2025年电力行业算力之争，电力为王：聚焦美国AI能源革命核心赛道

01 AI对美国电力需求的拉动几何

美国电力供需现状

与我国相比，美国用电增速相对偏低，2024年美国全年用电量为41104亿千瓦时，同比增长2.5%。 美国各部门用电占比基本保持稳定，2024年工业用电、商业用电、居民用电以及交通用电占比分别为26.0%、 36.5%、37.3%以及0.2%。

美国商业与居民用电占比高，电力弹性系数2024年为0.77。美国经济转向服务业和信息技术，单位产出能耗 持续下降，电力弹性系数长期低于1。2008-2024年，美国用电量复合增长率仅为0.38%，远低于同期2.09% 的GDP复合增速。 2024年美国人均用电量约为中国的1.7倍。

2023年美国数据中心能耗占比提升至4.4%。根据Berkeley Lab，2014年-2016年，美国数据中心能耗保持相 对稳定，约为60TWh；随着AI发展加速，其能耗在2017年开始显著增加，2018年美国数据中心能耗约为 76TWh，占美国总电力消耗的1.9%；到2023年达到176太瓦时，占美国总电力消耗的4.4%。全球来看，美国、中国以及欧洲为数据中心中主要耗电贡献地区，根据国际能源署数据，2024年，美国占据 全球数据中心用电量最大份额，占比达45%；其次是中国，占比25%；欧洲位居第三，占比15%。

装机容量与占比：2024年火电、水电、天然气、核电、太阳能以及风电装机容量分别为377.9、160.0、 1142.5、207.2、248.6以及307.0 GW，装机占比分别为14%、6%、43%、8%、9%以及12%。 装机容量增速：2024年煤电、水电、天然气、核电、太阳能以及风电装机容量增速分别为-2.3%、0、-0.2%、 2.9%、34.1%、3.7%以及10.5%。

发电量占比：2016年起，天然气接替煤炭成为美国最主要的发电电源，并呈现占比提升趋势，2024年达到 43%；煤电和核电发电占比近年均呈现下行趋势，2024年占比分别为15%和18%；水电发电占比相对稳定， 2024年为6%；其他可再生能源近年发电占比提升至18%。 发电量增速：2024年其他可再生能源发电、天然气、核电、水电以及火电的发电增速分别为11.7%、3.5%、 0.9%、-0.9%以及-3.4%。

美国数据中心用电增长测算

预计美国数据中心2028年耗电量在325-580太瓦时，占美国电力消耗比例的6.7%-12%。2023年美国数据中 心的能耗达到176太瓦时，占美国总电力消耗的4.4%。根据伯克利大学预测，美国数据中心2028年耗电量约 在325-580太瓦时，占美国电力消耗比例的6.7%-12%。 未来AI对于电力的使用需求增加主要取决于AI服务器的数量及其运作。分设备来看，近年传统服务器和AI服务 器共同贡献了数据中心用电需求的增加，存储板块的用电需求虽然也持续增加但不及服务器的增速，基础设施 用电比例逐步降低。

美国算力规模：根据中国信通院2024年《先进计算暨算力发展指数蓝 皮书》，预计未来五年全球算力规模仍将以超过50%的增速发展， 2030年超过16000EFLOPS，根据我们测算预计美国算力规模全球占 比在2030年维持在31%左右，美国2030年算力规模在5000EFLOPS 左右水平。 能效比：根据2021-2023美国数据中心算力规模增长与用电量，倒算 出能效比分别为43.09、60.21以及70.68，预计未来芯片等设备的能 耗仍有优化空间，假设未来能效比持续提升。 新增功率：综合前文各机构预测，预计至2030年美国数据中心电耗新 增功率在50GW左右，假设2024-2030年美国数据中心电耗新增功率 以17%的增速梯度增加，2024-2030年新增功率分别为 4.4/5.1/6.0/7.0/8.2/9.6/11.2 GW，共计增加 51.6GW。 PUE：数据中心能耗除设备外还受制冷、配电等系统影响，PUE=数据 中心总能耗/IT设备能耗。根据RAND预测，美国数据中心PUE从2024 年的1.25逐步降至2028年1.12，外推2030年PUE预计为1.10。  利用小时数：假设全年24小时运行，利用小时数为8760小时。

供需错配与电网容量难以支撑用电高增

数据中心故障主要来源于供电系统。 全球数据中心故障主要来源于供电系统、制冷系统以及其他，2023年占 比分别为52%、19%以及11%，且供电系统事故占比呈现逐年提升趋势。2020-2022年美国整体年平均电力 扰动时长较2017-2019年中枢提升，难以匹配数据中心高连续性全生命周期用电的需求。

发电端，德克萨斯、佛罗里达和加利福尼亚等州产能远超全国平均，形成明显的能源集中格局；用电端，东南 部与中大西洋地区（如德克萨斯、佛罗里达、弗吉尼亚）需求相对较高。部分高负载州面临容量紧张与供电风 险，而中西部等地区则电力相对富余，加利福尼亚、俄亥俄、佐治亚以及纽约等区域存在自身电力缺口。

