数字经济与气候影响:对2030年IT行业能源消耗和碳足迹的全面预测-施耐德VIP专享VIP免费

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施耐德电气
全球可持续发展研究院
数字经济与气候影
2030 IT 行业能源消耗
碳足迹的全面预测
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数字经济与气候影响
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全球可持续发展研究院简介
如今能源和可持续发展领域的进步可谓前所未有,盛况空
前。但在新十年和风云变幻的新时代环境下,这种发展势
头将如何持续?
作为一家大型企业,我们有责任通过减少能源消耗和二氧
化碳排放做出积极贡献,在确保企业盈利的同时推动社会
进步。
施耐德电制定与联合国续发展目致的 2021-
2025 年施耐德电气可持续发展影响指数SSI)计划,提
出了宏大的目标;我们的技术将在确保业务增长的同时,
让每个人都能获得能源,并为我们的地球开创一个无碳未
来。我们的气候承诺旨在最大限度减少客户和施耐德电气
公司的碳排放。对施耐德电气而言,这意味着到 2025
我们将实现公司运营层面中和,到 2030 年实现业务运
营的净零碳排放,到 2050 年实现整个供应链端到端净
碳排放。
凭借开拓性技术和面向可持续发展的端到端解决方案,我
们始终在积蓄力量,争取厚积薄发。
施耐德电气全球可持续发展研究院致力于剖析当前面临的
问题,并思考企业界应如何行动:我们力求深入了解当前
的趋势以及如何才能与时俱进,顺势而动,同时预见未来
的变化。
在本白皮书中,我们从电力消耗角度探讨信息技IT
起带来的一些主要风险,并细致地预测了 2030 年的 IT 电力
消耗状况。结论:虽然我们知道未来的数字经济将需要更多
能源——一些观察家对此表示相当担忧——但我们也发现,
IT 技术的不断发展进步以及 IT 行业对清洁能源的快速采纳可
能会遏制其气候影响。
为实现数百家全球组织共同制定的可持续发展目标,我们需
要采取大胆的举措来减少排放,并以更可持续的方式运营。
请与我们一道学习这个白皮书系列,了解能源管理、数字创
新、气候行动、目标设定和信心以及新的融资机制领域的最
新趋势预测和洞见。
当下我们应该将可持续发展作为企业的当务之急,并即刻采
取行动,为未来铺路。
Oliver Blum
施耐德电气首席战略与
可持续发展官
Vincent Petit
施耐德电气战略远景与
对外事务高级副总裁
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数字经济与气候影响
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目录
全球可持续发展研究院简介 2
表格和图示列表 4
疫情期间的数字化转型 5
数字化加速电力消耗 6
方法论——数字化环境中的需求驱动因素 9
1 更多数据:数字化对计算和数据存储的影 10
工作负载和服务器 10
数据存储 10
电力需求 11
2 数据中心不断演变的格局:向云端转移,边缘的兴起 13
案例研究:Digital Realty 14
3 利用未来数据传输技术增进沟通 15
IP 流量 15
电力需求 15
4 拓宽互联互通世界的设备和传感器 16
IT 设备 16
物联网(IoT 16
电力需求 16
5 设备制造行业能源展望 18
数字化背景下的电力需求和碳排放 19
电力需求增长,但对 IT 业碳排放的影响有限 19
数字技术也有利于大幅降低其他行业的能源需求 20
关键要点 21
免责声明 22
附件——详细的假设和结果 23
参考文献 26
Public施耐德电气™全球可持续发展研究院数字经济与气候影响对2030年IT行业能源消耗和碳足迹的全面预测2数字经济与气候影响Public全球可持续发展研究院简介如今能源和可持续发展领域的进步可谓前所未有,盛况空前。但在新十年和风云变幻的新时代环境下,这种发展势头将如何持续?作为一家大型企业,我们有责任通过减少能源消耗和二氧化碳排放做出积极贡献,在确保企业盈利的同时推动社会进步。施耐德电气制定了与联合国可持续发展目标一致的2021-2025年施耐德电气可持续发展影响指数(SSI)计划,提出了宏大的目标;我们的技术将在确保业务增长的同时,让每个人都能获得能源,并为我们的地球开创一个无碳未来。我们的气候承诺旨在最大限度减少客户和施耐德电气公司的碳排放。对施耐德电气而言,这意味着到2025年我们将实现公司运营层面碳中和,到2030年实现业务运营的净零碳排放,到2050年实现整个供应链端到端净零碳排放。凭借开拓性技术和面向可持续发展的端到端解决方案,我们始终在积蓄力量,争取厚积薄发。施耐德电气全球可持续发展研究院致力于剖析当前面临的问题,并思考企业界应如何行动:我们力求深入了解当前的趋势以及如何才能与时俱进,顺势而动,同时预见未来的变化。在本白皮书中,我们从电力消耗角度探讨信息技术(IT)兴起带来的一些主要风险,并细致地预测了2030年的IT电力消耗状况。结论:虽然我们知道未来的数字经济将需要更多能源——一些观察家对此表示相当担忧——但我们也发现,IT技术的不断发展进步以及IT行业对清洁能源的快速采纳可能会遏制其气候影响。为实现数百家全球组织共同制定的可持续发展目标,我们需要采取大胆的举措来减少排放,并以更可持续的方式运营。请与我们一道学习这个白皮书系列,了解能源管理、数字创新、气候行动、目标设定和信心以及新的融资机制领域的最新趋势预测和洞见。当下我们应该将可持续发展作为企业的当务之急,并即刻采取行动,为未来铺路。OliverBlum施耐德电气首席战略与可持续发展官VincentPetit施耐德电气战略远景与对外事务高级副总裁3数字经济与气候影响Public目录全球可持续发展研究院简介2表格和图示列表4疫情期间的数字化转型5数字化加速电力消耗6方法论——数字化环境中的需求驱动因素9第1章–更多数据:数字化对计算和数据存储的影响10工作负载和服务器10数据存储10电力需求11第2章–数据中心不断演变的格局:向云端转移,边缘的兴起13案例研究:DigitalRealty14第3章–利用未来数据传输技术增进沟通15IP流量15电力需求15第4章–拓宽互联互通世界的设备和传感器16IT设备16物联网(IoT)16电力需求16第5章–设备制造行业能源展望18数字化背景下的电力需求和碳排放19电力需求增长,但对IT行业碳排放的影响有限19数字技术也有利于大幅降低其他行业的能源需求20关键要点21免责声明22附件——详细的假设和结果23参考文献264数字经济与气候影响Public表格和图示列表i.