AI發展的關鍵挑戰，如何滿足數據中心龐大的能源需求

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科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳發表於 2025年3月19日

圖、AI發展的關鍵挑戰，如何滿足數據中心龐大的能源需求

美國總統川普(Donald Trump)於2025年1月20日就職當天宣布「國家能源緊急狀態」，此舉讓美國政府能夠繞過國會直接分配預算用於緊急能源政策。川普認為美國目前面臨嚴重電力短缺，必須採取緊急措施。分析指出，這項決定的背景是美國與中國之間爭奪AI霸權的競爭，特別是在中國推出DeepSeek-R1模型後，美國政策制定者將為數據中心提供電力視為維持人工智慧競爭力的關鍵任務。

據國際能源署(IEA)數據顯示，AI技術發展對能源需求的影響驚人。使用ChatGPT進行一次搜索所消耗的電力是普通Google搜索的近10倍，達到2.9 Wh。數據中心第四代伺服器的日常耗電量相當於為18輛電動車充電所需的電力。美國投資銀行富國銀行預測，到2030年，美國因生成式AI引起的電力需求將從2023年的3 TWh成長217倍至652 TWh，相當於南韓一整年的電力消耗量(約為台灣2024年用電量251 TWh的2.6倍)。

OpenAI執行長奧特曼(Sam Altman)長期以來一直敦促美國政府建立大型數據中心，以贏得與中國的AI競爭。透過「Stargate」計劃，OpenAI、軟銀和甲骨文宣布未來四年將投資高達5000億美元用於AI相關基礎設施建設。該計劃包括建設多達20個AI數據中心，每個數據中心估計需要約5 GW的電力。考慮到一座核電廠的容量約為1 GW，這意味著需要新建100座核電廠。基於此，亞馬遜、谷歌和Meta等美國大型企業主張到2050年必須將核電發電能力提高三倍。

隨著需求激增，美國各地的家庭和企業電費預計將大幅上漲，以支付數千億美元的電網升級計劃。然而，杜克大學的一項新研究表明，現有的美國電力系統已經具備為大量新增數據中心供電的「空間」，無需新建電網或發電廠基礎設施。關鍵在於新數據中心需要在用電時間上具有一定的靈活性，在區域電網承受高峰壓力的罕見時段減少用電。

杜克大學報告的結論令人驚訝：美國目前約有100 GW的電力容量可以在短期內連接到電網，無需新增電力供應或輸送基礎設施升級，這相當於四到五個Stargate項目（超過2兆美元的數據中心投資）。這一容量甚至超過美國目前94座核反應爐所能提供的電力總和。

相比之下，對新數據中心彈性的要求相對較小。在一年中，這些新數據中心仍然可以使用他們本來有權使用的99.5%的電力。他們只需承諾在系統壓力高峰期間，平均每次減少25%的電力使用，每次持續兩小時，全年總計不到200小時。這種彈性用電的方法可以讓數據中心迅速連接到現有的區域電網，而不影響電網的可靠性，也不必等待長達十年的昂貴新基礎設施建設完成。

美國中西部地區因其可靠、充足且價格合理的電力供應，已成為數據中心未來發展的目標區域。該地區擁有多元化的能源組合，包括煤炭、天然氣和核能，以及越來越多的風能和太陽能。然而，AI和相關技術帶來的需求激增已經使該地區的可靠性和價格承受能力面臨挑戰。

投資者擁有的公用事業公司在其公開聲明中報告了目前的情況。密蘇里州Ameren公司服務區域的平均項目規模從2019年的3.2 MW增加到2024年的181.2 MW。Oklahoma Gas & Electric預計未來五年能源預測將增長超過20%。在Evergy(能源公司)的密蘇里州和堪薩斯州服務區域，大約有6 GW的項目排在其經濟發展行列中，相比之下，堪薩斯州的Wolf Creek核電廠的額定容量僅約為1.2 GW。

面對電力需求激增的挑戰，政府、監管機構、客戶和開發商必須考慮多種策略來管理這一新的需求局面，確保資源充足：

有效的費率設計：管理增加的需求將需要對新能源基礎設施進行大量投資。州監管機構應確保開發商能夠在數據中心需要時以公正合理的費率獲得可靠的能源，而不期望其他客戶承擔超過其公平占比的新升級費用。
投資電網基礎設施：升級和現代化電網對於應對不斷增長的需求至關重要。開發額外的電力傳輸基礎設施對於調度區域發電資源和滿足不斷增長的需求至關重要。智慧電網技術可以幫助提高效率和彈性。
數據中心能源效率：數據中心營運商可以透過投資節能技術和實踐來減少其對高峰需求的影響。許多數據中心營運商已經在追求先進的冷卻系統並優化伺服器工作負載以減少電力消耗。
需求響應計劃：公用事業公司可以實施需求響應計劃，激勵消費者（包括數據中心）在高峰期減少用電量。這可以幫助在高需求時期平衡電網，確保系統保持可靠。

隨著AI技術的快速發展，美國面臨著能源供應和電網穩定性的嚴峻挑戰。川普政府宣布的國家能源緊急狀態反映了這一問題的緊迫性，但實現AI競爭力與確保能源可負擔性之間需要取得平衡。

杜克大學的研究提供了一個誘人的解決方案：透過引入數據中心用電彈性，美國可以在不大量增加基礎設施投資的情況下，滿足快速增長的AI電力需求。這種方法不僅可以節省大量成本，還能夠為電力系統規劃者爭取時間，使他們能夠審慎地投資於未來十年的必要基礎設施。

隨著AI和數據中心對電力需求的不斷增長，美國需要採取全面、協調的方法來解決能源挑戰。透過有效的費率設計、電網基礎設施投資、提高數據中心能源效率以及實施需求響應計劃，美國可以維持其技術驅動型經濟的增長，同時確保能源供應的可靠性和永續性。最終，借鏡美國的案例，各國若想要在AI競爭中保持領先地位，將在很大程度上取決於解決能源挑戰的能力。(1970字；圖1)

參考資料：
U.S. declares national energy emergency amid soaring AI power demands. Chosu Biz. 2025/03/17.
Energy Demand for AI Drives the Midwest' s Focus on Resource Adequacy. The National Law Review. 2025/01/27.
America May Not Need a Massive Energy Build-Out to Power the AI Revolution. Council on Foreign Relations. 2025/02/11.

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