美国电力需求有望迎来一代人以来未曾见过的增长——数据中心用电量到2030年将翻一番以上，占美国总电力需求比例从3%攀升至8%
美国电力需求有望迎来一代人以来未曾见过的增长。自本世纪初以来，美国电力需求在八年期间从未实现过2.4%的年增长率；过去二十年间，美国年度发电量的平均增速更不足0.5%。我们认为这一局面将在本十年末前发生转变。
数据中心的电力需求增长呈现出一个关键悖论：能效提升速度正在放缓，反而推动电力需求回升。
剔除加密货币需求后，数据中心电力消耗量到2030年将较2023年水平增长160%（熊市/牛市情景下增长率为80%-240%）。基准情景下到2030年增幅约为650 TWh（熊市/牛市分别为330 TWh和1000 TWh）。
每次ChatGPT查询能耗约2.9 Wh，而传统谷歌搜索仅约0.3 Wh。随着AI推理需求持续增长，需求增速将远超能效改善幅度。
新一代AI服务器虽功耗强度较低，但单台服务器功耗却更高——这是理解电力需求增长的关键。
| 系统 | 计算速度 (petaFLOPS) | 最大功率 (kW) | 功耗密度 (kW/pFLOPS) | 代际变化 |
|---|---|---|---|---|
| DGX A100 | 5 | 6.5 | 1.30 | — |
| DGX H100 | 32 | 10.2 | 0.32 | 功耗×1.5倍，速度×7倍 |
| DGX B200 | 72 | 14.3 | 0.20 | 功耗×2倍，速度×15倍 |
数据来源：NVIDIA、高盛全球投资研究部。功耗密度从1.30降至0.20 kW/pFLOPS，但单台功耗从6.5kW升至14.3kW。
过去十年间美国电力需求增长平均约为0%——尽管经济与人口均持续增长，但能效提升（如LED照明普及）抵消了这一影响。我们预计到2030年美国电力需求将达5,036 TWh，较2022-2030年CAGR达2.4%（此前预测为4,733 TWh / CAGR 1.7%）。
数据中心对美国整体电力需求的贡献率预计在2030年前从当前约3%提升至8%。这意味着2023-2030年间数据中心CAGR将增长16%，对整体电力需求CAGR贡献约90个基点。
北弗吉尼亚州以显著优势稳居美国"数据中心之都"。该地区目前数据中心数量已超过美国其他五大主要市场数据中心总数的总和。数据中心主要集中在被称为"数据中心走廊"的劳登县东部地区。
2022年管理层表示存在传输限制，可能影响未来几年向数据中心供电的能力。传输项目往往需要数年时间才能获得许可并建成，因此D公司暂时中断了新数据中心的连接线路以评估后续推进方案。
D公司认定两条500千伏输电线路足以缓解电力供应压力并满足未来用电需求。与PJM互联公司合作加快项目推进：
若假设支持PJM地区7500MW用电需求所需的50亿美元成本同样适用于其他区域输电组织（RTO），则到2030年电网建设需投入约190亿美元输电资本支出以满足增长需求。北弗吉尼亚州的案例表明，公用事业公司、监管机构及RTO完全能够通力合作应对短期挑战。
据BCG数据，数据中心驱动负载的区域分配：MISO 19%、SERC 17%、PJM 15%、CAISO 16%、ERCOT 12%、WECCNW/SW 14%、NYISO 3%、ISONE 2%、SPP 2%。
约49%的数据中心需求需通过新增发电能力来满足，其余51%可由现有容量满足。
数据中心电力需求预测基于三个关键假设：
预计2024-2030年AI电力需求将增长约200 TWh（乐观/悲观情景为110-330 TWh）。基准情景中到2030年AI将占数据中心总电力需求的约20%。
判断需求增长受限于AI预算、市场需求，还是两者皆非，对能源预测至关重要。报告提出了一个示例性情景：
采用全球TMT团队年度服务器出货量预测，细分为高能耗型与低能耗型。假设服务器每五年更换一次，能效每年提升5%-8%。高功耗服务器出货量将大幅增长以满足AI训练需求；十年后期低功耗服务器增长比重提升（推理需求）。
采用中国传媒、互联网及电信团队的AI计算能力预测推算全球AI计算需求。基准情景下能效提升率每年8%-15%（与2015-2020年非AI领域相当）。综合来看，AI领域电力消耗将急剧增加，而服务器出货收入在2027-2030年间预计基本持平。
