SemiAnalysis深度報告：美國電網(wǎng)跟不上，AI數(shù)據(jù)中心“自建電廠”跟時間賽跑

AI的戰(zhàn)爭中，指數(shù)級增長的算力需求，正狠狠撞向美國老化且緩慢的公共電網(wǎng)。結(jié)論殘酷而清晰——誰等電網(wǎng)，誰就出局。

為了不被時間淘汰，越來越多美國AI數(shù)據(jù)中心正在做一件過去幾乎不可想象的事：不等電網(wǎng)，直接在園區(qū)內(nèi)自建電廠。燃氣輪機、燃氣發(fā)動機、燃料電池被快速部署到數(shù)據(jù)中心旁邊，只為一個目標(biāo)——盡快把電接上，讓算力跑起來。

2025年最后一天，知名半導(dǎo)體與算力研究機構(gòu)SemiAnalysis發(fā)布了一份長達60多頁的付費深度報告——《How AI Labs Are Solving the Power Crisis: The Onsite Gas Deep Dive》（AI實驗室如何破解電力危機：現(xiàn)場燃氣發(fā)電深度解析）。報告系統(tǒng)梳理了這一變化的底層邏輯：當(dāng)AI進入超大規(guī)模部署階段，電力問題已經(jīng)從“成本問題”，升級為決定算力能否按期上線的第一性約束。

電力危機的本質(zhì)：不是不夠，而是太慢

在傳統(tǒng)認知中，美國并不存在系統(tǒng)性“缺電”。但SemiAnalysis指出，AI數(shù)據(jù)中心遭遇的真正瓶頸，并不在于電力資源是否存在，而在于電力交付節(jié)奏與算力擴張速度的嚴重錯配。

AI數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期，已被壓縮至12—24個月；而電網(wǎng)擴容、輸電建設(shè)和并網(wǎng)審批的典型周期，仍然以3—5年計。當(dāng)算力需求開始以吉瓦為單位集中釋放，“等電”本身就成為一種無法承受的風(fēng)險。

以德州ERCOT為例，2024—2025年間，數(shù)據(jù)中心提交的新增負荷申請規(guī)模高達數(shù)十GW，但同期真正獲批并成功接入的新增負荷，僅約1GW。

電網(wǎng)并非沒有電，而是慢到無法匹配AI的節(jié)奏。

當(dāng)算力的“時間價值”壓倒電價

為什么AI公司愿意承擔(dān)更高成本，也要繞開公共電網(wǎng)？

SemiAnalysis給出的答案是：算力的時間價值正在重塑一切決策邏輯。

按照測算，一個1GW規(guī)模的AI數(shù)據(jù)中心，年化潛在收入可達百億美元級別。即便是中等規(guī)模集群，只要上線時間提前數(shù)個月，帶來的商業(yè)價值就足以覆蓋更高的電力成本。

在這種背景下，電力不再只是運營成本，而是決定AI項目能否存在的前置條件。

“自建電廠”，從非常規(guī)選擇變成現(xiàn)實解法

于是，一種過去只存在于極端場景中的方案，被迅速推到臺前——BYOG（BringYourOwnGeneration，自建電源、現(xiàn)場發(fā)電）。

這種模式的目標(biāo)并非永久脫離電網(wǎng)，而是“搶時間”：

• 前期以離網(wǎng)方式快速投產(chǎn)
• 后期再逐步接入電網(wǎng)，現(xiàn)場電廠轉(zhuǎn)為備用與冗余

在AI時代，先上線，正在壓倒先最優(yōu)。

xAI帶頭，AI巨頭集體“自發(fā)電”

SemiAnalysis在報告中重點分析了xAI的案例。

在孟菲斯，xAI在不到四個月內(nèi)建成了一個10萬卡規(guī)模的GPU集群。與其說這是算力奇跡，不如說是一場電力工程的極限操作：

• 完全繞過公共電網(wǎng)
• 使用可快速部署的燃氣輪機與燃氣發(fā)動機
• 現(xiàn)場發(fā)電能力超過500MW

甚至在設(shè)備層面，xAI選擇租賃而非采購，以進一步壓縮建設(shè)周期。

報告顯示，到2025年底，“自建電廠”已不再是個案，而是成為系統(tǒng)性趨勢：

• OpenAI與甲骨文在德州合作建設(shè)2.3GW現(xiàn)場燃氣電站
• Meta、亞馬遜AWS、谷歌均在多個園區(qū)采用“橋接電力”方案
• 多個AI超級集群在未完成正式并網(wǎng)前已投入運行

在美國，已有十余家發(fā)電設(shè)備供應(yīng)商，單筆拿下超過400MW的AI數(shù)據(jù)中心訂單。SemiAnalysis認為，這標(biāo)志著電力首次被視為AI基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，而非外部條件。

為什么是天然氣？

在所有現(xiàn)場發(fā)電方案中，天然氣成為絕對主流。

原因并不復(fù)雜：它幾乎是唯一能在規(guī)模、穩(wěn)定性和部署速度上同時滿足AI需求的選擇。

相比之下，核電建設(shè)周期過長，風(fēng)電與儲能難以支撐一天二十四小時高負載運行，而高效率聯(lián)合循環(huán)機組雖然經(jīng)濟性更優(yōu)，卻同樣無法滿足“立刻上線”的時間要求。

在AI競爭中，最優(yōu)解正在被時間解替代。

誰等電網(wǎng)，誰就出局？

SemiAnalysis在報告中并未回避一個現(xiàn)實：自建電廠的長期成本通常高于電網(wǎng)供電。但在AI的競爭邏輯中，“慢”比“貴”更致命。

當(dāng)算力成為新一代基礎(chǔ)設(shè)施，電力正在從公共資源，轉(zhuǎn)變?yōu)锳I公司必須掌握的內(nèi)部能力。在這場競賽中，決定勝負的，不只是模型、芯片或資本規(guī)模，而是——誰能更快把電接到算力上。

以下為報告原文內(nèi)容，由AI協(xié)助翻譯：

《AI實驗室如何解決電力危機：現(xiàn)場天然氣發(fā)電深度解析》
電網(wǎng)老舊且不堪重負
大約兩年前，我們首次預(yù)測了即將到來的電力短缺。在我們的報告《AI數(shù)據(jù)中心能源困境-AI數(shù)據(jù)中心空間的競賽》中，我們預(yù)測美國的AI電力需求將從2023年的約3吉瓦增長到2026年的超過28吉瓦——這種壓力將壓垮美國的供應(yīng)鏈。我們的預(yù)測被證明非常準(zhǔn)確。
下圖說明了問題：僅在德克薩斯州，每月就有數(shù)十吉瓦的數(shù)據(jù)中心負載請求涌入。然而在過去12個月里，僅批準(zhǔn)了略高于1吉瓦的容量。電網(wǎng)已經(jīng)售罄。

然而，AI基礎(chǔ)設(shè)施不能等待電網(wǎng)長達數(shù)年的輸電升級。一個AI云每吉瓦每年可以產(chǎn)生100-120億美元的收入。讓一個400兆瓦的數(shù)據(jù)中心提前六個月上線就價值數(shù)十億美元。經(jīng)濟需求遠遠超過了諸如電網(wǎng)過載等問題。行業(yè)已經(jīng)在尋找新的解決方案。
十八個月前，埃隆·馬斯克在四個月內(nèi)建造了一個擁有10萬個GPU的集群，震驚了數(shù)據(jù)中心行業(yè)。多項創(chuàng)新促成了這一驚人成就，但能源策略是最令人印象深刻的。xAI完全繞過了電網(wǎng)，使用卡車裝載的燃氣輪機和發(fā)動機在現(xiàn)場發(fā)電。如下圖所示，xAI已經(jīng)在其數(shù)據(jù)中心附近部署了超過500兆瓦的輪機。在一個AI實驗室爭相成為第一個擁有吉瓦級數(shù)據(jù)中心的世界里，速度就是護城河。

