数字化与绿色化深度融合 推动新型基础设施低碳发展
2021-12-08 来源：国家发展改革委
导读：党中央、国务院高度重视新型基础设施建设，中央经济工作会议和政府工作报告提出明确要求，“十四五”规划《纲要》作出专门部署。为使社会各界更好理解“十四五”时期新型基础设施建设的形势，了解发展的主要任务，国家发展改革委组织有关专家学者对热点问题进行研究，提出意见和建议。本期推出“数字化与绿色化深度融合 推动新型基础设施低碳发展”主题。
启航“十四五”，我国生态文明建设已进入由量变到质变的关键时期。党中央、国务院高度重视经济社会绿色低碳发展，习近平总书记多次强调要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。新型基础设施不仅是节能减碳的重要领域，更是赋能千行百业实现“双碳”目标的原动力。多年来，信息基础设施积极推动绿色发展，强化绿色技术应用推广，单位信息流量能耗已大幅下降。但随着经济社会数字化发展的提速，新型基础设施进入快速发展期，其能耗总量大幅上升，绿色转型面临较大压力。因此，“十四五”期间持续推动低碳发展是新型基础设施建设的重要方向。
一、“十四五”期间新型基础设施总体能耗快速增长
近年来，信息通信领域积极采用先进技术，大力推动节能减排和绿色转型工作，信息基础设施能源使用效率持续提升，绿色节能工作效果显著。根据统计，通信行业单位信息流量电能耗已从2017年的54.4 kWh/TB下降到2020年的31.7kWh/TB，三年间下降幅度高达42%。其中，基站能效随着5G网络规模化部署及相关节能技术的应用大幅提升。中国信息通信研究院泰尔系统实验室对目前4G/5G现网全部主流基站测试的结果显示，在峰值吞吐量的情况下，5G基站能效是4G基站能效的12倍。而数据中心方面的电能使用效率（PUE）也在持续下降，行业内先进绿色数据中心PUE已降低到1.1左右，达到了世界领先水平。
尽管单位信息流量耗能持续下降且相关能效大幅提升，但随着人们进入快速发展的数字化社会，对网络、计算、存储资源需求飞速增长，“十四五”期间新型基础设施尤其是信息基础设施，仍面临着突出的节能降耗压力。
以信息基础设施中的耗能大户数据中心为例。近年来我国数据中心需求以年均30%的速度增长，目前我国数据中心机架总规模已超过500万架。随着数据中心规模的扩大，数据中心总体能耗保持快速增长状态。根据测算，2017至2020年我国信息通信领域规模以上数据中心年耗电量年均增长28%。其中2020年达576.7亿kWh，是近几年涨幅最高的一年（见图1）。按照未来数据中心机架数量年均30%的增速，预计到“十四五”末，其年用电量将在2020年基础上翻一番。这对数据中心的绿色低碳发展形成巨大的挑战。
图1 数据中心能耗变化趋势（单位：亿kWh）
数据来源：中国信息通信研究院根据相关行业数据测算。
又如，通信基站是信息基础设施能耗的第二大户。根据对我国三大基础电信运营商的统计，“十三五”期间我国通信网络能耗持续增长，2020年我国通信基站耗电量达465.8亿kWh。尤其是2019年5G商用后，大规模部署的5G基站带来的能耗增速较快，2019和2020年同比增速分别达到28%和19%（如图2所示）。按照“十四五”末5G基站总数达到372万站，单站功耗为2kW进行计算，到“十四五”末，5G基站的年耗电量约为815亿kWh。考虑到采取2G/3G基站减频、节能减排工作的进一步深入及4G/5G共站址建设等措施，按照年平均降低能耗率为5%进行计算，预计2025年通信基站总耗电量约达到1050亿kWh。中国电力企业联合会公开发布《中国电力行业年度发展报告2021》中提出，2025年我国全社会用电量将高达9.5万亿kWh。按上述数据得出，2025年通信基站耗电量约占全社会用电量1.1%。
图2 我国通信基站耗电量情况（单位：亿kWh）