图1–IT能源需求的演变(TWh)ii.图2–IT能源需求的演变(%)iii.图3–对IT电力需求和演变的全面分析iv.表1–关于服务需求的主要假设v.表2–关于效率的主要假设vi.表3–IT行业的电力需求增长vii.表4–IT行业在总电力需求中所占的份额viii.表5–IT行业的碳排放5数字经济与气候影响Public疫情期间的数字化转型1Cisco&DimensionalResearch(2020),《混合工作场所的兴物联网(IoT)和其他增强数字化应用的面世带来了互联网流量的迅速上升,新冠疫情也加速了这一趋势。比如,视频会议提供商Zoom称,由于数百万人开始把工作和教育转移到线上,其用户群已从2019年12月的1000万激增到2020年3月的2亿。全球约有12亿学生不得不在线上接受教育,数百万远程工作者通过Slack、Trello、Jira和Zoom等平台和应用保持联网。自疫情爆发以来,全球互联网用户的家庭数字媒体和流视频消费显著增加。●51%的人口通过流媒体服务观看了更多节目/电影。●45%的人使用消息服务(即Facebook和WhatsApp)的时间增多。●44%的人口使用社交媒体(即Facebook、Instagram或Twitter)的时间增多。当世界进入封锁状态,人们也开始登录网络,使得互联网流量随之飙升。最近的一项未来劳动力调查1显示,在接受调查的1万人中,87%的人希望在疫情限制放宽后继续享受灵活工作制,即可以灵活选择在家办公或在公司办公。依赖于数字化应用的远程办公将日益成为企业保持联网和生产率优势的必备武器。与此同时,IT行业如何满足世界近乎永无止境的数字化需求,这也会对整个社会产生广泛影响,并可能阻碍应对气候变化的行动。企业智库和行业观察家最近也强调了这一点,他们指出,IT行业不断增加的电力消耗可能对环境造成影响。然而,简单地认为IT和数字化活动将不可避免地大幅度增加二氧化碳排放并造成严重后果,也会是一种误导。毕竟,未来的技术创新也将推动联网环境的效率提升,并有助于减轻由数字化需求增加而带来的电力消耗和排放问题。因此,当我们展望未来时,我们需要问自己:数据中心的快速增长是否会像电动汽车的普及一样迅速拉高用电量?在线活动的激增将对全球电力使用和碳排放产生多大影响?或者,相反的,将提升能效的举措与数字化相结合能否帮助我们加速脱碳进程?起》,对高管、员工体验专家和知识工作者的一次全球调查6数字经济与气候影响Public数字化加速电力消耗数字化技术广泛应用于各个行业。在房地产领域,越来越多的住宅和商业楼宇安装了智能设备和智慧能源管理系统。在工业领域,自动化、先进的机器人和3D打印技术的应用越来越普遍。在交通运输领域,自动化、互联互通、电力和共享(ACES)交通之间开始出现混合交叉。为明确这些数字化智能应用在未来如何获得电力供应,施耐德电气开展了一次研究和建模活动,来预测到2030年维持IT行业的发展势头所需的电量。本研究报告摒弃了许多关于最坏情形的描述和观点,即预测与IT技术相关的用电量将每五年翻一番。施耐德电气的研究详细阐述了未来十年IT行业的电力消耗预测,涵盖数据中心服务器和存储容量、固网和移动互联网需求、设备联网和制造,同时考虑了需求和效率的变化。尽管这项研究对服务需求的演变进行了细致入微的考察,但并未探讨自动驾驶汽车、区块链技术等刚刚萌芽的数字应用或深层次技术创新对新形式的人工智能或计算技术的潜在影响。考虑到未来技术发展趋势的不确定性,对于这场关于行业发展之能源和气候影响的争论,这种保守的需求预测方法似乎是最适合的框架原则。这种方法也与其他外部出版物的观点一致。然而,随着这些创新成果的实现,还需要在未来开展进一步的研究。施耐德电气预测,到2030年,IT行业的电力需求将增长50%,达到3,200Twh,相当于在未来十年复合年增长率(CAGR)达到5%。图1–IT能源需求的演变(TWh)设备制造电视和外围设备的使用物联网设备的使用网络设备的使用IT设备的使用移动网络固网数据中心基础设施存储计算7数字经济与气候影响Public25G的能源足迹目前尚不明确,特别是从2015年到2020年,所有行业都实现了显著的效率提升,将复合年增长率(CAGR)限制在2%。这在数据中心(计算、存储、PUE等)和移动网络(转为4G)领域尤为明显。然而,固网(承载大部分IP流量)的效率提升略低。到2030年,预计75%的增长来自数据中心和网络,特别是计算实例(以及大数据应用和人工智能的数据存储)和移动通信(包括升级到5G)的高速增长。设备制造和使用占2015年该行业总能源需求的70%左右,预计到2030年其份额将下降至50%左右2,对整体需求增长的贡献很小。事实上,物联网设备在所有行业领域的渗透抵消了传统设备能源需求的相对下降。因此,2030年的增长实际上将来源于IP流量的加速,尤其是移动网络流量。同时,物联网设备会产生大量数据,带来数据中心的计算和存储需求的急剧增加。图2-IT能源需求的演变(%)空闲时段的确切能源需求以及对总功率需求的相应影响。在此我们根据最佳可用数据进行了假设。2015-2020复合年增长率2020-2030复合年增长率8数字经济与气候影响Public3AndersAndrae(2020),全球计算技术的一次性能源消耗、电力消耗和二氧化碳排放预测及其在2020至2030年间占总量的份额。4尽管数据中心、设备使用和制造需求该预测报告评估了最近观察到的效率提升,并进一步将预测延伸到2030年,对数据中心、移动网络发展带来的IT和用电效率提升、每个应用的固网和移动接入网络流量份额以及设备制造过程中获得的额外效率提升做出了重要评估和假定。敏感性分析表明,如果额外效率提升为零,到2030年,IT行业的电力需求可能会达到4,700TWh(而当前预测为3,200TWh),但参考过去十年高达两位数的效率改进,这种情况基本不可能发生。由于涵盖的范围存在差异,因此很难与其他类似的预测分析进行直接比较。迄今为止,还没有一个标准化的衡量框架。在预测IT设备的使用和制造时尤其如此。