互联网的碳足迹、碳中和

|研究员专栏 作者:闫德利 2021-04-19

 

​作者

闫德利    腾讯研究院资深专家 

对互联网的碳足迹,

各国众说纷纭

在欧洲,对互联网碳足迹的煽情报道常见诸报端。 例如: 硅谷肮脏的数据中心秘密: 碳 (泰晤士报,2020), 如何阻止数据中心吞噬全球电力 (自然,2018), 病毒猫视频如何使地球变暖 (卫报,2015), 停止发送不必要的电子邮件,地球将感谢您 (爱尔兰时报,2020)。 根据英国OVO Energy数据(2019),如果每个英国人每天少发送一封不必要的电子邮件(仅包含短短一句“谢谢”或“周末愉快”之类的寒暄邮件),则全国每年可减少16433吨的碳排放量,相当于81152次从伦敦飞往马德里的航班。 法国智库The Shift Project 也有类似研究(2019)——观看Netflix半小时的二氧化碳排放量是1.6 kg(后校正为0.2kg),相当于驾车行驶近四英里。
养成良好的碳素养,减少不必要的碳排放,无疑是值得鼓励的。 不严谨的研究和夸大之词,则会误导民众,实不足取。 所幸有不少机构和学者进行了冷静的思考。 英国布里斯托大学Chris Preist教授表示,OVO Energy的估算是将所有相关因素考虑在内,例如服务器、Wi-Fi和电脑的用电,甚至包括数据中心建筑物排放量的一部分。 而无论是否发送电子邮件,这些系统仍会运行,仍将产生大致相同的排放量。 国际能源署(IEA)研究后发现,The Shift Project的数据比实际夸大了90倍,视频流媒体每小时的排放量仅为36g。 与其他活动和行业相比,视频流媒体对气候的影响仍然相对较小。

数据中心耗电量

占总用电量的1-2%

数据中心是互联网的“心脏”,是其碳足迹的主要来源。 以Facebook为例,2019年其82.5%的温室气体排放来自数据中心,2015年甚至高达94%。 因此,对互联网碳足迹的研究多集中于数据中心。 对数据中心的耗电量,则众说纷纭,没有一致看法。 综合主要官方说法,它大体占总用电量的1-2%。 例如,国际能源署(IEA)常引用Eric Masanet教授等人在《科学》杂志的论文(2020)——2018年全球数据中心的耗电量为205太瓦时(TWh),占电力总需求的1%; 我国三部委联合发布的《国家绿色数据中心试点工作方案》(2015)显示,全球数据中心耗电量占总耗电量的1.1%~1.5%; 根据劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)数据,2014年美国数据中心耗电700亿千瓦时(kWh),占总耗电量的1.8%。  
政府和学术机构的结果比较理性,而媒体的数据往往十分夸大,甚至认为数据中心将吞噬全球电力。 根据英国《独立报》(2016)报道,2015年全球数据中心耗电量为416.2太瓦时(TWh),消耗了全球3%的电量,排放了2%的温室气体,其碳足迹与航空业相同。 并预测未来十年耗电量还将增加两倍。 英国《卫报》的报道(2017)更为夸张: “到2020年,ICT技术将产生全球排放量的3.5%,到2040年将达到14%”,“到2025年,ICT行业可能会消耗全球20%的电力,产生5.5%的二氧化碳排放量。 ”英国利兹大学Bitterlin教授甚至指出,唯一长期解决方案是在未来某个时候大幅减少人们的互联网使用量。

效率的提升使得数据中心

能耗占比几乎保持不变

互联网流量井喷,数据大爆炸,给人们的直观感受是耗电量必随之大幅增加。 而多家机构研究表明,数据中心的耗电量并不会和数据规模同步增长,效率的提高使能耗占比几乎保持不变。 斯坦福大学教授乔纳森·库梅提出了著名的库梅定律(Koomey's Law): 计算机的能源效率大约每18个月翻一番,即计算设备的耗电量每18个月就会下降一半。
根据国际能源署(IEA)数据,过去十年(2010-2019年),全球互联网流量增长了11.1倍,数据中心工作负载增加了6.5倍,而数据中心能耗却仅增长了6%。 尽管数据中心为更多的人提供了更多的服务,但仍保持占全球用电量的1%左右,与2010年持平。 如下图所示。
近十年全球互联网流量、数据中心工作量和能源使用量变化
数据来源: 国际能源署( IEA),2020年12月。
美国亦是如此。 根据劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)发布的报告,美国数据中心的规模一直快速增长,而耗电量的增长率却大幅减缓——2000-2005年增长了90%,2005-2010年增长了24%,2010-2014年仅增长了4%,预计2014-2020年也仅增长4%。 美国数据中心的用电量经过十多年的迅速增长后,从2010年开始趋于稳定。
数据中心耗电量并不和处理的数据量同步增长,这很大程度上是由计算实例向节能型云和超大规模数据中心转移所驱动的。 2010年全球传统小型数据中心占计算实例的79%,到2018年云数据中心已占计算实例的89%(Eric Masanet等,2020)。 传统内部数据中心需要过剩容量来处理流量高峰,其服务器利用率仅为18%(亚马逊股东信,2020); 超大规模数据中心受益于多租户使用模式,具有更高的效率,其一台服务器平均可以替换传统数据中心的3.75台。 如果将美国小型数据中心80%的服务器迁移至超大规模数据中心,则能耗将减少1/4(LBNL,2016)。
各公司的数据也证明了超大规模数据中心的效率优势。 根据谷歌公司发布的数据(2020),其数据中心的能源效率是典型企业数据中心的2倍。 与五年前相比,谷歌以相同的电量提供大约7倍的计算能力。 Facebook所拥有的数据中心数量由2015年初的4个增加到2019年底的15个。 而数据中心排放量占比持续下降,由2015年的93.8%下降至2019年的82.5%。 其排放强度已降至0.1,用户使用Facebook一年所产生的碳排放要比制作一杯黑咖啡更少。 如下图所示。  
Facebook 温室气体排放结构及强度(范围1和范围2)
与离散的企业数据中心相比,云数据中心可以更有效地管理电源容量、优化散热、利用高能效服务器并提高服务器利用率。 随着数据中心行业的不断发展,本地计算和云计算之间的效率差距将继续扩大。 根据IDC数据,数据中心在未来四年(2021-2024年)向云计算转型可减少10亿吨(甚至更多)的二氧化碳排放。 那些用先进技术打造的大型云数据中心,虽然自身消耗了较多的电能,但通过聚合计算节省了整个社会的能源消耗。

