AI資料中心的電力需求與基礎建設

邱炳嶔*  主筆

*中技社經產中心研究員

     人工智慧 (AI)科技已成為下個世代的關鍵領域，美國作為 AI科技發展的領頭羊，2025年 7月 23日公布的「美國 AI行動計畫」，其中「建立美國 AI基礎設施」是三大核心支柱之一，旨在滿足 AI技術快速發展所需的 AI資料中心能源需求。川普政府特別強調，對於 AI資料中心供應充足的電力與國家安全息息相關，更是美國保持 AI領先的關鍵，並提出簡化許可流程、提供聯邦土地加速資料中心建設、確保能源供應穩定現有電網、提升電力傳輸效率，以及積極部署核能與地熱發電等替代能源來滿足快速成長的AI資料中心電力需求等措施來達成目標。國際能源署（IEA）於 2025年 4月發表「Energy and AI」專題報告，深入探討了AI 的迅速發展及其對能源部門的深遠影響，並特別關注 AI 對能源需求的增長，以及 AI 如何能應用於能源產業以實現最佳化和創新。該報告更進一步分析了資料中心，特別是為了訓練和部署 AI 模型而建立的資料中心，其用電量的趨勢、未來的預測、電力供應來源，以及資料中心與電網互動所帶來的挑戰與機會。同時，BNEF於 7月發表的「Global Data Center Power Demand Outlook」則指出，在具有更先進數位產業的市場，例如美國、澳洲、歐洲、日本和韓國，2035年資料中心佔總電力需求預計介於 6% 到 10%。為了更加了解資料中心在雲端計算、AI應用等高效運算需求下，電力使用的預期與瓶頸，本文歸納整理相關報告觀點如下。

(一)電力消耗

     資料中心(Data Center)是數位服務的基礎設施，將隨著數位服務資料處理量不斷增加而成長，也代表資料中心使用的電力將持續成長。2015年至2024年，隨著雲端運算、AI應用等數位服務需求，高速運算伺服器容量增長速度是傳統伺服器的四倍，隨著高速運算需求的成長，電力需求再次與數位服務的成長速度呈現正相關趨勢。IEA統計全球資料中心的電力消耗在2024年達到約415 TWh，佔全球總電力約1.5%。IEA預測2030年的「基本情境」（Base Case），全球資料中心的電力需求將達約 945 TWh，佔全球總電力近 3%，其中AI伺服器貢獻了近一半的電力增量；到了2035年，基準情境下預計消耗量將達到約1,200 TWh。

     資料中心是 AI 模型訓練和部署的核心設施，其用電量近年來呈現顯著的加速增長。在 2024 年，全球資料中心電力負載估計為 81 GW，消耗約 371 TWh 的電力，佔全球總用電量的約 1.4%。歐盟資料中心在 2024 年約有 12 GW 的電力容量，每年消耗約 59 GWh時 的電力，相當於歐盟總電力需求的 3%。自 2020 年以來，歐盟資料中心的電力需求增長了 38%。在美國，資料中心的電力需求預計到 2035 年將增加一倍以上，從 2024 年的 34.7 GW 增加到 78.2 GW 的總電力負載。同期，美國資料中心的平均每小時電力需求將從 2024 年的 16.2 GWh增長近兩倍，達到 2035 年的 49.1 GWh。資料中心用電量將在未來五年內超越電動車、氫能和所有其他需求類別，並預計到 2035 年將佔美國電力需求的 8.6%，高於目前的 3.5%。

     當資料中心電力需求量增加時，為了確保資料中心運作，營運商將會從單純的電力使用者變成電力設施投資者，其主要原因：(1)於單一資料中心用電規模龐大，2030年之後，資料中心的平均容量將超過 200 MW，相當於大型太陽光電或離岸風電的開發規模，營運商除了需新增發電設施，也需要提升電網韌性；(2) 資料中心擴張的主要推手為 Google、Microsoft、Meta 和 Amazon 等公司，他們皆承諾使用 100%再生能源，甚至需達到淨零碳排目標，因此廣泛設置資料中心需加速開發再生能源或低碳能源才可維持使用 100%再生能源的承諾。為了取得大規模的低碳電力，資料中心營運商所採取的電力採購策略如下：

1.採用現場供電模式：與公用事業和能源公司合作，將資料中心與發電設施共用同一場址，生產並直接供應資料中心大部分或全部所需電力，可加快基礎設施建設速度，減輕既有電網負擔。例如，在路易斯安那州，Entergy Louisiana公司正計劃增加超過2 GW的天然氣發電容量，以供應Meta的資料中心。

2.優化與電力公司的購電協議（PPAs）：雖然可透過年度 PPA實現了 100%再生能源(RE100)的目標，但不代表使用的電力每小時都與再生能源物理性匹配，也就是雖然帳面上使用了 100%再生能源，但實際仍有可能因為電力調度需求，而使用含碳電力。因此，推動「每小時匹配」（hourly matching）的 PPA，將可確保其每小時的電力消耗都由同一地區的低排放能源（如再生能源、儲能資產，或水力、核能、地熱、配備碳捕獲的天然氣）組合來匹配。近年來，大型科技公司積極透過PPA支持其脫碳目標。在 2024 年，亞馬遜、Google、Meta 和 Microsoft 共計達成 18.9 GW 的購電協議，佔美國企業購電市場的 67%。超大規模資料中心的營運容量主要集中在可選擇零售電力市場的州，其容量比非零售市場高出 70%。

