元宇宙時(shí)代的能量之源
2021年是元宇宙元年，之后我們就進(jìn)入了元宇宙時(shí)代，盡管它只是概念，但它的未來(lái)將聯(lián)絡(luò)我們整個(gè)世界。元宇宙最值得讓我們思考的問(wèn)題是:它的“能量”或“動(dòng)力”到底從哪里來(lái)？
比如電能，電能是支撐元宇宙數(shù)據(jù)中心的主要?jiǎng)恿?，沒(méi)有電，一切都是空談。我國(guó)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(fēng)電、太陽(yáng)能（光伏和光熱）、生物質(zhì)等五個(gè)方面。其實(shí)這些都是太陽(yáng)能，因?yàn)樘?yáng)內(nèi)部時(shí)刻發(fā)生著核聚變，核聚變的能量通過(guò)太陽(yáng)輻射來(lái)到地球，所以我們的絕大多數(shù)能源都是太陽(yáng)的核聚變。
除了來(lái)自太陽(yáng)的能量外，地球上還有其它的能量來(lái)源，比如：地?zé)?、人造的核能（核裂變和可控核聚變）、潮汐能等?br>
了解了能源的來(lái)源，我們來(lái)談一下元宇宙對(duì)能源的依賴。元宇宙是一個(gè)可以大規(guī)模連接的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。我們目前處在元宇宙的初級(jí)階段，元宇宙基本場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)至少需要10年，大約在2030年會(huì)完全改變我們的生活方式。
元宇宙未來(lái)走向何方？我們無(wú)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(jì)算等應(yīng)用的落地，無(wú)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(dòng)力又是綠色電力，那么綠色的電力到底從何而來(lái)呢？這是未來(lái)戰(zhàn)略性的問(wèn)題。
自2021年元宇宙誕生以來(lái)，越來(lái)越多的跡象表明元宇宙有望成為下一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。元宇宙需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此需要大量的數(shù)據(jù)中心來(lái)支撐。元宇宙的數(shù)據(jù)中心包含大型的計(jì)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(jí)別的算力。在2030年時(shí)，元宇宙中的每個(gè)環(huán)境、對(duì)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(yàn)可靠地提供給想要同時(shí)參與并具有低延遲的每個(gè)人。而邊緣數(shù)據(jù)中心就是元宇宙的支撐平臺(tái)，邊緣計(jì)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(wú)縫體驗(yàn)所需要的本地計(jì)算能力，可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)延遲和擁塞風(fēng)險(xiǎn)。到2030年，大量的元宇宙邊緣數(shù)據(jù)中心將會(huì)按需而生，帶來(lái)的電力需求也將是巨大的。按照目前的情況，到 2030 年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電將超過(guò)6000億度，占我國(guó)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(huì)達(dá)到50~100千瓦，液冷冷卻的場(chǎng)景將會(huì)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(guò)熱回收將數(shù)據(jù)中心余熱進(jìn)行二次利用，數(shù)據(jù)中心的綜合PUE小于1，甚至達(dá)到0.5左右，數(shù)據(jù)中心將實(shí)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(shí)代的邊緣數(shù)據(jù)中心耗電量巨大，在能源轉(zhuǎn)型大勢(shì)下，到2030年，我國(guó)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(xué)創(chuàng)新等，同時(shí)“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(yáng)能光伏、光熱以外，像風(fēng)能、水能都屬于來(lái)自于太陽(yáng)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(yáng)。目前我國(guó)的核電是依靠鈾元素裂變來(lái)產(chǎn)生核電，我國(guó)現(xiàn)儲(chǔ)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(shí)代的超級(jí)電力，到2045年左右，“人造太陽(yáng)”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(dá)到我國(guó)電力主體的16%左右。
2030年核電力將大約占據(jù)我國(guó)電力主體的10%，和太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能一體占據(jù)我國(guó)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(guó)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(wú)論是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(guó)能源強(qiáng)度是世界平均水平的1.3倍以上。通俗來(lái)說(shuō)，世界GDP產(chǎn)生1美元需要消耗的電量是1度電，而我國(guó)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(qiáng)度從1.3降低至1.0就意味著我國(guó)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(qiáng)度主要通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進(jìn)步及企業(yè)管理和企業(yè)文化建設(shè)等方式。
雙碳目標(biāo)實(shí)施路徑的核心在于兩個(gè)構(gòu)建：一個(gè)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(guó)未來(lái)要重點(diǎn)減少化石能源總量，著力提高能源利用效能，實(shí)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(chǔ)”一體化，橫向多能互補(bǔ)，把可再生能源（尤其是是風(fēng)能、太陽(yáng)能）和智能電網(wǎng)及各種儲(chǔ)能技術(shù)相集成，使電力系統(tǒng)具備柔性和平衡功能，達(dá)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(guó)電力總體需求量大約為11萬(wàn)億度，56%為清潔能源，其中風(fēng)電占22%，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)碳中和。