例如,施耐德电气的研究报告计算了制造各种IT设备所需的用电量,包括含有电子元件、传感器,如智能电视等其它已连接设备。正如Andrae3(2020)在他最近的分析中所解释的那样,在不同的预测中观点的差异很大。尽管存在这些困难,来自全球研究机构的专家仍对施耐德电气的预测进行了严格评估,将其与同类研究项目进行了对比审核。与同类项目相比,施耐德电气的预测非常接近Andrae的最新分析报告4。该报告是对他在2015年5发表的基础性评论文章《通信技术的全球用电量:2030年趋势》的一份更新。Andrae在2020年做出的这些修订分析报告预测,到2030年IT用电需求将达到2,200TWh到3,200TWh之间,接近2015年研究报告的最佳预测。2015年,其报告还指出了中间情况和最坏情况,分别为8,200TWh和30,700TWh。专家也将施耐德电气的预测与国际电信联盟在2020年发表的分析报告进行了对比6。国际电信联盟的报告预测,用电量将从2015年的1,000Twh左右增长到2030年的1,200TWh。与施耐德电气的分析相比,其基线和2030年增长都低得多。由于基准线存在这些显著差异,在比较这些预测时一个较好的方法也是查看年平均增长率(CAGR)。2020年,Andrae的最新预测是平均增长率约为5%,这一趋势与施耐德电气的预测非常一致。国际电信联盟的预测则保守得多,预计平均增长率为1.5%,与目前观察到的增长率接近。存在明显差异,但总体预测结果相差无几。AndersAndrae(2020),全球计算技术的一次性能源消耗、电力消耗和二氧化碳排放预测及其在2020至2030年间占总量的份额。AndersAndrae(2020),关于2030年互联网电力使用情况的新视角。5AndersAndrae和TomasEdler(2015),《通信技术的全球用电量:2030年趋势》。6国际电信联盟(2020),信息和通信技术行业的温室气体排放轨迹与UNFCCC巴黎协定一致。9数字经济与气候影响Public方法论——数字化环境中的需求驱动因素7AndersAndrae(2020),全球计算技术的一次性能源消耗、电力消2020年,根据外部预测,整个IT行业占全球总体电力消耗的5%至15%。具体差异归因于范围和建模特点的不同。施耐德电气的分析模型预测,当前全球的IT相关电力需求为1,900TWh,占总体电力需求的8%。考虑到范围差异,这个预测与Andrae2020年的研究结果7(1,700TWh)和国际能源署2017年报告预测8的1,400TWh一致。施耐德电气的模型采用自下而上的方法,基于由数字化驱动的主要电力需求增长因素,包括:●首先,我们预测了2030年的IT服务需求增长,包括固网和移动网络的计算实例数量、数据存储要求、数据中心基础设施–包括固网和移动网络的边缘和云IP流量需求,以及与运行中和制造中的IT设备相关的需求。●随后我们又将与IT效率相关的其他因素(包括虚拟化、存储效率和网络改进)以及隐含能源的电源效率和能源使用效率应用到了模型中。有关本白皮书的方法论和施耐德电气建模结果的更多详细信息,请参见附件。以下章节列出了本研究报告的主要结论和发现。为方便读者阅读,在每一章节中以小节来展示具体研究活动的主要结论。耗和碳氧化合物排放预测及其在2020至2030年间占总量的份额。8©OECD/IEA(2017),事实上-数字化和能源图3-对IT电力需求和演变的全面分析数据中心网络联网设备设备制造建模步骤工作负载数据存储需求IP流量连接类型,固网、移动等每种类型的IT设备数量每种类型的非IT设备数量设备数量隐含能源份额IT效率#工作负载/服务器每个驱动器的存储容量驱动技术#服务器#每种类型的驱动器基础设施连接技术能源效率电力需求/服务器电力需求/驱动器数据中心PUE每种通信技术的电力需求/字节电力需求/设备类型电力需求/设备和连接类型电力需求电力需求电力需求电力需求电力需求电力需求电力需求行业的总电力需求数字经济与气候影响Public第1章–更多数据:数字化对计算和数据存储的影响9Shehabi等人(2016年)。美国数据中心能源使用报告;ArmanShehabi,SarahSmith,DaleSartor,RichardBrown,MagnusHerrlin10IDC/Reinsel、Gantz和Rydning数字化主要涉及数据的利用、存储和计算。所有行业的数据使用和服务的增长将成为IT行业增长的关键推动力,也是到2030年电力需求增加的关键驱动因素。工作负载和服务器由于数字技术的需求不断增长,计算实例将继续大幅增加。无论是消费者还是企业,都在越来越普遍地使用人工智能(AI):机器对机器(M2M)应用不断增多,越来越多的人、流程、数据和事物连接到互联网,并相互连接。美国网络技术提供商思科在其年度全球云指数9中定期跟踪和发布全球工作负载预测。其报告显示2016-2021年间的CAGR为21%。同时,得益于服务器的虚拟化,服务器利用率不断提高。思科预测到2021年,现有服务器的复合年增长率将达到6%。然而,行业分析师一致认为,软件带来的IT效率将不会持续达到近年来的优化水平,主要原因是边缘计算的兴起,这些应用场景中的许多服务器没有完全虚拟化。基于思科的预测,施耐德电气的研究报告估算,到2030年,服务器数量将以13%的复合年增长率增长。这一增长的推动力源自社交网络和视频流服务计算实例(与以前相似的速度)以及物联网应用的增长,但IT效率方面的限制也加剧了这一趋势10。数据存储如果数字化被定义为数据计算,那么如何存储这些数据也非常重要。根据《美国数据中心能源使用报告》的统计11,全球产生的数据越来越多,过去几年平均复合年增长率为30%,随着数据的不断增长,这种趋势还将继续下去。行业分析机构IDC预测12,“全球数据圈”将从2018年的33泽字节(ZB)增长到2025年的175泽字节(ZB),但其中只有一小部分数据被有效存储。与此同时,存储技术也在不断发展。用更高效的固态硬盘(SSD)逐渐取代传统硬盘(HDD)也将进一步提升IT效率。由于存储驱动功能在不断发展升级,运行中的驱动器也多种多样13,预计到2030年,驱动器数量仍将以22%的复合年增长率增长。(2018年11月),《从边缘到核心的世界数字化》白皮书11Shehabi等人(2016年)。