一個接一個，超大規(guī)模企業(yè)和AI實驗室紛紛效仿，暫時放棄電網(wǎng)，建造自己的現(xiàn)場發(fā)電廠。正如我們幾個月前在《數(shù)據(jù)中心模型》中所討論的，2025年10月，OpenAI和Oracle在德克薩斯州訂購了有史以來最大的現(xiàn)場天然氣發(fā)電廠，規(guī)模達2.3吉瓦。現(xiàn)場天然氣發(fā)電市場正進入一個三位數(shù)年增長的時代。
受益者遠不止尋常的那些。是的，GEVernova和西門子能源的股價已經(jīng)飆升。但我們正見證前所未有的新進入者浪潮，例如：
韓國工業(yè)巨頭斗山能源，其H級輪機上市時機恰到好處。它已經(jīng)獲得了為埃隆的xAI服務(wù)的1.9吉瓦訂單——正如我們幾周前獨家向我們《數(shù)據(jù)中心行業(yè)模型》訂閱者披露的那樣。
瓦錫蘭，歷史上是一家船舶發(fā)動機制造商，意識到為游輪提供動力的發(fā)動機同樣可以為大型AI集群供電。它已經(jīng)簽署了800兆瓦的美國數(shù)據(jù)中心合同。
BoomSupersonic——是的，那家超音速噴氣機公司——宣布與Crusoe簽訂了1.2吉瓦的輪機合同，將來自數(shù)據(jù)中心發(fā)電的利潤視為其Mach2客機的又一輪融資。
為了了解供應(yīng)商的增長和市場份額，我們在《數(shù)據(jù)中心模型》中建立了部署現(xiàn)場天然氣的站點逐一追蹤器。結(jié)果讓我們驚訝：僅在美國，現(xiàn)在就有12家不同的供應(yīng)商各自獲得了超過400兆瓦的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場天然氣發(fā)電訂單。

然而，現(xiàn)場發(fā)電也帶來了自身的一系列挑戰(zhàn)。如下文詳述，發(fā)電成本通常（遠）高于通過電網(wǎng)供電。許可過程可能漫長而復(fù)雜。它已經(jīng)導(dǎo)致了一些數(shù)據(jù)中心延遲——最引人注目的是Oracle/Stargate的一個吉瓦級設(shè)施，我們的《數(shù)據(jù)中心行業(yè)模型》通過分析整個許可過程，在彭博社頭條新聞發(fā)布前三周就預(yù)測到了這一點。
再一次，像xAI這樣聰明的公司找到了解決方案。埃隆的AI實驗室甚至開創(chuàng)了一種新的選址流程——在州界上建設(shè)，以最大程度提高及早獲得許可的機會！雖然田納西州未能按時交付，但密西西比州欣然讓埃隆建造了一個吉瓦級的發(fā)電廠。

本報告是對"自帶發(fā)電"的深度解析。我們從電網(wǎng)為何跟不上開始，然后對數(shù)據(jù)中心可用的每項發(fā)電技術(shù)提供技術(shù)分解——GEVernova的航改型輪機、西門子的工業(yè)輪機、顏巴赫的高速發(fā)動機、瓦錫蘭的中速發(fā)動機、BloomEnergy的燃料電池等等。
接著我們考察部署配置和運營挑戰(zhàn)：完全孤島式數(shù)據(jù)中心、燃氣+電池混合系統(tǒng)、能源即服務(wù)模式，以及決定哪種解決方案勝出的經(jīng)濟學(xué)原理。在付費墻后，我們將分享我們對制造商定位的看法，以及現(xiàn)場發(fā)電的未來。
在AI時代，電網(wǎng)是否已死？
在深入探討解決方案之前，我們需要理解電網(wǎng)為何失靈。公平地說，迄今為止，美國的電力系統(tǒng)一直是AI基礎(chǔ)設(shè)施的主要推動者。除了埃隆之外，當(dāng)今每個主要的GPU和XPU集群都運行在電網(wǎng)供電上。我們在之前SemiAnalysis的深度解析中報道過其中的許多：
《微軟的AI戰(zhàn)略》展示了在威斯康星州、喬治亞州和亞利桑那州為OpenAI服務(wù)的龐大電網(wǎng)連接設(shè)施。
我們的《多數(shù)據(jù)中心訓(xùn)練》報告，深入探討了谷歌在俄亥俄州和愛荷華州/內(nèi)布拉斯加州的龐大電網(wǎng)供電集群，以及OpenAI在德克薩斯州阿比林與Oracle、Crusoe和Lancium合作的吉瓦級集群。
我們的《Meta超智能》文章闡述了他們的大型AI計劃，其中包括一些現(xiàn)場天然氣發(fā)電，但主要由俄亥俄州的AEP系統(tǒng)和路易斯安那州的Entergy供電。
我們的《亞馬遜的AI復(fù)興》論文，討論了AWS為Anthropic準(zhǔn)備的大規(guī)模Trainium集群，同樣連接到AEP和Entergy的基礎(chǔ)設(shè)施。
這些洞見在我們的《數(shù)據(jù)中心行業(yè)模型》中出現(xiàn)在官方宣布之前數(shù)月或數(shù)年。我們的模型追蹤了數(shù)十個正在建設(shè)、計劃2026年及以后交付的大規(guī)模集群——包括它們的確切啟動日期、全部容量、最終用戶和能源策略。
但我們已經(jīng)到了一個臨界點。2024-25年上線的大型數(shù)據(jù)中心是在2022-23年、淘金熱之前確保了電力供應(yīng)。自那以后，爭奪變得持續(xù)不斷。我們估計，提交給美國公用事業(yè)公司和電網(wǎng)運營商的負載請求大約有1太瓦。

結(jié)果就是僵局——字面意思。正如我們在《吉瓦級AI訓(xùn)練負載波動》中所解釋的，電網(wǎng)的設(shè)計使其速度緩慢：
實時平衡：電力的供應(yīng)和需求幾乎必須完美匹配，每秒如此。不匹配可能導(dǎo)致數(shù)百萬人停電，正如我們在2025年4月伊比利亞半島停電事件中所見。
系統(tǒng)研究：每一個大型新負載（數(shù)據(jù)中心）或供應(yīng)（發(fā)電廠）都會引發(fā)深入的工程研究，以確保不會破壞網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。而在某些地方，電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)變化如此之快，以至于負載研究在完成前就過時了。

當(dāng)成百上千的開發(fā)商同時提交并網(wǎng)請求時，系統(tǒng)就會陷入停滯。這變成了一個囚徒困境：
如果每個人都協(xié)調(diào)一致，電網(wǎng)本可以更快地處理更多請求。
FERC第2023號命令已推動電網(wǎng)運營商為此采用集群研究，但這些改革直到2025年才鞏固下來。實際上，"淘金熱"行為意味著開發(fā)商同時向不同的公用事業(yè)公司提交多個投機性請求。例如，截至2024年中，AEP俄亥俄州有35吉瓦的負載請求——其中68%甚至沒有土地使用權(quán)。投機性請求堵塞了所有人的隊列，從而鼓勵了其他地方更多的投機性請求。這種惡性循環(huán)加速了。

