美国数据中心数量持续增长，主要是为了支撑人工智能程序的运行。这引发了外界对数据中心环境影响及其对电网冲击的广泛关注。一旦大批新数据中心集中上线，将会带来怎样的后果？
麻省理工学院研究人员的一项最新研究表明，数据中心的影响程度可能因能源使用方式的不同而存在显著差异。
具体而言，如果数据中心能将相当一部分能源消耗转移至非高峰时段，实际上可能有助于降低平均能源成本。从能源消费结构来看，环境影响因地区而异——部分地区有望推动可再生能源的大规模建设，而另一些地区则可能相对增加化石燃料的使用。
"数据中心的关键问题在于：如何将其接入电网，同时不大幅推高峰值用电量？"MIT斯隆管理学院经济学家、本次新论文的共同作者克里斯托弗·尼特尔（Christopher Knittel）表示，"数据中心实现这一目标的方式之一，是在高成本时段为电网提供一定的灵活性，只增加平均用电量而不推高峰值用电量。这正是我们一直致力于深入研究的方向。"
研究发现，与僵化的能源消费模式相比，灵活的数据中心用电安排能够带来显著的成本节约：在德克萨斯州可节省高达5%的成本，在大西洋中部地区可节省4%，在美国西部各州可节省2%。要实现上述目标，数据中心需要将20%以上的用电量——有时甚至超过50%——转移至非高峰时段。
这篇题为《灵活的数据中心可降低电力系统成本，但可能增加排放》的论文已在《iScience》期刊上发表。论文作者包括：麻省理工学院能源与环境政策研究中心博士后研究员胡安·拉蒙·L·森加（Juan Ramon L. Senga）、同中心博士后研究员王沈（Shen Wang），以及担任MIT斯隆学院乔治·P·舒尔茨讲席教授、MIT气候与可持续发展副院长的尼特尔。
20%的解决方案
数据中心的扩张引发了多方面的担忧：美国电网是否将承受更大压力、化石燃料消耗增加带来的全球影响，以及数据中心对当地环境的影响。本研究重点探讨前两个问题。
为开展研究，学者们利用美国电网的"Gen X"模型，对数据中心扩张情景进行了大量模拟，覆盖一整年的能源使用数据。
研究聚焦于三个地区的电网系统：德克萨斯州、大西洋中部地区，以及由美国本土西部11个大州组成的"西部互联电网"。选择这些地区的原因在于，它们集中承载了全国绝大多数数据中心——据一项分析预测，到2030年，这三个地区将容纳美国约82%的数据中心。
研究结论有些出人意料：在某些情景下，新增数据中心反而可能降低能源成本。通常情况下，电网约60%的支出为固定成本（如输电线路），约40%为能源成本。将数据中心接入电网后，实际上可以将固定成本分摊至更大的能源使用量上。
"这只是数学问题。"尼特尔说道。
但这其中存在一个前提条件：只有当数据中心平均用电量的增速快于高峰时段用电量的增速时，成本才可能下降。而事实上，大多数数据中心在能源使用上本身就具备一定的灵活性，因为它们通常只在约80%的容量下运行。
在研究的模型模拟中，这种灵活性通常体现为：将早晨和傍晚的用电高峰转移至正午时段——此时用电负荷较低，而太阳能发电也处于满负荷状态。模拟结果表明，这一调整能够产生实质性的影响。
"数据中心在决策上面临两个维度，"尼特尔说，"一是在任意给定时段内，有多大比例的负荷是可灵活调配的；二是这些计算任务可以前后移动多少小时。"
积少成多，真金白银
此外，数据中心的灵活性程度还取决于其承载的人工智能计算类型。用于AI模型训练的数据中心通常以稳定速率消耗能源，因而相较于推理数据中心，能够为电力负荷转移提供更大的灵活空间；而推理数据中心主要服务于在线搜索查询，其用电量更多地受终端用户的互联网使用习惯所驱动。
尼特尔特别强调，研究所揭示的成本节约幅度（2%至7%）在整体上具有重要意义。
