元宇宙時代的能量之源
2021年是元宇宙元年，之后我們就進入了元宇宙時代，盡管它只是概念，但它的未來將聯絡我們整個世界。元宇宙最值得讓我們思考的問題是:它的“能量”或“動力”到底從哪里來？
比如電能，電能是支撐元宇宙數據中心的主要動力，沒有電，一切都是空談。我國目前主要的電力是火電（煤電和氣電）、水電（水力發電和抽水蓄能）、風電、太陽能（光伏和光熱）、生物質等五個方面。其實這些都是太陽能，因為太陽內部時刻發生著核聚變，核聚變的能量通過太陽輻射來到地球，所以我們的絕大多數能源都是太陽的核聚變。
除了來自太陽的能量外，地球上還有其它的能量來源，比如：地熱、人造的核能（核裂變和可控核聚變）、潮汐能等。
了解了能源的來源，我們來談一下元宇宙對能源的依賴。元宇宙是一個可以大規模連接的虛擬現實場景。我們目前處在元宇宙的初級階段，元宇宙基本場景的實現至少需要10年，大約在2030年會完全改變我們的生活方式。
元宇宙未來走向何方？我們無法預判，但是可預見的是“算力”將逐漸同“電力”、“水力”一樣重要。智能汽車、金融科技、智慧醫療、量子計算等應用的落地，無不需要龐大的算力，算力的基礎就是元宇宙數據中心，而數據中心的動力又是綠色電力，那么綠色的電力到底從何而來呢？這是未來戰略性的問題。
自2021年元宇宙誕生以來，越來越多的跡象表明元宇宙有望成為下一個具有戰略意義的競爭領域。元宇宙需要強大的計算能力，因此需要大量的數據中心來支撐。元宇宙的數據中心包含大型的計算數據中心和小型的邊緣數據中心，而我們目前的數據中心還不具有這種級別的算力。在2030年時，元宇宙中的每個環境、對象和化身都將以數字方式駐留在數據中心里，數據中心將這種沉浸式體驗可靠地提供給想要同時參與并具有低延遲的每個人。而邊緣數據中心就是元宇宙的支撐平臺，邊緣計算能將應用程序和數據盡可能地靠近用戶，這正是元宇宙無縫體驗所需要的本地計算能力，可以很好地解決網絡延遲和擁塞風險。到2030年，大量的元宇宙邊緣數據中心將會按需而生，帶來的電力需求也將是巨大的。按照目前的情況，到 2030 年，全國數據中心年耗電將超過6000億度，占我國總用電量的5.5%。
元宇宙數據中心的高能耗讓我們不斷尋求節能降耗的方案。液冷結合自然冷卻等技術將成為元宇宙數據中心的主要冷卻方式，液冷數據中心將支撐元宇宙等應用的發展。到2030年，元宇宙的邊緣數據中心功率密度將會達到50~100千瓦，液冷冷卻的場景將會和高性能的服務器完美融合，數據中心PUE將降到1.1以下。余熱回收技術將在數據中心全面普及，通過熱回收將數據中心余熱進行二次利用，數據中心的綜合PUE小于1，甚至達到0.5左右，數據中心將實現零耗水、零碳排，完全采用綠色電力供應。
元宇宙之“電力元宇宙”
元宇宙時代的邊緣數據中心耗電量巨大，在能源轉型大勢下，到2030年，我國電力能源結構主體已經不再是煤、石油，而是創新開發的新能源，包括新能源礦物質、新材料的科學創新等，同時“核能”將成為算力數據中心的主要能源之一。
2030年后，核能將逐漸發展為綠色能源的主力。除了太陽能光伏、光熱以外，像風能、水能都屬于來自于太陽的核聚變能量。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。目前我國的核電是依靠鈾元素裂變來產生核電，我國現儲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，繼續支持元宇宙時代的超級電力，到2045年左右，“人造太陽”可控核聚變將開始投入商業應用，到2050年，核能電力將達到我國電力主體的16%左右。
2030年核電力將大約占據我國電力主體的10%，和太陽能、風能、水能一體占據我國能源結構的56%左右，化石能源電力將縮減至44%。但2022年我國電力能源的65%仍為火力發電，也就是化石能源為主的能源結構，無論是實現碳達峰還是碳中和，節能、提效是戰略之首。
根據2022年的數據，我國能源強度是世界平均水平的1.3倍以上。通俗來說，世界GDP產生1美元需要消耗的電量是1度電，而我國GDP產生1美元需要消耗的電量是1.3度以上。若到2030年，我們能將能源強度從1.3降低至1.0就意味著我國在GDP不變的情況下，每年的電力電耗可以降低30%。降低能源強度主要通過產業結構調整、技術進步及企業管理和企業文化建設等方式。