供應(yīng)端同樣受限。從并網(wǎng)請求到商業(yè)運營的時間表現(xiàn)在對于大多數(shù)發(fā)電類型來說已延長至五年。

AI基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)商不能等待五年。在許多情況下，他們連六個月都不能等，因為等待六個月意味著數(shù)十億美元的機會成本損失。
引入BYOG-自帶發(fā)電
BYOG的核心價值主張很簡單：無需等待電網(wǎng)即可開始運營。數(shù)據(jù)中心可以無限期地依靠本地發(fā)電運行，然后在電網(wǎng)服務(wù)最終到位后，將這些設(shè)備轉(zhuǎn)換為備用電源。
這正是xAI的策略。他們使用移動燃氣輪機建造了"巨像"設(shè)施，在幾個月而非幾年內(nèi)使其上線。現(xiàn)在每個人都在效仿這一策略。
讓我們來研究一下如何實現(xiàn)。
如何自帶發(fā)電：舊世界vs新世界
BYOG涉及對我們建造發(fā)電廠方式的徹底重新思考。傳統(tǒng)上，我們通過大型、集中式的吉瓦級基荷發(fā)電機輸送電力——輔以較小的調(diào)峰電廠來處理電網(wǎng)范圍內(nèi)的負載峰值。聯(lián)合循環(huán)模式下的重型燃氣輪機是最常見的現(xiàn)代部署方式。其無與倫比的燃料效率（>60%）為我們現(xiàn)代文明提供了支柱。然而，它們的主要問題是部署速度：
獲得大型輪機通常需要數(shù)年交貨期，而目前的交貨期正處于歷史高位。
一旦交付，大型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的建設(shè)和調(diào)試需要約2年時間——在AI時代，這簡直是永恒。

AI數(shù)據(jù)中心"自帶發(fā)電"電廠重塑了規(guī)則手冊，xAI為行業(yè)引領(lǐng)了道路。為了更快部署，埃隆的AI實驗室依賴于SolarTurbines（CAT的子公司）的16兆瓦小型模塊化輪機。這些輪機小到可以用標(biāo)準(zhǔn)長途卡車運輸。它們在幾周內(nèi)即可部署完成。埃隆甚至沒有購買它們——他是從SolarisEnergyInfrastructure租用的，以繞過設(shè)備交貨期。他還利用了VoltaGrid的移動卡車裝載燃氣發(fā)動機車隊來更快交付！
其他超大規(guī)模企業(yè)迅速效仿。Meta在俄亥俄州與Williams的部署很有代表性——他們的發(fā)電廠包含了五種不同類型的輪機和發(fā)動機，顯然設(shè)計模式是"只要能及時到貨，有什么我就部署什么！"

