战略性数据中心选址可缓解日本脱碳与数字化之间的权衡

《Cell Reports Sustainability》：Strategic data center siting can mitigate trade-offs between decarbonization and digitalization in Japan

　　

数字化与脱碳是可持续发展的核心支柱，然而二者的整合仍未被充分探索。虽然向净零排放的能源转型推高了电价，但作为数字基础设施核心的数据中心正在迅速增加本地电力需求，进一步给电力系统带来压力。在此，研究人员采用覆盖日本1,741个市级行政区的高分辨率电力系统模型，考察数据中心选址策略在协调数字增长与气候变化减缓方面的作用。研究结果表明，虽然数据中心扩张与脱碳努力共同推高了电力成本，但将数据中心从城市地区分散布局可利用区域可再生能源，缓解成本上升，并减少对化石燃料和碳移除技术的依赖。值得注意的是，即使在旨在确保基础设施接入同时规避自然灾害风险和土地使用冲突的实际约束下，这些效益依然存在。研究见解为数字与能源基础设施的整合规划提供了可操作的指导，且该框架具有广泛的可移植性。

本解读围绕《Cell Reports Sustainability》发表的论文展开，该研究聚焦数字化与脱碳的协同难题。

**研究背景与问题**

数字化与脱碳是可持续发展的核心支柱。以人工智能（AI）、自动化和扩展现实（XR）为代表的先进技术虽能提升生产效率与人类福祉，但其核心基础设施——数据中心——正带来大规模且地理上高度集中的电力需求。2024年全球数据中心耗电量约415 TWh，占全球总用电量的1.5%，预计到2030年可能翻倍。短期内这一需求增长导致额外CO₂排放，长期则要求更多清洁能源投资，威胁气候目标。与此同时，能源转型本身在过渡阶段会推高区域电价，威胁高耗能数据中心产业的经济可行性，或转嫁给数字服务终端用户。然而，如何协调脱碳与数字化之间的权衡，仍缺乏系统认识。

日本是研究这一问题的典型案例。日本承诺2050年实现净零排放，但可再生能源部署受地理、气候和社会因素制约，核电在福岛事故后政治敏感性高。日本数据中心电力需求从2020年的19 TWh（约占全国总需求的2%）预计增至2050年的43–211 TWh。同时，NTT于2023年推出的全光子网络（All-Photonics Network）旨在到2030年将网络延迟降至传统网络的1/200，为更灵活的数据中心选址创造了技术条件。

**研究内容与发现**

本研究旨在量化不同数据中心扩张水平与选址策略下，脱碳与数字化对日本电力系统及成本的影响。研究人员利用统计-热力学模型估算了日本全部1,741个市级行政区的数据中心区域特定电力需求，并应用高空间分辨率电力系统优化模型，在三种选址策略——维持现状城市集中的BAU策略、考虑灾害风险与基础设施接入的综合区位评估（ILA）策略、无显式约束的完全灵活（FLEX）策略——以及两种气候路径（1.5°C与4°C）和三种数据中心增长情景（低、中、高）下，协同优化数据中心空间分布与电力基础设施。研究还设立不含数据中心的NoDC反事实案例，以量化数据中心扩张的额外系统成本，并提出终端用户整合成本（integration cost of end users）概念，作为区域选址适宜性的量化指标。

**主要技术方法**

研究采用三大核心方法：（1）统计-热力学数据中心能耗模拟，基于Lei和Masanet开发的模型，输入日本气象厅局地分析（5 km分辨率）气象数据与Google Cluster Trace 2019服务器负载数据，估算各市PUE（电力使用效能）与逐时用电需求；（2）高分辨率电力系统优化模型ReGRID，覆盖1,741个市级节点，以成本最小化为目标，同步优化发电、储能、输电、氢能与碳移除技术的容量与运行；（3）整合区位评估（ILA），通过排除高风险区域、限定工业区可用面积、评估地震/海啸/洪水/台风风险、网络延迟、供水与交通可达性等标准估算选址潜力。

**研究结果**

*数据中心能源需求随区域变化*

PUE取决于区域气候条件。假设采用风侧节能器与直接蒸发冷却的超大规模数据中心，札幌（Sapporo）的PUE约为1.085，那霸（Naha）约为1.190，在相同服务器负载下后者总用电