预计与AI无关的工作负载将持续保持强劲增长，计算实例工作负载增速将从2017年以来的20%-25%下降至2026-2030年的12%-18%年增长率。AI主要对数据中心计算任务需求产生渐进式影响，替代程度极低。
云/超大规模数据中心能效提升速度已从2015-2019年的年均15%降至个位数水平，基准情景中假设2024-2030年增速小幅回升至平均3%。
为应对数据中心及AI驱动的负荷增长，假设发电能力由60%天然气（含40%CCGT联合循环和20%调峰机组）以及40%可再生能源（含25%太阳能和15%风能）构成。
| 发电方式 | 资本成本（美元/kW） | 容量因子假设 |
|---|---|---|
| CCGT联合循环 | $1,000 | 63% |
| 燃气调峰机组 | $750 | 15% |
| 陆上风电 | $1,600 | 35% |
| 公用事业级太阳能 | $1,300 | 27% |
这将导致到2030年累计需要约500亿美元的额外资本投资，即每年平均投入70亿美元。将数据中心相关需求与基准容量增容预测结合，到2030年累计发电资本支出总额将达6,650亿美元（年均约950亿美元）。
虽然模型未假设2030年前新增核能发电能力，但认为：(1) 随更多核电站获得运营许可延期及铀需求增长，未来关闭核电站情况将减少；(2) 核能具有零碳排放且运行可靠，是数据中心理想能源选择——具备核能发电能力的独立发电项目（IPP）相较受监管电力企业更具发展优势；(3) 小型模块化反应堆（SMR）未来可能发挥更重要作用。
数据中心电力需求的持续增长正推动到2030年天然气新增需求达30亿立方英尺/日（约3.3 bcf/d）。电力市场中的天然气消耗量较当前水平将增长约10%，较此前天然气电力需求增长预期高出约50%。
天然气将满足数据中心约28.7GW总电力需求中的约60%。其中约40%需求通过CCGT（热值7,000 kWh/Btu）满足，约20%通过调峰机组（热值10,000 kWh/Btu）满足。
美国电力用天然气市场规模约为每日350亿立方英尺，约占整个天然气市场（每日1000亿立方英尺）的三分之一。预计电力用天然气需求将以每年约3%速度增长，其中数据中心贡献约40%。
Williams Companies（WMB）在2024年分析师日活动中表态，数据中心有望直接接入天然气输气系统。由于数据中心平均利用率通常高于燃气发电厂，直接连接可降低管道输送能力需求，但这类项目资本支出较低且回报率较高。
Kinder Morgan（KMI）在2024年第一季度财报电话会议中同样讨论了数据中心接入天然气管网的前景。中游企业普遍认为新建产能合同通常按峰值负荷需求设计，这是行业管理团队的共识。
报告提供了两种乐观情景，说明对实物天然气及管道容量需求的潜在增长空间：
乐观情景1：天然气占比仍为60%，但所有新增燃气发电需求（而非仅50%）均需新增管道容量。管道容量按峰值发电厂负荷规划。
乐观情景2：天然气/可再生能源不再是60%/40%，而是天然气完全满足100%需求。数据中心全部用电需求均依赖新建管道容量。
除增量发电需求外，数据中心负荷增长还将推动电网可靠性（尤其是输电系统）投资。预计到2030年整个行业累计电网支出将达到约7,200亿美元。
预计覆盖范围内2024至2027年的资本支出将较此前四年同期增长约36%，推动整个行业盈利实现约7%增长。
2024-2027年累计资本支出$5,630亿 vs 此前四年$4,140亿，增幅约36%
| 公司 | 计划 | 主要内容 |
|---|---|---|
| DUK | NC与SC资源计划 | 天然气6.5GW + 太阳能2.7GW + 储能1.2GW + 风电1.2GW |
| SO | 乔治亚电力IRP | 可再生能源最高可达10GW |
| XEL | 科罗拉多替代性投资组合 | 储能1.7GW + 风电1.6GW + 太阳能700MW + 天然气700MW |
| D | DESC IRP | 太阳能5GW + 电池储能1.6GW |
| DEV | IRP | 太阳能5.9GW + 天然气3GW + 风电1GW + 储能1GW |