現(xiàn)在讓我們深入了解數(shù)據(jù)中心運營商可用的不同類型設(shè)備。
設(shè)備格局概覽
數(shù)據(jù)中心開發(fā)商可用的燃氣發(fā)電機中，大致分為三類：
燃氣輪機-低溫、爬坡慢的工業(yè)燃氣輪機；高溫、爬坡快的航改型燃氣輪機；非常大型的重型燃氣輪機。
往復(fù)式內(nèi)燃機-包括較小的3-7兆瓦高速發(fā)動機；以及較大的10-20兆瓦中速發(fā)動機。有時簡稱為"活塞機"。
固體氧化物燃料電池-目前主要的可用選項來自BloomEnergy。
還有其他現(xiàn)場發(fā)電選項，例如與現(xiàn)有核電廠并置、建造現(xiàn)場小型模塊化反應(yīng)堆、地?zé)岬鹊龋緢蟾娌挥懻撨@些。在大多數(shù)情況下，未來約3年內(nèi)，這些其他解決方案不會驅(qū)動凈新增發(fā)電。
理解哪些解決方案最適合某些用例需要深入核心權(quán)衡。我們認為以下幾點最為相關(guān)：
成本：通常以$/kW列出。這些成本估算差異巨大，并且在每個發(fā)電機類別中都持續(xù)上升。注意維護費用也很重要：某些系統(tǒng)的使用壽命較短，即年度維護成本較高。
交貨期：通常以月或年列出。隨著需求增長超過供應(yīng)，每個發(fā)電機類別的交貨期都在增加。
請注意，發(fā)電機可用性之外的其他因素也會影響供電時間。最值得注意的是，即使在像德克薩斯州這樣許可較快的州，現(xiàn)場發(fā)電的空氣許可也可能需要一年或更長時間。
此外，不同系統(tǒng)的安裝時間差異很大。有些從現(xiàn)場交付到發(fā)電只需要幾周時間，例如小型卡車裝載輪機或發(fā)動機，以及燃料電池。大型聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機組裝可能需要超過24個月。
冗余和可用性：發(fā)電機的預(yù)期可用性，以一年內(nèi)的正常運行時間百分比或"幾個9"表示。過去十年，美國電網(wǎng)平均可用性為99.93%（三個9），有些地區(qū)甚至更高。對于現(xiàn)場發(fā)電廠，可以通過增加熱備用和冷備用來管理冗余，或通過增加備用電源。單個輪機越大，管理備用和備份就越困難。
爬坡率：以冷啟動到最大輸出之間的分鐘數(shù)衡量。爬坡率小于10分鐘的發(fā)電機有資格作為電網(wǎng)或備用電源的儲備發(fā)電。爬坡率慢意味著該機組主要專注于基荷供電。
土地使用：以兆瓦/英畝衡量。在空間受限的地區(qū)，這一點更重要。小型發(fā)電系統(tǒng)即使在集群部署時，用水量也微不足道。然而，非常大的輪機確實需要大量冷卻用水。
熱耗率和燃料效率：以每千瓦時消耗的天然氣BTU衡量。熱耗率越高意味著效率越低——輸入更多燃料，輸出相同電力，留下更多廢熱。銘牌熱耗率假設(shè)"峰值"運行條件，通常是最大輸出。在低于50%輸出時，效率會大幅下降。
其中許多現(xiàn)場燃氣系統(tǒng)可以配置為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。對于數(shù)據(jù)中心，這將涉及利用燃氣發(fā)電機的廢熱進行吸收式冷卻系統(tǒng)，從而減少數(shù)據(jù)中心冷卻的用電量。
實際上，我們觀察到，無論其他規(guī)格如何，只要誰有開放訂單并能提供良好時間表，誰就傾向于贏得交易！
話雖如此，現(xiàn)在讓我們深入了解不同類型的燃氣發(fā)電廠。
航改型輪機和工業(yè)燃氣輪機——對數(shù)據(jù)中心極具吸引力
燃氣輪機運行在布雷頓循環(huán)上：壓縮空氣，在其中燃燒燃料，然后將熱氣體導(dǎo)向輪機。輪機通過入口溫度來區(qū)分。較低的溫度對應(yīng)于較低的安裝成本、較低的維護成本、較低的峰值效率和較慢的爬坡率。
航改型燃氣輪機本質(zhì)上就是將噴氣發(fā)動機固定在地上。GEVernova的航改型源自GE的噴氣發(fā)動機；三菱動力的源自普惠；西門子能源的源自勞斯萊斯。由于噴氣發(fā)動機設(shè)計為在緊湊、適于飛行的封裝中提供巨大功率，因此它們相對容易改裝用于固定式發(fā)電。延長輪機軸，在末端螺栓連接發(fā)電機線圈，增加進氣和排氣消聲器，并從油箱或管道輸送燃料。這部分解釋了BoomSupersonic能如此迅速地轉(zhuǎn)向航改型燃氣輪機：他們的大部分工程和制造都是現(xiàn)成的。
我們在下方展示了MartinDrake發(fā)電廠的視圖，配備了6臺GEVernovaLM2500XPRESS機組。這就是電力公司部署航改型輪機的方式，作為電網(wǎng)突發(fā)供應(yīng)短缺的"調(diào)峰電廠"。
航改型燃氣輪機的核心制造商與重型燃氣輪機的相似：GEVernova、三菱動力和西門子能源主導(dǎo)市場，銷售航改型和低溫工業(yè)燃氣輪機。此外，卡特彼勒也通過Solar品牌生產(chǎn)工業(yè)燃氣輪機，Everllence也生產(chǎn)。
兩種GEVernova設(shè)計主導(dǎo)了航改型市場：
LM2500–約34兆瓦，針對快速部署優(yōu)化，尤其是LM2500XPRESS。
LM6000–約57兆瓦，現(xiàn)在有快速部署的LM6000VELOX配置。
航改型燃料效率尚可，但在空間和重量方面極其高效。它們可以安裝在緊湊的占地面積中，并且在某些配置下可以用一對拖車運輸。簡單循環(huán)的航改型通常提供30-60兆瓦的功率包，可以在5-10分鐘內(nèi)從冷態(tài)爬升至滿負荷輸出。但是，如果低于滿負荷穩(wěn)定運行，效率會受到影響。航改型也可以配置為小型聯(lián)合循環(huán)電廠：
1x1（一臺燃氣輪機驅(qū)動一臺蒸汽輪機），或2x1（兩臺燃氣輪機驅(qū)動一臺蒸汽輪機）。這些聯(lián)合循環(huán)設(shè)置以犧牲爬坡速度為代價，提供了更高的效率和更多的輸出。啟動時間延長至30-60分鐘。
按照目前的價格，航改型輪機的全投資本支出在$1,700-2,000/kW之間，根據(jù)近期訂單，其交貨期為18-36個月且仍在延長。較小輪機交貨期可短至12個月，較大的航改型輪機（約50兆瓦）可能長達36個月。這些系統(tǒng)安裝很快（通常2-4周），但工廠預(yù)訂量巨大。一個變通方法是使用卡車裝載輪機，如果可用，可以快速租賃和部署。xAI正是采用了這一策略，與SolarisEnergyInfrastructure合作，縮短了其Colossus1和2項目的供電時間。
工業(yè)燃氣輪機
工業(yè)燃氣輪機與航改型輪機工作原理相同，并共享緊湊占地面積、模塊化和相對較短交貨期等優(yōu)點。但它們是專為固定使用從頭設(shè)計的，而非從航空領(lǐng)域改裝而來。它們通常在較低的入口溫度下運行，并使用更簡單的設(shè)計，這以犧牲效率和爬坡速度為代價降低了服務(wù)成本。
簡單循環(huán)的工業(yè)燃氣輪機功率范圍大約為5-50兆瓦，從冷態(tài)爬升至滿負荷輸出約需20分鐘。這使得它們自身速度太慢，無法在沒有電池或柴油機組幫助的情況下作為調(diào)峰電廠或應(yīng)急備用電源。與航改型類似，工業(yè)燃氣輪機可以升級為聯(lián)合循環(huán)配置，提高效率的同時進一步減慢爬坡率。
最常見的專用工業(yè)燃氣輪機是西門子能源SGT-800和SolarTitan系列。然而，較小的重型燃氣輪機如GEVernova6B有時也承擔(dān)類似用例。
按照目前的價格，工業(yè)燃氣輪機的全投資本支出在$1,500-1,800/kW之間，交貨期約為12-36個月，與航改型相似。然而，采購二手或翻新工業(yè)燃氣輪機可以將交貨期縮短至12個月以內(nèi)，這正是FermiAmerica獲取電力的方式。
總體而言，我們認為航改型輪機和工業(yè)燃氣輪機是現(xiàn)場發(fā)電非常具有吸引力的解決方案，因為：
"尺寸合適"：足夠小以便于冗余，足夠大以避免現(xiàn)場單元過多并使維護復(fù)雜化。
爬坡速度快：雖然它們能效不如其他方案，但它們更容易被重新用作備用電源。
部署快速：普通卡車和施工隊即可運輸和安裝它們，而不是重型燃氣輪機所需的那種重型起重基礎(chǔ)設(shè)施。
我們將在報告后面討論部署考慮因素時探討這些概念。航改型和工業(yè)燃氣輪機的主要問題是交貨期越來越長。
燃氣輪機中供應(yīng)最緊張的部件是渦輪葉片和核心機，它們必須承受高溫和高速。這些葉片使用含有錸、鈷、鉭、鎢、釔等稀土金屬的奇異單晶鎳基合金。
往復(fù)式發(fā)動機
往復(fù)式發(fā)動機工作原理類似于汽車發(fā)動機，但規(guī)模大得多，一臺11兆瓦的發(fā)動機長度可能超過45英尺（14米）。它們使用四沖程燃燒循環(huán)，并根據(jù)轉(zhuǎn)速劃分：
高速發(fā)動機–約1,500轉(zhuǎn)/分鐘；占地面積和輸出較小。
中速發(fā)動機–約750轉(zhuǎn)/分鐘；由于機械應(yīng)力較低，通常維護成本較低。
活塞機可以在10分鐘內(nèi)從冷態(tài)爬升至滿負荷輸出，實際上與航改型相似。這使得活塞機可以作為調(diào)峰電廠或備用發(fā)電機，無需柴油備用電源。理論上，活塞機的運維成本看起來比輪機高，因為活動部件更多。但實際上，它們比許多輪機更好地處理燃料雜質(zhì)、粉塵和高環(huán)境溫度，并且在炎熱氣候下性能下降較少。
中速發(fā)動機制造業(yè)相當(dāng)集中，主要制造商是瓦錫蘭、BergenEngines和Everllence。
高速發(fā)動機制造業(yè)不如輪機那樣集中。除了顏巴赫、卡特彼勒、康明斯和勞斯萊斯子公司MTU等主要參與者外，還有眾多制造商，因為高速燃氣發(fā)動機在功能上等同于目前許多數(shù)據(jù)中心用于備用電源的柴油發(fā)動機設(shè)計。最具影響力的往復(fù)式發(fā)動機是顏巴赫J624，這是一臺4.5兆瓦渦輪增壓燃氣發(fā)動機，可以集裝箱化以便物流。該系統(tǒng)是VoltaGrid能源集成服務(wù)的首選發(fā)電機。
活塞機系統(tǒng)通常單位功率低于同等輪機。中速發(fā)動機功率在7兆瓦到20兆瓦之間，更高功率輸出通過渦輪增壓實現(xiàn)。高速發(fā)動機更小，單位輸出功率在3兆瓦到5兆瓦之間。然而，在50%到80%的部分負載下運行時，活塞發(fā)電機比輪機效率更高。
往復(fù)式發(fā)動機的運行溫度遠低于燃氣輪機，接近600°-700°C。這極大地減少了對高性能合金的需求。只有活塞、燃燒室和渦輪增壓器中的高溫部件仍然需要稀有鎳和鈷合金，其余部分可以用簡單的鑄鐵、鋼和鋁制造。然而，總體而言，活塞機對關(guān)鍵礦物的依賴程度較低，特別是在材料供應(yīng)緊張時期放寬排放控制的情況下。
按照目前的價格，往復(fù)式發(fā)動機的全投資本支出在$1,700-2,000/kW之間，交貨期為15-24個月。與輪機相比，這些系統(tǒng)的制造延遲較少；制造時間線更接近12-18個月。然而，中速活塞機比輪機重得多，安裝和調(diào)試可能需要長達約10個月。
高速發(fā)動機的部署可以快得多。例如，在最初的Colossus1部署中，xAI利用了34臺VoltaGrid卡車裝載系統(tǒng)，集成了顏巴赫的高速發(fā)動機。高速發(fā)動機特別受能源采購供應(yīng)商的歡迎。它們的廣泛可用性和小單元尺寸提供了更快的供電時間。我們在下方展示了VoltaGrid在圣安東尼奧的50兆瓦部署，配備了二十臺顏巴赫J620。
權(quán)衡之處在于規(guī)模：用5兆瓦發(fā)動機構(gòu)建一個2吉瓦的現(xiàn)場燃氣系統(tǒng)，你需要500個單元！這帶來重大的運營后果。如果每臺發(fā)動機每2,000小時需要一次小維護，那么維護人員每年將執(zhí)行超過2,000次服務(wù)，每周近40次。這些成本比輪機大修（可能涉及更換整個核心機）更可預(yù)測，但它們會累積，特別是對于擁有許多小單元的集群。空間和備件庫存也會類似地增加，盡管小型發(fā)電機的垂直堆疊可以緩解土地使用問題，這對于中速發(fā)動機來說是不可能的。
燃料電池與BloomEnergy的崛起
一個相當(dāng)小眾的解決方案正在占據(jù)越來越大的市場份額：燃料電池。通常與氫能相關(guān)聯(lián)，BloomEnergy的SOFC固體氧化物燃料電池也可以使用天然氣運行，并被定位為基荷發(fā)電。我們早在2024年就在數(shù)據(jù)中心模型中指出了BloomEnergy是贏家。自那以后，訂單激增。
Bloom的"能源服務(wù)器"由多個約1千瓦的電堆組成，組裝成約65千瓦的模塊，并打包成325千瓦的發(fā)電機組。迄今為止，最大的運營中SOFC發(fā)電廠規(guī)模在數(shù)十兆瓦，主要在美國和韓國。
它們產(chǎn)生能量的方式與傳統(tǒng)發(fā)電機非常不同。沒有燃燒過程。相反，氧氣被電化學(xué)還原成氧離子，流經(jīng)陶瓷電解質(zhì)。在燃料電池的另一端，這些離子與從甲烷天然氣中剝離出來的氫原子結(jié)合。這種結(jié)合釋放出水、二氧化碳和電能。
這種根本性差異為Bloom的燃料電池提供了關(guān)鍵優(yōu)勢：它們不會產(chǎn)生嚴重的空氣污染（除了CO?）。在EPA層面的許可比燃燒發(fā)電機要順利和容易得多。這就是為什么我們經(jīng)常在人口中心附近看到它們，例如辦公室附近。
Bloom的殺手锏是部署速度。它幾乎只需要預(yù)制基座和簡單的模塊安裝。一旦考慮到電氣工程、安裝和調(diào)試，幾周內(nèi)即可完成，與航改型輪機和高速活塞機的速度相當(dāng)。
在AI時代，速度就是護城河，僅這一優(yōu)勢就足以讓Bloom占據(jù)一席之地。
Bloom的主要挑戰(zhàn)是成本。燃料電池效率相當(dāng)好，等效熱耗率為6,000-7,000BTU/kWh，這與聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機相當(dāng)。然而，燃料電池系統(tǒng)的成本明顯高于輪機或活塞系統(tǒng)，資本支出成本在$3,000-$4,000/kW之間。Bloom沒有宣傳爬坡率，這表明這些單元速度太慢，無法作為調(diào)峰或應(yīng)急備用。
歷史上，維護成本也明顯高于其他解決方案。單個燃料電池電堆壽命大約5-6年，然后必須更換和翻新。這種逐電堆更換約占服務(wù)成本的65%，盡管具體數(shù)字嚴格保密。


