5G与算力高能耗分析及运营商的应对策略

5G与算力高能耗分析及运营商的应对策略 中国移动研究院战略与产业研究所2023年7月 摘要 根据测算，未来三年国内运营商5G基站与算力相关产品及服务的电费支出总和或将占到其净利润的三成以上。如何有效降低用电成本，实现降本增效，成为当前运营商亟需关注与解决的问题。建议电信运营商，一是复用储能系统，考虑推进虚拟电厂建设；二是持续完善企业绿色资产的获取渠道，通过使用绿电降低用电成本；三是综合考虑环境、政策、交易等影响因素，选建数据中心降低用电成本；四是通过技术创新持续降低能耗。 一、5G基站和算力相关产品及服务是横在运营商高质量发展之路上的两只“电老虎” 5G基站方面，基站高耗电问题不容小觑。从单个5G基站 能耗来看，根据中国铁塔统计，5G基站建设初期，一个5G基站平均每天耗电65千瓦时，全年耗电超过2.3万千瓦时（图1）。虽然随着技术的进步，5G基站年均耗能耗持续下降，但根据测算1，到2025年一个5G基站年均耗电量仍将接近1.2万千瓦时，相当于一个家庭5年用电量总和。从全国5G基站总电费支出来看，截至2022年底，运营商共累计建成5G基站231万个2，按照全国5G基站平均电价0.9元/度计算3，2022年运营商5G基站电费约为395亿元4。基于运营商2022业绩说明会与合作伙伴大会中对2023年5G基站建设的展望，预计 1测算依据为：根据工信部预估，2022年5G基站单站址能耗已比2022年商用初期降低超过20%；中国工程院院士 邬贺铨预测2025年5G基站能耗将会比建设初期下降一半。 2数据来源：三大运营商财报。 3按电价平均值估算5G基站平均电价0.9元/度，根据全国地理位置不同，电费差异过大，如广东地区峰时位 1.2元/度，平时为0.8/度，谷时为0.4/度，而内蒙古5G基站电费单价为0.26/度。 42022年运营商5G基站电费估算过程为:2022年总累计建成5G基站数*单个基站年耗电量*电价,即231万*18980 千瓦时*0.9元/千瓦时≈395亿元。 2023年运营商5G基站电费将持续增加至约458亿元5，并达到未来三年中的电费支出峰值（图2）。结合相关数据估算，预计2025年运营商5G基站累计建设数量为367万座6，由于单个基站年度耗电的减少，届时5G基站电费支出将有所回落，和 2022年电费基本持平，约为392亿元7。 25000 23725 21352.5 0% -2% 20000 18980 16607.5 15000 14235 11862.5 10000 .1 -111111111111 111-0.125 5000 -14285 14 57 -4% -6% -8% -10% -12% -14% 16666-166%66666 - 0 2020年2021年2022年2023E2024E 2025E 6-6178% 单个5G基站每年耗电（千瓦时） 增速 71428 30. 0. 0. -0 图1：2020-2025年运营商单个5G基站年耗电量及增速预测 52023年总累计建成5G基站数*单个基站年耗电量*电价,即306.5万*16607.5千瓦时*0.9元/千瓦时≈458亿元。 6工信部发《“十四五”信息通信行业发展规划》目标2025年每万人5G基站数达26个，按照中国社科院预测， 中国人口将在2025年达到14.1亿，2025年5G基站总数为26*14.1亿≈367万座。 72025年总累计建成5G基站数*单个基站年耗电量*电价,即367万*11862.5千瓦时*0.9元/千瓦时≈392亿元 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 458 0.665584415584 416395 430 392 440935 62 4 274 164 160984 848 4 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% - 06206875601.7048812-21400%1836 0-% 2020年2021年2022年 2023E2024E 3725 2025E 1955 -20% 5G基站总费用（亿元） 5G基站总费用增速 0. 0. 84848 0. 67251 中移智库 图2：2020-2025年运营商5G基站耗电总费用及增速预测 表12020-2025年运营商5G基站耗电量及预测 2020年 2021年 2022 年 2023E 2024E 2025E 5G基站累计数量（万） 77 142.5 231 306.5 335 367 5G基站增速 85% 62% 33% 9% 9% 单个5G基站每天用电量（千瓦时） 65 58.5 52 45.5 39 32.5 单个5G基站全年用电量（千瓦时） 23725 21352. 5 18980 16607.5 14235 11862.5 5G基站电费支出（亿元） 164 274 395 458 430 392 5G基站电费支出增速 67% 44% 16% -6% -9% 算力相关产品及服务方面，电费支出持续高速攀升的问题值得高度关注。数字经济时代，算力成为基础设施和核心生产力，但数据中心耗电量巨大，电力成本占总成本的60-70%8。 8中国工程院院士刘韵洁在2023年博鳌亚洲论坛中表示。 中移智库 据估算，1PFLOPS算力每天要耗电大约2400度，每年仅电费成本就要76.2万元9。根据国家发改委统计，如果从数据中心的建设标准、建设模式、建设布局、技术创新和资源调度等五个方面探索数据中心节能降耗空间，到2025年中国数据中心年用电量可由4000亿度降低到3000亿度左右，由此测算1PFLOPS每年电费成本约为55.6万元10。截至2022年底，三大运营商对外提供的公共基础算力规模超18EFLOPS11，2022年运营商算力方面电费开支约为137亿元12。