告估计，到2020年底，全国5G基站将达到63万个。随着“新基建”的推进，未来几年基站数量肯定会大幅增加。

据国信证券统计，目前全国有544万个4G基站。因为5G基站覆盖的距离比4G短，保守的4G基站需要1.2个5G基站来计算，需要650万个5G基站来替换现有的4G基站国家。如果每个5G基站的平均总功耗为7kW（非满载功率），则相对于4G的新增用电量计算为5kW，假设5G将通过改造替代三分之二的4G基站五年内全国。这相当于改造433万个基站，需要额外增加21.65GW的电力负荷。

4G移动通信的应用主要在民生服务领域（如手机），而5G的广连接、高传输速度、低时延不仅大大提升了民生服务领域的应用，而且还结合了4K/8K高保真电视和VR。/AR（虚拟现实/增强现实）、全息视频等技术，5G将进一步提升互联网在娱乐新闻、智慧教育、远程办公、医疗健康等领域的体验，同时还提供自动驾驶、工业物联网等应用。有可能，但基于4G改造的5G基站将无法满足这些特定环境下大数据的高速传输需求。

如果商业模式成熟，工业、交通等应用场景将部署更多5G基站，相应的电力需求和配网设施投资也会增加。如果与民生领域按1：0.5计算，即工业、交通等领域将新增5G基站218万个，车联网5个年。每个基站的功耗为7kW。电力需求约15.26GW。

以上2025年5G基站用电负荷增加量（21.65+15.26=36.91GW）是基于当今5G基站平均7kW。如果按照华为的白皮书，3年后5G基站功耗几乎翻倍，平均达到10.4kW，满载功率达到13.7kW，那么2025年5G基站总功耗会更高。在上述白皮书中，华为预测，到2026年，中国电信运营商将拥有475万个5G宏基站和950万个采用毫米波技术运行的小微基站。按照这个预测，如果到2025年，有400万个宏基站，全部采用毫米波技术，每台耗电15kW，

除了上面分析的宏基站的能耗，微基站、微微基站、毫微微基站的能耗比宏基站的数量还要大数倍，也值得关注。宏基站适合广域覆盖，微基站偏向局部覆盖，pico基站相当于企业级WiFi，femto基站相当于家庭路由器。微基站主机耗电1kW，空调辅助设施2kW/座。Pico基站一般安装在室内，没有独立空调，每个座位的功耗在800W左右。

一个普遍的估计是，如果只考虑微基站，2025年将建成800万个微基站，每个微基站的功耗为2kW。与现有的4G微基站相比，如果负载增加1kW，则负载需要增加8GW。企业级微微基站的数量超过了微基站。如果到 2025 年新建 1000 万个新基站，每个基站消耗 800W 功率，那么将额外增加 8GW。

综合以上分析，粗略估计2025年5G基站（包括宏、微、微微基站）用电负荷将增加53GW以上。

准确测算5G对电力需求的影响，涉及到两个核心参数：5G基站单站功耗和5G在全国的铺开速度。很难在短时间内大幅度降低单站的功耗。反而会随着性能的提高而大大增加。关键要看基站的推广速度：5年内能不能完成三分之二的4G替代？5G应用能否创造足够的价值，在工业物联网、交通、车联网等领域实现大规模推广？这是确定 5G 基站新增电力需求估算的主要不确定因素。另一方面，

02

数据中心能耗：2025年可能新增78GW

与5G基站相比，数据中心消耗的能源更多，对电力系统的影响也更大。

数据中心是集中存储和处理数据的地方。小的是一个房间，大的可以是一栋楼，也可以是几栋楼。数据中心由一排排机架（或机柜）组成，机架大小不一，大的和集装箱一样，方便运输和安装。一个数据中心可以有上千个甚至上万个机架，可以通过管理软件进行组合。机架内部是由众多芯片组成的服务器（）。这些服务器和我们平时的电脑一样，都是用电来供电的，用电后产生的热量通过附着的金属片散发出去。

为使服务器在稳定的温湿度环境下（18℃-27℃，湿度60%以下）运行，服务器产生的热量需要排到室外，需要额外的电源给数据中心降温。此外，数据中心需要非常可靠的电源，并且都有自己的备用电源。数据中心的能耗非常高。目前，全球大型数据中心所需的电力供应超过100MW。

