中国数字基建的脱碳之路：数据中心与5G减碳潜力与挑战（2020-2035）.pdf

中国数字基建的脱碳之路 1 绿色和平是一个全球性环保组织， 致力于以实际行动推动积极的改变， 保护地球环境。 地址：北京东城区东四十条94号亮点文创园A座201室 邮编：100007 电话：86（10）65546931 传真：86（10）64087851 2 中国数字基建的脱碳之路 作者 （按章节排序） 叶睿琪、袁媛、魏佳 | 绿色和平 伍盛达、赵怡然 | 工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心 马翠梅、柴麒敏 | 国家应对气候变化战略研究与国际合作中心 编辑 王赫、Erin Newport 评审委员（按姓名拼音排序） 柴麒敏 | 国家应对气候变化战略研究与国际合作中心 刘 宇 | 工业和信息化部电子技术标准化研究院 李 秀 | 清华大学 路 远| 金风科技 马丽芳 | 中国循环经济协会可再生能源专委会 蒋 励 | 西安邮电大学 唐 特 | 国家电力投资集团 吴晓晖 | 中国建筑标准设计研究院 温晓君 | 赛迪电子信息产业研究所 温宗国 | 清华大学 章秀银 | 华南理工大学 周怡琳 |北京邮电大学 鸣谢 绿色和平 | 袁瑛、吕歆、张文佺、田梦 工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心 王景、田宇、陈东、宋绪文、聂聪 发布于2021年5月 中国数字基建的脱碳之路 1 中国数字基建的脱碳之路 数据中心与5G减碳潜力与挑战 （2020-2035） 2 中国数字基建的脱碳之路 05 09 09 09 10 13 13 15 25 27 27 33 37 39 39 41 43 43 44 45 47 11 13 14 目录 图表目录 第一章：执行摘要 第二章：数字基础设施减碳潜力的背景 一、数字技术与基础设施成为应对气候变化与碳中和的关键 二、数字技术助力传统行业提升减碳潜力 三、数字基础设施能耗和碳排放挑战不容忽视 第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 一、核心数字产业规模分析及预测 二、数字基础设施能耗与碳排放分析及预测 三、本章小结 第四章：数字基础设施进一步应用可再生能源的潜力 一、中国可再生能源发展现状与趋势 二、数字基础设施应用可再生能源的方式及案例 三、数字基础设施应用可再生能源的挑战及应对 第五章：推动数字基础设施绿色低碳化发展的建议 一、政策建议 二、企业建议 附录 一、数字基础设施产业规模预测方法论 二、数字基础设施能耗测算方法论 三、数字基础设施碳排放测算方法论 注释 图 2.1 “十四五”数字基础设施建设的碳排放影响分析 图3.1 20202030年中国5G产值规模预测 图3.2 20202035年中国数据量增长规模预测 目录 中国数字基建的脱碳之路 3 14 17 17 20 21 21 24 27 27 27 31 31 32 32 35 10 10 15 16 16 17 18 18 18 19 22 22 23 23 24 28 29 30 35 36 图3.3 20162035年中国云计算产值规模及预测 图3.4 20202035年中国5G基站增长情况 图3.5 5G基站能耗分布 图3.6 20202025年5G单站设备功耗发展趋势 图3.7 20162035年中国数据中心产值增长情况 图3.8 20162035年中国数据中心机架增长情况 图3.9 20202035年中国分地区数据中心机架数增长率 图 4.1 20162020年中国清洁能源消费占能源消费总量的比重 图 4.2 2020年中国不同类型电源累计装机量及占比 图 4.3 2020年中国新增发电装机量占比 图 4.4 20182023年中国储能新增规模预测 图 4.5 2020年中国不同发电技术的平准化发电成本 图 4.6 中国新建光伏与陆上风电平准化发电成本与现有燃煤和燃气电厂运营成本的对比 图 4.7 20192030年全球化学储能（四小时电站级）成本预测 图 4.8 2020年全球不同地区PPA签署量 表2.1 20202030年全球ICT产业能耗预测 表2.2 20152017年中国数据中心能耗规模分析 表3.1 全国及各地区5G基站规模 表3.2 全国4G基站发展情况 表3.3 全国及各地区5G基站建设规划情况 表3.4 5G主用设备实测功耗 表3.5 5G主用设备典型功耗 表3.6 2020年全国及各地区5G基站能耗 