ABD Hiperölçekli Veri Merkezlerinin Karbon Emisyonlarının ve Enerji Tüketiminin Değerlendirilmesi

Özet

ABD'de hiperölçekli veri merkezlerinin (HDC) yaygınlaşması, esas olarak yapay zekâ benimsenmesiyle, bu sektörün çevresel ayak izi konusunda kaygılar doğurdu. CO2, her dengeleme otoritesi içindeki EPA eGRID2023 santral verisinin üretim ağırlıklı ortalamasıyla atfedildi. Filo yaklaşık 68-99 TWh (merkezi 82 TWh, ABD talebinin yaklaşık %1,8'i) kullandı ve 37-54 Mt CO2 ile ilişkilendirildi. Tesis yükü senaryoları: u = 0,48 → 67,7 TWh ve 36,9 Mt CO2; u = 0,58 (merkezi) 81,8 TWh ve 44,6 Mt; u = 0,663 → 93,5 TWh ve 51,0 Mt; u = 0,70 (yapay zekâ ağırlıklı) 98,6 TWh ve 53,8 Mt.

HDC elektrik ağırlıklı karbon yoğunluğu yaklaşık 545 gCO2/kWh idi, ABD şebeke ortalaması olan yaklaşık 370'in (2023) yaklaşık %48 üzerinde; HDC talebinin yaklaşık %90'ı ulusal ortalamanın üzerindeki dengeleme otoritelerinde. Atfedilen arz karışımı: %53,9 fosil (gaz %38,2, kömür %15,2), %20,9 nükleer, %25,3 yenilenebilir. En büyük HDC bölgesi olan PJM (32,83 TWh) %60,0 fosil, %33,1 nükleer ve %6,8 yenilenebilirdi, atfedilen yoğunluk yaklaşık 535 gCO2/kWh. Merkezi senaryodan eyalet düzeyi yoğunluklar: Virginia 535, Oregon 440, Iowa 645, Nebraska 740, Wyoming 1035 gCO2/kWh; Virginia'da 142 HDC vardı, 21,0 TWh kullanıp 11,5 Mt saldı.

Ortalama tesis güç kapasitesi 39,9 MW (medyan 36 MW); tesis dahil güç yoğunluğu yaklaşık 1.600 W/m²; tesis başına medyan yıllık tüketim yaklaşık 209 GWh. PUE ile ima edilen kontrol: u = u_BT,ölçülen (yaklaşık 0,59) × iklim PUE / tasarım-beklenmedik durum R (1,30); iklim PUE'leri (Lei ve Masanet) 1,18 (denizel: PACW, CISO) ile 1,42 (sıcak-nemli: ERCO) arasında olup u'yu 0,54 ile 0,64 (yük ağırlıklı 0,59) verdi. eGRID2022 kullanmak atfedilen emisyonları yaklaşık %3 artırıyor (örn. PJM yanma CI 589 ve 536 gCO2/kWh).

Sınırlar: yıllık ortalama faktörler soğutma güdümlü yük salınımları ile saatlik şebeke yoğunluğu arasındaki korelasyonu kaçırıyor; yazarlar atıfsal (ortalama) yöntemlerinin yeni yükün nereye kurulacağına karar vermek için uygun olmadığını, bunun için sonuçsal/marjinal yöntemler gerektiğini not ediyor. Elektrik tahmini kapasite ve yük katsayısı varsayımlarına bağlı. Ön baskı.

