海里安家！華南理工科研團(tuán)隊(duì)提出高能耗數(shù)據(jù)中心零碳運(yùn)行新方案

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》報(bào)道該成果

近年來(lái)，人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)技術(shù)呈現(xiàn)出爆炸式發(fā)展態(tài)勢(shì)，全球數(shù)據(jù)處理需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心物理載體，其能耗問(wèn)題日益嚴(yán)峻。

論文截圖

1月5日，《自然綜述-電氣工程》在線發(fā)表了華南理工大學(xué)電力學(xué)院教授朱繼忠團(tuán)隊(duì)與合作者的最新研究成果。他們提出了一種以海洋可再生能源為支撐的水下數(shù)據(jù)中心零碳運(yùn)行架構(gòu)，為高能耗AI基礎(chǔ)設(shè)施的綠色轉(zhuǎn)型提供了全新解決方案。

“這項(xiàng)工作是當(dāng)前‘綠色AI’背景下的一次前瞻性探索。”論文通訊作者朱繼忠表示，該研究首次系統(tǒng)性設(shè)計(jì)并論證了融合風(fēng)能、光伏、波浪能和海水冷卻的水下數(shù)據(jù)中心能源與熱管理系統(tǒng)框架，驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)“全天候零碳運(yùn)行”的可行性，展現(xiàn)出推動(dòng)AI計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施綠色化、低碳化的潛力。

《自然綜述-電氣工程》的審稿人對(duì)這一研究成果給予了高度評(píng)價(jià)。他們認(rèn)為，該研究“在綠色計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)方面提供了系統(tǒng)性新思路”，兼具“突破性技術(shù)創(chuàng)新和工程可行性”。

數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型迫在眉睫

國(guó)際能源署（IEA）2025年4月發(fā)布的報(bào)告顯示，2024年全球數(shù)據(jù)中心的用電量約為415太瓦時(shí)（TWh，1太瓦時(shí)=10億千瓦時(shí)），占全球電力需求的1.5%。鑒于AI模型訓(xùn)練與推理對(duì)算力的需求持續(xù)攀升，到2030年這一數(shù)字將增長(zhǎng)一倍以上，達(dá)到約945TWh，相當(dāng)于全球總用電量的近3%。

能耗激增的背后是持續(xù)運(yùn)行的高性能服務(wù)器集群、高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與海量存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)的驚人電力需求，以及由此產(chǎn)生的巨額散熱負(fù)荷。傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷等散熱方式不僅消耗大量電能，還形成了“能耗-散熱”惡性循環(huán)。因此，如何突破電力供應(yīng)與散熱管理的雙重瓶頸，實(shí)現(xiàn)“零碳運(yùn)行”，已成為全球數(shù)據(jù)中心行業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

“傳統(tǒng)陸上數(shù)據(jù)中心若要大規(guī)模依賴可再生能源，將面臨諸多根本性制約。”論文共同第一作者、大連理工大學(xué)副教授楊浩森分析道，首先，可再生能源如風(fēng)能和太陽(yáng)能具有間歇性與波動(dòng)性，而數(shù)據(jù)中心需7×24小時(shí)穩(wěn)定供電，這對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)與儲(chǔ)能提出了極高要求；其次，大型風(fēng)光電站通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，與數(shù)據(jù)中心密集的城市區(qū)域存在地理錯(cuò)配，輸電損耗與基礎(chǔ)設(shè)施成本高昂；最后，陸上數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)即便采用先進(jìn)技術(shù)，其能耗占比仍非常可觀。

楊浩森指出，這些因素促使研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)換思路，思考能否將數(shù)據(jù)中心部署在能源豐富且天然冷卻資源充足的環(huán)境中。海洋，正是一個(gè)理想的場(chǎng)所。

構(gòu)建多能互補(bǔ)的零碳系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述構(gòu)想，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種低碳、高效、智能協(xié)同的水下數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)，并在模型與案例分析中驗(yàn)證了其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

該構(gòu)想的核心是將數(shù)據(jù)中心模塊部署于海底或海上漂浮平臺(tái)，直接利用廣袤海洋蘊(yùn)藏的風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能等多種可再生能源進(jìn)行供電，并借助低溫海水實(shí)現(xiàn)高效自然冷卻，從而構(gòu)建一個(gè)近乎能量自給自足的閉環(huán)系統(tǒng)。

這一構(gòu)想并非憑空想象。早在2022年，團(tuán)隊(duì)就在廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金海上風(fēng)電聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了大規(guī)模海上風(fēng)電接入新型電力系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度研究，奠定了電力系統(tǒng)、海洋工程、熱力學(xué)多學(xué)科交叉的前期基礎(chǔ)。此次成果的核心突破在于提出并詳細(xì)論證了一套完整、可行、智能化的水下數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)架構(gòu)。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了一套集成海上風(fēng)電、浮動(dòng)光伏、波浪能和電池儲(chǔ)能的能源系統(tǒng)，并輔以智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源生產(chǎn)、存儲(chǔ)、調(diào)配、冷卻和碳排放的全生命周期優(yōu)化。”論文共同第一作者、香港理工大學(xué)博士生董瀚江介紹。

