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元宇宙时代的能量之源

2021年是元宇宙元年，之后我们就进入了元宇宙时代，尽管它只是概念，但它的未来将联络我们整个世界。元宇宙最值得让我们思考的问题是:它的“能量”或“动力”到底从哪里来？

比如电能，电能是支撑元宇宙数据中心的主要动力，没有电，一切都是空谈。我国目前主要的电力是火电（煤电和气电）、水电（水力发电和抽水蓄能）、风电、太阳能（光伏和光热）、生物质等五个方面。其实这些都是太阳能，因为太阳内部时刻发生着核聚变，核聚变的能量通过太阳辐射来到地球，所以我们的绝大多数能源都是太阳的核聚变。

除了来自太阳的能量外，地球上还有其它的能量来源，比如：地热、人造的核能（核裂变和可控核聚变）、潮汐能等。

了解了能源的来源，我们来谈一下元宇宙对能源的依赖。元宇宙是一个可以大规模连接的虚拟现实场景。我们目前处在元宇宙的初级阶段，元宇宙基本场景的实现至少需要10年，大约在2030年会完全改变我们的生活方式。

元宇宙未来走向何方？我们无法预判，但是可预见的是“算力”将逐渐同“电力”、“水力”一样重要。智能汽车、金融科技、智慧医疗、量子计算等应用的落地，无不需要庞大的算力，算力的基础就是元宇宙数据中心，而数据中心的动力又是绿色电力，那么绿色的电力到底从何而来呢？这是未来战略性的问题。

自2021年元宇宙诞生以来，越来越多的迹象表明元宇宙有望成为下一个具有战略意义的竞争领域。元宇宙需要强大的计算能力，因此需要大量的数据中心来支撑。元宇宙的数据中心包含大型的计算数据中心和小型的边缘数据中心，而我们目前的数据中心还不具有这种级别的算力。在2030年时，元宇宙中的每个环境、对象和化身都将以数字方式驻留在数据中心里，数据中心将这种沉浸式体验可靠地提供给想要同时参与并具有低延迟的每个人。而边缘数据中心就是元宇宙的支撑平台，边缘计算能将应用程序和数据尽可能地靠近用户，这正是元宇宙无缝体验所需要的本地计算能力，可以很好地解决网络延迟和拥塞风险。到2030年，大量的元宇宙边缘数据中心将会按需而生，带来的电力需求也将是巨大的。按照目前的情况，到 2030 年，全国数据中心年耗电将超过6000亿度，占我国总用电量的5.5%。

元宇宙数据中心的高能耗让我们不断寻求节能降耗的方案。液冷结合自然冷却等技术将成为元宇宙数据中心的主要冷却方式，液冷数据中心将支撑元宇宙等应用的发展。到2030年，元宇宙的边缘数据中心功率密度将会达到50~100千瓦，液冷冷却的场景将会和高性能的服务器完美融合，数据中心PUE将降到1.1以下。余热回收技术将在数据中心全面普及，通过热回收将数据中心余热进行二次利用，数据中心的综合PUE小于1，甚至达到0.5左右，数据中心将实现零耗水、零碳排，完全采用绿色电力供应。

元宇宙之“电力元宇宙”

元宇宙时代的边缘数据中心耗电量巨大，在能源转型大势下，到2030年，我国电力能源结构主体已经不再是煤、石油，而是创新开发的新能源，包括新能源矿物质、新材料的科学创新等，同时“核能”将成为算力数据中心的主要能源之一。

2030年后，核能将逐渐发展为绿色能源的主力。除了太阳能光伏、光热以外，像风能、水能都属于来自于太阳的核聚变能量。它们是清洁、低碳、可再生的。而另一类就是人类的可控核聚变，也就是人造太阳。目前我国的核电是依靠铀元素裂变来产生核电，我国现储铀矿量将支持核电至2030左右，之后将由钍基熔盐堆核电站代替铀核电站，继续支持元宇宙时代的超级电力，到2045年左右，“人造太阳”可控核聚变将开始投入商业应用，到2050年，核能电力将达到我国电力主体的16%左右。

2030年核电力将大约占据我国电力主体的10%，和太阳能、风能、水能一体占据我国能源结构的56%左右，化石能源电力将缩减至44%。但2022年我国电力能源的65%仍为火力发电，也就是化石能源为主的能源结构，无论是实现碳达峰还是碳中和，节能、提效是战略之首。

根据2022年的数据，我国能源强度是世界平均水平的1.3倍以上。通俗来说，世界GDP产生1美元需要消耗的电量是1度电，而我国GDP产生1美元需要消耗的电量是1.3度以上。若到2030年，我们能将能源强度从1.3降低至1.0就意味着我国在GDP不变的情况下，每年的电力电耗可以降低30%。降低能源强度主要通过产业结构调整、技术进步及企业管理和企业文化建设等方式。

