2030年全球半导体市场规模有望达1万亿美元AI的尽头是电力？2030年用电量或达6倍！ChatGPT每天“吃”56万度电，区域性缺电风险集聚，投资者如何布局？

AI对应的算力芯片需求与电量需求初现规模，我们认为，AI对电力的影响将体现在总量超预期、需求高质量、配套设备高成长三个方面。 因此，发达国家AI成为电力增长的核心驱动，美国等国家的区域性缺电可能逐步出现，电力系统全链条具备投资机遇；稳定、不间断、清洁的能源逐步供不应求，短期存量核电将发挥重要作用，中长期看，氢基能源与核电小堆将会成为主流；同时，数据中心供配电与热管理设备质量与价值量共同提升，市场空间有望快速打开，利好各环节龙头企业。 来源：新财富杂志（ID：xcfplus） 作者：刘俊 苗雨菲（华泰证券分析师） 萨姆·奥尔特曼曾在2024年初的达沃斯论坛中表示，人工智能的发展需要能源方面的突破，AI将带来远超预期的电力需求。自2022年11月30日OpenAI首次发布ChatGPT，并于2023年1月实现累计用户超过1亿，世界演示了AI发展接近实际应用的可能性，也全面开启了投资界对AI投资的热潮。 AI对应的算力芯片需求与电量需求初现规模。根据相关机构预测，OpenAI需要3617个英伟达HGX A100服务器以支持ChatGPT的交互，包含28936个GPU，对应约每天564MWh的用电量。同时，AI需求的爆发也将驱动更多的进入者与持续的需求增长，以谷歌搜索为例，若每次搜索中都嵌入AI应用，则对应需要约40-51万套英伟达HGX A100服务器以支持，对应每天约62-80GWh的用电量。 AI所带来的缺电已成为市场的重要关注点，我们认为，未来的经济发展可能是低碳的，但是未必是低电耗的，电气化、AI应用等新的需求驱动，将不断拉动新兴的电力增长驱动。 01 AI数据中心可能带来稳定电源紧缺与区域性缺电风险 我们已经看到，数据电力需求在AI的带动作用下或将快速增长。从总量角度，以2022年的用电量为基准，中美2030年的数据中心用电量将达到总用电量的11%和17%，乐观情景下将达到总用电量的20%和31%。从结构上，由于数据中心区域分布并不均衡，以及AI需求下对电能质量的要求明显提升，将形成两方面的电力紧缺可能性。 以中美为例，2022年数据中心用电占到社会用电量的3%-4%。在基准预期下，2030年中美的数据中心年用量将超9500亿度和6500亿度，均达到2022年的3.5倍以上。在乐观预期下，2030年中美数据中心年用电量将达1.7万亿度电和1.2万亿度电，均达到2022年的6倍以上。 而区域性缺电风险存在提升的可能性，特别是北美地区。从结构来看，美国数据中心分布相对集中，部分州数据中心用电需求在州内总用电量中占比较大，带来区域性缺电的可能性。 美国的数据中心目前主要分布于加州、德州、弗吉尼亚州等。其中，弗吉尼亚州因其电价低、营商环境好、光纤网络便利，拥有全球约35%的超大规模数据中心（Hyperscale datacenter），是美国最重要的数据中心集中区域。我们估算，到2025和2030年，基准情景下，其用电需求占比将达到当前州内全部用电量的43%、89%，而目前该比例是21%；乐观情景下，弗州数据中心用电需求将达到2022年州内总用电量水平的1.63倍。区域性缺电的风险较大。 此外，德州州长亦于近期表态，若要满足德州由居民、石油钻井、数据中心等拉动的电力需求，德州电力装机需要每年增长15%。道明尼能源在其2023年年报中也提及，数据中心会为弗吉尼亚未来10年带来持续且可观的电力需求增长，因此，供给层面面临挑战，需要在发电与输电层面加大投资以匹配持续增长的需求，其2024年规划的弗吉尼亚州业务资本支出（包含发电、输电与配电）较2023年增长了31%，达94亿美元。 02 AI发展或对美国电力系统形成负荷冲击 保障电网安全需要充足的可控裕度。可控裕度是指可控装机与最高负荷的比例，其中可控装机是名义装机乘以特定的可控比例。可控比例上，我们参考英国国家电力市场在长期容量招标中采用的折扣系数（de-rating factor），用以衡量电源机组在电力系统尖峰负荷发生时间段内的平均在线率，对应煤电、气电、水电、核电、陆上风电和光伏装机的可控比例分别为80.4%、91.3%、60%、78.25%、6.7%和4.98%。其中在水电部分，因2022年全球范围内，中国、欧洲、澳大利亚等地都出现了极端天气导致水电出力不及预期、电力供给紧张的情况，从审慎性角度考虑、结合第三方权威机构判断，我们认为，水电可控系数调整到60%可以更好反映电力系统出现极端情形下的实际供给情况。 