因为数据中心除了需要驱动服务器等硬盘设施所需的电力外，还需要辅助设施降温并提供不间断电源，所以衡量数据中心能效的一个重要指标是其总能耗和实际能耗。用于驱动 IT 设施的电力。能耗之间的比值，即用电效率（Power Usage，PUE）的值，PUE越低，需要证明的辅助能量就越少。根据中国信息通信研究院的数据，2013年之前，全国对外服务数据中心的平均PUE在2.5左右，而到2019年底，这些数据中心的平均PUE接近 1.6。这 ”

未来各数据中心对电源的需求将急剧增加。图/IC

数据中心的功耗主要发生在机架上，机架可以根据安装的服务器的性能进行划分。高密度机架安装更多计算能力更强的服务器，所需的电源也更大。根据全球数据中心管理者协会（For，AFCOM）对机架密度的分类，低密度机架单位功耗小于4kW，中密度5-8kW，高密度9-15kW，超高密度16kW以上。随着新兴技术的快速发展，特别是高性能计算设备和GPU（Unit）服务器的使用，单机机架的功耗将朝着20-30kW甚至更高的规模发展。

数据中心已成为数字经济发展的基石。截至2018年底，中国各类规模数据中心总数已超过40万个。据国网能源研究院统计，2018年，全国大型及以上数据中心机架总数达到204万个。预计到2020年和2025年，这些数据中心的机架数量将分别达到498万个和802万个。国网能源研究院测算，2018年全国数据中心总用电量达1609亿千瓦时，超过当年上海用电量总量（1567亿千瓦时），占全国用电量的比重消耗 2. 35%。吕天文, 中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会秘书长在2019年的一次会议上透露，目前我国数据中心用电量连续八年以12%以上的速度增长。将达到2962亿千瓦时。

结合这两组数据，如果我们以2500亿千瓦时作为2020年全国数据中心的保守总用电量，以8千瓦作为数据中心的平均机架密度（标准机架）基站能耗管理系统，那么我们可以得到国家数据中心 2020年运行标准机架357万个，所需电力容量（包括制冷等非IT部分）支持28.5GW。

自 2015 年以来，中国的数据处理量以每年 95% 的速度增长，与全球数据量每 11 个月翻一番的速度相当。有专家预测，全球数据量将从2016年的16ZB（1ZB=10到18次方位）增加到2025年的163ZB，2021年中国人均移动数据流量将比2015年增长18倍。

随着5G、大数据、人工智能、工业物联网、区块链等技术的发展，越来越多的设备如移动设备、可穿戴设备、家用电器、医疗设备、工业探测器、监控摄像头、汽车以及随着服装等将接入互联网，各类数据以更快的速度呈指数级增长，这些海量数据也将推动数据中心向超大规模发展。中国的数据中心除了满足国内需求外，还可以为其他国家提供服务。

估算未来数据中心的总能耗也面临5G基站同样的问题：如何平衡机架数量的增加和单机架能效的提升？

一方面，据保守估计，中国数据中心的机架数量将以每年30%的速度增长。按照这个速度，2025年标准机架总数将达到1325万个，比目前的357万个增加968万个。假设单个机架的功率保持在8kW不变，1325万个机架所需的功率支持为106GW，与目前的28.@相比，净增加77.5GW的电力负载需求>5GW。

另一方面，随着技术进步和数据中心结构调整，单机能耗会下降，PUE值会进一步下降。

国际能源署在其 2017 年报告《数字化与能源》中估计，2014 年全球数据中心的总用电量占全球用电量的 1%。作为全球最大的数据中心市场，2014 年美国数据中心的功耗占全国总量的 1.8%。IEA 预计，到 2020 年，数据中心的工作负载将比 2014 年的水平增加两倍，这主要得益于服务器、存储和网络交换机等设施的能源效率提高，以及数据中心向超大规模和云中心的结构转变。中心的总耗电量只会增加3%，至。在两年后发布的 2019 年能源效率报告中，IEA 更新了这一数字，

2020年2月，该杂志发表了美国五位学者的论文《全球数据中心能耗估算的重新校准》。作者指出，得益于数据中心从小型、分散的传统数据中心向超大规模数据中心的集约化、全球服务器效率和虚拟化程度的提高，以及冷却、配电和 2010 年全年基础设施技术的不断改进年，2018 年全球数据中心计算实例（ ）增长了 550%，而同期全球数据中心的功耗仅增长了 6%。

毫无疑问，技术会不断进步，数据中心数据处理的能效也会提高，但在数据处理量快速增长的情况下，如何将新增的电力需求控制在合理的水平？这是一个需要继续深入研究的重大问题。