我國(guó)智能電網(wǎng)的元宇宙目前正在完善和成熟，預(yù)計(jì)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(duì)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(tái)。電力調(diào)度元宇宙將融合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、人機(jī)交互等技術(shù)構(gòu)建元宇宙技術(shù)體系，創(chuàng)建多級(jí)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(dòng)化技術(shù)體系新發(fā)展趨勢(shì)。在電力調(diào)度元宇宙中，電網(wǎng)物理實(shí)體、抽象實(shí)體、“數(shù)字分身”等多要素對(duì)象將進(jìn)行虛擬構(gòu)建、信息共享和互動(dòng)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(tái)，將為我國(guó)電網(wǎng)帶來(lái)以下幾方面的意義：
（一）智能化調(diào)度水平。通過(guò)人工智能對(duì)電網(wǎng)全面感知、分析和優(yōu)化，對(duì)終端用戶和數(shù)據(jù)中心的供電將非常穩(wěn)定，無(wú)須擔(dān)心電力中斷的問(wèn)題。
（二）電力協(xié)同調(diào)度能力。通過(guò)構(gòu)建多級(jí)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(zhǎng)距離靈活供電的能力，能應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)等造成的風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)建立與真實(shí)世界同步更新的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)預(yù)警和有效防控，增強(qiáng)電網(wǎng)的健壯性。
有了電力元宇宙，我國(guó)在智能電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)化，到2050年，我國(guó)社會(huì)將進(jìn)入高度人工智能的時(shí)代，我國(guó)社會(huì)用電量比現(xiàn)在大約會(huì)翻一番，達(dá)到15萬(wàn)億度。90%的電力將為新能源電力。這一切都要?dú)w功于“電力元宇宙”！
元宇宙數(shù)據(jù)中心的“機(jī)智”冷卻
上面提及元宇宙離不開數(shù)據(jù)中心的保駕護(hù)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(guó)社會(huì)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(dāng)前2023年的政策背景下，我國(guó)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(lái)的是數(shù)據(jù)中心行業(yè)也將面臨更為嚴(yán)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(dòng)下，2023年以后的數(shù)據(jù)中心將逐漸呈現(xiàn)以下四個(gè)趨勢(shì)：
（一）零耗水、低能耗是標(biāo)準(zhǔn)
2022年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量占全國(guó)電耗量的3.24%，預(yù)計(jì)到2030年元宇宙數(shù)據(jù)中心用電量將突破6000億千瓦時(shí)，占社會(huì)總用電量的5.5%。數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)采取措施進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)和節(jié)能，并且將越來(lái)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(shí)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(jī)組、磁懸浮相變多聯(lián)系統(tǒng)等。
這些新型的氟系統(tǒng)機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小，不僅零耗水，且PUE可達(dá)到1.2以下，在未來(lái)不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可以作為過(guò)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(méi)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(méi)液冷技術(shù)，為超級(jí)算力模塊進(jìn)行冷卻。
（二）工業(yè)化快速集成的場(chǎng)景特點(diǎn)
工業(yè)化集成數(shù)據(jù)中心將成為未來(lái)所有數(shù)據(jù)中心的主要特征。因?yàn)槲磥?lái)數(shù)據(jù)中心的需求要在短時(shí)間內(nèi)融入實(shí)際場(chǎng)景并快速投入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電力、冷卻、計(jì)算等模塊的快速對(duì)接和部署，所以電力、制冷、算力模塊需要在工廠完成測(cè)試和封裝，以此減少現(xiàn)場(chǎng)的工作和對(duì)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(jī)房仍以鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化預(yù)制為主要建筑形式實(shí)現(xiàn)快速部署交付、任意擴(kuò)容，例如：海悟的微模方等。
與原來(lái)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相比，其內(nèi)部的IT機(jī)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(duì)外部環(huán)境依賴非常小，只是根據(jù)場(chǎng)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(chǎng)景環(huán)境，易回收利用，對(duì)環(huán)境污染最小。
（三）“氫”潔能源無(wú)處不在
