2026年公用事业行业电气化大时代之美国篇系列一：AI带来的需求侧新变化，美国电力市场框架梳理

美国新一轮电力需求上行，AI 用电特性加大负荷波动

（一）十余年增长停滞，需求拐点初见端倪

美国终端用电量在经历了十余年增长停滞后，2021 年以来已初见拐点。1950 年 代以来，美国电力需求经历了高速增长→放缓→结构性反转的变迁，经历了 1950s-1990s 经济高速发展以及电气化带来的负荷快速增长，2000s-2010s 互联 网泡沫破灭以及金融危机后美国经济进入缓慢复苏期，此外新节能要求与技术、 制造业向服务业“低耗能”转向，导致了十余年间美国电力需求增长停滞，2005- 2021年美国用电量由36610亿千瓦时增长至38059亿千瓦时，CAGR仅为0.2%， 在 2022 年以来制造业回流+AI 数据中心蓬勃发展的背景下电力需求已见明显拐 点，2021-2024 年用电量 CAGR 达到 1.5%。

美国产业结构与用电习惯导致 21 世纪以来住宅/商业用电占比高于工业。从结构 上来看，由于美国产业结构变化，部分传统高耗能工业向海外转移，1990-2024 年 间工业用电量由 9455 亿千瓦时增长 9%至 10346 亿千瓦时，年均复合增速仅 0.3%，占用电量比重由 35%下降至 26%，同期商业/居民用电量由 8383/9240 亿 千瓦时增长至 14509/14829 亿千瓦时，年均复合增速分别达到 1.6%/1.4%，占用 电量比重由 31%/34%增长至 36%/37%。

近年来美国电力需求的主要增长动力来源于工商业。2021-2024 年美国终端用电 量由 38059 亿千瓦时增长至 39754 亿千瓦时（增量 1695 亿千瓦时），CAGR1.5%， 其中工业/商业/住宅增量分别为 340/1225/124 亿千瓦时，贡献期内增量的 20%/72%/7%。

2022 年拜登政府出台《通胀削减方案（IRA）》与《芯片和科学法案》，对本土半 导体、电动汽车、电池、清洁能源等领域投入大额补贴，旨在促进美国制造业“回 流”， 2022-2024 年美国制造业在建厂房金额分别同比+52%、+62%、+17%，创 二十年来新高，2021-2024 年工业终端用电量由 10006 亿千瓦时增长至 10346 亿 千瓦时，CAGR 为+1.1%。 商业领域电量上行来源于数据中心容量增长，据彭博新能源财经数据，截至 2024 年底美国数据中心电力负荷约 35GW，较 2020 年翻倍，按照超大规模数据中心 平均利用率约 50%测算，期内数据中心用电量增量约 745 亿千瓦时，占商业用电 增量的 61%。

（二）电力需求端的新变化：负荷规模提升&波动性增大&地 区间差异明显

AI 数据中心的发展为美国电力需求侧带来了巨大变化，从大型互联网科技公司的 模型训练到中小型企业的模型局部调整、应用端推理部署，算力需求的持续扩张 驱动美国电力负荷预期增长，且 AI 数据中心在训练作业启动和关闭、检查点及恢 复等操作过程中的负荷波动性增大为电网实时供需平衡提出了新的挑战。此外， 我们观察到美国数据中心以及制造业、油气产业在区域上分布不均，各区域间未 来用电负荷预期差异明显。

1. 数据中心+制造业等其他需求驱动负荷规模提升

AI 数据中心大模型训练与推理依赖多处理器并行运算，大型科技公司模型预训练 对算力需求达到万卡级别。相较于传统数据中心，AI 数据中心需要针对高性能计算任务进行优化以实现快速的数据处理和分析，通常配备额外的处理单元用以补 充设备中央处理器（CPU）的功能，使服务器能够更快地并行处理大量计算，最 常见的加速器类型是图形处理单元（GPU），AI 模型的训练与推理依赖多处理器 并行运算，如 Meta 2025 年发布的 Llama4 模型训练采用超 10 万 GPU，其使用 的英伟达 H100 最大功耗 700W，10 万 GPU 集群总功耗为 70MW。除 IT 设备直 接用能外，数据中心还需要冷却、存储、网络等设施，通常采用电源使用效率（PUE， 计算方式为数据中心总用电量/IT 设备用电量）这一指标衡量数据中心基础设施资 源密集度，据劳伦斯伯克利实验室统计 2023 年平均 PUE 为 1.4，以此计算 Meta10 万 H100 集群总功耗约 100MW。