02 解决AI电力供需的有效途径

解决AI电力供需的有效途径

高负荷和稳定性：数据中心设备机柜用电负荷会提高到3kW/台、4kW/台，机房单位面积的平均用电负荷提高到1.5kW/m2、 2kW/m2，AI训练/推理提升机架功率，需要高供电稳定性和高响应速度。 区域不均：截至2024年3月，美国约有5381个数据中心，截至2023年底15州负载占80%，弗吉尼亚州数据中心用电占州总电 力>25%，区域性电源与网架承压。就地供电需求：北美多市场接网等待≥4年，PJM等区域平均3-5年，部分项目需5-7年；变电与输电扩容审批复杂、排队长， 促使“表后就地供电”需求上升。 低碳性：美国市场对于ESG披露要求更高，企业对低碳排放有诉求。

核电——数据中心供电的稳定基石

稳定基荷：和其他清洁能源相比，核电更加高效稳定，其容量系数（93%）远高于其他可再生能源。长期具备经济性： LCOE是基于各类电源平均寿命通过贴现法计算的电源使用成本，在这种计算方法下核能是目前清 洁能源中使用成本最低的电源类型，而在数据中心100%电力使用场景中，核电的经济性进一步凸显。 土地利用效率高：核能在所有发电方式中占地最少，每英亩产生的电力最多，未来有望匹配数据中心自建电站需求。

根据彭博预测，预计美国2035年核电装机容量在103-107GW，2024-2035年复合增速0.5%-0.9%；2050年 核电装机容量120-202GW，2035-2050年复合增速1%-4.3%；发电量角度，预计美国2035年核电发电量达 到839太瓦时，核能发电占比在17%。

在全球能源清洁转型和核电加速建设发展的推动下，天然铀供需缺口预计长期存在。根据WNA预测，到2040 年，全球核电装机容量将达到686GWe，全球反应堆铀需求预计将增加至12.99万tU。在悲观和乐观情景中， 到2040年，全球核电装机将分别达到486GWe和931GWe，全球反应堆铀需求将分别上升到8.69万tU和 18.43万tU。

2001 年铀价从历史低点反弹，并持续上涨至 2007 年。真正的泡沫出现在 2007 年，其触发因素包括武器库存减少、加拿大雪茄湖矿发 生洪水、大量反应堆投入运行导致的预期供应不足。铀价从2000年代初每磅约 10美元飙升至 2007 年每磅约 136 美元的峰值，涨幅超 过 1326%。2008年金融危机终结了铀牛市，价格跌至约40美元/磅，在经济复苏之后，铀市场也随之好转，到 2011 年初价格达到每磅 约 64美元。2020年，多家全球最大的铀生产商宣布进一步减产，铀价再次走高。近年来，随着全球对低碳、高基荷电力的需求日益增长， 联合国发布《三倍核能宣言》支持核能建设，核能正重新回到各国能源政策的中心舞台。

SOFC——数据中心供电的“高效组件”

SolidOxideFuelCell(SOFC)是一种电化学装置，电池由阴极(cathode)、致密的固体氧化物电解质(electrolyte)和阳极(anode)组成。气体氧 (或空气中的氧)在阴极被还原为氧离子(O²⁻)，这些氧离子通过电解质迁移到阳极，与燃料(例如氢气或碳氢化合物)发生氧化反应生成水或CO₂， 同时释放电子。在阳极反应中，燃料中的氢(或碳氢燃料中的氢成分)被氧离子氧化，同时生成电子流出外部电路完成功。电子再返回阴极与氧 离子重新结合完成循环。这样整个反应过程绕过了燃烧和机械转换损失，提高了能量转换效率。

SOFC的特点包括：高电转换效率(因为电化学方式直接转换化学能为电能)，燃料灵活(可以使用氢气、天然气或其他碳氢燃料)，并且运作温度 较高(典型在600-1000°C之间)，使得废热也可以回收用于热电联产(CHP)或冷却系统。

SOFC 从几何结构上可划分为平板式、瓦楞式、管式等系列结构类型。其中，平板式和管式是SOFC目前应用较为广泛的结构。 SOFC 结构上类似“三明治”，都是“多孔阴极---致密电解质---多孔阳极”的形式构成。在600-1000℃的高温条件下，其电 解质主要由只允许氧离子通过、具有陶瓷性质的钇稳定氧化锆（Yttria Stablized Zirconia, YSZ）材料组成。 一套完整的SOFC发电系统除电堆(阳极、电解质、阳极、连接体、电路)外,还包含燃料供应系统(燃料重整器、喷射循环器、集 电管路)、供气系统(泵、加热器、压缩机、鼓风机、循环管路)、控制系统(电压调节转换器、逆变器、电动机)。

亚太地区固体氧化物燃料电池市场是增长最快的市场（2023年），日本、韩国和中国等国家在部 署先进燃料电池技术方面处于领先地位。 北美，亚太地区和欧洲是2023年SOFC市场的最大贡献者。北美持有约35％，亚太地区占30％，欧 洲贡献了25％。得益于欧洲绿色协议和REPowerEU等框架下实现气候中和、氢能一体化目标和能源多元化的承诺， 欧洲固体氧化物燃料电池行业稳步发展。 全球主要固体氧化物燃料电池和电解槽（SOFC和SOEC）制造商包括Bloom Energy、Aisin Seiki、 Mitsubishi Power等，根据QYresearch数据前三大大厂商约占有全球88%的份额。 全球SOFC技术领军企业Bloom Energy于2010年推出单模块输出功率100 kW的Bloom Energy Server，2018年起陆续推出200 kW、250 kW、300 kW级SOFC产品，发电效率和综合热效率也 分别提高到65%和85%以上。

报告节选：

编辑：火腿肠