表3.7 2020年全国及各地区电网排放因子 表3.8 2020年全国及各地区5G基站碳排放量 表3.9 中国数据中心区域分布情况 表3.10 数据中心能耗计算关键指标 表3.11 2020年全国及各地数据中心机架数 表3.12 2020年全国及各地区数据中心碳排放量 表3.13 2035年中国数据中心机架数区域分布系数 表4.1 主要省份的“十四五”新能源装机规划 表4.2 主要省份的新能源发电配置储能政策 表4.3数据中心参与电力市场交易政策 表4.4 可再生能源进入电力市场交易省市 表4.5 可再生能源采购方式总结与对比 目录 4 中国数字基建的脱碳之路 Greenpeace 中国数字基建的脱碳之路 5 第一章：执行摘要 当下，气候变化的影响正对全人类生存发展带来重大挑 战，各国纷纷加速向碳中和转型，其中数字化技术在助 力全球应对气候变化进程中承担着重要的角色。数字化 技术能够与电力、交通、工业制造与农业等重点排放行 业实现深度融合，有效提升能源与资源的使用效率，实 现生产效率与碳效率的双提升。 与此同时，新冠疫情严重冲击了全球经济的运行模式与 人们的生活方式，让数字化经济生产与生活方式成为后 疫情时代的新常态。中国在“十四五”规划中明确指出 要加快数字化发展，推动数字经济和实体经济深度融合。 可预见的是，大数据、云计算、 5G、物联网、人工智能 将带来计算量和数据量的激增。 面临业务倍数级增长随之带来的能耗增加，依赖化石能 源发电的数字基础设施正在面临严峻的碳排放挑战。在 中国力争实现“2030 年前碳达峰”、“2060 年前碳中和” 的背景下，数字基础设施作为数字经济发展的重要基座， 如何实现绿色低碳的高质量发展尤其值得关注。 鉴于此，绿色和平与工业和信息化部电子第五研究所计 量检测中心（广州赛宝计量检测中心）共同编写中国 数字基建的脱碳之路：数据中心与 5G 减碳潜力与挑战 （2020-2035），希望探讨中国数字基础设施的能耗 和碳排放趋势，提升政策制定者及行业对于节能减排挑 战的认知，以助力数字基础设施行业尽早实现以 100% 可再生能源为目标的低碳转型，为数字经济整体迈向“碳 中和”提供扎实的基础。 研究对象 本报告选取了新一代数字技术中占主要能耗的设施设备 为研究对象，一是作为数据传输驿站的 5G 基站，二是 作为数据计算、储存场所的数据中心。需要明确的是， 本文的研究范围仅限于上述基础设施与设备的运行阶 段，未考虑相应设备生产制造与建设过程所产生的能耗 与碳排放。 研究方法 本报告主要采用文献研究和模型分析两种方法。第二章 通过文献综合分析了数字化技术帮助全社会实现减排的 积极作用，以及数字基础设施自身面临的能耗和碳排放 问题。第三章通过收集中国范围内的最新数据并建立数 学模型，全面梳理了 2020 年以数据中心和 5G 为代表 的数字基础设施的用电量和碳排放现状。结合 2035 年 是中国远景目标纲要编制与建设数字中国的重要时间节 点，我们尝试对 2035 年数字基础设施的能耗和碳排增 长进行远期预测。第四章通过文献研究与专家访谈的方 式，提出了中国数字基础设施行业应用可再生能源的重 点路线。第五章在此基础上提出了相关政策与企业建议， 为该行业迈向碳中和提供可行的解决方案。 主要发现 1. 2030年，中国已全面实现碳达峰的情景下，数字基 础设施的碳排放仍将持续增长。对比重点排放行业如 钢铁 1 、建材 2 、有色金属 3 等有望率先在 2025 年左 后实现碳排放达峰并开始下降，数字基础设施的碳排 “锁定效应”将成为中国实现碳达峰以及进一步碳中 和的重要挑战。 2035年，中国数据中心和5G总用电量约是2020年 的2.53倍，将达6,9517,820亿千瓦时，将占中 国全社会用电量57% 4 。如何满足这部分新增电力 需求将决定数字基础设施行业未来的二氧化碳排放 趋势。以中国能源低碳转型速度按照 1.5 C 和 2 C 目标推进为例，即 2035 年非化石电量上升至全国 5361%，到2035年中国数据中心和5G的二氧化碳 排放总量将达2.33.1亿吨，约占中国二氧化碳排放 量的24% 5 。同时，也相当于目前两个北京市的二 氧化碳排放 6 。2035 年数据中心的碳排放将比 2020 年最高增长 103%，5G 的碳排放将最高增长 321%。 第一章：执行摘要 6 中国数字基建的脱碳之路 2. 2020年，中国数据中心和5G用电量为2,011亿千瓦 时，占中国全社会用电量2.7% 7 。同时，它们的二氧 化碳排放总量达1.2亿吨，相当于中国二氧化碳排放 量1% 8 。 