北美燃气轮机发电机组深度：AI算力需求催生用电量缺口，燃气轮机产业链有望重点受益

证券研究报告·行业研究·机械设备 北美燃气轮机发电机组深度 AI算力需求催生用电量缺口，燃气轮机产业链有望重点受益 首席证券分析师：周尔双 执业证书编号：S0600515110002 zhouersh@dwzq.com.cn 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2025年1月3日 北美AI需求快速增长，燃气轮机发电或成短期最优解决方案。2023年以来人工智能算力市场保持高增趋势，海内外科技巨头开启算力“军备竞赛”。AI数据中心建设带来大量用电需求，且对电力的可靠性、稳定性提出较高要求。由于美国电网基础设施大部分已经达到使用周期末期，美国科技巨头选择自行投资建设如核电、地热、其他可再生能源、燃油和燃气等发电设施以获取稳定可靠的电力。其中，燃气轮机发电具备建设周期快、电力输出稳定、发电资源要求低等特点，有望成为短期内最优的数据中心供电解决方案。 海外：燃气轮机呈寡头竞争格局，龙头技术领先优势明显。全球来看，燃气轮机市场呈现寡头垄断格局，2023年三菱重工、西门子能源、GEVernova三大巨头占据全球76.3%份额。各品牌在燃气轮机基本性能参数上不相上下，各具优势，竞争格局较为稳定。 国内：看好燃气轮机头部集成商&零部件供应商。（1）杰瑞股份：由于美国政府风向转变、杰瑞海外产能 落地等原因，电驱压裂设备有望在美国加速渗透。电驱压裂设备需要配套燃气轮机发电机组使用，杰瑞作 为全球燃气轮机龙头西门子能源的授权成套商，具备各功率段燃气轮机发电机组的制造能力，35MW+6MW燃气轮机发电机组已经在美国形成销售和长期租赁两条收入实现路径。（2）应流股份：2015年起大力拓展燃气轮机和航空发动机业务，是西门子、贝克休斯等燃气轮机巨头的燃气轮机透平叶片供应商。（3）豪迈科技：公司2006年起与通用电气合作，开始生产燃气轮机零部件，主要提供动力缸体和环类零件。近年来公司计划倾斜更多资源聚焦燃气轮机零部件业务，并拓展蒸汽轮机零部件业务。（4）联德股份：公司深度绑定卡特彼勒，与卡特子公司SolarTurbines燃气轮机产品匹配度较高。（5）东方电气：重型燃气轮机国产替代取得进展。（6）上海电气：收购安萨尔多切入重型燃机领域，近年来重型燃气轮机国产化推进顺利。 （7）杭汽轮B：西门子燃气轮机国内总成商，燃气轮机产销量持续增长。 投资建议：AI需求快速增长，发电侧燃气轮机发电机组板块有望率先受益，推荐【杰瑞股份】【豪迈科 技】，建议关注【上海电气】【东方电气】【杭汽轮B】【应流股份】【联德股份】。 风险提示：AI数据中心投资不及预期，国际贸易摩擦，国产替代不及预期。 一、北美AI需求快速增长，燃气轮机发电或成短期最优解决方案 二、海外：燃气轮机呈寡头竞争格局，龙头技术领先优势明显 三、国内：看好燃气轮机头部集成商&零部件供应商 四、盈利预测与风险提示 全球科技巨头发力智能算力，开启万卡集群“算力军备竞赛”。2023年以来人工智能算力市场保持高增趋势，谷歌、Meta、微软&OpenAI、亚马逊、xAI等多家AI巨头开启算力军备竞赛，国内头部通信运营商、互联网企业也都逐渐开始布局。据IDC研究，预计2024-2030年全球人工智能产业规模CAGR高达37%。 图：海内外龙头开启“算力军备竞赛”图：全球人工智能产业规模持续快速上涨 公司 数据中心万卡集群布局进展 海外科技公司布局基本落地 谷歌 2023年5月推出AI超级计算机A3，搭载了约26000块H100GPU Meta 2024年初建成了两个各含24576块GPU的集群 微软 2020年构建一个覆盖1万块GPU的超级计算机 亚马逊 AmazonEC2Ultra采用了2玩个H100TensorCoreGPU 特斯拉 2023年8月上线集成1万块H100GPU的集群 国内通信龙头&科技公司努力追赶 华为 2023年7月华为昇腾AI集群由最初4000卡集群拓展至16000卡 电信 北上两个万卡集群已经投产，临港终期规划30万卡集群 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 全球AI产业规模预测（十亿美元）YoY 104% 897 728 68% 58% 548 40% 399 304 217 137 37% 23% 31% 67 33% 20232024E2025E2026E2027E2028E2029E2030E 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2022年以来数据中心资本开支呈高增趋势。从具体的AI数据中心资本开支来看，2023H2美国在建数据中心爆发式增长，预计2024-2029年美国数据中心建设投资规模CAGR达11.5%。 5,341 图：美国数据中心建设投资规模CAGR=11.5%图：23年下半年美国在建数据中心快速增长 3,198 2,688 1,912 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 美国数据中心建设投资规模（亿美元）YoY 12% 12% 2,137 1,713 1,534 1,914 12% 12% 1,373 1,232 11% 2024E2025E2026E2027E2028E2029E 12% 12% 12% 12% 12% 12% 11% 11% 11% 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 数据中心在建规模（MW） 704 611 670 727 20H120H221H121H222H122H223H123H2 AI数据中心带来大量用电需求。从总发电量来看，根据美国能源部表示，2022年及之前AI数据中心的用电量仅占全美用电量的1.9%，2023年快速提升至4.4%，并在未来将持续提升至6.7%-12%。