地下 “冷仓”：数据中心能耗危机的新方案

当我们畅快使用云服务、AI工具和大数据分析时,背后的数据中心正成为能耗 “巨无霸”。根据Lawrence Berkeley 国家实验室2024年的报告(Shehabi et al., 2024),到2028年,美国数据中心的能耗将占全国年发电量的6.7% 至12%,而这一增长主要由人工智能、云计算的爆发式需求驱动。更值得关注的是,数据中心总能耗中高达40%用于冷却系统,且这些传统冷却方式往往消耗大量水资源(Aljbour et al., 2024)。与此同时,美国能源部(DOE)保守估计,2023至2030年间,全国电力系统峰值需求将增长约200GW(Downing et al., 2023; Razdan et al., 2025),数据中心的峰值冷却负荷正成为电网运营的巨大挑战。

面对这一困境,地热技术带来了创新解法—— 冷能地下热能储存(Cold UTES)。这种新兴的工业级冷却方案不仅节能、不耗水,还能实现日尺度和季节尺度的长时储能(LDES),甚至可作为虚拟电厂(VPP)为电网提供服务。美国能源部地热技术办公室(GTO)正全力支持相关研发,旨在挖掘这项技术在电网层面和系统层面的价值、成本与影响。

什么是Cold UTES?

地下热能储存(UTES)是地质储能技术的重要分支,能储存多余能量以应对季节性需求或可再生能源波动时的基荷电力供应(Buursink et al., 2023)。UTES主要分为三类:含水层热能储存(ATES)、钻孔热能储存(BTES)和储层热能储存(RTES,又称GeoTES),而美国能源部重点研发的Cold UTES 聚焦于BTES和RTES技术。

RTES系统利用深层、横向延伸的多孔渗透地层,以咸水为传热流体,采用开环方式运行;BTES系统则依赖井周岩体的传导换热,深度更浅,开发成本相对更低或与RTES相当(Ginosar et al., 2023)。关键在于,UTES的储能核心是岩体的热容 —— 即使地层孔隙率在5%-20%之间变化,储能能力仍主要来自岩体本身,流体仅作为热量传输的媒介(Robertson, 1988)。

与人们对“地热” 的传统认知不同,UTES既能储存 “热能”,也能高效储存 “冷能”。RTES的最低温度受限于水的冰点,而BTES可通过添加防冻剂,在冰点以下温度运行,为数据中心提供持续冷却。

三大核心优势:不止于冷却

1.电网级 “巨型电池”

UTES的储能能力和持续时间远超多数可再生能源储能技术。它能实现吉瓦时(GWh)至太瓦时(TWh)级储能,持续时间可达数周甚至数年,同时也可设计为4-12小时的日间储能,兼具灵活性与大容量,堪称 “电网级巨型电池”(Buursink et al., 2023)。其能量转换路径灵活,可通过热泵将电能转化为冷能储存,需要时直接为数据中心供冷,大幅降低峰值时段的电力消耗。

2.虚拟电厂(VPP)的新形态

根据美国能源部2023年及2025年更新的《虚拟电厂商业化起飞路径》报告,VPP是分布式能源资源的聚合体,能平衡电力供需并提供电网级服务(Downing et al., 2023; Razdan et al., 2025)。Cold UTES完全符合这一定义:它可将数据中心的冷却需求从峰值时段转移至谷段(日间或季节性转移),削峰填谷优化负荷曲线;在电网紧急情况下,能快速调整冷却配置减少负荷,参与需求响应获得补偿;还可实时响应负荷波动,辅助电网调频(Downing et al., 2023)。

3.经济与环境双重收益

对数据中心而言,Cold UTES虽需前期钻井等地下开发投入,但长期收益显著:一是降低冷却设备峰值负荷,减少高温环境下的性能衰减,节省设备投资;二是利用峰谷电价差降低电力成本;三是稳定的冷却环境可提升计算时钟速度;四是完全不耗水,避免传统冷却系统的水资源消耗(Aljbour et al., 2024)。

对电网而言,它能避免新建峰值电站和输电线路,减少储能电池部署需求,还能消化风电、光伏的弃电—— 将谷段低价或负价电力转化为冷能储存,实现能源价值最大化。

真实场景验证:ERCOT电网的套利潜力

美国得克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)的案例生动展现了Cold UTES 的价值。ERCOT拥有美国最大的风电装机容量(约37GW),但2022年风电弃电最高达2GW,预计2035年将增至7-8GW(Warady et al., 2023)。这些弃电多发生在春、秋等凉爽季节,而夏季峰值时段电网负荷屡破纪录,电价飙升。