单颗芯片功耗提升+显卡数量提升驱动数据中心规模迈向 GW 级别。2024 年英伟 达发布的 Blackwell 架构 GB200 芯片由 2 个 B200 芯片+1 个基于 Arm 的 GraceCPU 组成，功耗由 700W 提升至 2700W，单处理器功耗显著提升。除此之外， 数据中心处理器数量逐步提升，OpenAI 与 Oracle 预计将于 2026 年下半年建成 的德州Stargate数据中心将部署超过45万个GB200，总用电负荷将超过1.2GW。 据 Grid Strategies 统计，预计 2026 年将有 10 个 GW 级数据中心投入运营，在 2030 年及之前建成的数据中心中约 50%为 GW 级。

未来美国数据中心电力负荷增长要如何预期，我们按照美国能源部/各地区电力公 司预期值/英伟达出货预期三类不同视角下测算： （1） 根据美国能源部统计部分机构的预期值，到 2030 年数据中心用电负荷增 量预期中值约 50GW。根据美国能源部 2025 年 7 月统计，S&P、McKinley、 ERPI、LBNL 等机构对于 2025-2030 年数据中心负荷增长预期值在 33- 68GW 之间，中值约 50GW。

（2） 根据 FERC 统计各区域美国电力公用公司预期值总和为 90GW：美国联 邦能源监管委员会（FERC）要求区域内电力公用公司每年提交 FERC No.714 表格以监控区域内电力系统的发电、负荷、电力交换等情况，FERC No.714 要求上报实际发电能力、小时负荷数据、计划和实际电力交换、 未来系统负荷预测等。根据该运营数据统计，美国电力公用公司预期 2025-2030 年间数据中心负荷增量为 90GW；

（3） 根据英伟达出货量预期测算至 2030 年美国数据中心增量为 130GW，结 合兴业证券电子组对于英伟达芯片出货量预期，我们假设 2025-2027 年 英伟达各类型芯片出货总量分别为 440/810/980 万颗；由于基于其最新架 构 feynman 的芯片具体参数尚未明确，我们假设 2028-2030 年出货芯片 总功率年均增速为 15%；2025-2030 年英伟达市占率由 75%下降至 60%， 其中美国数据中心占比为 50%，数据中心 PUE 由 1.4 下降至 1.15，则 2025-2030 年美国数据中心用电负荷总增量达到 130GW。

数据中心+制造业、采矿业、电气化等其他需求，三种情形下 2025-2030 年美国 夏季用电峰值负荷 CAGR 为 2.3%/3.0%/3.7%。2025-2030 年间，根据 FERC 统 计的各地区电力公用公司预期值，制造业、采矿业及电气化等其他需求合计增长 70GW，年均增量 11.67GW，叠加数据中心低/中/高三种情形下 50/90/130GW 的 预期增量，总夏季峰值负荷 CAGR 为 2.3%/3.0%/3.7%。

2. AI 数据中心训练推理过程用电负荷波动大

数据中心运行期间负荷波动性大，为电网稳定运行带来更大挑战。根据劳伦斯伯 克利实验室与布鲁克海文国家实验室对于英伟达 H100 上 8 个节点 AI 训练负载 的实施功耗数据监测，其运行最大功率相较平均功率振幅可达 48%，且 AI 数据 中心通常采取并行计算的方式运行，数万个 GPU 可能同时增加或减少功耗，例 如训练作业的启动和关闭、检查点及恢复操作等，NERC 报告区域内某一数据中 心负荷在 36 秒内由 450MW 降低至 7MW，若电力供应和需求不平衡将导致电压 和频率将偏离设定值，致使电机烧毁、跳闸、甚至电子设备损坏，需求端的波动 性增大为电网的安全稳定运行带来了更大挑战。

电网调度机构要求大型负载具备负荷调节能力。数据中心聚集的主要区域 PJM 和 ERCOT 均出台相关针对大型负荷的新政，明确表示大型负载需要成为电网需求 侧响应的一部分，ERCOT 要求新增≥75MW 的负载必须具备负荷灵活性并参与需 求响应，在电网紧急时需要按通知削减负载或使用自有机组发电；PJM 将新增大 于 50MW 的负载归类为非容量支持负荷（NCBL），在电网可靠性事件中需要首先 削减 NCBL 用电负载，若 NCBL 有自带发电能力或能参与需求响应，则可以减少 其负载调节义务；美国能源部提议对同意接受“负荷削减”的大型负荷加快并网 研究。