从发电能力角度来看，根据CNBC报道，美国数据中心带来的能耗需求2024年达45GW，并将在2030年达到104-130GW，约占 美国总发电功率的16%，而2022年该占比仅2.5%。 图：海外数据中心电量需求持续增长（TWh） （对应发电量） 图：美国AI数据中心电力需求（GW） （对应发电能力） 注：High/Lowcase对应乐观/中性情况下电力需求，Enterprise/Colocation providers/Hyperscale分别对应中小/中大/超大型数据中心 AI数据中心需要高可靠、不间断的稳定发电电源需求。 AI数据中心价值量随GPU算力和价格的提升而快速增长，同样的电源波动引发的硬件损耗更大，因此AI数 据中心需要追求更稳定的电力来源。以英伟达2021年推出的A30和2023年推出的H100为例，GPU组成服务器功耗提升至4.2倍，价值量提升至6.4倍；数据中心配套装备价值量提升至4.7倍，总价值提升至6.1倍，较大程度提高数据中心对稳定电力的需求。 图：使用最新GPU芯片的数据中心价值量快速提升（单位：倍数） 数据中心对比（H100vs.A30） 6.40 6.14 4.66 4.24 1.45 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 服务器最大功耗服务器价值量数据中心配套装备价值量数据中心总价值量每MW服务器价值量 AI数据中心将带来区域性缺电和稳定电源紧缺两大风险。 美国数据中心多集中在电价低、光纤网络便利的城市，如加州、德州、弗吉尼亚州等。 加州：本就是美国高科技产业聚集地，具备丰富的产业基础（越近数据传输越快，可以实现算力溢价）和强大的地方政府税收支持；电网基础设施完善，能够提供稳定的电力供给。 德州：丰富的天然气、石油产量和可再生能源，带来全美最低的能源价格；自然灾害风险小。 弗吉尼亚州：美国互联网交换枢纽，具备高速和高带宽的互联网连接；政府给予了较大的税收优惠。 图：美国数据中心地理分布图，主要集中在加州、德州和弗吉尼亚州 图：未来区域集中性将进一步增加 8 7 6 5 4 8美分/kWh 3 14美分/kWh 2 1 0 6美分/kWh 全美平均电价：8-9美分/kWh 美国一线数据中心市场在建与规划总规模（GW） 7.2 3.6 1.6 1.6 1.5 AI数据中心将带来区域性缺电和稳定电源紧缺两大风险。 美国的电力基础设施平均寿命高达35-40年，老旧程度位列全球第二，大部分已经进入生命周期末期，不具备稳定的输电能力，近年来部分地区断电事件频发。 因此，电力供给不足是美国数据中心停机的最大影响因素，近年来比重持续提升。2020年由于电力供应不足导致数据中心停机占所有停机情况比重为37%，2023年提升至52%。 图：全球各地区电力基础设施平均寿命，北美电网老旧程度位列全球第二 图：2020-2023年美国数据中心停机原因，电力供给不足的比重逐年增大 45-50 电力基础设施平均寿命（年） 其他,4%未知,1% 2020年 安全,4% 火灾,2% 冷却,13% 电力,37% 其他,7%未知,1% 2021年 安全,4% 火灾,3% 冷却,14% 电力,43% 35-40 25-3025-30 20-2520-25 15-20 软硬件, 22% 2022年 网络,17% 软硬件,14% 2023年 网络,14% 其他,8%未知,2% 安全,4% 火灾,2% 电力,44% 其他,1%未知,1% 安全,9% 火灾,3% 冷却,13% 软硬件,13% 网络,14% 冷却,19% 软硬件,8% 网络,7% 电力,52% 从发电结构来看，天然气发电是美国的第一选择。 2023年全球天然气发电占比为23%，美国作为页岩气产量大国，天然气发电占比高达43%，位居全球第一。2018-2023年，在美国自身能源结构中，天然气发电占比持续提升。我们认为，特朗普上台将大力推动化石能源开发，天然气在发电成本上的优势会继续保持。 图：全球来看，2023年美国天然气发电占比位列第一 石油天然气煤炭核能水电可再生能源其他 16% 16% 5% 15% 8% 1% 32% 14% 9% 7% 8% 29% 18% 12% 16% 30% 35% 23% 33% 43% 13% 32% 23% 27% 17% 3% 18%13%5%61% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 中国全球美国欧盟日本韩国 图：2018-2023年，天然气在美国能源结构地位日益凸显 石油天然气煤炭核能水电可再生能源其他 10% 7% 11% 7% 13% 7% 14% 6% 16% 6% 16% 5% 19% 19% 19% 19% 18% 18% 28% 24% 20% 22% 20% 16% 35% 39% 41% 39% 40% 43% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 201820192020202120222023 从电网侧来看，短期内通过电网互联解决供电问题的可能性不大。 由于美国有500余家电力公司和组织，自建设之初电网便是分散破碎的。在产权分散的基础上，美国电网基于互联互利逐步发展形成东部/西部/德州三大联合区域电网，地形特征形成了电网互联的天然屏障。其中德州作为相对独立的电网大区，与其他两大电网互联区的联通性较差。 在三大电网大区的基础上，美国共有10个电力批发中心，其中7个是ISO/RTO市场（即美国长期电力改革中成立的区域输电组织）。但近年来美国各大电力市场的年拥堵成本依旧在持续提升，即各ISO/RTO内部的联通性也并不好。 图：地形特征（落基山脉）将美国电力系统划分 为东部/西部/德州三个大区 图：美国区域输电组织内中各运营商的传输堵塞成本持 美国区域输电组织（ISO/RTO） 地区 2019 2020 2021 20