【四海读报】20251203：AI用电的“困”与“破”

电子行业深度报告：AI用电的“困”与“破”

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1. 一段话总结

AI模型训练与推理推动数据中心用电量指数级增长，2024年全球数据中心用电量达415TWh（占全球总用电量1.5%），IEA预测2030年将增至945TWh（CAGR 15%），核心挑战在于电力基础设施建设周期与AI需求周期错配；解决方案以燃气轮机（快速响应） 和光伏+储能（清洁低碳） 为主，其中储能系统核心依赖“3S”（电池组、BMS、EMS、PCS），带动IGBT、碳化硅（SiC） 等功率器件需求爆发，2024-2030年IGBT市场规模CAGR达10.47%，碳化硅相关器件CAGR达21.45%，国内厂商在国产替代与技术升级驱动下加速渗透，相关标的包括斯达半导、扬杰科技等。

2. 思维导图（mindmap）

3. 详细总结

一、AI驱动数据中心用电爆发式增长

1.1 核心能耗表现

• AI模型能耗极高：GPT-4训练需38.2GWh电量，日均能耗40万度（相当于4万个家庭单日用电量），其IT设备总额定功率达20MW。
• 不同任务能耗差异：小型语言模型文本生成耗0.3Wh，视频生成达115Wh（高出两个数量级）；推理模型处理复杂任务时耗电量为常规模型的2倍。
• 全球数据中心用电规模：2024年达415TWh（占全球总用电量1.5%），其中美国180TWh（占比45%）、中国100TWh（占比25%）、欧洲70TWh（占比17%）；IEA预测2030年将增至945TWh，年均增长率15%。

1.2 行业需求特点

• 数据中心能耗结构：服务器占比60%，冷却系统占比7%-30%（超大规模数据中心能效更优），存储与网络设备各占5%左右。
• 核心驱动因素：长上下文任务与多模态模型渗透，即使通过MoE算法优化，总能耗仍持续提升；科技巨头净零排放目标推动清洁电力需求，谷歌、Meta等已实现100%可再生能源采购。

二、电力解决方案：燃气轮机与光伏+储能双路径

2.1 解决方案一：燃气轮机（快速响应型）

• 核心优势：建设周期1-3年，与数据中心建设节奏匹配，是美国当前唯一能快速落地的可靠电力来源。
• 市场需求：北美订单激增，GE Vernova、西门子能源、三菱动力三大厂商2024年订单达80GW，年产能仅30GW，订单积压严重；美国天然气占发电量42.5%，Entergy Louisiana等企业计划新增2GW燃气发电能力为Meta数据中心供电。
• 长期规划：部分项目拟配备碳捕获技术，降低排放。

2.2 解决方案二：光伏+储能（清洁低碳型）

• 区域进展：美国2024年储能新增装机10.3GW，2025年计划并网19.6GW；欧洲2024年新增储能21.9GWh，公用事业规模同比增长79%，2029年预计年度新增达118GWh。
• 数据中心场景需求：2024年数据中心储能需求9.5GWh，2030年预计增至322.2GWh（CAGR 80%）。

三、功率器件需求爆发：IGBT与碳化硅为主

3.1 市场规模与增长

3.2 技术趋势

• 高压化：储能与光伏系统电压从1000V向1500V、2000V升级，推动1700V+等级器件需求。
• 构网型PCS：要求器件具备3倍过载能力、更快动态响应，加速SiC替代IGBT进程。
• 国产替代：硅基IGBT市场英飞凌占比26%，国内士兰微（5%）、华润微（3%）逐步渗透；IGBT模组领域中国中车、比亚迪、斯达半导进入全球TOP10。

四、相关标的与风险提示

4.1 核心标的

• 斯达半导（603290.SH）：推出1400V IGBT与SiC MOSFET平台，全球首个2000V 500KW逆变器功率模块解决方案。
• 扬杰科技（300373.SZ）：光储TOP客户全覆盖，IGBT模块功率段60-320kW，碳化硅模块实现量产。
• 其他：芯联集成-U（688469.SH）、士兰微（600460.SH）、东微半导（688261.SH）。

4.2 风险提示

1. 国内厂商渗透率不及预期：海外厂商仍主导功率器件市场，国产替代进展存在不确定性。
2. 产能扩张价格风险：国内厂商布局集中，市场竞争加剧可能导致价格承压。
3. 技术路线风险：多技术路线并行，新技术应用可能导致部分产品销量不及预期。

4. 关键问题

问题1：AI驱动下数据中心用电增长的核心特征是什么？2030年全球数据中心用电规模及区域分布预测如何？

答案：
AI驱动下数据中心用电核心特征：①能耗强度高，单个AI模型训练（如GPT-4）能耗相当于4万个家庭单日用电量，推理任务中视频生成能耗比文本生成高两个数量级；②需求持续刚性，7×24小时连续运行，昼夜负荷波动小；③清洁电力需求迫切，科技巨头普遍设定2030年净零排放目标，100%可再生能源采购成为趋势。
2030年预测：全球数据中心用电量将增至945TWh（2024年415TWh，CAGR 15%），占全球总用电量近3%；区域分布上，美国仍为最大市场（420TWh，占全球增长40%），中国达275TWh（CAGR 17%），欧洲达115TWh（CAGR 7%），三者合计占比超85%。

问题2：解决AI数据中心用电缺口的两大核心方案（燃气轮机、光伏+储能）各有何优劣？适用场景有何差异？

答案：
两大方案的优劣与适用场景对比：

差异核心：燃气轮机聚焦“快速补能”，适配AI需求的紧急性；光伏+储能聚焦“长期低碳”，契合企业净零排放目标，二者形成互补，北美市场当前以燃气轮机为主，光伏+储能在全球范围内增速更快。

问题3：AI数据中心用电增长对功率器件市场的驱动逻辑是什么？IGBT与碳化硅器件的增长潜力及国产替代进展如何？

答案：
驱动逻辑：AI数据中心推动储能、光伏等电力解决方案规模化落地，核心组件PCS（储能变流器）依赖功率器件实现电压变换与功率控制；同时，构网型PCS对器件的高压、高频、高可靠性要求升级，进一步拉动高性能器件需求。
增长潜力：①IGBT（分立+模块）2024-2030年CAGR达10.47%，从88.87亿美元增至161.51亿美元，是当前储能PCS的主流器件；②碳化硅器件CAGR达21.45%，从29.67亿美元增至95.20亿美元，适配高压、高频场景，替代IGBT趋势明确。
国产替代进展：硅基IGBT分立器件领域，士兰微（5%）、华润微（3%）进入全球TOP10；IGBT模组领域，中国中车、比亚迪、斯达半导（3%）位列全球TOP10；整体来看，国内厂商依托本土储能、光伏市场优势，在中低压领域渗透较快，高压、高端市场仍以英飞凌等海外厂商为主，替代空间广阔。