但可控裕度并不是越高越好，以中国案例来看，我们认为1.1是可控裕度的一条基本红线。中国电力系统2015年的可控裕度为1.3，此后持续回落至2022年1.1的水平，除2020年受疫情影响，最高负荷增速放缓至2%，慢于当年5%的可控装机增速，导致2020年可控裕度短暂回升，而中国近年来最大规模的电荒讨论即发生在2022年。到了2023年，得益于本轮火电机组投放，可控裕度稳定略有回升，今年电力紧张相关讨论热度亦较去年有所回落。 美国电力系统整体可控裕度目前仅为1.1左右，若最高负荷增速继续高于可控装机，则可能存在系统性风险。2024-2030年，美国每年平均增长6-8GW的数据中心核心IT功率，由于数据中心高负载率的特性，也将对电力系统最高负荷形成6-8GW的影响。根据Grid Strategies，美国电网运营平台预期2024-2028年美国平均年最高负荷增量达到约8GW，与我们测算相符。 美国平均每年火电退役与增量气电的平均体量基本维持稳定，因此，美国整体可控裕度虽然持续有所下降，但在2020-2023年也基本维持稳定。发生变化的主要是最高负荷侧，虽然总用电量并未明显增长，但最高负荷则于2022年创下2016年以来的新高，2023年维持高位，推动整体美国电力系统可控裕度持续下降。 总体来说，我们预期美国2024-2026年每年最高负荷将提升8GW，发电量2024-2026年平均年增量将达到1000亿度电以上。美国能源咨询管理局（EIA）于2024年5月指引美国2024用电增量将分别达到1030亿度，根据我们对美国数据中心用电的测算，将其拆解为工业化与数据中心的增量，并预期工业化的用电增量需求将延续。由此，我们测算2024-2026年美国工业化拉动平均467亿度电，数据中心拉动平均621亿度电的发电增量。 在最高负荷持续增长的背景下，缺电风险显著提升。 03 AI带来的电力短缺或可带动稳定发电电源需求 首先，波动带来的成本损耗远高于传统数据中心。AI数据中心的价值量随着GPU算力与价格的提升而快速增长，因此，在同样的电源所引发的硬件损耗的概率下，AI数据中心的损失都将更高，电源接入本身的选择也将追逐更为稳定的来源。 第二，AI的应用不论是训练还是推理，都可能在较高的负载率下工作（训练可能达到100%），因此，其用电负载波动性小，对电源的稳定性、连续性的要求相较于负载波动率大的传统数据中心更高。 第三，电源需具备清洁性。根据BNEF数据，以2022年统计为例，美国清洁能源购电协议（PPA）的头部买家均为北美互联网与云巨头，其中前四大买家包括Amazon、Meta、Google、Microsoft，其分别在2022年单年采购了10.9、2.6、1.6、1.3GW的清洁能源PPA（风电+光伏），上述4家头部企业合计16.4GW的采购量占到北美2022年清洁能源PPA总签订规模的70%。 因此，我们认为，AI数据中心将驱动稳定与清洁型电源需求提升，短期最合适的电源类型为核电，中长期在清洁性的考量下，氢基燃料电池或氢燃机以及核电小堆或将成为重要的技术发展方向。AI数据中心在用电质量要求上，特别是对电能稳定性，以及电能不间断性的要求将进一步高于传统数据中心。 随着单卡算力与价格的不断提升，AI数据中心的核心价值体量在快速提升，潜在电源波动带来的损失将更高。我们以A30与H100-SXM GPU为对比，考虑一个5000台服务器的数据中心，每台服务器包含8个对应的GPU。从下图可以清晰地看到，从服务器价值量，最大总功耗等各环节，H100-SXM均是A30数据中心的数倍。同时，由于数据中心的占地面积并不会等比例扩大，因此功率密度也大幅提升。在同样的电源的波动概率下，AI数据中心潜在的受损额将更高。 图表：使用不同GPU芯片的数据中心的参数对比 高质量的稳定电源或供不应求，北美短期核电最为受益。以H100 SXM与A30作为GPU为对比，考虑一个数据中心包含5000台服务器，每台服务器中包含8个GPU。数据中心服务器总价值量将相差近6.4倍，其中使用H100 SXM数据中心的服务器总价值量将达到16亿美金以上。耗电量上则将相差4倍，数据中心供应配电与热管理设备的价值量占比由18%下降至13%。同时，AI数据中心的用能负载率也较高（训练在特定时间内可达100%）。 综上原因，数据中心对于电能的可靠性、连续性将有更高的要求。虽然供配电系统可以平抑一定的波动，但发电电源本身的电能质量，也开始得到进一步的重视。结合清洁性的要求，短期兼备稳定/不间断/清洁要求的电源主要为核电，远期氢能与小堆或成为重要的补充性稳定基荷能源与备用电源。 