| AEP | 多项IRP | 风电6GW + 太阳能6GW + 天然气5GW + 储能1GW |
| AEE | 密苏里州IRP | 到2030年：可再生能源2.8GW + 天然气800MW + 储能400MW |
报告重点推荐了16只受美国数据中心电力需求激增影响的各行业股票，覆盖电力供应链的四个维度。以下为完整清单：
| 股票代码 | 公司名称 | 所属行业 | 受益逻辑 |
|---|---|---|---|
| NEE | NextEra Energy | 受监管公用事业 | 规模增长受益方；佛罗里达州最大电力公司，数据中心商业交易量高于平均水平 |
| WEC | WEC Energy Group | 受监管公用事业 | 规模增长受益方；中西部数据中心密集区域布局 |
| D | Dominion Energy | 受监管公用事业 | 案例研究核心公司；北弗吉尼亚数据中心走廊主要电力供应商，$50亿输电项目最大份额 |
| DUK | Duke Energy | 受监管公用事业 | 资本支出受益方；IRP规划天然气6.5GW+太阳能2.7GW+储能1.2GW |
| SO | Southern Company | 受监管公用事业 | 资本支出受益方；乔治亚电力IRP规划可再生能源最高10GW |
| XEL | Xcel Energy | 受监管公用事业 | 资本支出受益方；科罗拉多替代性投资组合，多能源组合布局 |
| AEP | American Electric Power | 受监管公用事业 | 资本支出受益方；多项IRP，风电6GW+太阳能6GW+天然气5GW+储能1GW |
| AEE | Ameren | 受监管公用事业 | 区域化布局；密苏里州IRP，MISO区域布局优势 |
| FE | FirstEnergy | 受监管公用事业 | PJM区域布局；输电网络运营商，数据中心需求推动费率基础增长 |
| EXC | Exelon | 受监管公用事业 | PJM区域布局；核能运营优势，数据中心对可靠基荷电力需求增长 |
| SRE | Sempra | 受监管公用事业 | 德州市场增长受益方；德州数据中心和电气化推动负载增长 |
| ES | Eversource Energy | 受监管公用事业 | 新英格兰地区输电投资增长受益方 |
| PEG | Public Service Enterprise Group | 受监管公用事业 | PJM区域布局；新泽西数据中心需求推动输电投资 |
| WMB | Williams Companies | 天然气中游 | 天然气管道核心受益方；管理层2024年分析师日表态数据中心可直连输气系统 |
| KMI | Kinder Morgan | 天然气中游 | 天然气管道核心受益方；2024年Q1财报电话会议讨论数据中心接入天然气管网 |
| ET | Energy Transfer | 天然气中游 | 天然气管道受益方；数据中心推动管道需求增长，增量EBITDA空间显著 |
高盛指出，受监管的公用事业公司可通过两大途径从数据中心驱动的用电增长中获益：规模效益（对商业用电量增长的未脱钩地区企业而言）和费率基础增长（发电及电网资本支出推动）。天然气中游企业则从管道建设需求中受益——基准情景下$73.5亿、乐观情景下$248.8亿资本支出将推动增量EBITDA增长。
科技企业很可能会加快签署电力购买协议（PPA）——与公用事业公司或独立发电企业签订合同，为可再生能源发电项目采购电力。天然气中游企业也将从管道建设需求中受益。
基准情景下需约6.1 bcf/d新增管道输送能力，对应$73.5亿资本支出。乐观情景下可能高达20.5 bcf/d，对应$248.8亿资本支出，为中游行业每年带来$28-41亿增量EBITDA。
AI技术革新显著提升计算速度并降低每台服务器功耗，若企业技术支出预算不受限（情景1），服务器出货量保持稳定，电力需求将最为乐观。能效高于预期或AI需求超预期将推动基准预测上修。
若能效高于预期，或功耗/计算速度效率导致实际采购服务器数量少于预期，基准情景可能面临不利影响。需求本身成为限制因素（情景2）将带来最悲观结果。