我們將在付費墻后分享Bloom燃料電池的總擁有成本估算。
重型燃氣輪機：BYOG的未來？
在ChatGPT出現(xiàn)之前，只有公用事業(yè)公司和獨立電力生產(chǎn)商有理由購買大于250兆瓦的燃氣輪機，因為超過這個閾值的輪機對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來說太大了。如上所述，部署速度是一個問題，然而，我們越來越多地看到開發(fā)商通過較小的航改型輪機/活塞機提供"過渡電力"，然后在大聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機投入運行后，將它們轉(zhuǎn)為備用/冗余。
大型輪機根據(jù)燃燒溫度和技術(shù)棧分為幾類：
E級和F級–較舊、溫度較低、效率較低的設(shè)計。一些F級機組仍在銷售，通常是進入新興市場，因為它們以較低的資本支出提供了不錯的效率。工業(yè)輪機和小的E/F級輪機的界限模糊，下面這些著名型號跨越了這條界限：
GEVernova6B
GEVernova7E
西門子能源SGT6-2000E
H級及同等產(chǎn)品–現(xiàn)代、高溫設(shè)計。這些機組的燃燒溫度與現(xiàn)代航改型和噴氣發(fā)動機相當(dāng)，但單位功率大約是其10倍。最突出的例子是：
GEVernovaHA系列
西門子能源H/HL
三菱重工J系列
最近，韓國公司斗山能源已經(jīng)開始生產(chǎn)新的H級輪機DGT6。在一個有十年歷史的市場中看到新進入者很少見，但斗山在蒸汽輪機制造方面經(jīng)驗豐富，并有建造三菱設(shè)計的F級輪機的記錄。
這些系統(tǒng)既龐大又沉重。安裝和調(diào)試過程可能需要一段時間。
聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機
聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機利用了這樣一個事實：簡單循環(huán)的排氣仍然很熱，足以將水煮沸成蒸汽。將排氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，用于驅(qū)動單獨的蒸汽輪機和發(fā)電機。其結(jié)果是，相同的燃料產(chǎn)生第二輪電力。通過將一個輪機的廢熱變成另一個輪機的財富，聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機可以比簡單循環(huán)輪機效率提高50-80%。
最受大型負載推崇的聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機是重型聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機，可以達到吉瓦級的輸出功率。然而，即使是小型航改型或工業(yè)燃氣輪機也可以與集成的蒸汽輪機一起出售，這可以在幾乎相同的燃料輸入下顯著增加功率輸出。常見的配置有：
1x1–一臺燃氣輪機驅(qū)動一臺蒸汽輪機
2x1–兩臺燃氣輪機驅(qū)動一臺蒸汽輪機
理論上，更多的燃氣輪機可以驅(qū)動一臺蒸汽輪機，但收益遞減。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的主要缺點是爬坡率：增加蒸汽輪機將冷啟動到滿負荷輸出的時間減慢到30分鐘或更長。
另一個主要缺點是交貨期。安裝和調(diào)試時間甚至比簡單循環(huán)部署更長。
從設(shè)備到執(zhí)行：部署、挑戰(zhàn)、經(jīng)濟學(xué)
了解設(shè)備格局是必要的，但還不夠。現(xiàn)場燃氣的真正復(fù)雜性不在于選擇LM2500還是顏巴赫J624——而在于如何配置、部署和運行這些系統(tǒng)以滿足數(shù)據(jù)中心正常運行時間要求。
電網(wǎng)是系統(tǒng)工程的一個奇跡：成千上萬的發(fā)電機、數(shù)百條輸電線路和復(fù)雜的市場機制共同提供了99.93%的平均正常運行時間。當(dāng)你脫離電網(wǎng)時，你自己承擔(dān)了這種復(fù)雜性——用一個單一的發(fā)電廠來匹配電網(wǎng)級的可靠性。冗余和正常運行時間是現(xiàn)場燃氣發(fā)電成本在大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)性遠高于電網(wǎng)供電的關(guān)鍵原因。
下一節(jié)將考察領(lǐng)先的部署如何應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，以及對設(shè)備選擇意味著什么。
Crusoe和xAI：過渡電力部署
迄今為止最流行的現(xiàn)場燃氣策略之一是"過渡電力"。數(shù)據(jù)中心園區(qū)與電網(wǎng)積極溝通以獲得電力服務(wù)，但通過現(xiàn)場發(fā)電提前開始運營。
過渡電力清除了電力作為運營瓶頸，允許數(shù)據(jù)中心提前數(shù)月開始訓(xùn)練模型或產(chǎn)生收入。這種加速是顯著的！AI云收入每年每兆瓦可達1000-1200萬美元，這意味著即使提前六個月為200兆瓦的數(shù)據(jù)中心供電并上線，也能帶來10-12億美元的收入。
過渡電力帶來兩個優(yōu)勢：
正常運行時間要求可以與工作負載匹配。例如，在德克薩斯州阿比林和田納西州孟菲斯，xAI和Crusoe/OpenAI都在部署大型訓(xùn)練集群。考慮到大型GPU集群固有的不可靠性，訓(xùn)練作業(yè)不需要特別高的正常運行時間。因此，可以避免為冗余而"過度建設(shè)"發(fā)電廠。一旦電網(wǎng)連接獲得保障，園區(qū)可以更靈活地用于推理。
通過取消柴油發(fā)電機備份實現(xiàn)有利的經(jīng)濟性。在孟菲斯和阿比林，沒有備用電源降低了數(shù)據(jù)中心每兆瓦的資本支出。一旦獲得電網(wǎng)連接，輪機可以作為備用電源——因此，優(yōu)先選擇快速爬坡系統(tǒng)，例如航改型輪機。
為了確保合理的正常運行時間，xAI將輪機與Megapacks配對。這也使得能夠平滑負載波動——我們將在下面討論這個問題。
永遠離網(wǎng)：冗余挑戰(zhàn)，能源即服務(wù)
許多發(fā)電機供應(yīng)商建議數(shù)據(jù)中心所有者永遠不要麻煩與更廣泛的電網(wǎng)互聯(lián)；相反，他們認為他們的數(shù)據(jù)中心客戶應(yīng)該永遠保持離網(wǎng)狀態(tài)。像VoltaGrid這樣的公司提供完整的"能源即服務(wù)"套餐，管理電力服務(wù)的所有方面：
電能–容量兆瓦和能量兆瓦時
電能質(zhì)量–電壓和頻率容差
可靠性–目標(biāo)的"幾個9"正常運行時間
供電時間–從合同到運營的月份
他們通常與客戶簽訂長期購電協(xié)議，客戶支付電力服務(wù)費用——能源即服務(wù)供應(yīng)商實質(zhì)上充當(dāng)了公用事業(yè)公司的角色。他們采購設(shè)備、設(shè)計部署、有時組裝物料清單、并維護和運營發(fā)電廠。
部署離網(wǎng)發(fā)電的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理冗余。例如，位于德克薩斯州沙克爾福德縣的1.4吉瓦VantageDC園區(qū)將部署2.3吉瓦的VoltaGrid系統(tǒng)。這些系統(tǒng)較小，便于冗余——但如果你要用大型重型輪機部署現(xiàn)場發(fā)電，冗余方案可能只是簡單地擁有兩個發(fā)電廠，甚至更多。
發(fā)電機制造商通常會建議至少采用N+1配置，甚至N+1+1配置。N+1配置在一臺發(fā)電機意外停機時仍能維持全部發(fā)電能力，而N+1+1配置在保持這種靈活性的同時，還額外有一臺發(fā)電機處于待命狀態(tài)以進行維護周期。這相當(dāng)于駕駛一輛帶有備胎和補胎套件的汽車。請注意，N+1或N+1+1不一定指發(fā)電機的字面數(shù)量，因為數(shù)據(jù)中心負載通常遠大于單個現(xiàn)場燃氣發(fā)電機。例如，考慮一個總功耗（IT+非IT）為200兆瓦的數(shù)據(jù)中心：
示例1：11兆瓦活塞機
發(fā)電集群：26×11兆瓦活塞機組
總?cè)萘浚?86兆瓦
正常運行時：
23臺發(fā)動機以約80%負載運行，產(chǎn)生200+兆瓦。
一臺發(fā)電機故障：22臺發(fā)動機適度提升至約82%負載。
3臺備用發(fā)動機用于維護或作為冷備用。
以低于滿負荷運行發(fā)動機降低了運維成本，額外的機組為維護調(diào)度提供了緩沖。