Öne çıkan noktalar

1. Tesis yükü senaryoları: u = 0,48 → 67,7 TWh ve 36,9 Mt CO2; u = 0,58 (merkezi) 81,8 TWh ve 44,6 Mt; u = 0,663 → 93,5 TWh ve 51,0 Mt; u = 0,70 (yapay zekâ ağırlıklı) 98,6 TWh ve 53,8 Mt; E = tesis kapasitesi × 8.760 × u.
2. HDC elektrik ağırlıklı karbon yoğunluğu yaklaşık 545 gCO2/kWh, ABD şebeke ortalaması yaklaşık 370'in (2023) yaklaşık %48 üzerinde; HDC talebinin yaklaşık %90'ı ulusal ortalamanın üzerindeki dengeleme otoritelerinde.
3. Atfedilen arz karışımı: %53,9 fosil (gaz %38,2, kömür %15,2), %20,9 nükleer, %25,3 yenilenebilir; PJM (32,83 TWh) %60,0 fosil, %33,1 nükleer, %6,8 yenilenebilir, yoğunluk yaklaşık 535 gCO2/kWh.
4. Eyalet düzeyi yoğunluklar (merkezi senaryo): Virginia 535, Oregon 440, Iowa 645, Nebraska 740, Wyoming 1035 gCO2/kWh; Virginia'da 142 HDC, 21,0 TWh, 11,5 Mt.
5. Ortalama tesis güç kapasitesi 39,9 MW (medyan 36 MW); tesis dahil güç yoğunluğu yaklaşık 1.600 W/m²; tesis başına medyan yıllık tüketim yaklaşık 209 GWh.
6. PUE ile ima edilen kontrol: u = u_BT,ölçülen (~0,59) × iklim PUE / R (1,30); iklim PUE'leri 1,18 (denizel) ile 1,42 (sıcak-nemli) arasında, u 0,54-0,64 (yük ağırlıklı 0,59).
7. eGRID2022 kullanmak atfedilen emisyonları yaklaşık %3 artırıyor (PJM yanma CI 589 ve 536 gCO2/kWh); yıllık ortalama faktörler soğutma güdümlü yük salınımları ile saatlik şebeke yoğunluğu arasındaki korelasyonu kaçırıyor.

Tasarımda kullanımı

• Filo veya tesis enerji tahmininde kapasite × 8.760 × tesis yükü katsayısı (0,48-0,70, merkezi 0,58) yaklaşımını kullanın ve aralığı (67,7-98,6 TWh) açıkça raporlayın.
• Karbon yoğunluğunu bağlı olduğu dengeleme otoritesine göre değerlendirin (PJM ~535, Wyoming ~1035 gCO2/kWh); HDC talebinin %90'ı ulusal ortalamanın üzerindeki bölgelerde.
• Atıfsal ortalama faktörleri yeni yükün konumlandırma kararı için kullanmayın; yer seçimi kararları için sonuçsal/marjinal yöntemleri kullanın.

Kimler okumalı

ABD hiperölçekli veri merkezi enerji ve karbon ayak izini tahmin eden analistler, politika uzmanları ve planlamacılar.

Belgenin bölümleri

1. Özet
2. Giriş
3. Yöntemler (403 HDC envanteri ve uydu doğrulaması, tesis yükü katsayısı senaryoları, eGRID2023 üretim ağırlıklı atıf)
4. Sonuçlar (enerji tüketimi, karbon emisyonları, dengeleme otoritesi ve eyalet düzeyi yoğunluklar, arz karışımı)
5. Duyarlılık ve doğrulama (PUE ile ima edilen kontrol, eGRID vintage duyarlılığı)
6. Tartışma ve sınırlamalar

İlgili standartlar

• GHG Protocol Scope 2 Guidance

Belgeyi okuyun

Yayın bilgileri

Yazarlar

Gianluca Guidi; Francesca Dominici; Tiziano Squartini; Callaway Sprinkle; Jonathan Gilmour; Kevin Butler; Eric Bell; Scott Delaney; Falco J. Bargagli-Stoffi

Yayıncı

arXiv preprint (cs.AI), Harvard T.H. Chan School of Public Health

Yıl

2026

Belge numarası

arXiv:2606.05420

Belge dili

İngilizce

Kaynak türü

Bilimsel yayın

Erişim

Açık lisans — indirilebilir

DOI

10.48550/arXiv.2606.05420

Lisans

CC BY 4.0 — atıf vererek paylaşabilirsiniz

Lisans kanıtı

arxiv.org

Künye