工信部赛迪研究院数据显示，目前全国48%的数据中心PUE值1.8以上，即为了提供1台算力，需要同时消耗0.8个单位来提供制冷等辅助服务。值得注意的是，为了降低数据中心的PUE值，拥有庞大服务器群的云计算和互联网公司纷纷在电力资源丰富、气候凉爽的偏远地区（如广西、内蒙古）建立数据中心。，但减少了原计划向东部沿海省份的电力输出。

数据中心并不是数字技术消耗电力的唯一领域。例如，比特币矿机通过建立自己的数据中心并消耗大量电力来运行特殊芯片来获取比特币。这些“矿工”还选择电费较低、气候凉爽的地区建设计算中心，进一步降低了这些地区的电力输出能力。据国际能源署统计，2019年全球比特币矿机耗电量为50-70TWh，占全球总电量的0.2%-0.3%。

03

边缘计算服务器：或增加39GW

边缘计算是指将计算和存储资源从传统云数据中心迁移到用户侧，缩短用户与计算中心之间的物理距离，在用户侧实时处理数据，以实现更低的数据交互延迟和节省网络. 流量，从而为用户提供低延迟、高稳定性的IT解决方案。

随着5G、AI和工业互联网的发展，很多业务场景都需要海量数据接入和超低网络时延。集中计算处理模式将面临棘手的瓶颈和压力，需要更多的边缘计算能力完成后，形成一种新的“云计算+边缘计算”数据处理模式，边缘计算、云计算和网络协同工作，实现最优利用计算和存储资源。

边缘计算要么将存储和计算能力放在终端设备（如手机）上，要么在应用场景中安装服务器。在中国工作期间，我有一个亲身经历。当时我们在北京有十几个人的研发中心，需要比较强的数据处理能力。北京中心虽然通过高速网络与公司在挪威和美国的其他数据中心相连，但速度和可靠性不足以支持当地的需求，所以我们在同层租用的空间中预留了一个房间我们办公室的安装服务器。这是边缘计算的一个案例。这台边缘计算服务器是耗能大户，每年电费约25万元。

5G 应用、联网汽车、工业物联网和其他城市设施的数据将越来越多地由数据边缘计算服务器处理，而不是传输到大型中央数据中心。从长远来看，边缘计算的比例要高于中心化计算中心的处理能力。边缘计算使用的处理器和机架与大型数据中心基本相同，因此可以设置边缘计算与集中计算的比例来计算边缘计算所需的机架数。2025年，如果边缘计算所需的标准机架数量是2020-2025年新建大型数据中心机架数量的一半，那么全国应用场景需要建设484万个标准机架。一个 8kW 的机架是 38.7GW。

04

终端设备：或增加17GW

除了边缘计算服务器，越来越多的计算和数据存储功能将被集成到终端设备中。这些具有智能互联功能的设备称为终端设备。

国际能源署估计，2015年全球有155亿台终端数字设备在运行，包括智能电表、视频监控、电视机、机顶盒、路由器、音响、手机、电脑、平板电脑等。它们平均消耗总计 22kWh 的电力。这些终端设备的数量在 2018 年增长到 180 亿台，年均增长 8%。

根据思科今年3月发布的《2018-2023年度互联网报告》分析预测，到2023年，互联网用户总数将从39亿增长到53亿（占全球人口的66%） 2018年（占全球人口）。51%）。但与联网设备的总数相比，这个数字相形见绌：到 2023 年将有 293 亿台联网设备，而 2018 年为 184 亿台。思科的这个数字也可能低估了一些物联网设施。据咨询公司估计，2016 年全球有近 200 亿台联网设备，到 2020 年这一数字将达到 500 亿台。

结合这两个预测，到 2025 年，全球智能设备网络应该在 500 亿左右。鉴于中国经济的规模及其在数字化方面的领先地位，占全球智能设备 10% 的份额（即 50 亿台）不是问题。假设这 50 亿台中的一半在未来 5 年内新增，即 5 年内将新增 25 亿台互联终端设备并网。

这些设备体积庞大，种类繁多，从家里的电视、音响、手机、电脑、无线路由器、监控设备，到工厂、道路、机场、车站、城市街道等各种联网传感设备。室内的5G飞行基站等等，都不能算，所需的功耗也不同。假设每台设备平均每年消耗20kWh的电量，25亿台设备就是500亿千瓦时（50TWh），如果每天运行8小时，将需要17GW的电力来支持。这些互连设备中的大部分都连接到电源并且通常处于待机模式。每台设备待机功耗1瓦，即2.5GW，年耗电量22TWh。