NexusDatacenter采用了類似的方法：他們最近申請了一個空氣許可，部署三十臺Everllence18V51/60G燃氣發(fā)動機，每臺功率20.4兆瓦，總計613兆瓦的發(fā)電能力。該站點還將包括152兆瓦的柴油備用發(fā)電，這可能滿足了整個站點的N+1冗余要求。
示例2：30兆瓦航改型輪機
發(fā)電集群：9×30兆瓦航改型機組
總?cè)萘浚?70兆瓦
正常運行時：
7臺輪機以約95%負載運行以獲得最佳效率。
一臺輪機故障：第8臺輪機啟動，保持輸出。
第9臺輪機留作維護備用。
由于輪機大修比發(fā)動機維護更具破壞性，一些供應(yīng)商提供熱插拔計劃：將需要大修的輪機替換為一個替換核心。
在炎熱氣候下，如美國西南部，性能降額可能需要10-11臺航改型輪機來維持N+1+1冗余。
Crusoe為Oracle和OpenAI在阿比林的站點采用了這種設(shè)置的變體，部署了十臺輪機，包括五臺GEVernovaLM2500XPRESS航改型燃氣輪機和五臺Titan350，銘牌發(fā)電能力為360兆瓦。
示例3：Meta+WilliamsSocratesSouth
Meta和Williams正在建造兩座200兆瓦的專供式燃氣發(fā)電廠，為Meta的新奧爾巴尼中心供電，我們在本文中已經(jīng)報道過：Meta在俄亥俄州的新型超快"帳篷"數(shù)據(jù)中心
SocratesSouth項目是一個混合集群：
3×SolarTitan250工業(yè)燃氣輪機
9×SolarTitan130工業(yè)燃氣輪機
3×SiemensSGT-400工業(yè)燃氣輪機
15×Caterpillar3520快速啟動發(fā)動機
圍墻內(nèi)的銘牌容量為306兆瓦：輪機約260兆瓦，發(fā)動機46兆瓦。正常情況下，一部分工業(yè)燃氣輪機穩(wěn)定運行以提供200兆瓦電力。如果一兩臺工業(yè)燃氣輪機跳閘，活塞機集群可以快速爬坡來填補缺口。額外的工業(yè)燃氣輪機可用于維護切換。這支持了專供式的N+1+1設(shè)計。
然而，與前兩個例子相比，這是一個拼湊的實現(xiàn)方案。輪機型號不匹配，使用的發(fā)動機是較小的1800轉(zhuǎn)/分鐘高速燃氣發(fā)動機。這表明Williams優(yōu)先考慮了供電時間，而非標(biāo)準(zhǔn)化的維護計劃。
匹配電網(wǎng)正常運行時間：過度建設(shè)、電網(wǎng)作為備份、電池
為了匹配電網(wǎng)提供的"三個9"的正常運行時間，現(xiàn)場發(fā)電廠必須為冗余而"過度建設(shè)"。這通常是現(xiàn)場發(fā)電成本相對于電網(wǎng)較高的關(guān)鍵原因。
冗余給運營商帶來了新的難題：系統(tǒng)規(guī)模與"過度建設(shè)"比率之間存在權(quán)衡。雖然H級和F級輪機比航改型輪機更節(jié)能，但更高的冗余需求意味著，如果設(shè)計不當(dāng)，基于重型輪機的孤島系統(tǒng)可能會產(chǎn)生比航改型輪機更高的電力成本。必須考慮其他解決方案，而不是簡單的"過度建設(shè)"，例如使用較小的輪機作為"備用"、電池，甚至電網(wǎng)連接。
為了理解過度建設(shè)比率，我們可以用一個實際例子。在德克薩斯州沙克爾福德縣，VoltaGrid用2.3吉瓦的顏巴赫系統(tǒng)為1.4吉瓦的數(shù)據(jù)中心供電，過度建設(shè)率為64%。我們可以這樣分解：
峰值PUE過度建設(shè)：與德克薩斯州典型的電網(wǎng)連接站點一樣，存在1.4x-1.5x的過度配置，主要與冷卻相關(guān)。
還有額外的10-17%過度建設(shè)與冗余相關(guān)。
對于H/F級系統(tǒng)，簡單的過度建設(shè)通常不是最經(jīng)濟的路徑。一些運營商考慮僅為備用目的連接電網(wǎng)——但這引入了互聯(lián)時間表的挑戰(zhàn)，并使選址過程復(fù)雜化。也可以建造一個巨大的電池工廠——如下面xAI的Colossus2部署所示——但這既昂貴又不切實際，因為典型的存儲持續(xù)時間只有2-4小時。最后，可以使用不同尺寸的輪機和發(fā)動機組合，H級聯(lián)合循環(huán)作為基荷運行，工業(yè)燃氣輪機/航改型輪機/活塞機作為備用——但這通常比電網(wǎng)連接或2-4小時的電池儲能系統(tǒng)更昂貴。
管理負載波動
AI計算負載，特別是訓(xùn)練負載，是高度可變的，包括亞秒級的兆瓦級功率激增和驟降。電力系統(tǒng)慣性越大，就越能在維持電力頻率的同時管理短期功率波動。如果頻率偏離50赫茲或60赫茲的基線太遠，功率波動可能導(dǎo)致斷路器跳閘或設(shè)備故障。所有熱力發(fā)電機都有一定的慣性，因為它們是通過旋轉(zhuǎn)的重物發(fā)電的。然而，開發(fā)者可以通過輔助系統(tǒng)增加慣性：
同步調(diào)相機–這些本質(zhì)上是作為電動機旋轉(zhuǎn)起來的發(fā)電機，沒有機械負載。一旦與電網(wǎng)同步，它們只消耗少量損耗。在突然的負載變化期間，它們吸收或供應(yīng)無功功率，穩(wěn)定電壓并增加短時慣性。它們的能量容量很小，因此只能幫助幾秒鐘，而不是幾分鐘。
飛輪 –這些增加了一個真正的旋轉(zhuǎn)能量緩沖器。一個電動-發(fā)電機組耦合到一個大飛輪，并連接在發(fā)電和負載之間。飛輪可以注入或吸收有功功率（而不僅僅是無功功率）5-30秒，平滑瞬態(tài)、發(fā)電機跳閘和電壓驟降。例如，Bergen通過一家附屬供應(yīng)商將飛輪與其發(fā)動機打包提供。
電池儲能系統(tǒng) –電池可以像負載變化一樣快速爬坡，通過高速控制提供"合成慣性"，如前一篇文章所述。它們在頻率調(diào)節(jié)方面表現(xiàn)出色，但由于逆變器電流受限，它們對無功功率和故障電流的貢獻不如同步電機。
VoltaGrid將活塞機集群與同步調(diào)相機結(jié)合使用。BergenEngines已經(jīng)通過同一母公司旗下的供應(yīng)商銷售帶有飛輪的發(fā)動機。發(fā)動機制造商瓦錫蘭有一個電池儲能部門，他們可能會將其與數(shù)據(jù)中心項目捆綁。Bloom聲稱其燃料電池系統(tǒng)不需要任何設(shè)備來管理負載波動。具體使用的系統(tǒng)取決于當(dāng)?shù)氐南拗茥l件，但主要取決于供應(yīng)商偏好使用什么。xAI偏好使用特斯拉的Megapack進行備份和處理負載波動。
Megapacks+MACROHARD
我們是否能夠建造足夠的燃氣發(fā)電廠來為AI供電？
目前燃氣發(fā)電系統(tǒng)的交貨期是前所未有的。歷史上，燃氣輪機制造商平均只接受工廠發(fā)貨前20個月的訂單，但現(xiàn)在三大制造商GEVernova、西門子能源和三菱動力正在接受2028年和2029年的訂單，甚至還有之后不可退款的預(yù)訂席位。每個公開的燃氣系統(tǒng)制造商都報告了數(shù)據(jù)中心需求的增長，但大多數(shù)都反應(yīng)謹慎，而不是全面擴張。
GEVernova已承諾將產(chǎn)量提高到24吉瓦/年，但這只是回到其2007-2016年的水平。他們正在投資新員工和機械，但不打算增加工廠占地面積。
西門子能源也計劃投資生產(chǎn)而不增加工廠占地面積。相反，他們優(yōu)先考慮價格上漲，依賴服務(wù)收入，并優(yōu)先考慮投資回報期短的投資。他們計劃到2028-30年將年產(chǎn)能從約20吉瓦擴大到>30吉瓦。
三菱重工在最近的財報電話會議上表示計劃將燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)產(chǎn)量增加30%，這與彭博社關(guān)于計劃到2027年將產(chǎn)能翻倍的報道相矛盾。
卡特彼勒計劃在2024年至2030年間將發(fā)動機產(chǎn)量翻倍，渦輪機產(chǎn)量增加2.5倍，但其Solar品牌渦輪機在2020-2024年間平均年產(chǎn)量約為600兆瓦，2022年峰值產(chǎn)量為1.2吉瓦。
瓦錫蘭只承諾漸進式擴張，寧愿"觀望"數(shù)據(jù)中心需求，并保持與海運客戶的關(guān)系。
在主要的燃氣發(fā)電機制造商中，只有BloomEnergy、卡特彼勒和新進入者BoomSupersonic宣布了雄心勃勃的擴張計劃。BloomEnergy聲稱到2026年底可以達到2吉瓦/年的生產(chǎn)能力，BoomSupersonic計劃到2028年底達到2吉瓦/年。乍看之下，盡管需求激增，但似乎很少有制造商完全接受"通用人工智能信念"。這種猶豫部分反映了真實的制造限制；大部分則反映了對燃氣發(fā)電行業(yè)30年繁榮-蕭條周期的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。值得注意的是，最嚴重的瓶頸在重型輪機。航改型輪機、工業(yè)燃氣輪機和活塞機系統(tǒng)的限制較少。