2020 年，河北、江苏、北京、广东和浙江 5 个地区 的数据中心和 5G 基站二氧化碳排放超过全国数据 中心和 5G 基站的一半（54%）。其中河北、江苏和 北京均超过 1,000 万吨，分别为 2,397 万吨、1,321 万吨和 1,058 万吨。在有条件的省市率先实现“碳 达峰”的背景下，数字基础设施碳排放的持续增长 或将是各省市实现“碳达峰”目标的挑战因素。 3. 相较于对节能技术与指标的重视程度，数字基础设 施产业整体仍未大规模应用可再生能源，但是已有 少数企业开始向100%可再生能源转型。 目前，数据中心和 5G 应用可再生能源的方式包括： 投资建设分布式与大型集中式可再生能源项目、市 场化采购可再生能源、以及认购绿色电力证书等。 大规模应用可再生能源可以从根本上帮助数字基础 设施行业和企业减少碳排放，应当作为迈向碳中和 的优先路径。 另外，在政策支持与成本不断下降的基础上，储能 与可再生能源的结合潜力正在凸显。目前已有 5G 或数据中心 + 光伏 + 储能的商业项目，预计到 2030 年，储能成本相比 2019 年将下降 49%，储能成本 的持续下降将进一步推动数字基础设施使用可再生 能源。 主要政策建议 在中国迈向碳中和的道路上，实现数字基础设施产业 的绿色高质量发展至关重要，亟需避免高碳基础设施 投资带来的锁定效应以及搁浅资产的风险，以实现发 展和环境的共赢。为促进数字基础设施产业向碳中和 与 100% 可再生能源转型，建议相关部门从以下四个方 面着手： 1. 加强顶层设计，强化数字基础设施的绿色低碳导向， 出台针对数字基础设施产业的“碳达峰、碳中和”路 线图； 2. 完善数字基础设施产业使用可再生能源的考核体系， 将双控目标与新建数据中心的审批政策挂钩，将数据 中心可再生能源使用比例作为考核指标之一； 3. 进一步完善数字基础设施产业使用可再生能源的市 场机制，促进产业与可再生能源的协同发展，扩大产 业参与可再生能源市场化交易的范围，并完善绿色电 力证书机制； 4. 健全促进数字基础设施产业使用可再生能源的激励 机制，引导资本流向，并发挥公共资金对于绿色低碳 数字基础设施的撬动作用。 主要企业行动建议 为发挥先进作用，实现负责任碳中和，建议数字基础 设施企业从以下三个方面发力： 1. 设立 2030 年前实现 100% 可再生能源目标，并进一 步提出 2030 年前实现全范围（范围 1、 2、 3）的碳 中和目标； 2. 扩大企业可再生能源采购规模，积极与关键利益相 关方沟通，助力市场化可再生能源采购机制的进一 步突破； 3. 进一步提升能源信息披露，披露温室气体排放与用 能信息。 第一章：执行摘要 中国数字基建的脱碳之路 7 研究局限性 由于数据获取渠道有限，本报告未能将以下领域纳入 研究范围： 1. 智能终端设备，如手机、电脑、平板、智能穿戴等 设备的碳排放； 2. 数字基础设施在生产制造，以及建设过程中所涉及 的原材料碳排放，如钢铁、水泥、金属等； 3. 数字技术所催生的智能新需求与相应碳排放，如 6G 技术、自动驾驶、虚拟现实、数字货币等。 未来十载是中国加速数字化发展的重要阶段，在中国 力争 2030 年前“碳达峰”的背景下，我们亟需了解与 应对数字基础设施的能耗和碳排放增长方面存在的不 确定性或风险，包括： 1. 人工智能、量子计算、区块链技术等计算密集型 应用的普及； 2. 摩尔定律遭遇瓶颈，能效提升速度放缓。 上述这些因素使本报告对未来数据中心和 5G 的能耗及 碳排放预测相对保守。为了更全面地评估数字技术与 基础设施产业全范畴、全生命周期的能耗与碳排放影 响，我们将持续跟踪并拓展相关研究。 第一章：执行摘要 Greenpeace 8 中国数字基建的脱碳之路 Greenpeace 中国数字基建的脱碳之路 9 一、数字技术与基础设施成为应对气候变化与碳中和的关键 二、数字技术助力传统行业提升减碳潜力 在后疫情时代，“数字化”和“绿色化”成为全球经济复苏的 主旋律。欧盟、德国、美国、中国 9 等多国的经济刺激与复苏 方案均指向数字化技术与基础设施对于实现全球绿色经济增长 以及应对气候变化的重要性。 数字化方面，在新基建、双循环、科技自立自强的战略驱动下， 近年来中国数字化进程加速，数字经济逐步成为驱动中国经济 增长的核心力量。 2020 年，全国数字经济总量规模和增长速度 居世界前列，规模达到 39.2 万亿元，占 GDP 比重为 38.6% 10 。 绿色化方面，中国就应对气候变化提出新目标。 