国际能源署在 2017 年的一份报告中预测，到 2025 年，全球联网设备，包括电视和电脑，将无缘无故地在待机状态下浪费电能，总计相当于法国和英国每年的用电量。全部的。万物互联带来的海量、大范围的待机功耗问题值得关注和解决。

05

结论和建议

5G的大规模普及对商业可行性提出了挑战，基站的高能耗也可能是其推广的制约因素之一。即便如此，数字经济的发展将进一步推动数据的爆发式增长，带动数据传输、存储、计算、应用链路和互联设备的能耗显着增加。如果数字基础设施的能源强度得不到有效控制，数字经济的低碳效应将大打折扣。

根据上述分析和粗略计算，不考虑能源效率的大幅提升和数据中心的重大结构调整，到2025年，数字基础设施的“新基建”至少需要187GW的新增电力装机容量才能支撑， 5G 基站 (53GW)、数据中心 (78GW) 和分布式边缘计算服务器 (39GW) 和终端设备 (17GW) 是主要的能源消耗者。

这个数字是基于很多假设，比如5G的推出速度、数据中心机架的增长率、机架的能耗和辅助电源需求，以及边缘计算服务器的布局数量、功耗等。终端设备级别。核心不确定性主要体现在两个方面：

一方面是数字基础设施建设的实力。5G推出的速度取决于它带来的价值，是否有足够的经济动力达到本文假设的基站数量存在不确定性。

基于未来几年数据爆炸式的指数增长，它的应用可能会超出我们今天线性思维的想象，对数据存储和处理的需求肯定会大幅增加。30%的数据中心规模年增长率应该还是比较保守的。假设。

另一方面，IT 设施（包括服务器）的能效改进在多大程度上可以减缓数据中心的电力需求。数据中心的PUE从2013年的2.5下降到现在的1.6。未来仍有下降空间，但幅度不会像往年那么大。服务器的功耗取决于芯片技术，未来几年的下降在短时间内不会太大。

准确估计数字基础设施的电力需求需要更详细和严谨的研究。

你可能会说，5年增加187GW对于中国目前的装机容量来说还不到10%，没什么好大惊小怪的，但有三点值得我们关注：

一是这些数字基础设施的不间断运行所消耗的电力比例高于其装机容量。170GW的5G基站和数据中心全年需要连续运行8760小时，用电量是2019年全国用电量的21.3%，加上17GW终端设备消耗的50TWh。如果2019-2025年用电量以每年3%的速度增长，2025年数字基础设施将占全国用电量的17.8%。随着数字经济的不断发展，这一比例将快速上升.

二是这些数字基础设施的布局。大量数字技术应用场景将发生在城市，需要安全、稳定、优质、不间断的供电。加之充电基础设施作为新基建组成部分的加速部署，城市电力系统面临着巨大的扩容和转型压力。

三是数据中心布局西移对当前中国“西电东送”格局的影响。需要评估广西、云南、内蒙古等地数据中心布局对现有或规划中的西电东送项目的影响。

为此，建议国家高度重视“十四五”数字新基建带来的电力需求急剧增长和电力布局变化，做好满足增量电力需求的工作。需求和优化电源布局。具体有以下几点：

一是充分考虑数字技术基础设施对增量电力的需求，结合疫情后其他领域电力需求趋势分析，科学合理规划建设新型电源特别是清洁电源，保障全国用电。供应保证。

二是同时考虑建设数据中心和分布式能源生产（风、光、水和各种热泵），以尽量减少对电网的电力需求。在数字基础设施建设密度高的东部沿海地区部署更多电源，一方面满足新增电力需求，另一方面弥补建设带来的西电东送减少西部的数据中心。

三是做好5G基站、边缘计算中心、电动汽车充电桩城市布局所需配电网改造建设规划。5G基站建设要与推广应用同步，鼓励电信运营商共建共享5G基站，减少重复布局。

四是继续加大5G基站和数据中心节能力度，鼓励分布式光伏和无线基站综合发展，挖掘利用数据中心余热为社会供热的潜力，并纳入余热利用纳入数据中心PUE能效评价指标。

此外，全社会数字基础设施用电量占比上升，也可能改变用电量与经济增长的线性关系。用电量能否继续成为经济增长的风向标，值得研究。

作者是总统。感谢陶雄强博士和刘文强博士对本文的数据支持，以及王光辉先生和吴寅先生对初稿的意见；编辑：马克。最初发表于 2020 年 7 月 6 日的《财经》杂志