燃氣輪機的兩次繁榮-蕭條周期
自90年代中期以來，燃氣輪機行業(yè)經(jīng)歷了兩次繁榮-蕭條周期。第一次繁榮，在1997年至2002年間，由美國部分地區(qū)的電力放松管制推動，這吸引了新公司成為獨立電力生產(chǎn)商，以及（諷刺的是）由Huber和Mills的論文"TheInternetBeginswithCoal"所普及的、來自互聯(lián)網(wǎng)泡沫對電力需求增長的高預(yù)期。
像Calpine、Duke、Williams和NRG這樣的大型企業(yè)大批訂購輪機，將GEVernova和西門子能源的訂單量推至頂峰。GE在2001年出貨了超過60吉瓦的燃氣輪機；西門子在2002年達到20+吉瓦的峰值。
崩盤來得很快。互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂，安然丑聞動搖了電力交易業(yè)務(wù)，訂單枯竭，使GE和西門子陷入了長達數(shù)年的制造寒冬。燃氣輪機行業(yè)的第二次"繁榮"更像是一種訂單穩(wěn)定的狀態(tài)，而非真正的繁榮。在2006年至2016年間，GE平均每年出貨約20吉瓦輪機，西門子約15吉瓦/年。然后，在2017年至2022年間，市場徹底崩潰，GE和西門子的年產(chǎn)量都降至10吉瓦以下的歷史低點。
這兩家大公司既有對Y2K燃氣輪機繁榮期的機構(gòu)記憶，也有對銷售處于歷史低點的近期記憶。值得注意的是，三菱重工在很大程度上避開了這些繁榮-蕭條周期。直到最近，三菱重工銷售的硬件數(shù)量僅占GEVernova和西門子能源的一小部分。它成為"三大"之一，僅僅是因為更大的公司已縮減到其銷售規(guī)模，而阿爾斯通能源和西屋等其他參與者已經(jīng)關(guān)閉或被收購。這可能部分解釋了MHI對擴張的興趣，盡管其所謂的翻倍計劃在財報電話會議上并未得到證實。
供應(yīng)鏈瓶頸
然而，在燃氣輪機內(nèi)部，即使保證未來需求高漲，也可能不會推動增加產(chǎn)量，因為燃氣輪機核心機的生產(chǎn)和物流存在內(nèi)部瓶頸。
燃氣輪機葉片和靜葉是現(xiàn)代工業(yè)文明技術(shù)能力的巔峰之一，需要極其高質(zhì)量的冶金和加工技術(shù)才能正確制造。
渦輪葉片和靜葉是現(xiàn)代工業(yè)制造的最苛刻的部件之一。制造它們需要非凡的冶金和加工精度。因此，西方的生產(chǎn)集中在四家公司：PrecisionCastpartsCorporation、HowmetAerospace、ConsolidatedPrecisionProducts、Doncasters。
這些公司不僅供應(yīng)工業(yè)和電力燃氣輪機，還供應(yīng)民用和軍用噴氣發(fā)動機。除CPP外，其他公司都有垂直整合的金屬供應(yīng)，但它們的規(guī)模只是其客戶的一小部分，因此更容易受到市場沖擊的影響。第二次燃氣輪機蕭條與COVID導(dǎo)致航空航天訂單下滑同時發(fā)生，這意味著這些公司最近受到了相當(dāng)大的打擊。需求增加不僅需要這些公司雇用更多的專業(yè)員工，還需要考慮釔、錸、單晶鎳和鈷等材料的供應(yīng)鏈。更重要的是，他們可能不愿意進行這些投資，因為如果跟隨AI泡沫跌落懸崖，他們損失最大。
此外，重型燃氣輪機的生產(chǎn)受到物流限制。僅輪機核心就是300-500噸的系統(tǒng)，需要專門的駁船、鐵路貨車和卡車拖車運輸。即使在獲得許可后，重型燃氣輪機也需要24-30個月來建造、安裝和測試，然后才能運行。售后市場的OEM可以圍繞翻新的核心建造新電廠，但移動和集成這些核心仍然是一個重大挑戰(zhàn)。這些限制對于航改型輪機和工業(yè)燃氣輪機來說不那么嚴重，它們小到可以用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱或常規(guī)拖車運輸。
新進入者來救援：從飛機到輪船？
通常，在受限時期，許多聰明的公司都在探索解決方案。ProEnergy是最早帶來創(chuàng)新的公司之一。其PE6000項目改造了來自波音747的CF6-80C2發(fā)動機核心，并提供與GEVernovaLM6000規(guī)格和封裝幾乎相同的運營航改型燃氣輪機。
最近，BoomSupersonic宣布開發(fā)基于其超音速噴氣發(fā)動機設(shè)計的Superpower航改型燃氣輪機。其提議的外形與GEVernovaLM2500非常相似，并且運行原理相同：一臺可以裝入一個集裝箱的小型噴氣發(fā)動機（輔助進氣、控制和排氣設(shè)備裝入另外1-2個集裝箱）。該發(fā)動機的測試仍在進行中，但初步宣傳規(guī)格顯示，即使在高溫環(huán)境空氣下，Superpower每單元也能產(chǎn)生42兆瓦電力。
首批1.2吉瓦的產(chǎn)量已被Crusoe預(yù)訂，目標(biāo)是在2027年達到200兆瓦產(chǎn)量，2028年達到1吉瓦，2029年達到2吉瓦。初始訂單價格表明硬件成本為$1,000/kW，但這個數(shù)字不包括平衡系統(tǒng)、運輸或調(diào)試費用，不應(yīng)直接與全包成本數(shù)據(jù)進行比較。BoomSupersonic擁有葉片和靜葉生產(chǎn)的垂直整合能力，但依賴外部供應(yīng)商進行冶金，這可能仍然是一個供應(yīng)鏈瓶頸。
我們還沒有看到其他公司加入改裝的行列。然而，中速發(fā)動機主要由擁有長期造船發(fā)動機制造經(jīng)驗的公司制造——例如瓦錫蘭。事實上，它們基本上是相同的發(fā)動機，可以在同一設(shè)施中制造。我們什么時候會看到舊的船用發(fā)動機被改裝來為數(shù)據(jù)中心供電？
現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)向比較不同的解決方案和制造商。我們還將分析現(xiàn)場發(fā)電的經(jīng)濟性和總擁有成本，并將其與美國電網(wǎng)進行比較。
新進入者來救援：從飛機到輪船？
通常，在供應(yīng)受限時期，許多聰明的公司會探索解決方案。ProEnergy是最早帶來創(chuàng)新的公司之一。其PE6000項目改進了來自波音747的CF6-80C2發(fā)動機核心，生產(chǎn)出運行特性與GEVernovaLM6000幾乎相同的航改型燃氣輪機。
最近，BoomSupersonic宣布開發(fā)基于其超音速噴氣發(fā)動機設(shè)計的Superpower航改型燃氣輪機。其提出的外形與GEVernovaLM2500極為相似，并遵循相同原理：一個可以裝入單個集裝箱的小型噴氣發(fā)動機（輔助進氣、控制和排氣設(shè)備則裝入另外1-2個集裝箱）。該發(fā)動機的測試仍在進行中，但初步宣傳規(guī)格顯示，Superpower每單元可產(chǎn)生42兆瓦電力，即使在環(huán)境空氣溫度較高時也是如此。
首批1.2吉瓦的產(chǎn)量已由Crusoe預(yù)訂，目標(biāo)是在2027年實現(xiàn)200兆瓦產(chǎn)量，2028年1吉瓦，2029年2吉瓦。初始訂單價格暗示硬件成本約為每千瓦1000美元，但此數(shù)字不包括平衡系統(tǒng)設(shè)備、運輸或調(diào)試費用，不應(yīng)直接與全包成本數(shù)據(jù)比較。BoomSupersonic已垂直整合了葉片和靜葉的生產(chǎn)，但依賴外部供應(yīng)商提供冶金材料，這可能仍是一個供應(yīng)鏈瓶頸。
我們尚未看到其他公司加入改裝的行列。然而，中速發(fā)動機主要由擁有長期造船發(fā)動機制造經(jīng)驗的公司制造——例如瓦錫蘭。實際上，它們基本是相同的發(fā)動機，可以在同一設(shè)施中制造。我們何時會看到舊的船用發(fā)動機被改造用于為數(shù)據(jù)中心供電？
現(xiàn)在，讓我們將注意力轉(zhuǎn)向比較不同的解決方案和制造商。我們還將分析現(xiàn)場發(fā)電的經(jīng)濟性和總擁有成本，并將其與美國電網(wǎng)進行比較。
現(xiàn)場發(fā)電經(jīng)濟性分析
現(xiàn)場發(fā)電的關(guān)鍵經(jīng)濟問題是：與從電網(wǎng)購電相比，其總擁有成本是高是低？
我們的分析表明，對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心而言，現(xiàn)場發(fā)電更昂貴。在美國大部分地區(qū)，大型工業(yè)用戶的電網(wǎng)供電價格在每兆瓦時40至80美元之間。對于新建的聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電廠，若其資本成本能分攤到20年以上，平準(zhǔn)化度電成本可低至每兆瓦時40至55美元（不包括輸電和配電成本）。
而現(xiàn)場發(fā)電的成本則高出許多：