美国数据中心能源使用报告;ArmanShehabi,SarahSmith,DaleSartor,RichardBrown,MagnusHerrlin12IDC和Seagate(2018年),《从边缘到核心的世界数字化》13我们保守地假设,与上一时期相比,到2030年,效率提升幅度将减半,SSD渗透率将上升至总数的51%。11数字经济与气候影响Public14Shehabi等人(2016),美国数据中心能源使用报告;ArmanShehabi,SarahSmith,DaleSartor,Richard电力需求尽管过去十年效率在不断提升,但由于近年来大部分的提升来自于虚拟化的普及和云计算的迁移,因此,想在未来取得持续的效率收益比较困难。IT效率已开始接近最大值,主要是由于云计算服务器虚拟化、边缘计算的增加(有限虚拟化)以及关于大数据和人工智能应用所需的存储容量将大幅增长的预测。硬件带来的任何额外能效对于遏制电力需求增长至关重要,但与软件带来的IT效率相比,这种与硬件相关的效率收益被认为收效较慢。最近《美国数据中心能源使用报告》14发布的研究结果表明,支持服务器工作负载增加所需的电力有所减少,这缘于能源强度每年约1-2%的改进。施耐德电气预计这一趋势将持续到2030年。这些预测也通过300多台服务器的一组基准数据15得到证实。标准性能评估公司的电源数据库每季度发布这些基准数据。因此,施耐德电气的模型预测,到2030年,为全球已安装的服务器总量供电所需要的电量将以12%的复合年增长率增长,或比上一时期快2.5倍。同时,通过采用固态硬盘(SSD)技术提高存储驱动器的效率和密度,此举有望实现节能。尽管幅度较小(预计所有类型驱动器的能源强度每年都会降低1%),但这些效率提升将导致电力需求以每年21%的速度增长,或比上一时期快6倍。Brown,MagnusHerrlin15SPEC(2008),标准性能评估公司。SPECPower.12数字经济与气候影响Public案例研究:iomart作为欧洲领先的云计算公司和大型云服务商普遍认可的一级合作伙伴,iomart通过降低其数据中心的能源消耗开始了可持续增长的旅程。如今该公司将其服务于客户的指导原则应用于自身,这些原则已经为包括Microsoft、VMware、EMC和AWS在内的企业创造了巨大价值。这是一个提高效率、降低成本和提高灵活性的成功途径,它使iomart成为一家负责任的数据中心提供商。通过综合考虑能源和可持续发展,iomart将能源成本降低13%,并节省了150万欧元,以满足能源合规标准。共享能源采购数据对于支持报告需求十分关键,通过监控能源消耗和电力使用效率,iomart获得了ISO50001认证,并确定了资金成本补贴和碳减排承诺能源效率计划返利。iomart仍在继续创造新的机会,通过使用ResourceAdvisor软件进行计量,实现流程自动化和数据可视化的管理,从而节省更多成本。“由于在当今的经济环境中,发电面临地缘政治压力,为了有效管理数据中心的能耗,我们必须关注成本和可持续性。我们制定的战略提供了短期、中期和长期所需的洞察力和专业知识。”NeilJohnstoniomart集团技术运营总监13数字经济与气候影响Public第2章–数据中心不断演变的格局:向云端转移,边缘的兴起16我们认为边缘容量的增长速度几乎是数据中心的两倍,施耐德电气全球可与传统的企业数据中心相比,云计算的增长导致数据中心规模显著增加,而电源使用效率(PUE)降低。然而,边缘计算的发展可能会限制进一步的PUE改进。根据每年预测的PUE改进(到2030年复合年增长率约为2%,接近于最近的年度改进)以及边缘和云数据中心的实际和预计份额16,施耐德电气的分析模型估算了数据中心基础设施的整体电力需求。如果说近年来向云计算的转移极大地优化了PUE——一般平均低于1.217,那么未来十年边缘计算的兴起将在一定程度上抵消这种持续改进,因为如今边缘数据中心的PUE通常接近2。考虑到这些持续的效率改进和边缘数据中心的比例增加,到2030年,数据中心基础设施的电力需求将以3%的复合年均增长率稳步上升。持续发展研究院17一种长期趋势。Masanet等人(2020),重新估算全球数据中心的能源使用量14Public案例研究:DigitalRealty数据中心是“数字经济的工厂”。云计算的发展使得数据中心规模显著扩大,在服务器利用率和基础设施PUE方面都提供了世界一流的效率。事实上,超大规模数据中心日益增多的趋势以及超大型主机托管或云设施越来越受欢迎的趋势将不断提升PUE。作为全球数据中心合作伙伴,DigitalRealty受社交媒体、金融服务和医疗保健领域一些顶级公司的委托,为其构建关键任务架构。DigitalRealty具有行业领先的过往成绩,可向客户确保他们的业务系统不会陷入停顿,并且可以获得支持其高性能网络所需的安全性、可靠性和敏捷性。公司的170个数据中心为四大洲33个城市的2,300多家客户提供服务。客户对可视性的需求日益增加,他们需要以简单统一的方式满足这一要求。获得重要资产和运营环境的准确信息对DigitalRealty的客户来说至关重要,而依靠EcoStruxure™,他们不仅可以获得这些信息,而且几乎可以从任何地点轻松获取信息。EcoStruxure™还能收集和汇总运营数据,进行分析和报告,为客户提供重要的运营信息,这使DigitalRealty在不断发展的托管行业中始终处于领先地位。“如果看一下当今数字化世界的发展,你就知道,你能想象出的任何事情似乎都在成为现实。在托管数据中心领域,这一切都归结为充分获取信息和行动建议的能力。”KevinDaltonDigitalRealty全球工程与设计副总裁15数字经济与气候影响Public第3章–利用未来数据传输技术增进沟通18思科(2018),思科可视化网络指数(VNI)完整预测更新,2017-2022年19思科(2019),思科可视化网络指数(VNI)完整预测更新互联网流量是到2030年电力需求增长的主要驱动力之一。如今大部分互联网流量均依赖于固定网络,但预计未来十年移动接入所占的份额将大幅增加,这是过去几年观察到的趋势的延续。与此同时,新的移动接入技术也开始出现。这些技术的普遍特点都是更加强大(因此可以增加使用率和新用途),并且更加节能。IP流量全球互联网流量是IT服务需求增长的最大标志;在2020年,数据流量已经占IT行业年度电力消耗的20%左右(涵盖固网和移动网络以及相关的网络设备)。据思科1819测算,到2023年,互联网流量将以26%的复合年增长率增长。