雙碳目標實施路徑的核心在于兩個構建：一個是構建清潔低碳安全高效的能源體系；二是構建以新能源為主體的新型電力系統。即我國未來要重點減少化石能源總量，著力提高能源利用效能，實施可再生能源替代，以及深化電力體制改革。比如縱向的“源網荷儲”一體化，橫向多能互補，把可再生能源（尤其是是風能、太陽能）和智能電網及各種儲能技術相集成，使電力系統具備柔性和平衡功能，達到優質電力輸出，這就是智能電網。
有了智能電網的保證，到2030年，我國電力總體需求量大約為11萬億度，56%為清潔能源，其中風電占22%，太陽能占8%，水電占14%，核電占10%，生物質能2%，可以保證數據中心領域在2030年實現碳中和。
我國智能電網的元宇宙目前正在完善和成熟，預計在2030年左右將發揮巨大的作用，電力調度元宇宙是基于元宇宙理念和技術體系，針對復雜電力調度業務需求而構建的專用數字化平臺。電力調度元宇宙將融合云計算、物聯網、數字孿生、人工智能、人機交互等技術構建元宇宙技術體系，創建多級調度、協同合作的數字化指揮空間，探索電力調度自動化技術體系新發展趨勢。在電力調度元宇宙中，電網物理實體、抽象實體、“數字分身”等多要素對象將進行虛擬構建、信息共享和互動共生。
電力調度元宇宙作為一種創新型的數字化平臺，將為我國電網帶來以下幾方面的意義：
（一）智能化調度水平。通過人工智能對電網全面感知、分析和優化，對終端用戶和數據中心的供電將非常穩定，無須擔心電力中斷的問題。
（二）電力協同調度能力。通過構建多級調度、協同合作的數字化指揮空間，具備跨區域、多電廠、多路徑、長距離靈活供電的能力，能應對自然災害和戰爭等造成的風險，保證數據中心電力的可靠供應。
（三）提前預警能力。通過建立與真實世界同步更新的數字孿生模型，實現對電網運行風險的及時預警和有效防控，增強電網的健壯性。
有了電力元宇宙，我國在智能電網上實現100%自動化，到2050年，我國社會將進入高度人工智能的時代，我國社會用電量比現在大約會翻一番，達到15萬億度。90%的電力將為新能源電力。這一切都要歸功于“電力元宇宙”！
元宇宙數據中心的“機智”冷卻
上面提及元宇宙離不開數據中心的保駕護航，而數據中心的碳排放已經引起我們的注意，2022年，我國社會碳排放總量約106億噸，數據中心碳排放總量約為1.66億噸，約占1.56%，在當前2023年的政策背景下，我國數據中心將著力解決能源和水資源的消耗難題，伴隨而來的是數據中心行業也將面臨更為嚴格的能源管控。在“雙碳”政策和人工智能Chat GPT等大算力應用的推動下，2023年以后的數據中心將逐漸呈現以下四個趨勢：
（一）零耗水、低能耗是標準
2022年我國數據中心耗電量占全國電耗量的3.24%，預計到2030年元宇宙數據中心用電量將突破6000億千瓦時，占社會總用電量的5.5%。數據中心將繼續采取措施進行自我監測和節能，并且將越來越傾向于選擇零耗水的制冷方案，水冷系統陸續被高效技術的氟系統代替。在2023年到2025年的時間里，水系統冷卻逐漸退出，氟系統將取而代之，例如：PHU整體式氟泵機組、磁懸浮相變多聯系統等。
這些新型的氟系統機組系統簡單、維護量小，不僅零耗水，且PUE可達到1.2以下，在未來不長的時間內可以作為過渡方案。但隨著元宇宙等數據中心功率密度的提升，2025年以后，以冷板液冷、浸沒式液冷為基礎的冷卻技術將成為元宇宙數據中心的主要冷卻方案。
而在大型算力數據中心將采用相變浸沒液冷技術，為超級算力模塊進行冷卻。
（二）工業化快速集成的場景特點
工業化集成數據中心將成為未來所有數據中心的主要特征。因為未來數據中心的需求要在短時間內融入實際場景并快速投入應用，實現電力、冷卻、計算等模塊的快速對接和部署，所以電力、制冷、算力模塊需要在工廠完成測試和封裝，以此減少現場的工作和對環境的依賴，做到出廠即部署，部署即上線。
大型算力中心數據機房仍以鋼結構工業化預制為主要建筑形式實現快速部署交付、任意擴容，例如：海悟的微模方等。
與原來傳統的數據中心相比，其內部的IT機柜將以更高功率的液冷服務器為主。工業預制化的邊緣數據中心對外部環境依賴非常小，只是根據場景的需求部署，從生產到交付使用可以縮減至15天以內，比如集裝箱、海底艙、拼裝預制板房等，以滿足快速落地、快速適應的需求，不依賴于場景環境，易回收利用，對環境污染最小。
（三）“氫”潔能源無處不在
2030年前，以氫為代表的儲能系統將逐步替代現有數據中心柴油發電機系統，未來數據中心將采用氫儲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，例如：氫燃料電池。