数据来源：国内运营企业提供的数据。
二、节能压力倒逼新型基础设施绿色低碳发展
为了应对快速增长的能耗压力，持续提高信息基础设施能效，助力基础设施降本增效、实现减排中“碳达峰、碳中和”目标，近年来产业界积极探索和开发绿色低碳技术并进行推广应用。
在数据中心层面，业界积极探索IT设备、配套设施以及整体层面的绿色低碳新技术。IT设备方面，持续推进利用云计算等技术将数据中心资源池化、虚拟化，大幅提高相同能耗水平下服务器的利用率。云间互联、云网边协同、多云灾备等技术将大幅提升整体网络能效。与此同时，主设备与配套设施一体化建设的数据中心微模块技术，也在助力提升数据中心能效中发挥重要作用。制冷技术方面，列间制冷、背板制冷等近端冷却技术以及间接蒸发冷却等利用自然冷源的节能技术得到规模化应用，节能减排效果显著。同时，以液冷技术为代表的新型制冷系统已逐渐成熟，正在稳步推动其产业化进程。供配电系统方面，模块化UPS、高压直流供电、一路市电直供一路保障电源等技术的落地应用，有效降低供配电系统的电能损耗。随着光伏等新能源系统成本的下降，数据中心绿色能源直接供给容量占比也不断攀升。在数据中心整体层面，通过对数据中心温度、湿度、电压、电流、功率等各项数据采集与分析，并通过人工智能和大数据技术实时动态优化各专业领域设备、系统的工作状态的综合用能管理技术也在持续推广。此外，数据中心余热回收技术的应用，也有效提升了全社会的用能效率。
在5G基站方面，分别从网络、主设备和配套基础设施等层面全面推进绿色基站建设。网络和主设备层面，全网推广无线网络亚帧关断、通道关断、浅层休眠、深度休眠等软件节能技术，通过基于负荷的主设备不同的工作状态控制，实现5G网络能效大幅提升。同时，无线网络采用C-RAN架构建设，简化电源、空调配置，降低配套设施耗电，提升基站总体能效。积极推进5G网络和基站的共建共享，大幅降低碳排放量。配套设施层面，同步推广包括新风、热交换、热管等自然冷源应用方案，与传统的基站空调相比较，能效提升至数十倍。此外，在有条件的地区，建设光伏或风能系统，通过优先利用可再生能源技术鼓励应用更多的绿色能源，实现源头减碳的目标。同时采用升压供电技术以及数字储能技术，持续推动基站供电系统能效提升。
在通信网路方面，积极建设全光化、广覆盖、大容量、扁平化、智能高效的云网融合信息基础设施。通过光纤接入替代铜缆接入，打造全光传送网，有效减少光电转换，大幅降低网络能耗。着力打造“一张物理网、多张逻辑业务网”，减少网络节点设备数量及能源消耗。骨干网引入大容量高能效网络设备。部署SRv6/EVPN/FlexE等网络新技术、引入端到端SDN控制器，提升网络智能化、服务化能力。此外，开展2G精简和3G减频工作，并淘汰老旧高耗能设备等，持续提高网络效能。
三、新型基础设施助力千行百业低碳发展潜力巨大
新型基础设施不仅自身是节能减碳的重要领域，更是赋能千行百业进入绿色低碳发展道路的助推器。新型基础设施促进大数据、云计算、人工智能、物联网等数字技术在我国重点用能领域的利用，一方面能够通过能源优化、成本优化、风险预知及决策控制等多方面帮助降低碳排放，另一方面助力实现碳资产数字化管理和碳排放追踪。根据全球电子可持续发展推进协会发布的《SMARTer2030》报告显示，未来十年内数字技术有望通过赋能其他行业贡献全球碳排放减少量的20%。
以工业互联网为例。工业互联网可以助力研发设计，基于人工智能、大数据等技术，快速研发低碳产品，实现源头减排。其次，工业互联网可以助力生产制造，实现过程减排。如企业可以利用工业互联网传输生产设备运行数据等，并通过深入分析优化现场计划排程、物料调度，提高能源及物料的利用效率。又如，工业互联网可智能控制重点设备，搭建高炉专家系统，实时优化工艺操作，达到高效利用能源目的。还可基于机器视觉等技术，对废物废料进行定级，提高资源再利用率。此外，推动能源集中管控平台建设，通过深度分析不同能源种类对应的能耗数据，合理制定用能计划，进一步加大绿色能源使用比例及综合用能效率。