互联网流量目前在各种固定(有线、WiFi)和移动(2G-5G)接入系统中分布不均,预计移动网络的流量将显著增加。确实,到2023年,移动流量预计将以46%的复合年增长率增长,主要源自2021年下载的2600亿个移动应用。预计视频应用也将继续增长,据估计,到2023年将占全球互联网流量的82%。施耐德电气的研究模型认为,这些增长预期将持续到2030年。全球移动连接的覆盖范围和使用情况在全球各地区差异很大。到2023年,基础2G网络将几乎完全消失,5G网络将逐步取代3G和4G网络。目前第一批真正的5G网络已经上线,施耐德电气的研究模型预测,到2030年,5G可能占到移动总流量的70%20。电力需求近年来,这些接入系统都实现了效率提升。至少对于固网接入而言,这种趋势有望继续下去。然而,更大规模的能源强度改进来自移动接入系统的升级改造。据国际能源署称21,4G网络的能源效率已经是3G的5倍,预计到2030年5G网络的能源效率将是4G网络的10到20倍。宽带调制解调器等本地网络设备也在预测范围内。预计到2030年,这些互联网设备的电力需求将以7%的复合年增长率持续增长22。综合考虑互联网流量增长预测、电信网络发展轨迹,尤其是移动流量份额的增长,以及每种技术的预计能源效率收益,预计到2030年,电信网络的总用电量将以10%的复合年增长率增长,或比上一时期快3倍。20其他预测则较为保守(国际电信联盟,2020年)。由于其固有优势,我们认为该技术将快速普及21©OECD/IEA(2020),数据中心和数据传输网络22Lanzisera等人(2010),数据网络设备能源使用和楼宇节能潜力16数字经济与气候影响Public第4章–拓宽互联互通世界的设备和传感器23AndersAndrae和TomasEdler(2015),《通信技术的全球用电量:2030年趋势》©OECD/IEA,电子设备和网络附件(2019,2021),思科互联设备总能源模型(2018),与IT系统交互的设备的发展趋势也影响着IT行业的电力需求。不同类型设备的电力需求各不相同,台式电脑和笔记本电脑需要的电力通常高于平板电脑或智能手机。随着下一个数字化浪潮——物联网(IoT)的兴起,连通性和相关电力需求也将大幅增加。IT设备根据Andrae&Edler、思科、国际能源署、Koomey和Naffziger以及弗劳恩霍夫系统与创新研究所的各种研究,我们对未来IT设备的数量进行了模拟预测23。例如,到2023年,在用PC(台式机和笔记本电脑)的数量将逐渐减少到12亿台(复合年增长率-2%)。与此同时,平板电脑和智能手机的数量将持续增长,预计到2023年将有9亿台平板电脑(复合年增长率4%)和67亿部在用智能手机(复合年增长率7%)。基于这些数据,施耐德电气的分析预测,到2030年,IT设备总数将以5%的复合年增长率增长。智能手机也将逐步取代2018年在用的23亿部手机。物联网(IoT)思科24预计M2M(机器之间的通讯连接)将从2018年的59亿增加到2023年的145亿以上(保持约20%复合年增长率),因此我们认为这一趋势将以同样的速度延续下去。但是,连接性将取决于所使用的特定应用。4G和5G连接将与其他接入解决方案竞争,如低功耗广域网(LPWAN)或WiFi,尤其是在工作场所、医疗保健、家庭和汽车应用领域。施耐德电气的研究模型估计,到2030年,4G和5G连接将应用于28%的物联网设备,其余设备将通过其他的解决方案接入。电力需求与能效更高的笔记本电脑相比,台式电脑因其处理、编辑和数据存储方面的能力而消耗更多电量。施耐德电气的建模分析预计,随着笔记本电脑的使用,能源强度将逐渐下降,2021年以后的复合年增长率为-2%。然而,预计到2030年,平板电脑和智能手机的设备能效几乎没有变化。能源效率的任何改进都可能被更复杂的处理要求所抵消,因为这些设备将逐渐取代PC来运行未来的应用。思科可视化网络指数(2017-2022)思科(2019)、思科可视化网络指数(VNI)完整预测更新思科(2020),思科年度互联网报告(2018-2023)Fraunhofer(2017),2017年美国家庭消费电子产品的能源消耗Koomey和Naffziger(2015),摩尔定律可能会放慢脚步,但能源效率不会。24思科(2017),思科年度互联网报告(2018-2023)17数字经济与气候影响Public25Mahmoud等人(2016),物联网(IoT)应用高效用电无线通信技术/模块研究对于物联网应用,施耐德电气的分析只关注新增的互联互通性带来的电力需求,而不是全面考虑此类设备的电力需求。值得注意的是,这些联网设备中大部分有50%的时间处于空闲状态——这是准确预测物联网连接消耗电力的关键因素25。此外,联网的电视和电视外围设备也已纳入施耐德电气的预测。虽然预计这些设备的数量将保持稳定26,但随着旧型号逐渐更新换代,新型号的能效改进预计将使2030年的平均复合年增长率达到3%。通过分析所有设备类型和物联网连接要求,我们得出结论,相关电力需求将以3%的复合年增长率增长,比上一时期观察到的增长速度快得多。这种增长主要是由于物联网相关需求的明显加速,而其他设备的效率提升则削弱了整体电力需求增长。26参考(2020)。世界上有多少台电视?AndersAndrae和TomasEdler(2015),《通信技术的全球用电量:2030年趋势》18数字经济与气候影响Public第5章–设备制造行业能源展望27AndersAndrae和TomasEdler(2015),《通信技术的全球用电量:2030年趋势》宽带电视(2018),世界杯使2018年全球电视出货量达到2.21亿GagliordiN.(2018),2018年二合一设备的销售将托起下沉的PC市场:平板电脑、智能手机等新型IT设备将取代老旧手机和宽带调制解调器,它们将在电力消耗增长中占据相当大的份额。根据多家机构对全球消费电子设备生产的评估27,施耐德电气对生产设备的单位能耗进行了建模分析,来展示其对电力需求的影响。该分析纳入了制造设备总数和每种设备类型的实际隐含能源。基于Andrae&Corcoran对生命周期能源分析28的研究,施耐德电气的研究模型探讨了制造过程中实现的额外潜在效率。目前的估计是,大多数设备制造过程会实现每年约3%的复合年增长率。施耐德电气根据此分析推断,从现在起到2030年,电力需求的复合年增长率估计约为4%,但不同的消费电子设备的预期使用寿命各不相同,导致较大的不确定性产生。