2020 年 9 月，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩 论上表示，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排 放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中 和 11 。 2021 年 3 月，“碳达峰、碳中和”被首次写入“两会” 政府工作报告 12 。 随着中国提出双碳目标，如何实现“数字化”与“绿色化”相 协同，让数字技术与基础设施最大化服务于中国的碳中和转型 亟需关注，尤其是数字基础设施是否会如传统基础设施一样产 生“锁定效应”并带来长期的生态环境和气候变化影响，亟需 辩证分析。 一方面，数字技术与传统产业深度融合将促进产业进行全方位 全链条的升级改造，减少能源与资源消耗，实现生产效率与碳 效率的双提升。 另一方面，数字基础设施的蓬勃发展将带来能源需求与碳排放 的增长。近年来，云计算、大数据、 5G、人工智能等数字技 术由单点应用向连续协同演进，形成新的数字产业体系。这些 数字技术背后的数字基础扩张迅速，能源需求与碳排放问题备 受关注，减碳挑战不容忽视。为持续扩张的数字基础设施制定 零碳发展路径十分紧迫。 在技术创新视角下，数字技术发展将带来显著的减排效应。 当数字技术与重点行业不断渗透融合，数字技术可以有效促 进经济增长与碳排增长脱钩，主要体现在三个方面：一是技 术进步本身带来的能效提升， 5G 技术的单位数据传输能耗更 低，并有助于降低智能手机、物联网和其他终端设备的电池 消耗，深度神经网络通过学习可以促进数据中心节省大量能 源消耗；二是带动产业链结构的优化，人工智能、工业互联 网等技术对工业、能源、建筑、交通基础设施和上下游体系 的改造将大大强化产业链的协同增效，使各行业垂直领域的 连接更加紧密、反应更加智能、整体更加高效，从而大幅减 少物耗和能耗。三是替代原有生产和消费方式，如高清视频 会议可以替代国际差旅以及出行需求，从而减少交通排放。 研究显示，到 2030 年数字技术或可帮助全球每年减少二氧化 碳排放约 120 亿吨，届时数字技术实现的减碳量将是信息通 信行业全生命周期（包括生产、运行和终端处理环节）二氧 化碳排放的 5-10 倍 13 。 全球电子可持续发展倡议组织（ GeSI）的研究显示 14 ，数字技 术 15 可以帮助中国每年减少二氧化碳排放 14 亿吨，集中体现 在电力、交通、工业和农业四个部门。 1. 电力：智能电网和智能建筑可以提高能源效率，以及通过 供给侧与需求侧管理，实现能源本地化，提升可再生能源 利用率； 2. 交通：通过实时交通流量管理，公共交通信息预测，以及 智能物流和基础设施的维护预测，可以实现人员交通和货 物运输方式的低碳化； 3. 工业：在工业 4.0 时代，数字技术将提升制造流程和工业 效率，使工业制造变得更加互联与高效； 4. 农业：数字技术可以实现精准农业，比如提高氮基肥料的 使用效率和进行牲畜管理，以减少农业生产的碳排放。 然而，这些测算仅仅是理论值，真正实现数字技术的减排效应 还取决于多重因素，包括政策倾斜力度、技术发展趋势、数字 技术与传统行业融合的速度与程度以及投资力度。 同时，数字技术所带来的生产效率提升也将带来不可忽视的反 弹效应（ rebound effect）。当生产效率提升，成本下降，消 费需求受到刺激进而增长，导致碳排放总量增长，这一系列的 反弹效应在能效领域已有诸多研究论述 16 。 第二章： 数字基础设施减碳潜力的背景 第二章：数字基础设施减碳潜力的背景 10 中国数字基建的脱碳之路 表2.1 - 20202030年全球ICT产业能耗预测 19 （亿千瓦时） 年份数据中心信息通信网络终端设备生产制造 2020 2,990 2,690 10,390 3,810 2030 9,740 8,740 10,730 2,980 三、数字基础设施能耗和碳排放挑战不容忽视 （一）全球数字基础设施的能耗与碳排放挑战 数字基础设施的增耗效应主要体现在三方面：一是数 字基础设施的设备生产制造阶段与建设过程的能耗与 碳排放；二是运行运营阶段所产生的能耗与碳排放； 三是其刺激消费新需求所产生的能耗和碳排放。 国际上关于数字基础设施的能耗与碳排放研究大多围 绕信息通信（ ICT）产业，通常来说， ICT 产业能耗研 究的完整范畴包括数据中心、通信网络与终端设备； 根据华为瑞典研究院， 2020 年全球 ICT 产业的能耗约 20,000 亿千瓦时，预计到 2030 年最高将增长 61% 至 32,180 亿千瓦时（表 2.1） 17 。