2022年3月，國家發改委、能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》，明確了氫能源是未來國家能源體系的組成部分，充分發揮氫能清潔低碳的特點，推動用能終端和高耗能、高排放的行業綠色低碳轉型。
元宇宙的實施是利用5G網絡來實現超低延遲功能。這將需要在5G邊緣位置進行更高功率的計算，邊緣數據中心就成為重要的算力保證設施，現場儲能電力將成為可靠供電的保證。氫能將成為戰略性新興產業的重點方向，在數據中心領域，氫燃料電池的功能一開始很像柴油發電機，提供瞬間的負載支持，甚至是連續運行。從2025年以后至2030年將進行更廣泛的部署。
另外，除了氫能源以外，鋰電池技術也作為過渡階段的不間斷電源系統將在元宇宙邊緣數據中心并存部署，為數據中心提供持續動力保證。
（四）“液冷”廣泛應用于實際場景
到2030年，絕大部分數據中心的功率密度將超過50千瓦，大型和邊緣數據中心都將采換熱效率極高的相變冷板液冷和浸沒相變液冷等技術，所有數據中心的PUE都可以達到1.05~1.1之間。大型數據中心的機柜將以液冷Tank為主，超級算力的液冷服務器將支持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的能力，較高品味的熱源將被集中使用于生活供熱、商業用熱、農業用熱等。
邊緣數據中心的機柜將普遍采用相變冷板集成的高性能服務器。相變冷板技術將成為冷板液冷的主流技術，不但傳熱效率高，而且系統簡單易大規模部署。
除了浸沒液冷和冷板液冷以外，根據地方優勢而發展的新型數據中心也百花齊放，例如：沿海將大規模部署海底數據中心艙，海底數據中心將在廣東、福建、山東大量部署，發揮越來越重要的作用，為元宇宙帶來更多的利益。海底數據中心省電、省水、省地，能完全利用海水實現全年自然冷卻，再匹配變頻泵、空調群控等技術，可以將整體PUE低至1.1以內，是沿海地區數據中心綠色發展的強力趨勢。
此外，在靠近大壩、湖泊等區域將建設越來越多的江水全時冷卻數據中心，直接采用長江或湖水進行全時直接冷卻， PUE可以降低到1.1以下，靠近大壩的機房還可以采用大壩的電力直供，江水全時冷卻數據中心將設計趨向于無耗水、全綠電、近自然冷源，是當前及未來的理想方案。
零碳數據中心將繼續“風光”無限
到2030年，我國71%的人口將生活在城市地區。元宇宙智慧城市將為各種應用部署人工智能和物聯網等技術，在相互通信的同時會創建大量的數據，所以從現在到那個時候需要對衛生、交通、安全、能源分配等設施進行優化升級，需要有效地集成先進技術，以確保數據中心平穩運行和不間斷連接。這就對低延遲處理和實時自動化決策解決方案要求非常的高，以及在線視頻流的激增等，邊緣數據中心將在2030年左右達到最大數量規模。
那個時候越來越多的企業將其設備和系統連接到互聯網上，以實現更高效的生產和運營。因此，邊緣數據中心為企業提供了一種更快速、可靠和安全的數據處理解決方案。
邊緣數據中心是為支撐更低延遲的5G新業務開展而生，通過邊緣數據中心，把云數據中心的IT資源遷移到靠近用戶側的地方，將更加靠近數據源頭，方便數據的處理。例如：智能駕駛汽車業務、遠程醫療業務等。
如此龐大的數據中心數量規模，必將產生強大的電力供應系統，2030年所有數據中心都實現了碳中和，而且PUE基本都控制在1.1以內，大型算力中心PUE將在1.05左右，根據地區需要部分數據中心采用熱回收，PUE可以控制在0.5左右。
強大的虛擬電廠將為數據中心提供清潔電力，風電、太陽能電力將發揮巨大作用，風電以陸上風電、海上風電組成，太陽能以光伏、光熱電站為主，光伏又以陸上光伏和海面光伏為主，太空太陽能發電廠也開始并入電網。
我國為了實現碳中和，必須在新能源方面加大投入，尤其是風能、太陽能，按照目前我國的雙碳行動方針，預計到2050年，我國社會風電占比約40%，太陽能占比23%，太陽能和風能將占據社會能源電力的63%，真可謂是“風光”無限。
我們試想一下，2050年的我國數字能源的發展是什么樣的？風能、太陽能、水力發電、核電將成為能源主力，氫能源無人駕駛車大規模普及，每個家庭都配套了太陽能發電和儲能系統，基本依靠太陽能自給自足。登月、上火星已不再新奇，太空太陽能發電技術已經成熟并大量部署。
量子計算機已經進入眾多領域并開始普及，光子芯片逐漸取代了硅基芯片，每個家庭都擁有一臺仿生機器人。元宇宙已經接近于實際，每天8個小時可以在元宇宙學習工作，你期待嗎？
而支撐這一切的就是數據中心的"算力"、"電力"，元宇宙的能量之源！