由于不同的研究项目覆盖的范围不同,也会导致一些不确定性。例如,Andrae的最新预测29(预测制造业电力需求下降)仅涉及消费电子设备。总体而言,与上一时期相比,施耐德电气预测增长将加速4倍。IDC.ZDNet.Gartner(2019),Gartner称2019年全球设备出货量将持平IDC(2019),IDC的全球季度移动电话追踪器。参见美国商业资讯。©OECD/IEA,电子设备和网络附件(2019),联网设备的总能源模型Statista(2020),2013年至2020年全球计算设备出货量预测(按细分市场);2007年至2021年全球最终用户智能手机销售数量28Andrae&Corcoran(2013),消费者ICT电力消耗的新趋势29AndersAndrae(2020),全球计算技术的一次性能源消耗、电力消耗和碳氧化合物排放预测及其在2020至2030年间占总量的份额。施耐德电气白皮书19数字经济与气候影响Public数字化背景下的电力需求和碳排放30©OECD/IEA(2019),《2019年世界能源展望》31彭博新能源财经(2019),2019年新能源展望(NEO)32AndersAndrae(2020),全球计算技术的一次性能源消耗、电力消耗和碳氧化合物排放预测及其在2020至2030年间占总量的份额。电力需求增长,但对IT行业碳排放的影响有限施耐德电气的统计显示,IT行业的电力需求将显著增长,从2020年的1,900TWh左右增加到2030年的3,200TWh,增幅为50%。然而,我们必须联系相关背景看待这种增长,不应耸人听闻地称其为“失控”。事实上,这一预测类似于国际能源署30对2030年空调额外电力需求的预测,约为+1,200TWh。这是彭博新能源财经31(BloombergNEF)对电动汽车新增电力需求预测的两倍,约为+500Twh。因此,到2030年,IT行业仍仅占总电力需求的10%。比目前的份额略有增加(大约为8%)。由于IT能源需求基本上以电力为主,其增长对碳排放的影响主要与发电的碳强度有关。彭博新能源财经的《新能源展望》(2019)研究显示,到2030年,全球发电系统的二氧化碳强度(以gCO2/kWh为单位)将下降约25%。根据施耐德电气的研究模型,IT行业电力需求所产生的排放量将增加26%左右。从绝对值来看,这意味着将从2020年的0.95GtCO2/年左右增长到2030年的1.2GtCO2/年,或增加近0.3GtCO2/年,这相当于能源相关的二氧化碳排放总量增加0.5pt,到2030年占总量的3.4%。这一预测是根据全球平均水平得出的,而发电的碳强度在各个地区之间存在明显差异。由于缺乏有关IT服务使用地点的数据,因此无法进行更精准的分析。这种对碳排放影响(占总排放量的份额)的最佳估计与Andrae32的最新预测一致。然而,IT行业的这种额外环境影响在现实中可能要低得多,因为大多数运营数据中心或网络基础设施的大型企业已经公开承诺在未来十年内迅速实现运营脱碳,这是目前的预测很少考虑到的一个关键因素。2020年,亚马逊、AT&T、谷歌、微软、Orange和Verizon33和其他许多公司纷纷做出以上承诺。根据这些承诺,到2030年全球数据中心和网络运营将实现保守的50%脱碳率,从而使二氧化碳排放稳定在能源相关总排放量的3%以下,或0.9GtCO2/年(绝对值)。所有这一切意味着,尽管在全球,与IT相关的电力需求显著增加,但相关的环境影响可能比人们担心的要小得多。33亚马逊(2020),亚马逊宣布五个新的可再生能源项目AT&T(2020),投资可再生能源谷歌(2020),宣布推出“全天候云清洁能源”微软(2020),微软将在2030年实现碳负排放Orange(2020),Orange的环境承诺Verizon(2020),制定重要的新绿色能源目标20数字经济与气候影响Public34思科(2018),思科可视化网络指数(VNI)完整预测更新,2017-2022年35©OECD/IEA(2017),数字化与能源数字技术也有利于大幅降低其他行业的能源需求数字技术还有助于减少总体能源需求。如今IT服务的蓬勃发展主要得益于社交网络和视频流,而与物联网相关的服务则可以在整个能源系统中实现系统效率。当前,与业务相关的交互仅占互联网总流量的20%,据思科34报道,机器对机器(M2M)连接仍不到其中的5%。换言之,B2C应用在IT服务中占最大份额,并且在2030年之前构成增长的绝大部分,而B2B应用(主要侧重于物质减量化和效率),尤其是M2M连接,只占很小的份额。M2M的广泛部署所带来的节能潜力已受到各方关注。国际能源署在2017年发布的《数字化和能源》35报告详细阐述了数字化带来的效率优势,指出货运公路运输的能源需求有望节省高达25%。如将改造率考虑在内,得益于智能控制系统的使用,到2040年,数字化可以使建筑物平均节能10%。同样,工业领域对数字控制系统的应用可以为各个行业节省6%到12%的成本。总体来说,M2M应用的效率优势可能推动总体能源需求的潜在下降,从而减少碳排放。全球推进可持续发展机构(2020)36的另一项研究仔细分析了7个国家的碳减排潜力,到2030年总量将达到21.8GtCO2e/年。他们发现,仅仅通过部署数字化技术,就可以减少1到2.1GtCO2e/年的排放。我们可以将这一数字与施耐德电气对整个行业(包括B2C应用,不包括上述大型数据中心运营企业的承诺)的最坏情况预估进行比较,即额外增加0.3GtCO2/年排放的总体估算。这样的数字可能会受到质疑,因为一个主要的不确定因素显然是部署速度,但这表明,虽然限制B2C的能源需求增长仍然是一个挑战(尽管可能低于通常的预期),但B2B技术的部署将从速度和成本两方面,在全球范围内加速遏制能源相关的二氧化碳排放。36GeSI(2020),气候行动数字化解决方案。利用ICT提高中低收入国家气候行动的雄心。21数字经济与气候影响Public施耐德电气白皮书21关键要点各家机构对于IT行业发展带来的能源需求和碳排放影响的预测各执一词。这主要是由于缺乏一个标准化的测算框架。在过去十年,几份报告显示的2030年结果大相径庭。这份分析也没能逃脱这一规则。尽管如此,它还是试图根据过去两年的最新认知来提供新的见解。值得注意的是,我们的预测建立在对IT服务需求的全面详细分析基础上,探讨了IT和电源效率的提升对这种增长的遏制作用。