朱繼忠（右三）指導(dǎo)學(xué)生。受訪者供圖

研究團(tuán)隊(duì)提出了三重冷卻機(jī)制，包括海水換熱、吸收式制冷和電動(dòng)壓縮機(jī)制冷。海水換熱利用海水的天然低溫特性，為服務(wù)器進(jìn)行初步散熱；吸收式制冷則進(jìn)一步降低溫度，確保服務(wù)器在適宜的環(huán)境下運(yùn)行；電動(dòng)壓縮機(jī)制冷作為補(bǔ)充，在極端情況下保障服務(wù)器正常運(yùn)行。這三重冷卻機(jī)制相互配合，在保障服務(wù)器運(yùn)行溫度穩(wěn)定的同時(shí)，最大限度地回收和利用廢熱，有效提升了系統(tǒng)整體能效。

在系統(tǒng)可靠性方面，團(tuán)隊(duì)同樣進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了應(yīng)急柴油機(jī)組和混合冷卻架構(gòu)。應(yīng)急柴油機(jī)組能夠在極端天氣、電池故障或設(shè)備宕機(jī)等突發(fā)情況下迅速啟動(dòng)，為數(shù)據(jù)中心提供緊急電力支持；混合冷卻架構(gòu)則可以根據(jù)不同工況靈活調(diào)整冷卻方式，確保系統(tǒng)的冷卻效果不受影響。這些設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的韌性，提高了水下數(shù)據(jù)中心在復(fù)雜海洋環(huán)境中的應(yīng)對(duì)能力。

“我們建立了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型并在模擬的海洋環(huán)境與典型數(shù)據(jù)中心負(fù)載場(chǎng)景下進(jìn)行案例仿真分析。”董瀚江說(shuō)，“分析結(jié)果驗(yàn)證了該架構(gòu)在技術(shù)上的穩(wěn)定性、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性及相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心顯著的碳減排效益。它本質(zhì)上是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了能源生產(chǎn)、存儲(chǔ)、調(diào)配、冷卻和碳排放全生命周期優(yōu)化管理的智能體。”

從概念邁向工程實(shí)踐

盡管水下數(shù)據(jù)中心的藍(lán)圖令人振奮，但將其從理論架構(gòu)推向?qū)嶋H工程應(yīng)用，仍面臨一系列需要攻克的技術(shù)與工程挑戰(zhàn)，如海洋腐蝕、極端氣候、維護(hù)難度大等。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)營(yíng)的角度來(lái)看，水下數(shù)據(jù)中心具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這一構(gòu)想可以節(jié)約大量土地資源，避免因數(shù)據(jù)中心建設(shè)而占用寶貴的陸地空間。同時(shí)，借助海洋可再生能源和海水冷卻技術(shù)，水下數(shù)據(jù)中心能夠大幅降低電力成本，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。更為重要的是，水下數(shù)據(jù)中心能夠顯著降低碳排放，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)作出積極貢獻(xiàn)。

“隨著海洋工程、可再生能源和信息技術(shù)的發(fā)展，水下數(shù)據(jù)中心將成為未來(lái)綠色AI與數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的重要形態(tài)之一。”朱繼忠指出，該系統(tǒng)最大特色在于最大化利用自然界的饋贈(zèng)——持續(xù)的海洋可再生能源和天然的低溫冷卻介質(zhì)，幾乎不依賴陸上電網(wǎng)和化石能源，具備卓越的環(huán)境可持續(xù)性和地理部署靈活性。

“下一步，我們計(jì)劃開(kāi)展小型原型系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，并積極尋求與能源企業(yè)、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商及海洋工程公司的產(chǎn)業(yè)合作，共同探索水下數(shù)據(jù)中心從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)路徑。”朱繼忠說(shuō)。

對(duì)于水下數(shù)據(jù)中心建設(shè)可能對(duì)海洋環(huán)境造成的影響，朱繼忠認(rèn)為“這是一個(gè)長(zhǎng)期、系統(tǒng)的復(fù)雜問(wèn)題”。其團(tuán)隊(duì)提出的方案旨在最大化利用海洋可再生能源與天然低溫海水，通過(guò)多能互補(bǔ)與智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近零碳運(yùn)行。從設(shè)計(jì)原理看，系統(tǒng)依靠海水冷卻和可再生能源供電，理論上減少了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的溫排水與碳排放問(wèn)題。

盡管如此，任何海洋工程都需全面評(píng)估長(zhǎng)期生態(tài)影響，包括設(shè)備安置對(duì)海底生態(tài)的擾動(dòng)、材料腐蝕可能帶來(lái)的污染風(fēng)險(xiǎn)及冷卻過(guò)程對(duì)局部水溫的微量改變。研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中考慮了系統(tǒng)可靠性與應(yīng)急措施，但具體環(huán)境影響仍需通過(guò)后續(xù)原型試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證。

相關(guān)論文信息

https://doi.org/10.1038/s44287-025-00246-7

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信息來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

文字：朱漢斌

微信編輯：鮑恩

初審：冀早早

復(fù)審：盧慶雷

終審：夏正林

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