AI的技术突破引发了海外在数据中心等相关设施上的大投入，由此而带来的电力需求问题引起了广泛关注。根据AI算力、通用数据中心的大致功耗及建设进度，我们估算5年后包含AI的数据中心设施有望给美国带来11%左右的用电量增量以及接近3.2%的负荷增量，对美国较老旧的电力系统来讲，应该是个挑战。考虑到数据中心的用电特性，现行供电方案经济性/可行性及绿色减排要素，我们分析，未来其核电与光伏风电资产有望随CPPA模式推广而受益。
摘要
AI算力及相关产业的发展有望给美国带来较明显的用电量增长。过去20年，国总用电量较平稳，2023年全社会用电量约4万亿千瓦时，其中数据中心合计功率16.82GW，用电量约192TWh，占其全社会用电量近5%，且保持着一定的增长。伴随人工智能的蓬勃发展，功耗更高的AI数据中心开始在美国加速部署。我们估算，2030年美国包含AI的数据中心用电量有望增长至628-668TWh左右，对应着其全社会用电量11.x%的增长（以2023年基准）。如果AI技术及应用获得新突破，相关产业的资本开支会保持更长时间景气，未来用电量拉动可能更明显。
对美国输配电设施有一定影响。2030年包含AI的数据中心的发展，对峰值负荷的拉动可能达3.5%，影响小于用电量。不过美国输配电设施普遍老旧，特别是如果集中在一些区域发展，应该也算是值得一提的挑战。
有望促进更多的核电与绿电CPPA签约。美国电网输配电设施建设滞后，大规模调度有一定困难，拥塞现象较多，出于电力供应保障目的及稳定电价考虑，与发电方直接签署购电协议的CPPA模式，近年来广受电力用户欢迎。综合可行性、经济性并ESG与降排诉求，电力用户往往将新能源电站作为CPPA模式的签约主力。数据中心耗能高且负荷稳定，适合CPPA模式；未来耗电量更大的AI数据中心，很可能也会倾向新能源电站的CPPA。此外，签订核电CPPA可利用核电出力满足数据中心全天候的电力需求，并保障自身电力脱碳，这一模式未来也有望得到推广。
风险提示：AI及算力部署不及预期、新能源装机不及预期、核电政策不及预期、测算假设具有一定主观性等。
1、AI产业发展将给美国用电量带来较明显的增长
美国电力工业发展较早，过去曾经为世界电力工业发展做出了重大贡献，并且在第二次工业革命中获得了巨大的经济成功。2011年之前的很长时间，美国装机容量、用电量都是世界第一，但伴随其产业结构的变化和调整，总体用电量增长在2000年之后就趋缓，过去5年多更是没有增长，而在气候相对温和的2023年，全社会整体用电量约4万亿千瓦时，同比下降1.6%。
AI及数据中心的当前现状及未来耗能估算。2023年，美国数据中心合计功率约16.82GW，按1.3PUE系数测算，估算全年耗电量约192TWh，在其全社会的用电量占比近5%。
近几年，AI技术获得突破，功耗更高的AI数据中心开始在美国加速部署，由此而产生的用电量与供电问题受到广泛关注。
对于AI产业耗电量的测算，过去不少是基于算力规模进行，但是由于GPU的快速迭代，同等单位算力的功耗在大幅下降，计算误差会偏大。我们参照英伟达等主流企业现行的产品功耗情况，并结合业界的建设规模假设，对美国数据中心未来的耗电量进行了大致估算：
1）通用服务器：用途包括网站托管、数据库管理以及文件存储等，不需要处理复杂计算任务，一般以CPU提供算力，采用串行架构，单台功率低。目前全球8000多个数据中心以通用服务器为主，其中33%位于美国。通用服务器年新增1300万台左右，假设其单台功率0.5kW，1/3部署于美国，并考虑其不同增速测算。
2）AI服务器：主要用于深度学习、机器学习以及大规模数据处理任务，处理的计算一般比较复杂，采用异构形式的服务器，普遍为CPU+GPU形式，GPU数量多，单台功耗高。目前AI服务器的GPU以英伟达为主导，考虑后续推理卡占比逐步提升，根据不同情景的出货与单卡功率情况进行测算。
AI相关产业的发展将给美国用电量带来较明显的增长，并给配电设施带来一定的影响。综上，我们估算至2030年，美国数据中心用总负荷有望达55-59GW，占比由1.3%提升至4.3%-4.5%（以2022年基准），电量有望从目前的192TWh提升至628-668TWh，将拉动美国全社会用电量增长10.9%-11.9%（以2023年基准）。
可见，AI产业的发展，对用电量的拉动会比较明显，而对峰值负荷的影响小于用电量。由于美国电力系统建设比较保守，输配电设施普遍老旧，由此带来的供电问题应该算是值得一提的挑战。
2、有望促进新能源与核电资产的CPPA签约
美国CPPA市场成熟，新能源是签约主力。美国有十大区域电力市场，其中包括7个竞争性市场和3个传统市场。各区域市场间相对独立、联络复杂且跨区调配效率较低。在竞争性市场内，允许独立发电商（IPP）与电力用户直接签署企业间购电协议（CPPA）。近年来，电力用户对于CPPA的接受程度越来越高，一方面希望通过固定签约电价的形式规避能源价格波动影响；另一方面，在美国电网基础设施相对老旧、各区域市场相对独立、电力大规模调度能力较为薄弱的背景下，拥塞现象比较多，CPPA有助于提升电力供应保障能力。此外，在电力用户对ESG及绿电占比的追求下，可追溯的新能源CPPA成为市场的签约电力主力。2021年以来，美国每年CPPA签约量均超过15GW，风电、光伏是主要形式。
有望拉动新能源与核电CPPA签约。科技企业已经成为美国CPPA的主要购电方，在前十大购电方中占据6个。数据中心耗能高且对电力需求比较稳定，考虑未来耗电量更大的AI数据中心广泛部署，相关科技企业对于新能源CPPA签署需求可能会更加强烈。
此外，风电、光伏等可再生能源发电具有波动性，而数据中心对于保供要求较高。数据中心补充签订无碳核电CPPA，能利用核电的高能力因子匹配数据中心全天候的电力需求的，并满足自身减碳目标。例如，2023年6月微软与Constellation达成核电采购协议，以补充风电、光伏供应。未来，这一模式也有望得到推广。
美国电力建设审批流程复杂，存量发电设施受益可能更明显。美国新增电站需经过接入、可行性等审批流程繁琐，耗时较长，无法即时满足用电量增长需求。
截至2024年，合计超过2500GW发电及储能项目待审批，其中光伏、储能均超过1000GW，风电366GW。从历史数据来看，尽管只有约14%的待审批项目会最终实现并网，但待审批项目的规模增长趋势很明显，由于增量设施投建进度慢，存量资产受益可能会更明显。
美股核电资产受关注。VISTRA、Constellation为代表的核电相关标的过去也受到资本市场的广泛关注，最近一年内涨幅突出，最大涨幅接近200%。
风险提示
算力部署不及预期；
新能源装机不及预期；
核电政策不及预期；
测算假设具有一定主观性等。
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