2030年前，以氫為代表的儲(chǔ)能系統(tǒng)將逐步替代現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，未來(lái)數(shù)據(jù)中心將采用氫儲(chǔ)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(guó)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(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確了氫能源是未來(lái)國(guó)家能源體系的組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳的特點(diǎn)，推動(dòng)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(shí)施是利用5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)超低延遲功能。這將需要在5G邊緣位置進(jìn)行更高功率的計(jì)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(chǎng)儲(chǔ)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(diǎn)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(jī)，提供瞬間的負(fù)載支持，甚至是連續(xù)運(yùn)行。從2025年以后至2030年將進(jìn)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(guò)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(dòng)力保證。
（四）“液冷”廣泛應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景
到2030年，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的功率密度將超過(guò)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(méi)相變液冷等技術(shù)，所有數(shù)據(jù)中心的PUE都可以達(dá)到1.05~1.1之間。大型數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜將以液冷Tank為主，超級(jí)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(jī)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(jiǎn)單易大規(guī)模部署。
除了浸沒(méi)液冷和冷板液冷以外，根據(jù)地方優(yōu)勢(shì)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(lái)越重要的作用，為元宇宙帶來(lái)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(shí)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(qiáng)力趨勢(shì)。
此外，在靠近大壩、湖泊等區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)越來(lái)越多的江水全時(shí)冷卻數(shù)據(jù)中心，直接采用長(zhǎng)江或湖水進(jìn)行全時(shí)直接冷卻， PUE可以降低到1.1以下，靠近大壩的機(jī)房還可以采用大壩的電力直供，江水全時(shí)冷卻數(shù)據(jù)中心將設(shè)計(jì)趨向于無(wú)耗水、全綠電、近自然冷源，是當(dāng)前及未來(lái)的理想方案。
零碳數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)“風(fēng)光”無(wú)限
到2030年，我國(guó)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(shí)會(huì)創(chuàng)建大量的數(shù)據(jù)，所以從現(xiàn)在到那個(gè)時(shí)候需要對(duì)衛(wèi)生、交通、安全、能源分配等設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，需要有效地集成先進(jìn)技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)中心平穩(wěn)運(yùn)行和不間斷連接。這就對(duì)低延遲處理和實(shí)時(shí)自動(dòng)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(dá)到最大數(shù)量規(guī)模。
那個(gè)時(shí)候越來(lái)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(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)。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(guò)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(yuǎn)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(qiáng)大的電力供應(yīng)系統(tǒng)，2030年所有數(shù)據(jù)中心都實(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)中心采用熱回收，PUE可以控制在0.5左右。
強(qiáng)大的虛擬電廠將為數(shù)據(jù)中心提供清潔電力，風(fēng)電、太陽(yáng)能電力將發(fā)揮巨大作用，風(fēng)電以陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電組成，太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電廠也開始并入電網(wǎng)。
我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)碳中和，必須在新能源方面加大投入，尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能，按照目前我國(guó)的雙碳行動(dòng)方針，預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)社會(huì)風(fēng)電占比約40%，太陽(yáng)能占比23%，太陽(yáng)能和風(fēng)能將占據(jù)社會(huì)能源電力的63%，真可謂是“風(fēng)光”無(wú)限。
我們?cè)囅胍幌拢?050年的我國(guó)數(shù)字能源的發(fā)展是什么樣的？風(fēng)能、太陽(yáng)能、水力發(fā)電、核電將成為能源主力，氫能源無(wú)人駕駛車大規(guī)模普及，每個(gè)家庭都配套了太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，基本依靠太陽(yáng)能自給自足。登月、上火星已不再新奇，太空太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟并大量部署。
量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)進(jìn)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(gè)家庭都擁有一臺(tái)仿生機(jī)器人。元宇宙已經(jīng)接近于實(shí)際，每天8個(gè)小時(shí)可以在元宇宙學(xué)習(xí)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！