我们认为这是预测该行业对电力需求影响的唯一正确方法。作为对当前认知的一个简单总结,本报告与其他报告一样,只是为这场全球辩论提供了一个视角,目的是在全球范围内帮助人们更好地了解数字化对气候变化遏制行动的真正影响。在未来几年,我们需要采取行动来进一步完善范围讨论和假设,同时纳入新出现的数字化应用。该分析报告表明,到2030年,与IT行业相关的电力需求预计增加近50%(与2020年相比),增幅与对当前建筑物空调系统的预测接近,是交通电气化的两倍。然而,随着电力系统走向脱碳,届时排放量的增加不会超过26%。此外,由于大型数据中运营企业已做出运营脱碳的坚定承诺,到2030年,IT行业的排放增长可能会被抵消。事实上,到那时,IT行业在与能源相关的总排放中仍占不到3%。因此,该分析消除了过去人们对数字技术导致排放“失控”增长的担忧。然而,这并不是说我们什么都不需要做,恰恰相反!要减缓IT行业二氧化碳排放量的增加,需要我们在元件和系统层面不断努力提高IT和能源效率,减少业务运营排放和隐含排放(制造)。我们也需要特别关注边缘计算的兴起,因为从PUE的角度来看,传统上这些系统的效率通常低于超大规模数据中心。IT行业还涵盖广泛的服务,其中B2C应用占据主导地位。M2M连接占总数的5%,虽然仅仅是全球需求的一小部分,但其增长速度很快。该报告发现,物联网技术有可能大幅度遏制建筑、工业和交通等各种相邻行业的能源需求和相关碳排放。因此,在考察2030年和2050年的整体脱碳路线时,他们的加速部署是显而易见的,应当优先考虑。22数字经济与气候影响Public免责声明本出版物的内容仅供信息参考使用,发布方已力图确保其准确性,但不应将其解释为任何明示或暗示的保证或担保本出版物的内容不构成投资建议或其他战略决策依据。本出版物中提及的假设、模型和结论仅代表一种可能的情况,受限于任何一家公司无法控制的许多因素,包括但不限于政府行为、气候条件的变化、地缘政治因素和技术转型。场景和模型并非对未来的预测,也不代表施耐德电气的商业计划战略。施耐德电气标识是SchneiderElectricSE的商标和服务标志。其他标识归产权所有者所有。23数字经济与气候影响Public附件——详细的假设和结果关于IT行业服务需求演变的主要假设范围差异是当前大多数IT预测的主要问题。因此,正确评估本研究报告的范围至关重要。这对于设备制造和使用来说尤其重要,因为预测结果往往会有很大差异。总的来说,模型中包含200个假设。关于服务需求的主要假设2015202020232030计算工作负载(百万)2004459193,490存储需求(mTB)5181,8338,00056,474-HDD存储187%80%49%-SDD存储013%20%51%数据中心基础设施全球PUE21.51.41.3全球IP流量(Eb/年)6742,1385,98830,188-移动与固定IP流量的份额10%14%23%64%-2G在移动流量中所占份额0%0%0%-3G在移动流量中所占份额25%19%11%1%-4G在移动流量中所占份额67%76%86%29%-5G在移动流量中所占份额0%1%4%70%台式机+笔记本电脑数量(10亿)1.21.21.21.1-台式机与笔记本电脑所占份额52%43%33%16%平板电脑数量(10亿)0.50.80.92.0智能手机数量(10亿)3.35.46.79.4普通手机数量(10亿)3.72.01.50.7物联网设备数量(10亿)4.98.314.550.6电视机数量(10亿)1.61.601.601.60电视机外围设备数量(10亿)2.01.971.971.97台式机和显示器年产量(10亿)0.20.20.20.2笔记本电脑年产量(10亿)0.50.60.60.8平板电脑和手机平板年产量(10亿)0.60.91.22.2智能手机年产量(10亿)1.41.82.13.0普通手机年产量(10亿)0.50.50.40.4调制解调器年产量(10亿)0.40.50.60.9电视机年产量(10亿)0.30.30.30.3电视机外围设备年产量(10亿)0.40.40.40.4物联网设备年产量(10亿)0.61.43.75.8表1–关于服务需求的主要假设24数字经济与气候影响Public关于效率的主要假设2015–2020年2020–2030年服务器工作负载的年度改进14%7%服务器年度能效1%1%硬盘存储容量的年度改进22%10%HDD年度能效5%1%SDD存储容量的年度改进43%20%SDD年度能效0%0%固定接入网年度能效16%10%移动接入网年度能效10%5%设备使用的年度能效:台式机-2%-2%设备使用的年度能效:笔记本电脑2%2%设备使用的年度能效:电视机3%3%设备使用的年度能效:其他0%0%制造业年度能效3%3%表2–关于效率的主要假设IT行业的具体能源需求根据这一组假设,计算出每种关键IT服务的电力需求,并以每年TWh表示。IT电力需求(TWh)2015202020232030计算89114150331存储161837108数据中心基础设施179209242280固网99160211239移动网络8487135409IT设备的使用195178171144网络设备的使用83117143229物联网设备使用307098290电视和外围设备使用498456433387设备制造509527577759总计1,7821,9352,1983,177表3–IT行业的电力需求增长25数字经济与气候影响Public37彭博新能源财经(2019),《新能源展望》占全球电力需求的份额主要机构对全球发电量进行了准确估算(在此使用了BloombergNEF预测37)。为了计算电力需求,我们假定全球输配电基础设施损失率为8.3%38。这样即可计算IT行业需求在最终电力需求中所占的份额。全球发电2015202020232030发电(TWh)21,22924,64426,38230,718IT行业电力需求占总电力需求的份额9.3%8.7%9.3%11.5%表4–IT行业在总电力需求中所占的份额IT行业的碳排放下表是根据预计的全球发电碳强度(来自BloombergNEF39)对相关碳排放的简单计算。我们还增加了一个2030年预测,即到2030年全球数据中心和电信行业的碳强度降低50%。到2030年排放量介于0.899GtCO2/年和1.2GtCO2/年之间,而2020年的估计值为0.955GtCO2/年。