储能或替代 UPS 应对数据中心负荷大幅波动，英伟达在其下一代 800VDC 架构 中将储能列为标配。传统数据中心通常采用不间断电源系统（UPS）+柴油发电应 对电网供电波动或中断，更多是被动应对供电短时故障保护数据中心运转，容量 较小放电时间多为半小时或以下。AI 训练推理等工作的用电负荷特征使得功率大 幅波动或成为常态，传统 UPS 不具备快速、频繁的充放电循环能力，2025 年 10 月英伟达发布《下一代 AI 基础设施 800VDC 白皮书》，提出了基于 800V 直流架 构的 AI 数据中心供电解决方案，将储能系统列为标配直接集成在供电架构中，其 中超级电容部署在 GPU 附近用以吸收毫秒级别功耗尖峰，大型储能部署在机房 外平滑 AI 负载对电网冲击。

3. 区域间负荷增长预期差异明显

从区域结构上来看，数据中心主要分布在东西海岸及德州，预期负荷增长地区差 异明显。从区域上来看，根据 DataCenterMap 统计，截至 2025 年 12 月底美国 本土数据中心共 3753 个，主要分布在东西海岸以及南部地区，其中弗吉尼亚州、 德克萨斯州、加利福尼亚州、伊利诺伊州、俄亥俄州数据中心数量占比分别为 15%/10%/8%/5%/5%，因此各地区预测负荷增长差异明显，根据 Grid Strategies 统计各地区公用事业公司向 FERC 提交的统计数据，2025-2030 年美国峰值负荷 CAGR 为 3.7%，其中 ERCOT、SPP、PJM 地区 CAGR 为 10.1%、7.2%、3.6%， 是负荷增长的主要驱动力，其中 ERCOT 地区增量来源于数据中心、制造业以及 油气开采增长，PJM 地区增量仅为数据中心，SPP 地区增量更多来源于油气开采 以及周边部分数据中心需求。

供给端现状：风光为主的新增电源顶峰出力能力不足， 电网投资滞后限制新机组接入

电源有效容量的不足主要是由于稳定、灵活电源容量减少，风光等间歇波动性电 源增长。尽管美国电力总装机容量由 1991 年的 740GW 增长至 2024 年的 1284GW，年均复合增速达到 1.7%，但其结构发生了变化，火、水、核电三类出 力较为稳定的基荷电源自 1991 年的 725GW 增长至 2011 年高峰的 989GW 后下 降到 2024 年的 912GW，占装机容量比重由 98%下降至 71%；与之相对应的是 2011-2024 年风电、光伏装机容量由 46、2GW 增长至 152、177GW，占装机容 量比重提升至 2024 年的 12%、14%，贡献期内装机增量的 121%。从发电量占 比角度来看，2011-2024 年煤电利用小时数由 5457 小时下降至 3748 小时，气电 /风电利用小时数由 2442/2631 小时增长至 3683/2981 小时，光伏利用小时数稳 定在 1200 小时左右，导致煤电发电量占比由 42%下降至 15%，相对应的是气电 /风电/光伏占比由 25%/3%/0%上升至 43%/11%/5%，核电与水电保持相对稳定。

细分结构来看，水电与核电规模稳定，火电中气进煤退。1991-2024 年间，基荷 电源中，核电与水电装机容量较为稳定，分别由 100/94GW 变动至 98/103GW， 煤电由 307GW 下降至 174GW，气电则由 175GW 增长至 506GW。煤电机组由 2011 年开始进入加速“退役”阶段，煤电性价比相较气电减弱，2011-2024 年美 国煤电装机容量由 318GW 下降至 174GW，降幅达 45%，占装机结构的比重由 30%下降至 14%。

煤电机组退役主要是由于环保成本上升+天然气价格下降使得气电经济性优于煤 电。美国环境保护署于 2005 年、2012 年分别发布《清洁空气州际计划》、《汞和 空气有毒物质标准》，对污染物排放提出更为严格的标准，直接增加煤电改造成本， 根据 EIA2024 年对新建发电机组成本评估，煤电机组单位资本开支为 4103 美元 /千瓦，固定运维成本为 62 美元/千瓦-年；而气电单位资本开支为 921 美元/千瓦， 固定运维成本为 16 美元/千瓦-年。

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