又如智慧能源基础设施。在发电环节，智慧能源基础设施可通过人工智能与大数据技术，在预测未来天气情况的基础上，灵活调配传统发电容量，助力构建“以新能源为主体的新型电力系统建设”。在输配电环节，智慧能源基础设施还可以有力推进电网的输配电网路的智能运维、状态监测、故障诊断综合管理能力，通过边云协同实现电力物联全面感知基础上，综合利用新一代数字技术，提高设备故障响应速度和运行维护效率。在用户侧，智慧能源基础设施能够助力用户精细化管理自身能源消耗，精准快速定位高能耗、高碳排放用电环节，智能分析用户用电行为，从而帮助用户优化电力调度和匹配方案，达到提升用电效率，降低碳排放的目的。
再如车联网等智能交通基础设施。在车辆方面，车联网可助力车辆智能化、电气化，帮助车辆实现通行引导、并线辅助、编队行驶、生态路径规划等智能驾驶场景，通过数字化手段协助司机规避突发事件或恶劣路况带来的急加减速、无效怠速等驾驶行为，有效降低驾驶能量消耗。在交通管控方面，车联网可实现“人-车-路-站-云”协同，可打造十字路口优先通行、精准引导、超视距感知等应用功能，提升车辆的行驶安全和运行效率。在公众出行方面，车联网可优化公共交通服务水平，促进社会群体出行习惯转型，有效提升车辆使用率、共享率，实现综合碳减排。
四、“十四五”期间新型基础设施绿色低碳发展路径
“十四五”既是我国“双碳”发展的关键时期，也是我国新型基础设施建设的重要窗口期，我们既要积极推动新型基础设施的节能降耗，更要充分发挥信息基础设施绿色赋能作用，推动数字化和绿色化深度融合，助力经济社会发展开启绿色低碳之路。
（一）大力推动能源结构绿色转型。促进新型基础设施的能源供给从传统的煤炭、石油、天然气等化石能源，逐步向非化石能源转型。如在数据中心领域，以自建可再生能源电站或购买绿证等方式，实现能源绿色供给。在通信基站机房领域，建设叠光、叠风型基站，优先利用可再生能源方面加快能源结构绿色化升级。
（二）持续提升能源使用效率。大力推进新型基础设施节能技术和绿色技术研发及应用。在信息基础设施领域用能侧，如主设备、制冷系统和供电系统内推动节能减排技术应用，实现节能减碳的目标。落实《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，加快实施“东数西算”工程，优化数据中心布局。加强技术攻关能力，突破绿色低碳技术瓶颈，加快在网应用进程。建立健全绿色低碳标准体系，引领行业低碳发展。
（三）大幅降低碳排放及环境影响。积极开展新型基础设施生产过程中减少废水、废气及废渣排放工作，通过控制有害物质排放，减少环境影响。通过推进废弃产品回收利用制度和跨领域跨行业梯级应用，延长使用寿命，降低环境影响。此外，将无利用价值的废弃产品递交至有资质回收处理企业，力争资源最大化利用和无害化处理。
（四）促进能源综合利用与资源循环利用。从能源和资源两个维度促进循环利用。能源综合利用方面，搭建综合能源管控平台，搭建“云-管-边-端”架构，采集全流程相关数据，利用相关算法及信息技术等实现智能预测、决策分析和远程控制，综合提升能源使用效率。资源综合利用方面，推动信息通信领域与其他领域协调统筹，如推进数据中心余热回收并自用或输送至办公楼宇或周边酒店、游泳池等场所供暖系统等方式大幅提升能源、资源的综合利用水平。
（五）充分发挥信息基础设施赋能作用。大力推动信息基础设施与传统领域的结合，发展融合型基础设施。基于新型基础设施，大力推动数字技术赋能高耗能领域绿色化转型，打造绿色制造、可持续能源网络和低碳交通网络等，助推我国产“双碳”目标的实现及“美丽中国”建设。（作者：齐曙光 中国信息通信研究院泰尔系统实验室副总工程师 ）
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