中国信息通信研 究院测算，我国近三年算力规模年均增速约为50%13，如按此 增速计算，2025年运营商算力规模应为60.7EFLOPS，电费支出为337亿元左右14；实际上，运营商算力规模增速很有可能高于全国平均增速，若按年均70%计算，2025年运营商算力 9据工信部统计，目前全国大数据中心平均用电价格为0.87元/度，1PFLOPS普通算力每年仅电费成本为 2400*0.87*365=76.2万。 102025年1PFLOPS算力每天大约耗电为2400*0.9*0.9*0.9=1750度，1PFLOPS每年电费成本为 1750*0.87*365=55.6万。 112022年通信业统计公报。 122022运营商算力电费开支为年18*1000*76.2万=137亿。 13中国算力发展指数白皮书。 14保守估计，运营商算力规模增速按全国平均增速计算，2025年算力规模为18*1.5*1.5*1.5=60.7EFLOPS，电费 支出为60.7*1000*55.6万=337亿。 规模为88.4EFLOPS，电费支出预计高达490亿元15。 2022年 2023E 2024E 2025E 1PFLOPS算力每天耗电（度） 2400 2160 1944 1750 1PFLOPS算力每年电费（万元） 76.2 68.6 61.7 55.6 保守情况（50%增速）：运营商算力规模（EFLOPS） 18 27 40.5 60.7 实际情况（70%增速）：运营商算力规模（EFLOPS） 18 30.6 52 88.4 保守情况（50%增速）：运营商算力方面电费开支（亿元） 137 185 250 337 实际情况（70%增速）：运营商算力方面电费开支（亿元） 137 210 320 490 表22022-2025年运营商算力产品及服务电费成本测算 中移智库 由此可见，未来三年运营商5G基站与算力相关产品及服务的电费支出总和或将占到运营商净利润的三成以上（见表3）。高昂的电费成本，将给运营商造成较大负担。如何降低5G基站与算力产品及服务的电费成本，实现降本增效，成为当前运营商亟需关注与解决的问题。 表32022-2025年运营商5G基站与算力占净利润比重 2022年 2023E 2024E 2025E 运营商净利润(亿元)16 1698 1862 2042 2239 15实际上，运营商算力规模增速高于全国平均增速，按年均70%算，2025年算力规模为 18*1.7*1.7*1.7=88.4EFLOPS，电费支出为88.4*1000*55.6万=490亿。 16运营商2022-2025年净利润增长按2020-2022年净利润年均复合增长率（9.67%）估算。如2023年净利润为： 2022年净利润*（1+年均复合增长率），即1698*1.0967≈1862亿元。 5G基站电费支出（亿元） 395 458 430 392 保守情况（50%增速）：运营商算力方面电费开支（亿元） 137 185 250 337 保守情况（50%增速）：5G基站与算力电费开支占净利润比重 31% 35% 33% 33% 实际情况（70%增速）：运营商算力方面电费开支（亿元） 137 210 320 490 实际情况（70%增速）：5G基站与算力电费开支占净利润比重 31% 36% 37% 39% 二、策略建议 中移智库 面对用电挑战，建议运营商继续做好现有节能降碳措施，包括打造零碳无线网络、加快推动数据中心降低能耗、鼓励科学错峰与弹性用电、推广绿色办公等，同时可以重点关注以下四个方面： 一是复用储能系统，考虑推进虚拟电厂建设。随着能源危机的爆发，峰谷价差逐渐拉大，推进5G基站、数据中心中闲置 的储能系统建立虚拟电厂可利用峰谷电价差进行套利，降低设备用电成本。电价高时，利用储能系统放电为基站和关键网络供电；电价低时，为储能系统充电。目前，法国运营商Orange 正在大力研究虚拟电厂模式。通过探索虚拟电厂的商业模式和产业化应用模式，为运营商5G基站、数据中心“沉睡”资源的再 利用提供可复制、可推广的经验。 中移智库 二是不断完善企业绿色资产的获取渠道，通过使用绿电降低用电成本。一方面，用好国家和地方关于绿电补贴政策，加强与能源电力企业、绿电交易所、绿电认证机构的多方合作， 积极参与绿电交易，并通过长期电力能源购买协议（PPA）采购绿电，以可预测的价格锁定电价以对冲煤炭价格持续上涨所带来的电费上浮可能性。另一方面，可积极探索自建、合建绿电相关项目。在自建方面，通过在5G基站“站点叠光”，在基站加装光伏板，生产绿电降碳的同时，降低电费支出；在合建方面，通过投资数据中心、5G基站周边投资合建“绿电”项目，通 过投资项目以获取低价购电权益，降低购电成本。 三是综合考虑环境、政策、交易等影响因素，选建数据中心降低用电成本。第一，考虑自然环境优势，在云南、贵州等 中移智库 气候适宜、水电资源丰富的地区兴建区域数据中心。第二，综合用好各省市的电力政策，从供给端为用电降本。例如，宁夏鼓励通过电力直接交易、财政补贴等方式降低数据中心用电成本；安徽对数据中心、云计算中心可获电价补贴，支持企业参与直接交易。第三，关注出现“负电价”省份，用好电价红利。在现货市场中，负电价渐成常态，是以传统能源为主的电力系统向新型电力系统过渡不可避免的阶段性特点，当大量的发电特别是可再生能源发力充足与电力需求低迷同时出现，就会出现电力交易的负电价，如山东电力市场近期出现连续21小时的负 电价，值得重点关注。 四是通过技术创新持续降低能耗。一方面，开展节能动态调压、BBU休眠和池化探索及验证，实现亚帧静默、通道静 默、浅层休眠、深度休眠等节能功能的规模部署和性能优化。另一方面，建设统一的智能算力调度平台，基于资源使用率、 算力供应量、任务繁忙度、网络时延等多要素实时分析匹配最 中移智库 优路径，降低算力能耗。 （作者：黄实、陈永灿、董超、亓明真）