高能耗数据中心如何零碳运行？搬到水下！

 

近年来，人工智能（AI）、机器学习、云计算及大数据技术呈现出爆炸式发展态势，全球数据处理需求呈指数级增长。数据中心作为数字经济的核心物理载体，其能耗问题日益严峻。

1月5日，《自然综述-电气工程》在线发表了华南理工大学电力学院教授朱继忠团队与合作者的最新研究成果。他们提出了一种以海洋可再生能源为支撑的水下数据中心零碳运行架构，为高能耗AI基础设施的绿色转型提供了全新解决方案。

“这项工作是当前‘绿色AI’背景下的一次前瞻性探索。”论文通讯作者朱继忠对《中国科学报》表示，该研究首次系统性设计并论证了融合风能、光伏、波浪能和海水冷却的水下数据中心能源与热管理系统框架，验证了其实现“全天候零碳运行”的可行性，展现出推动AI计算基础设施绿色化、低碳化的潜力。

《自然综述-电气工程》的审稿人对这一研究成果给予了高度评价。他们认为，该研究“在绿色计算基础设施设计方面提供了系统性新思路”，兼具“突破性技术创新和工程可行性”。

数据中心绿色转型迫在眉睫

国际能源署（IEA）2025年4月发布的报告显示，2024年全球数据中心的用电量约为415太瓦时（TWh，1太瓦时=10亿千瓦时），占全球电力需求的1.5%。鉴于AI模型训练与推理对算力的需求持续攀升，到2030年这一数字将增长一倍以上，达到约945TWh，相当于全球总用电量的近3%。

能耗激增的背后是持续运行的高性能服务器集群、高速网络设备与海量存储系统带来的惊人电力需求，以及由此产生的巨额散热负荷。传统的风冷、液冷等散热方式不仅消耗大量电能，还形成了“能耗-散热”恶性循环。因此，如何突破电力供应与散热管理的双重瓶颈，实现“零碳运行”，已成为全球数据中心行业可持续发展面临的严峻挑战。

朱继忠教授（右三）指导学生。受访者供图

“传统陆上数据中心若要大规模依赖可再生能源，将面临诸多根本性制约。”论文共同第一作者、大连理工大学副教授杨浩森分析道，首先，可再生能源如风能和太阳能具有间歇性与波动性，而数据中心需7×24小时稳定供电，这对电网调节与储能提出了极高要求；其次，大型风光电站通常位于偏远地区，与数据中心密集的城市区域存在地理错配，输电损耗与基础设施成本高昂；最后，陆上数据中心的冷却系统即便采用先进技术，其能耗占比仍非常可观。

杨浩森指出，这些因素促使研究团队转换思路，思考能否将数据中心部署在能源丰富且天然冷却资源充足的环境中。海洋，正是一个理想的场所。

构建多能互补的零碳系统架构

基于上述构想，研究团队设计出一种低碳、高效、智能协同的水下数据中心能源系统，并在模型与案例分析中验证了其稳定性、经济性和环境友好性。

该构想的核心是将数据中心模块部署于海底或海上漂浮平台，直接利用广袤海洋蕴藏的风能、太阳能、波浪能等多种可再生能源进行供电，并借助低温海水实现高效自然冷却，从而构建一个近乎能量自给自足的闭环系统。

这一构想并非凭空想象。早在2022年，团队就在广东省基础与应用基础研究基金海上风电联合基金重点项目的支持下，开展了大规模海上风电接入新型电力系统的协同优化调度研究，奠定了电力系统、海洋工程、热力学多学科交叉的前期基础。此次成果的核心突破在于提出并详细论证了一套完整、可行、智能化的水下数据中心能源系统架构。

“我们设计了一套集成海上风电、浮动光伏、波浪能和电池储能的能源系统，并辅以智能能源管理系统，实现了能源生产、存储、调配、冷却和碳排放的全生命周期优化。”论文共同第一作者、香港理工大学博士生董瀚江介绍。

研究团队提出了三重冷却机制，包括海水换热、吸收式制冷和电动压缩机制冷。海水换热利用海水的天然低温特性，为服务器进行初步散热；吸收式制冷则进一步降低温度，确保服务器在适宜的环境下运行；电动压缩机制冷作为补充，在极端情况下保障服务器正常运行。这三重冷却机制相互配合，在保障服务器运行温度稳定的同时，最大限度地回收和利用废热，有效提升了系统整体能效。

在系统可靠性方面，团队同样进行了精心设计。考虑到海洋环境的复杂性和不确定性，团队设计了应急柴油机组和混合冷却架构。应急柴油机组能够在极端天气、电池故障或设备宕机等突发情况下迅速启动，为数据中心提供紧急电力支持；混合冷却架构则可以根据不同工况灵活调整冷却方式，确保系统的冷却效果不受影响。这些设计大大增强了系统的韧性，提高了水下数据中心在复杂海洋环境中的应对能力。

“我们建立了详细的数学模型并在模拟的海洋环境与典型数据中心负载场景下进行案例仿真分析。”董瀚江说，“分析结果验证了该架构在技术上的稳定性、长期运营的经济性及相较于传统数据中心显著的碳减排效益。它本质上是一个实现了能源生产、存储、调配、冷却和碳排放全生命周期优化管理的智能体。”

从概念迈向工程实践

尽管水下数据中心的蓝图令人振奋，但将其从理论架构推向实际工程应用，仍面临一系列需要攻克的技术与工程挑战，如海洋腐蚀、极端气候、维护难度大等。然而，从长远运营的角度来看，水下数据中心具有显著的优势。

研究团队表示，这一构想可以节约大量土地资源，避免因数据中心建设而占用宝贵的陆地空间。同时，借助海洋可再生能源和海水冷却技术，水下数据中心能够大幅降低电力成本，减少对传统能源的依赖。更为重要的是，水下数据中心能够显著降低碳排放，为实现碳中和目标作出积极贡献。

“随着海洋工程、可再生能源和信息技术的发展，水下数据中心将成为未来绿色AI与数字经济基础设施的重要形态之一。”朱继忠指出，该系统最大特色在于最大化利用自然界的馈赠——持续的海洋可再生能源和天然的低温冷却介质，几乎不依赖陆上电网和化石能源，具备卓越的环境可持续性和地理部署灵活性。

“下一步，我们计划开展小型原型系统的详细设计与仿真验证，并积极寻求与能源企业、数据中心运营商及海洋工程公司的产业合作，共同探索水下数据中心从实验室走向规模化应用的现实路径。”朱继忠说。

对于水下数据中心建设可能对海洋环境造成的影响，朱继忠认为“这是一个长期、系统的复杂问题”。其团队提出的方案旨在最大化利用海洋可再生能源与天然低温海水，通过多能互补与智能系统实现近零碳运行。从设计原理看，系统依靠海水冷却和可再生能源供电，理论上减少了传统数据中心的温排水与碳排放问题。

尽管如此，任何海洋工程都需全面评估长期生态影响，包括设备安置对海底生态的扰动、材料腐蚀可能带来的污染风险及冷却过程对局部水温的微量改变。研究团队在设计中考虑了系统可靠性与应急措施，但具体环境影响仍需通过后续原型试验与监测进一步验证。