双碳目标实施路径的核心在于两个构建：一个是构建清洁低碳安全高效的能源体系；二是构建以新能源为主体的新型电力系统。即我国未来要重点减少化石能源总量，着力提高能源利用效能，实施可再生能源替代，以及深化电力体制改革。比如纵向的“源网荷储”一体化，横向多能互补，把可再生能源（尤其是是风能、太阳能）和智能电网及各种储能技术相集成，使电力系统具备柔性和平衡功能，达到优质电力输出，这就是智能电网。

有了智能电网的保证，到2030年，我国电力总体需求量大约为11万亿度，56%为清洁能源，其中风电占22%，太阳能占8%，水电占14%，核电占10%，生物质能2%，可以保证数据中心领域在2030年实现碳中和。

我国智能电网的元宇宙目前正在完善和成熟，预计在2030年左右将发挥巨大的作用，电力调度元宇宙是基于元宇宙理念和技术体系，针对复杂电力调度业务需求而构建的专用数字化平台。电力调度元宇宙将融合云计算、物联网、数字孪生、人工智能、人机交互等技术构建元宇宙技术体系，创建多级调度、协同合作的数字化指挥空间，探索电力调度自动化技术体系新发展趋势。在电力调度元宇宙中，电网物理实体、抽象实体、“数字分身”等多要素对象将进行虚拟构建、信息共享和互动共生。

电力调度元宇宙作为一种创新型的数字化平台，将为我国电网带来以下几方面的意义：

（一）智能化调度水平。通过人工智能对电网全面感知、分析和优化，对终端用户和数据中心的供电将非常稳定，无须担心电力中断的问题。

（二）电力协同调度能力。通过构建多级调度、协同合作的数字化指挥空间，具备跨区域、多电厂、多路径、长距离灵活供电的能力，能应对自然灾害和战争等造成的风险，保证数据中心电力的可靠供应。

（三）提前预警能力。通过建立与真实世界同步更新的数字孪生模型，实现对电网运行风险的及时预警和有效防控，增强电网的健壮性。

（四）数字化虚拟管理。通过采用虚拟现实、增强现实等交互手段，以实现高效实时的在线管理。

有了电力元宇宙，我国在智能电网上实现100%自动化，到2050年，我国社会将进入高度人工智能的时代，我国社会用电量比现在大约会翻一番，达到15万亿度。90%的电力将为新能源电力。这一切都要归功于“电力元宇宙”！

元宇宙数据中心的“机智”冷却

上面提及元宇宙离不开数据中心的保驾护航，而数据中心的碳排放已经引起我们的注意，2022年，我国社会碳排放总量约106亿吨，数据中心碳排放总量约为1.66亿吨，约占1.56%，在当前2023年的政策背景下，我国数据中心将着力解决能源和水资源的消耗难题，伴随而来的是数据中心行业也将面临更为严格的能源管控。在“双碳”政策和人工智能Chat GPT等大算力应用的推动下，2023年以后的数据中心将逐渐呈现以下四个趋势：

（一）零耗水、低能耗是标准

2022年我国数据中心耗电量占全国电耗量的3.24%，预计到2030年元宇宙数据中心用电量将突破6000亿千瓦时，占社会总用电量的5.5%。数据中心将继续采取措施进行自我监测和节能，并且将越来越倾向于选择零耗水的制冷方案，水冷系统陆续被高效技术的氟系统代替。在2023年到2025年的时间里，水系统冷却逐渐退出，氟系统将取而代之，例如：PHU整体式氟泵机组、磁悬浮相变多联系统等。

这些新型的氟系统机组系统简单、维护量小，不仅零耗水，且PUE可达到1.2以下，在未来不长的时间内可以作为过渡方案。但随着元宇宙等数据中心功率密度的提升，2025年以后，以冷板液冷、浸没式液冷为基础的冷却技术将成为元宇宙数据中心的主要冷却方案。

而在大型算力数据中心将采用相变浸没液冷技术，为超级算力模块进行冷却。

（二）工业化快速集成的场景特点

工业化集成数据中心将成为未来所有数据中心的主要特征。因为未来数据中心的需求要在短时间内融入实际场景并快速投入应用，实现电力、冷却、计算等模块的快速对接和部署，所以电力、制冷、算力模块需要在工厂完成测试和封装，以此减少现场的工作和对环境的依赖，做到出厂即部署，部署即上线。

大型算力中心数据机房仍以钢结构工业化预制为主要建筑形式实现快速部署交付、任意扩容，例如：海悟的微模方等。

与原来传统的数据中心相比，其内部的IT机柜将以更高功率的液冷服务器为主。工业预制化的边缘数据中心对外部环境依赖非常小，只是根据场景的需求部署，从生产到交付使用可以缩减至15天以内，比如集装箱、海底舱、拼装预制板房等，以满足快速落地、快速适应的需求，不依赖于场景环境，易回收利用，对环境污染最小。

（三）“氢”洁能源无处不在

2030年前，以氢为代表的储能系统将逐步替代现有数据中心柴油发电机系统，未来数据中心将采用氢储能作为主要备用能源方案，保证后备电力，包括新的电池技术，例如：氢燃料电池。

