美国电力系统有哪些表现？

AI 发展或对美国电力系统形成负荷冲击。

美国过往发电量、用电量及最高负荷整体稳定，电力系统以发电结构性调整为主。美国 2011/2023 的发电量分别为 4.1 万亿度/4.18 万亿度电，用电量则分别为 3.88/4.0 亿度电。 2013-2023 年用电量的 CAGR 仅为 0.25%，整体用电与发电量稳定。与电量稳定相比的则 是发电结构的持续调整，体现为： 1. 装机量持续增长。2013-2023 年，美国整体装机量维持每年平均 11.5GW 左右的增长， 其中 2020-2023 平均装机增量达到 22.6GW。 2. 装机结构变化体现为煤电改气电 (Coal-to-gas)，以及新能源装机的快速增长。从 2013-2023 年，美国平均每年新增装机 11.5GW，其中煤电减少 11.7GW，气电/风电/ 光伏分别增加 7.8/8.05/8.06GW。2020-2023 年间，新能源装机中枢提升，平均每年 新增装机 22.6GW，其中煤电减少 12GW，气电/风电/光伏分别增长 8/11/14GW。

3. 美国本土电力系统最高负荷近年整体维持稳定，增长幅度不大。美国电力系统整体最 高负荷 2016/2017 年为 710-720GW 左右，2018-2020 年逐步回落至 700GW 左右， 2021/2022/2023 年最高负荷有所回升，2022 年达到 742.7GW，2023 年为 742GW， 整体在 2016-2023 年维持稳定。 4. 向前看，美国煤电规划退役规模较大，气电规划增量有限，系统整体裕度或继续下降。 根据 Global Energy Monitor 与 EIA 数据，美国在 2024-2028 年将平均年新增 14GW 的煤电退役，但从增量来看，2025/2026 年仅规划新增 6.7/4.2GW 天然气，无额外新 增煤电规划。整体系统裕度在目前的规划下有进一步承压的风险。

从可控裕度角度来看，美国整体电力系统裕度呈下降趋势，与数据中心相关的重点州裕度 同样偏低，2020 年后美国整体电力系统实际的电力扰动时长中枢提升。 1. 美国电力系统整体可控裕度目前仅 1.1 左右，若最高负荷增速继续高于可控装机，则 可能存在系统性风险。美国平均每年火电退役与增量气电的平均体量基本维持稳定， 因此美国整体可控裕度虽然持续有所下降，但在 2020-2023 年也基本维持稳定。发生 变化的则主要是最高负荷侧，虽然总用电量并未明显增长，但最高负荷则于 2022 年创 下 2016 年以来的新高，2023 年维持高位，推动整体美国电力系统可控裕度持续下降。

2. 美国 2020 年以来整体电力系统扰动时长的中枢提升。根据 EIA，美国 2020 年平均每 个电力用户的停电时长超过 8 小时，2020-2022 年整体电力扰动时长的中枢高于 2020 年之前。 3. 美国数据中心数量前三的区域包括弗吉尼亚州、德州与加州，其中德州与加州的电力 系统裕度显著偏低，且过去 3 年均发生过严重的电力系统事故。受极端天气与本身州 内负荷增长驱动，加州与德州 2022/2023 年整体的电力系统可控裕度均已低于 1.1。 历史上，2020 年加州发生过严重的州范围的大停电，2021 年德州则受 2 月份寒流影 响，导致了长达 17 天，影响超过了 450 万电力用户的德州大停电。 4. 美国电网的互联性相对有限，体现在：1）美国大的电网互联区域分为东/西/德州三部 分，其中德州作为相对独立的电网大区，与其它两大电网互联区的联通性较差。2）美 国各大电力市场中的年拥堵成本在持续提升，即各 ISO/RTO 内部的联通性也未提升。

我们认为数据中心对美国电力系统的冲击主要在于负荷侧，由于数据中心用电的不可调特 性，增长的功率将直接带动最高负荷的提升，提升整体系统缺负荷的缺电风险。 1. 我们测算美国 2024 年将新增 6GW 左右的数据中心核心 IT 功率，2025 年之后平均每 年的负荷增长在 7-8GW 左右。短期的需求趋势与 JLL 所统计的美国数据中心在建规 模匹配。根据我们此前报告《能源转型-AI 发展对电力存在哪些影响与机遇？》 (2024.03.24)的测算，基于信通院全球算力预测的基准情景下，美国数据中心总用电量 将由 2022 年的约 1700 亿度增长至 2025/2030 年的 3337/6552 亿度，同时美国数据 中心核心 IT 功率的增量在 2023/2024 年达到 4/6GW，并于 2025-2030 年维持每年 7-8GW 的平均增长。这一数据也符合 JLL 对美国数据中心市场的统计，其中 2023 年 美国数据中心净新租出功率的规模达到 3.85GW，2023 年底在建规模达到约 5.2GW。

2. 根据 Grid Strategies 统计的美国各大电力运营区域向 FERC 上报的数据，2023 年底 美国对 24-28 年最高负荷与电力总增长的预期较 2022 年底的预期全面上调，其中预 期美国至 2028 年最高负荷将累计增长 38GW，平均年增长约 7.6GW。其中，根据 Grid Strategies 所统计部分电网运营区域对需求驱动的归因，绝大部分均将数据中心 与工业设施作为未来电力增长的核心要素。 3. 美国目前在建的数据中心区域相对集中，因此所形成的区域性冲击可能会更为明显。 美国数据中心分为一线市场与二线市场，一线市场包括北弗吉尼亚、德州达拉斯、北 加州、芝加哥、凤凰城、新泽西、亚特兰大。2023 年底在建的 5.2GW 中有 82%在一 线市场，规划未建的 12.2GW 中也有近 90%在于一线市场。其中北弗吉尼亚在建与规 划项目的总规模已在到 7.2GW（以 2023 年为基准，对 PJM 区域最高负荷的拉动约 5%），德州达拉斯与奥斯汀区域合计的在建与规划项目总规模达到 3.4GW（以 2023 年为基准，对德州的最高负荷拉动将达到 4%），加州合计的在建与规划项目的总规模 为 1.4GW（以 2022 年为基准，对加州最高负荷的拉动约为 3%）。考虑到加州、德州 整体的区域电网可控裕度已经低于或接近 1.1，数据中心建设的加速对其形成的区域冲 击可能会更为显著。 4. 德州电网 ERCOT 已经将其 2030 年的最高负荷预期提升至较 2023 年翻倍，主要的驱 动因素来源于大量的数据中心与工业化项目。