同时，加拿大麦克马斯 特大学的研究显示， 2020 年 ICT 产业占全球温室气体 排放约 33.6%。如果不加控制，到 2040 年 ICT 产业 的排放将相当于 2016 年全球温室气体排放 14% 18 。 美国加州大学的研究指出， 2018 年全球数据中心的运 营能耗约 2,050 亿千瓦时，相当于全球总用电量的 1%； 20102018 年之间，能效水平的提升勉强控制了数据中 心的能耗增长（增幅为 6%） 20 ，但是未来人工智能等 更高密度数字技术的普及将带来不可忽视的风险，能 效提升或将难以抵挡未来十年数据中心陡峭的能耗增 长。这些研究均显示，在无干预情况下，未来十载 ICT 产业的能耗与碳排放将呈现快速增长的趋势。 表 2.2 - 20152017年中国数据中心能耗规模分析 2015年2016年2017年 耗电量（亿千瓦时）987.0 1,102.1 1,221.5 增长12.6% 11.7% 10.8% 数据来源：中国电子技术标准化研究院绿色数据中心白皮书 2019 5G 也同样面临能耗与碳排放挑战。目前，中国 5G 基 站数量位列全球第一。根据 5G 发展和经济社会影响 白皮书，截至 2020 年 10 月，中国已累计建设 5G 基 站超过 70 万个 23 ，约占全球的 70% 24 。 中国铁塔研究院表示，目前 5G 的单设备功耗是 35 kW，是 4G 功耗的 23 倍 25 。根据瑞典电信巨头爱立信 公司 2020 年发布的报告，如果以与 3G 和 4G 相同的方 式部署 5G，能源消耗将急剧增加。虽然 5G 的能源效 率更高，每比特能耗仅为 4G 的 1/10，但由于可预见的 数十倍的流量增长， 5G 网络也将造成一定规模的能耗 增加 26 。在满足不断增长的流量和网络质量的需求下， 一些通信服务提供商甚至估计其能耗将增加一倍 27 ，未 来巨额用电成本将成为 5G 运营的最大负担之一 28 。 （二）中国数字基础设施的能耗与碳排放挑战 关于中国数字基础设施能耗与碳排放的研究主要集中 在数据中心与通信基站领域。数据中心在 ICT 产业耗能 中占很大比例，被认为是节能减排关键点。中国电子技 术标准化研究院发布的绿色数据中心白皮书 2019 指出，中国的数据中心能耗总量仍在高速增长，明显高 于世界的平均水平。一方面是因为中国的数据中心建设 规模增速较快，另一方面中国的数据中心存在较大的节 能空间 （表 2.2） 21 。绿色和平与华北电力大学的研究 显示， 2018 年中国数据中心用电量为 1,680 亿千瓦时， 占中国全社会用电量 2% 22 。 第二章： 数字基础设施减碳潜力的背景 中国数字基建的脱碳之路 11 根据国家应对气候变化战略研究和国际合作中心的分 析，综合考虑增耗和减排的直接效应，数字基础设施建 设对部门和行业碳排放达峰将产生短期和中长期不同的 影响。短期而言，因为“十四五”规模建设投产加速， 但能源结构调整幅度并不能快速提升，增耗效应可能占 据主导（图 2.1）；“十四五”期间数据中心和 5G 累计 将直接增加二氧化碳排放约 6,360 万吨；长期来看，信 息技术和能源技术的“双重革命”的叠加效应会进一步 显现，数字基础设施对行业智能化升级改造、绿色化要 素协同的减排效应将充分发挥。 （三）积极应对数字基础设施能耗与碳排放挑战 在数字经济时代全面到来之际，面对数字基础设施的能 耗与碳排放挑战，各国政府、信息通信行业以及头部企 业已经开始筹备应对措施。 应巴黎协定的要求， 2020 年欧盟委员会提出支 持绿色化和数字化转型的战略，并将在 2030 年前实 现数据中心和信息通信产业的“气候中性” 29 。 全球移动通信协会（GSMA）、国际电信联盟（ITU）、 全球电子可持续发展倡议组织（ GeSI）和科学碳目 标倡议组织（ SBTi）于 2020 年发布了 ICT 行业基 于科学的减排目标，具体为 2020 年至 2030 年期间， ICT 行业需要减少温室气体排放量 45%。目前，代 表全球 30% 移动连接的 29 家运营商集团已经承诺 致力于实现该减排目标 30 。 截至 2021 年 1 月，全球包括 Google、 Apple、 Facebook 在内的 41 家科技企业已率先设立 100% 可再生能源目标，其中约 20% 已经实现了 100% 可 再生能源目标，另外约 50% 的企业将在 2030 年前 实现 31 。 在中国迈向碳中和的道路上，实现数字基础设施行业的 绿色高质量发展至关重要。