"3%是个大数字，"尼特尔说，"谈到电网时，3%或6%听起来微不足道，但乘以1000亿美元，就是实实在在的真金白银。"
在环境影响方面，模型预测显示，到2030年，数据中心的预期增长规模将对二氧化碳排放产生重大影响。与数据中心零增长的情景相比，德克萨斯州的碳排放将上升58%，大西洋中部地区上升20%，美国西部上升24%。这凸显了制定数据中心用电战略的迫切性。
然而，模型同时发现，数据中心建设对清洁能源使用的影响因地区而存在明显差异。在德克萨斯州，风能占电网供电量的54%，采用灵活用电模式的数据中心若能增加对风能的需求，实际上可以减少碳排放。研究发现，在该情景下，二氧化碳排放量最多可减少40%。
然而，在大西洋中部地区，该地区太阳能资源尚可，但风能相对匮乏，采用灵活用电模式的数据中心可能同时推高可再生能源和化石燃料的消耗。模型显示，在该情景下，全系统二氧化碳排放量将增加3%。
"在后一种情景中，当数据中心提供一定的用电灵活性时，它们实际上会将用电时段转移至风能和太阳能产出下降的时间段，这反而让燃煤电厂得以维持运转，"尼特尔指出，"因此，灵活用电并不一定能够吸引更多可再生能源投资，反而可能带动煤电投资的增加。"
政策的价值所在
然而，上述一切要成为现实，数据中心必须真正落实研究中所模拟的灵活用电方案。目前尚不清楚，使用数据中心的企业是否具有这样做的动力。在尼特尔看来，这意味着政策制定者可能需要在这一领域出台相应的监管措施。
"这正是政策存在的意义，"尼特尔说。
他进一步补充道，政策制定者可以运用一个重要的政策杠杆来实现这一目标：为愿意承诺提供分时用电灵活性的数据中心提供更快速的电网接入。
"目前，数据中心面临的一大痛点，就是接入电网所需的时间漫长，"尼特尔说，"实现灵活性的一种方式叫做'先接入、后管理'——也就是说，如果你同意提供用电灵活性，就可以更快接入电网。科技公司会接受这个交换条件：相比苦等一年，他们更愿意提前一年接入，同时每天在几个小时内降低计算负载。电厂的管理也是类似的道理。"
尼特尔还指出，作为相互竞争的企业，"科技公司表示，不会单独提供灵活性。但如果整个行业都必须这样做，那就没有问题了。"
本研究是首个对数据中心成本与排放进行"端到端"系统分析的研究。研究人员认为，这些结果值得进一步评估，相关建模工作也在持续推进中。
"我认为，这是我们所有人都应当认真思考的两个维度，"尼特尔说，"最终的结果，真的取决于我们自己，也取决于政策的走向。"
本研究得到了MIT能源计划未来能源系统中心的资助支持。
Q&A
Q1：数据中心灵活用电能节省多少成本？
A：根据麻省理工学院的研究，灵活的数据中心用电安排与僵化的用电模式相比，在德克萨斯州最多可节省5%的电力系统成本，大西洋中部地区可节省4%，美国西部各州可节省2%。要实现这一目标，数据中心需要将超过20%、有时甚至高达50%的用电量转移至非高峰时段。
Q2：数据中心扩张对碳排放有多大影响？
A：研究模型显示，到2030年，与数据中心零增长的情景相比，德克萨斯州碳排放将上升58%，大西洋中部地区上升20%，美国西部上升24%。值得注意的是，灵活用电对碳排放的影响因地区能源结构不同而存在显著差异：风能丰富的德克萨斯州可能因此减少40%的碳排放，而大西洋中部地区则可能反而增加3%的排放。
Q3：政府可以采取哪些政策措施推动数据中心灵活用电？
A：研究者建议可以采用"先接入、后管理"的政策机制，即为承诺提供分时用电灵活性的数据中心提供更快速的电网接入通道。由于数据中心目前普遍面临接入电网周期过长的问题，科技公司通常更愿意以提供用电灵活性换取提前一年接入电网，而不是在漫长等待中损失时间。
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