3.投資發展小型模組化反應爐（SMRs）：SMR將成為可同時滿足電力需求與RE100的最佳方案，預計2030年之後有機會用於供應資料中心電力。資料中心巨頭們對此寄予厚望並開展投資計畫：Amazon將於華盛頓州推動建置四座 Xe-100 SMR，目標到 2039 年供應5 GW電力；Oracle將建造三座 SMR，總發電規模 1 GW，用於AI 數據中心；比爾蓋茲投資的 TerraPower 正在開發液態金屬冷卻快中子反應爐，Microsoft、Nvidia都是潛在的使用者。儘管近期核能因為規劃和建設的交期長不太可能成為資料中心新增容量的主要來源，然而，長期來看，美國科技公司已將核能視為理想選擇，並宣佈了核能採購計畫。例如，微軟與三哩島核電廠簽署了 20 年的購電協議。Google 與 Kairos Power 合作開發SMR。亞馬遜購買了一個由 Susquehanna 核電廠供電的資料中心園區。

4.投資開發地熱能：地熱發電可提供24小時供應綠能，符合資料中心需求，「增強型地熱系統（Enhanced Geothermal Systems, EGS）」利用頁岩油開發技術，壓裂地底深處岩層，將水注入深層高溫岩體中加熱，再將熱水抽回地面發電，大幅拓寬了地熱資源的可用範圍。此外，也可透過閉合循環地熱（Closed-Loop Geothermal）系統設計，將工作流體在封閉管道中循環，利用地底熱量進行熱交換，可應用於更多不同地形與環境中。美國於2024年通過《地熱能源機會法案（Geothermal Energy Opportunity Act）》，簡化公共土地上的地熱開發核可流程。Google、Meta等科技公司透過直接投資地熱新創公司、簽訂長期購電協議，甚至參與專案開發等方式，有助於加速先進地熱技術的商業化。

(二)電網基礎建設

     資料中心快速發展體現在電力需求增加，而電網基礎設施能否承受其快速增長速度，將是重大考驗。根據IEA分析，先進經濟體，包括美國、荷蘭、德國、英國等地，新建輸電線路的效率根據國家/地區的差異，短則1~3年，長則5~7年，資料中心發展可能因輸電線路容量限制，難以跟上資料中心設置的腳步。目前電力設備已呈現供應緊張狀態，電纜、變壓器價格成長超過1倍，製造商需要比過去多出1~2倍的的交貨時間。資料中心設置需2~3年，而電網基礎設施包含發電與輸電設施可能需時3~8年，兩者的建設週期無法匹配，加上各地如果還有一些工業發展需求，資料中心仍需與這些需求競爭，例如：台灣應以先進半導體擴廠需求優先。因此，可以得知國家/區域發展AI的速度與其電力供應能力相關，而電力供應能力又受制於能源基礎設施--尤其是電網相關的輸電及配電設施的更新與新建速度。可以預期電網基礎設施建設速度將成為AI資料中心發展主要瓶頸。

(三)極端氣候風險

     各國近期因颶風、暴雨、暴雪等極端氣候導致電力中斷，美國德州2022年底發生暴風雪是著名案例，德州電網因極寒天氣，數百萬戶家庭和企業斷電，由於天氣因素難以修復，斷電時間可能長達數天。日本能登半島2024年1月發生地震，對北陸地區的電力基礎設施造成嚴重破壞，導致數萬戶長期停電，搶修困難。台灣則是每年風災都會造成停電事故，電桿倒斷是常見原因，修復期需數天。為了減少斷電或加速復電，強化電網基礎建設，可採取的對策包括：地下化輸配電線路、強化電桿與鐵塔結構、智慧化監測等方式。對於用電量較大的工商產業，設置太陽光電、儲能系統、備用發電機等分散式能源資源 (Distributed Energy Resources, DERs)，並形成微電網(Microgrid)，當外部電網受損時，可透過能源調度中心使微電網獨立運作，確保廠區內重要設施運作。

(四)結語

1.AI科技不僅是下世代的重要科技領域，也是美國國家科技戰略重要一環，為了確保技術領先，資料中心電力供應無虞成為當務之急，使得資料中心與 AI 相關基礎設施的投資正大幅增長，同時對能源部門投資產生顯著影響。美國是資料中心投資最大的地區，預計到 2030 年將累積投資 2.4 兆美元。

2.資料中心用電規模龐大，BNEF報告指出具有先進數位產業的市場，預計2035年資料中心佔總電力需求介於 6% 到 10%，如果以台灣工業用電為例，此規模的用電量將僅次於半導體與石化產業，與鋼鐵業相當。

3.資料中心使用低碳電力是發展趨勢，除了資料中心營運商本身的承諾之外，客戶大量使用雲端運算、AI應用也會受到其減碳承諾而要求服務供應商需提供低碳服務。為了確保能夠獲得低碳電力，與能源公司合作投資發電設施及優化購電協議成為資料中心營運商採取的策略。

4.極端氣候已成常態，設置資料中心除了確保用電之外，需確保電網基礎設施完善及對抗極端氣候能力，設置在供電規格較高的科學園區，或是鄰近主電網的位置是較佳選擇。而資料中心營運商也應隨著用電規模增加，搭配設置發電機、儲能系統等備援設施，提升電力供應韌性。

參考文獻：

[1]International Energy Agency (2025), “Energy and AI: Special Report.”

[2]BloombergNEF (2025), “Global Data Center Power Demand Outlook.”

[3]BloombergNEF (2025), “US Data Center Market Outlook: The Age of AI.”

[4]BloombergNEF(2025), “Carbon Weekly: EU Data Centers Balance Reliability With High Carbon Costs.”