为了使数字技术对于中国全 社会各行业的减排效应发挥到最大，数字基础设施行业 应率先开始绿色化转型，其自身的高耗能和高碳排问题 需要被重视和思考，亟需避免高碳基础设施投资带来的 锁定效应以及巨额搁浅资产的风险，以实现发展和环境 的共赢。 图2.1 - “十四五”数字基础设施建设的 碳排放影响分析（五年累计） 5G大数据中心 二氧化碳（亿吨） 直接增耗直接减排 10 5 0 -5 -10 6.78 -2.61 2.78 -0.59 第二章： 数字基础设施减碳潜力的背景 12 中国数字基建的脱碳之路 Greenpeace 中国数字基建的脱碳之路 13 第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 20212020 产值 （亿元） 5G的直接经济产出5G的间接经济产出 2022 2023 2024 2027 20282025 2026 2029 2030 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 图3.1 - 20202030年中国5G产值规模预测 （二）大数据与云计算 随着互联网的大规模普及和传感器技术、通信技术、信 息处理技术的发展，中国已成为“数据大国”。数据显示， 2019 年全国大数据产业规模达到 5,397 亿元 33 。根据赛 迪顾问统计和预测， 2020 年全国数据规模达到 64 ZB， 2030 年将达到 4,096 ZB 34 ，约每两年倍增一次。若按此 趋势增长，2035 年数据规模将超过 23 YB（图 3.2）。 第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 一、核心数字产业规模分析及预测 （一）5G 2019 年，随着 5G 牌照的发放，中国正式迈入 5G 时代。 5G 通讯技术相比于 4G，连接速度快 10 倍，时延缩减 至 1ms，最大连接数扩充至千亿级 32 。正因为 5G 技术 拥有高速率、低时延、大流量等特点，在 5G 时代，不 再局限于人与人之间连接，而是升级至物与物之间、 人与物之间互联互通。“ 5G+ 高清视频”、“ 5G+ 智慧 工厂”、“5G+ 智能驾驶”、“5G+ 远程医疗”、“5G+ 智慧矿山”等一系列典型应用场景正在不断深化探索、 加速落地推广。 根据信通院的预测，从产出规模看， 2030 年 5G 带动 的直接产出和间接产出将分别达到 6.3 万亿和 10.6 万 亿元。在直接产出方面，按照 2020 年 5G 正式商用算 起，预计当年将带动约 4,840亿元的直接产出， 2025年、 2030 年将分别增长到 3.3 万亿、6.3 万亿元，十年间的 年均复合增长率为 29%。在间接产出方面， 2020 年、 2025 年和 2030 年，5G 将分别带动 1.2 万亿、6.3 万亿 和 10.6 万亿元，年均复合增长率为 24%。 14 中国数字基建的脱碳之路第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 云计算作为大数据的孪生兄弟，市场规模同样一路上涨。 据统计， 2019 年全国云计算产值为 1,290.7 亿元，增长 率达 34.1% 35 。 从需求上看，云计算作为一种弹性的计算方式，解决了 算力部署与业务需求的矛盾。此外， ICT 设备部署量少 的中小型企业通过上云，享受到容错架构，容灾备份的 高可靠性基础设施，无需专门组建基础设施运维队伍， 缩减了运营成本，因此云计算服务广受青睐。 从供给上看，国内几大云计算服务供应商纷纷宣布继续 加大投资力度，建设云计算基础设施，加快传统互联网 数据中心（ IDC）向新型云计算数据中心转型的步伐。 例如，阿里云宣布未来 3 年将再投资 2,000 亿元，用于 云基础设施投资，包括数据中心建设、服务器、芯片、 网络、云操作系统等 36 。中国电信把“5G+ 天翼云 +AI” 作为重要的发展战略，创造性地提出“云网融合”的概念， 构建了“ 2+4+31+X”的云计算算力资源布局体系 37 。华 为也加快云计算基地布局速度，在内蒙古、江苏、贵州 等地建设云计算数据中心，并首次提出以应用为中心的 云原生 2.0 概念 38 ，预计未来云计算服务商仍会保证充 足的供给能力来满足旺盛的市场需求。 