得克萨斯州的气候特点为Cold UTES 提供了天然条件:10月至次年5月气温较低,可通过干冷器 “免费制冷” 或热泵高效储冷(COP可达5);6-9月夏季高温时,释放储存的冷能满足数据中心峰值冷却需求,避免使用低效(COP仅2)且昂贵的峰值电力(Weatherspark, 2024)。

以一座100MW冷却负荷的数据中心为例(Table 2):在春季谷段(2024年4月18日,气温20℃),以$10/MWh的价格采购20MWh电力,通过COP=5的热泵储冷,成本仅$200;而在夏季峰值(2024年8月20日,气温38℃),相同冷却负荷需消耗50MWh峰值电力,当时ERCOT实时电价高达$5000/MWh,成本达$250,000。仅1小时的冷却需求,即可通过Cold UTES 节省$249,800。若持续在谷段储冷,全年峰值成本节约可达数百万美元。

官方发力:美国能源部的研发推动

为加速Cold UTES 的商业化落地,美国能源部GTO于2025年1月启动了专项研发项目,由国家可再生能源实验室牵头,联合劳伦斯伯克利国家实验室、普林斯顿大学和芝加哥大学共同实施(Bersine, 2025)。项目为期1-1.5年,聚焦两大数据中心市场,通过五大核心任务全面评估技术可行性与商业价值:

Cold UTES 冷却系统的建模、优化与敏感性分析;

数据中心负荷预测及UTES对负荷曲线的影响分析;

电网影响建模,评估系统成本、负荷削减、燃料结构变化等;

组建电力公司、地下技术、数据中心开发商三大技术咨询组;

成果传播与报告发布,为行业和政策制定者提供参考。

项目成果预计于2026财年发布,将为Cold UTES 的大规模应用奠定基础。

未来可期:数据中心的绿色转型新路径

数据中心的能耗增长是数字时代的必然挑战,而Cold UTES以其长时储能、峰值削减、水资源节约和电网友好性,成为破解这一难题的关键技术。它不仅能为数据中心运营商带来显著的经济回报,更能助力电网稳定、减少碳排放,推动可再生能源的高效利用。

随着美国能源部研发项目的推进,Cold UTES 有望在未来几年内实现商业化规模化应用,为数据中心行业的绿色转型提供坚实支撑。这项 “藏” 在地下的冷能技术,正悄然改变我们对数据中心冷却和电网储能的认知,为可持续数字经济注入新动力。

参考文献

Akindipe, D., et al. (2024). Techno-Economic Analysis and Market Potential of Geological Thermal Energy Storage (GeoTES) Charged With Solar Thermal and Heat Pumps.

Aljbour, J., Wilson, T., & Patel, P. (2024). Powering Intelligence: Analyzing Artificial Intelligence and Data Center Energy Consumption. EPRI White Paper no.

Bersine, A. (2025). Reducing Data Center Peak Cooling Demand and Energy Costs With Underground Thermal Energy Storage. National Renewable Energy Laboratory, News Blog., January 17, 2025.

Buursink, M.L., et al. (2023). Geologic energy storage: U.S. Geological Survey Fact Sheet 2022–3082.

DOE (2025). Clean Energy Resources to Meet Data Center Electricity Demand. US Department of Energy website blog accessed Jan 29, 2025.

Downing, J., et al. (2023). Pathways to commercial liftoff: Virtual power plants. US Department of Energy Report.

Ginosar, D.M., et al. (2023). Reservoir Thermal Energy Storage Benchmarking (Rev. 3).

Grid Status (2024). Breaking Down a Record-Setting Day in ERCOT. August 21, 2024.

Lovins, A.B. (1990). The negawatt revolution. Across the board 27.9: 18-23.

McLaughlin, L., et al. (2023). Technology Strategy Assessment: Thermal Energy Storage (TES). 3rd Annual Energy Storage Grand Challenge Summit. U.S. Department of Energy.

McLing, T.L., et al. (2022). Dynamic Earth Energy Storage: Terawatt-year, Grid-scale Energy Storage Using Planet Earth as a Thermal Battery (GeoTES): Phase I Project (Final Report).

Razdan, S., Downing, J., White, L. (2025). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants 2025 Update. US Department of Energy Report.

Robertson, E.C. (1988). Thermal properties of rocks (No. 88-441). US Geological Survey.

Shehabi, A., et al. (2024). 2024 United States Data Center Energy Usage Report. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California.

Warady, D., Hodge, T., Aramayo, L. (2023). As Texas wind and solar capacity increase, energy curtailments are also likely to rise. U.S. Energy Information Administration., Today in Energy: July 13, 2023.

Weatherspark (2024). Climate and Average Weather Year Round in Texas. Website accessed December 9, 2024.

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