纷纷作出100%

可再生能源承诺

效率的提升,使得数据中心耗电量占比趋于稳定。 可再生能源的充分使用,则可进一步减少碳排放量。 近年,互联网公司纷纷作出100%可再生能源的承诺。 全球可再生能源占最终能源消费总量的17.9%(REN21,2019),而英国商业数据中心使用的能源中有75%以上是100%可再生能源(techUK,2020)。 美国十大互联网公司中,已有3家实现100%可再生能源——谷歌、苹果和Facebook,另有6家作出承诺: 亚马逊、微软、Salesforce和PayPal(数据中心业务)均承诺在 2025年之前实现100%可再生能源,Intuit和Adobe把目标分别定在2030年和2035年。
互联网公司是最大的可再生能源采购商。 根据REBA( 可再生能源购买者联盟 )数据,2020年美国十大可再生能源采购商中,有亚马逊、Google和Facebook三家互联网公司入围,分居第一、第二和第五位。 三家公司共采购4.928吉瓦可再生能源,占全美总采购额的46.5%。 2019年有Facebook、Google、微软和亚马逊4家互联网公司入围前十名。 四家公司共采购3.764吉瓦可再生能源,占全美总采购额的40%。 值得注意的是,全美可再生能源采购商的前二位连续两年都是互联网公司。 如下表所示。
2019年-2020年美国10大可再生能源采购商
数据来源: REBA,2021年2月
 

多家欧美互联网

公司已实现碳中和

互联网公司是低碳减排的积极倡导者。 在已签署联合国《1.5°C商业目标承诺》的407家公司中,有30家属于软件服务业,数量之多在所有行业中排第三位。 微软、Facebook、PayPal、Salesforce、Adobe、Snap、Workday、Intuit、Atlassian等众多互联网公司在列。
目前,欧洲五大互联网公司中(Adyen、Spotify、Delivery Hero、Zalando和Just Eat Takeaway.com)已有2.5家实现碳中和: Adyen和Zalando均在2019年; 剩下的半家是Delivery Hero,其欧洲业务从2020年1月实现碳中和,并承诺2021年成为一家碳中和公司。
在美国五大互联网公司FAAMG中,谷歌和微软已分别于2007年和2012年实现碳中和,谷歌是世界上第一家实现碳中和的主要公司。 自2019年以来,五大公司纷纷作出新的、更为严格的承诺。 苹果、微软、Facebook和谷歌分别承诺到2030年实现碳中和、碳负排放、净零排放、100%无碳能源; 亚马逊承诺到2040年实现净零碳。 如下表所示。
美国五大互联网公司的碳足迹和碳中和目标

备注[1]: 微软的碳足迹是2019财年数据,即自然年的2018下半年和2019上半年。

注[2]: 谷歌的碳足迹是2018年数据,包括范围1和范围2。 其他4家公司均是范围1、2、3的数据。
数据来源: 腾讯研究院整理,2021年2月。
 

我们道阻且长,

必须砥砺前行

所有国家、所有领域的碳中和之路都任重道远。 欧美互联网和数据中心在碳中和方面取得了骄人成绩,是常年努力、不断创新的结果,并不是靠坐等就能实现的。
我们应意识到,我国国民的碳素养还有待提高,绿色环保理念尚未充分融入百姓的生活学习、企业的生产经营而成为一种习惯。 人们过度消费、铺张浪费的现象比较普遍,没有哪家企业实现碳中和,甚至没有企业对碳足迹做出清晰统计。 我国数据中心的电力仍主要来自化石燃料,可再生能源使用量仅占23%,比市电中可再生能源使用量占比还低3.5个百分点(来源: 绿色和平、华北电力大学)。
我们更应意识到,我国数据中心尚处于早期发展阶段,技术应用水平还不高,能源使用效率比较低下。 根据工信部《全国数据中心应用发展指引(2019)》,我国在用和规划在建超大型数据中心平均PUE分别为1.4和1.32,而美国超大规模数据中心在2014年的平均PUE就已达到1.2(LBNL,2016)。 “数据中心能耗占比几乎保持不变”的效率拐点尚未到来,碳中和之路还有很长的路要走。 这既是压力,也是绿色转型的不竭动力。 
 

参考文献:

[1]JG Koomey, S Berard, M Sanchez, H Wong. Implications of Historical [1]Trends in the Electrical Efficiency of Computing. IEEE Computer Society. March 29, 2010
[2]Masanet E, Shehabi A, Lei N, Smith S, Koomey J. Recalibrating global data center energy-use estimates. Science. Feb 28, 2020
[3]LBNL.United States Data Center Energy Usage Report. June 2016
[4]Tom Bawden. Global warming: Data centres to consume three times as much energy in next decade, experts warn. The Independent. Jan 23, 2016
[5]Urs Hölzle. Data centers are more energy efficient than ever. Feb 27, 2020

 

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