从政策上看，国家在关于推荐上云用数赋智行动培 育新经济发展实施方案中指出“加快数字化转型共 性技术、关键技术研发应用，支持在具备条件的行业 领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数 字孪生、 5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用 和集成创新”。各地政府应制定了相应的规划，例如 北京市指出要“落实北京大数据行动计划，加强物联网、 云计算、大数据、人工智能等技术在城市管理中的应用， 提升城市管理智能化水平” 39 。上海市指出要“推动大 型展览展示企业和知名云服务企业共建云展服务实体， 打造云会议、云展览、云走秀、云体验等系列活动” 40 。 广东省指出要“以构建泛在互联一体化网络为主体， 加快推进信息基础设施建设。带动超过 5 万家工业企 业上云上平台” 41 。预计在政策的鼓励下，各行各业上 云积极性将提高，有利于云计算规模的增长。 在多方利好因素的影响下，全国云计算的市场产值规模 将不断攀升，预计 2035 年达 5,439 亿元。 20172016 产值 （亿元） 2018 2019 2020 2023 2028 20312024 2029 2032 20342021 20262022 20272025 2030 2033 2035 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 图3.3 - 20162035年中国云计算产值规模及预测 图3.2 - 20202035年中国数据量增长规模预测 数据来源：20202030 年数据源于赛迪顾问 20222020 64 128 512 1,024 2,048 4,096 8,192 16,384 23,170 数据量（ZB ） 2024 2026 2028 2034 20352030 2032 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 中国数字基建的脱碳之路 15 第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 地区累计已建成（万个）统计截止时间 上海3计划 湖南2.9 2020年12月 湖北2.61 2020年12月 天津2.4 2020年12月 福建2.25 2020年12月 安徽2.14 2020年8月 广西2.1 2020年12月 河北2.1 2020年12月 辽宁2 2020年9月 贵州2 2020年12月 黑龙江1.98 2020年12月 云南1.85 2020年12月 山西1.8 2020年12月 陕西1.8 2020年12月 甘肃0.81 2020年11月 吉林0.8 2020年12月 新疆0.53 2020年10月 内蒙古0.45 2020年10月 宁夏0.4计划 西藏0.36 2020年12月 海南0.21 2020年9月 青海0.19 2020年9月 全国85.7 / 数据来源：各地政府部门公布的数据。 （三）小结 5G、大数据、云计算和人工智能将进一步融合，聚变效 应更加明显。在新一代数字经济产业体系里，大数据是 云计算的输入原料，是人工智能的学习素材。云计算是 加工处理仓库，利用分布式计算高效处理海量数据，挖 掘数据背后的价值，同时也是人工智能网络模型主要的 学习训练场所。 5G 是传送带，利用高速率、低时延、 大流量的连接方式使万物互联，缩短数据的传输时间， 打破空间的限制，连接云端与边缘端，拓展了人工智能 的应用场景。人工智能则是上述技术其中一个应用出 口，利用大数据、云计算技术进行网络模型训练，利用 5G 技术进行数据实时互传，以云边协同的工作模式，优 化网络模型，快速输出推理结果。可以说，人工智能是 一个充满想象的未来。人工智能应用场景的拓展，又进 一步刺激了其余数字技术的发展，形成一个良性循环。 5G、大数据、云计算和人工智能等数字技术产业将相互 促进、相互刺激，继续保持强劲的发展势头。 二、数字基础设施能耗与碳排放分析及预测 通过对 5G、大数据、云计算和人工智能等数字经济产 业间关系的梳理，我们归纳出新一代数字技术主要的 能耗设施设备，一是作为数据传输驿站的 5G 基站；二 是作为数据计算、储存的场所的数据中心。 （一）5G 1. 基站规模分析预测 目前，全国 5G 基站的建设正按计划有序进行。截止 至 2020 年底，全国 5G 基站约 71.8 万个 42 ，新建基站 58.8 万个，超额完成了 2020 年底建设 55 万个基站的 目标 43 。 为了能更准确地得出 2020 年全国 5G 基站的规模，本 文统计出 2020 年全国各地 5G 基站的数量。 