2022年3月，国家发改委、能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，明确了氢能源是未来国家能源体系的组成部分，充分发挥氢能清洁低碳的特点，推动用能终端和高耗能、高排放的行业绿色低碳转型。

元宇宙的实施是利用5G网络来实现超低延迟功能。这将需要在5G边缘位置进行更高功率的计算，边缘数据中心就成为重要的算力保证设施，现场储能电力将成为可靠供电的保证。氢能将成为战略性新兴产业的重点方向，在数据中心领域，氢燃料电池的功能一开始很像柴油发电机，提供瞬间的负载支持，甚至是连续运行。从2025年以后至2030年将进行更广泛的部署。

另外，除了氢能源以外，锂电池技术也作为过渡阶段的不间断电源系统将在元宇宙边缘数据中心并存部署，为数据中心提供持续动力保证。

（四）“液冷”广泛应用于实际场景

到2030年，绝大部分数据中心的功率密度将超过50千瓦，大型和边缘数据中心都将采换热效率极高的相变冷板液冷和浸没相变液冷等技术，所有数据中心的PUE都可以达到1.05~1.1之间。大型数据中心的机柜将以液冷Tank为主，超级算力的液冷服务器将支持80℃的冷却液温度，算力Tank的外部管路具备向外围提供供热服务的能力，较高品味的热源将被集中使用于生活供热、商业用热、农业用热等。

边缘数据中心的机柜将普遍采用相变冷板集成的高性能服务器。相变冷板技术将成为冷板液冷的主流技术，不但传热效率高，而且系统简单易大规模部署。

除了浸没液冷和冷板液冷以外，根据地方优势而发展的新型数据中心也百花齐放，例如：沿海将大规模部署海底数据中心舱，海底数据中心将在广东、福建、山东大量部署，发挥越来越重要的作用，为元宇宙带来更多的利益。海底数据中心省电、省水、省地，能完全利用海水实现全年自然冷却，再匹配变频泵、空调群控等技术，可以将整体PUE低至1.1以内，是沿海地区数据中心绿色发展的强力趋势。

此外，在靠近大坝、湖泊等区域将建设越来越多的江水全时冷却数据中心，直接采用长江或湖水进行全时直接冷却， PUE可以降低到1.1以下，靠近大坝的机房还可以采用大坝的电力直供，江水全时冷却数据中心将设计趋向于无耗水、全绿电、近自然冷源，是当前及未来的理想方案。

零碳数据中心将继续“风光”无限

到2030年，我国71%的人口将生活在城市地区。元宇宙智慧城市将为各种应用部署人工智能和物联网等技术，在相互通信的同时会创建大量的数据，所以从现在到那个时候需要对卫生、交通、安全、能源分配等设施进行优化升级，需要有效地集成先进技术，以确保数据中心平稳运行和不间断连接。这就对低延迟处理和实时自动化决策解决方案要求非常的高，以及在线视频流的激增等，边缘数据中心将在2030年左右达到最大数量规模。

那个时候越来越多的企业将其设备和系统连接到互联网上，以实现更高效的生产和运营。因此，边缘数据中心为企业提供了一种更快速、可靠和安全的数据处理解决方案。

边缘数据中心是为支撑更低延迟的5G新业务开展而生，通过边缘数据中心，把云数据中心的IT资源迁移到靠近用户侧的地方，将更加靠近数据源头，方便数据的处理。例如：智能驾驶汽车业务、远程医疗业务等。

如此庞大的数据中心数量规模，必将产生强大的电力供应系统，2030年所有数据中心都实现了碳中和，而且PUE基本都控制在1.1以内，大型算力中心PUE将在1.05左右，根据地区需要部分数据中心采用热回收，PUE可以控制在0.5左右。

强大的虚拟电厂将为数据中心提供清洁电力，风电、太阳能电力将发挥巨大作用，风电以陆上风电、海上风电组成，太阳能以光伏、光热电站为主，光伏又以陆上光伏和海面光伏为主，太空太阳能发电厂也开始并入电网。

我国为了实现碳中和，必须在新能源方面加大投入，尤其是风能、太阳能，按照目前我国的双碳行动方针，预计到2050年，我国社会风电占比约40%，太阳能占比23%，太阳能和风能将占据社会能源电力的63%，真可谓是“风光”无限。

我们试想一下，2050年的我国数字能源的发展是什么样的？风能、太阳能、水力发电、核电将成为能源主力，氢能源无人驾驶车大规模普及，每个家庭都配套了太阳能发电和储能系统，基本依靠太阳能自给自足。登月、上火星已不再新奇，太空太阳能发电技术已经成熟并大量部署。

量子计算机已经进入众多领域并开始普及，光子芯片逐渐取代了硅基芯片，每个家庭都拥有一台仿生机器人。元宇宙已经接近于实际，每天8个小时可以在元宇宙学习工作，你期待吗？

而支撑这一切的就是数据中心的"算力"、"电力"，元宇宙的能量之源！