碳排放(MtCO2/年)20152020202320302030脱碳全球电力CO2强度(gCO2/kWh)548494458378378-计算49566912563-存储99174120数据中心基础设施9810311110653固网5479979045移动网络46436215577IT设备的使用10788785454网络设备的使用4658658743物联网设备使用163545110110电视和外围设备使用272225198146146设备制造279260264287287总计9769551,0061,201899全球能源相关排放所占的份额3.1%2.8%3.0%3.4%2.6%表5–IT行业的碳排放38Jacobson(2019),减少输配电损失有助于更快淘汰化石。斯坦福大学39彭博新能源财经(2019),《新能源展望》26数字经济与气候影响Public参考文献1.Amazon(2020).Amazonannouncesfivenewrenewableenergyprojects.https://blog.aboutamazon.com/sustainability/amazon-announces-five-new-renewable-energy-projects.2.Andrae(2020).Hypothesesforprimaryenergyuse,electricityuseandCO2emissionsofglobalcomputinganditssharesofthetotalbetween2020and2030.https://www.researchgate.net/publication/339900068_Hypotheses_for_primary_energy_use_electricity_use_and_CO2_emissions_of_global_computing_and_its_shares_of_the_total_between_2020_and_20303.Andrae(2020).Newperspectivesoninternetelectricityusein2030.EngineeringandAppliedScienceLetters.https://pisrt.org/psr-press/journals/easl-vol-3-issue-2-2020/new-perspectiveson-internet-electricity-use-in-2030/4.Andrae&Edler(2015).OnGlobalElectricityUsageofCommunicationTechnology:Trendsto2030.www.mdpi.com/2078-1547/6/1/117/pdf;ExcelData:https://www.mdpi.com/2078-1547/6/1/117/s15.Andrae,Anders,Corcoran,Peter(2013).EmergingtrendsinelectricityconsumptionforconsumerICT.https://aran.library.nuigalway.ie/handle/10379/35636.AT&T(2020).InvestinginRenewableEnergy.https://about.att.com/csr/home/environment/renewable-energy.html7.BloombergNEF(2019).NewEnergyOutlook.https://about.bnef.com/new-energy-outlook/8.BroadbandTV(2018).WorldCuppushesglobalTVshipmentsto221min2018.https://www.broadbandtvnews.com/2019/03/08/world-cup-pushes-global-tv-shipments-to-221m-in-2018/9.Cisco(2016).CiscoGlobalCloudIndex:ForecastandMethodology,2016–2021WhitePaper.https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/global-cloud-index-gci/white-paper-c11-738085.htmlandhttps://www.cisco.com/c/dam/m/en_us/service-provider/ciscoknowledgenetwork/files/622_11_15-16-Cisco_GCI_CKN_2015-2020_AMER_EMEAR_NOV2016.pdf10.Cisco(2018).CiscoVisualNetworkingIndex(2017-2022).https://www.cisco.com/c/dam/m/en_us/network-intelligence/service-provider/digital-transformation/knowledge-network-webinars/pdfs/1213-business-services-ckn.pdf11.Cisco(2019).CiscoVisualNetworkingIndex(VNI)CompleteForecastUpdate.https://www.cisco.com/c/dam/m/en_us/network-intelligence/service-provider/digital-transformation/knowledgenetwork-webinars/pdfs/190320-mobility-ckn.pdf12.Cisco(2020).CiscoAnnualInternetReport(2018–2023).https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/executive-perspectives/annual-internet-report/white-paper-c11-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