稳定性电源相较于非稳定电源，在AI数据中心的电力应用上，有望获得溢价。AI作为重要的电力增长驱动，也将带动稳定的基荷电源具备增量的装机成长空间，并驱动基荷性的新型电源迎来市场化的机遇。优质的发电装备企业迎来新的成长周期。 04 AI或驱动美国全电力系统投资需求增长 美国缺电的紧迫性，或拉动美国全电力体系投资增长。我们认为，2023年及之前，海外电网投资与电气设备投资的恢复主要由工业投资、新能源并网与电网老化共同驱动，但工业侧的投资拉动并未完全反映电力实际增长。2024年及之后，一方面，工业投资的高增长将伴随工厂的竣工开始对电力形成拉动，另一方面，数据中心高速的建设，将成为重要的电力增长驱动因素。 电网投资层面，欧美电网投资有望进一步提速。 2020-2022年，美国电网投资的核心驱动是老化替代与电网强化，增量电源需求与用电需求带来的扩容需求进一步拉动电网投资增长。根据EEI对美国Investor-owned Utilities的统计，美国2022年电网投资中，电网老化替代与强化投资占比达68%，扩容占比为28%，2020-2022年，扩容投资额基本无增长，替代与强化连续2年增速超过15%。我们认为增量扩容需求的驱动将更多源于整体电量与负荷的重回增长，以带动投资，提升电网整体电力输送的承载力与稳定性。 美国2015年以来230kV以上主网线路年增量基本无增长，且345kV以上新增线路长度持续下降，与主网投资的增长形成了显著的背离。一方面美国电网单位投资额在持续增长，成本方面不断攀升，另一方面整体的电网投资与规划，在跨州的超高压线路的规划与执行上，整体滞后。 美国输电项目流程冗长，在建的大部分项目经历了超过10年的项目审批，FERC新政以及目前美国所面临的缺电风险，有望加速整体输电投资。 我们统计的6家美国电网相关企业，2024年合计电网投资规划较2023年增长9%，2024-2028年总电网投资规划较2023-2027年投资规划增长11%。考虑到潜在的缺电压力，提速的输电网建设可能性，我们认为美国整体的电网投资中枢，特别是输电侧的投资需求，有持续超预期的空间。 电源投资层面，海外可控装机装备需求或迎来上行周期。 类似于中国2021年缺电后2022年火电建设的提速，我们认为美国也有望迎来可控装机类电源装机增长的提速。全球范围内，我们观察到火电、气电、核电等可控装机类发电装备订单2023年均恢复了较高的增长。 全球范围内可控装机的增量在2011-2021年呈下降趋势，我们认为，海外工业投资的增长与发达区域数据中心的建设将驱动可控装机增量需求的回升。 首先，美国2012年以来可控装机并未增长，整体上只是进行煤电改气电的结构优化。其次，海外最高负荷增长所带来的潜在电力紧缺风险，或推动可控装机类发电装备需求的回升。第三，全球范围内，火电、气电、核电等可控装机类发电装备订单2023年增长较好，企业层面订单增长提速。2023年，上海电气、东方电气、三菱重工的发电装备订单均高增长，GE Vernova 2024年一季度的气电业务新增设备订单同比增长75%。 海外电气设备的需求增长由变压器、开关等电力设备开始扩散到发电装备，特别是可控装机类的发电装备，如气电、煤电、水电、核电等，具体形式取决于区域性的资源禀赋。 数据中心相关电气设备投资上，行业景气提升，有望全球共振。 电力设备的需求在数据中心的拉动下边际将更为紧缺，原因在于数据中心对电力系统最高负荷的冲击更为直接，同时数据中心需求方相对的价格不敏感。数据中心内部配套的相关装备将迎来持续的高增长期。 从维谛技术（Vertive）财报我们可以看到，其新订单增长2023年后在持续提速，同时整体盈利能力在2023年也有显著回升。伴随数据中心建设节奏的提速，我们看到数据中心的核心装备供应商具备很强的业绩成长潜力。 数据中心建设海外先行，国内也具备AI落地驱动下的高增长空间。我们认为，AI的发展将进一步助推全球电力基础装备周期向上，国内数据中心的启动也将为国内优质的各环节供应商带来成长机遇，五大领域发展机遇值得关注：一是数据中心供配电优秀的本土供应商受益国内需求启动；二是清洁稳定的电源装备与运营商；三是受益电气设备周期进一步向上的电气设备出海企业；四是可控装机类发电装备供应商；五是数据中心UPS系统、低压配电系统、热管理系统等核心配套装备供应商。 本文所提及的任何资讯和信息，仅为作者个人观点表达或对于具体事件的陈述，不构成推荐及投资建议，不代表本社立场。投资者应自行承担据此进行投资所产生的风险及后果。