表3.1 - 全国及各地区5G基站规模 地区累计已建成（万个）统计截止时间 广东12.4 2020年11月 江苏7.1 2020年11月 浙江6.26 2020年10月 山东5.1 2020年12月 重庆4.9 2020年10月 河南4.54 2020年12月 四川3.9 2021年1月 北京3.7 2020年12月 江西3.1 2020年11月 16 中国数字基建的脱碳之路 表3.2 - 全国4G基站发展情况 年份基站总量（万个）增量（万个） 2014 85 / 2015 177 88 2016 263 86 2017 328 65 2018 372 34 2019 544 172 表3.3 - 全国及各地区5G基站建设规划情况 地区 计划累计建成数量（万个） 复合增长率 （%） 2020年2022年 广东10 22 48.3 江苏5.2 16.9 80.3 河南4 16.8 104.9 浙江6 12 41.4 四川3 12 100.0 山东3 11.2 93.2 重庆4 10 58.1 福建4 8 41.4 河北1.5 7 116.0 上海3 5 11.8 山西1.5 5 82.6 安徽2 4.5 50.0 天津2 4 41.4 江西2 4 41.4 贵州2 3.2 26.5 数据来源：工信部发布的2019 年通信业统计公报 数据来源：各地政府政策 从通讯频段看，中国移动得到 2515 MHz2675 MHz 及 4800 MHz4900 MHz 频段、中国电信得到 3400 MHz3500 MHz 频段、中国联通得到 3500 MHz3600 MHz 频段 45 。而 4G 工作频段为 1880 MHz1900 MHz、 2320 MHz2370 MHz 及 2575 MHz2635 MHz 46 。显然， 5G 传输频率比 4G 高，虽然在传输速度上更快，但根据 电磁波传播模型可知，传输频率与传输距离成反比。换 言之，要达到同样的覆盖效果，需建设更多 5G 基站。 考虑到 5G 宏基站与微基站、皮基站、飞基站的协同 工作方式，初步估计 5G 宏基站总数量约为 4G 基站的 1.21.5 倍。 从政策上看，为保障 5G 基站建设行动有序实施，各地 政府相继提出了 5G 建设的规划方案。如广东省提出了 “到 2025 年底 5G 基站累计达 29 万个” 47 、江苏省提出 “到 2022 年， 5G 基站达到 16.9 万个” 48 、河南省提出“到 2022 年，5G 基站数量达到 16.8 万个” 49 。各地规划情 况详见表 3.3。对比各地 2020 年 5G 基站计划累计建成 数量和 2022 年计划累计建成数量可得出平均复合增长 从发展规律看，自从 20 世纪 80 年代初引入 1G 技术以 来，通讯技术大约每 10 年发生一次更新迭代。 4G 通讯 技术自 2010 年海外运营商建设启动至今已达 10 年。中 国从 2013 年开始，历经七年时间， 4G 基站建设进度基 本完成。截止至 2019 年底，4G 基站建成数量达 544 万 个 44 ，详见表 3.2。据此估计，全国 5G 基站建设数量将 在 20212025 年间将稳步上涨，在 2025 年前后基本布 局完成。 综上所述，推测5G通讯技术周期为10年，基站建设 在2025年基本完成，基站数量在20212025年间按 63.6%复合增长率的上涨，在2030年开始逐步回落。 采用以下模型进行拟合，预测出2035年全国5G基站数 量约758万架。 681.636 x-2020 , 2021x2025 797, 2025x2030 7970.99 x-2030 , x2030 率约 63.6%。按此增长率计算， 2025 年全国 5G 基站约 800 万个，为 4G 基站总量的 1.4 倍左右，与上述推测结 果基本吻合。 第三章：数字基础设施能耗与碳排放挑战分析与预测 中国数字基建的脱碳之路 17 2. 能耗及碳排放现状分析 能耗结构 目前，受限于公众对辐射的担忧及运维难度大等因 素影响， 5G 微基站、皮基站和飞基站尚未大规模部 署，各地政府公布的 5G 基站建设数据也以宏基站 为主，微基站、皮基站、飞基站较少提及。另一方面， 就目前情况来看，宏基站数量和单站功率均远大于 微基站、皮基站和飞基站。 考虑到数据可获得性和对整体能耗的影响权重，本 文在分析 5G 基站能耗时仅考虑宏基站的能耗。一 般来说， 5G 宏基站由 1 套基带单元 BBU 和 3 个有 源天线单元 AAU 构成。5G 基站功耗包含主设备