• 航改型輪機/工業(yè)燃氣輪機：平準(zhǔn)化度電成本約為每兆瓦時80至120美元。
• 活塞發(fā)動機：平準(zhǔn)化度電成本約為每兆瓦時90至130美元。
• 燃料電池：平準(zhǔn)化度電成本約為每兆瓦時120至180美元。

主要驅(qū)動因素包括：
資本成本高：現(xiàn)場發(fā)電機組的每千瓦資本支出通常是公用事業(yè)規(guī)模燃氣輪機的兩到三倍。
燃料成本：雖然燃料成本本身大致相同，但現(xiàn)場小型機組的效率通常低于大型聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機，這意味著每單位發(fā)電消耗更多燃料。
運維成本：分布式發(fā)電機組的維護和運營成本更高，尤其是當(dāng)它們需要頻繁啟停或低負載運行時。
冗余成本：如上所述，為匹配電網(wǎng)可靠性而進行的過度建設(shè)會顯著增加資本支出。
然而，將現(xiàn)場發(fā)電視為"更昂貴"的選項，可能會錯過其核心價值主張：時間價值。對于AI工作負載，推遲上線六個月的損失可達數(shù)十億美元。因此，即使現(xiàn)場發(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本高出50%，只要能提前數(shù)月甚至數(shù)年上線，其凈現(xiàn)值也可能是正數(shù)。這就是為什么xAI、OpenAI、Crusoe等公司愿意支付溢價：他們是在購買時間。
設(shè)備與制造商定位
基于我們的數(shù)據(jù)中心模型跟蹤，我們對主要參與者的市場定位看法如下：
GEVernova：憑借其LM系列航改型輪機和HA級重型輪機，占據(jù)了高端市場。他們受益于品牌認知度、廣泛的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及在快速部署解決方案方面的早期成功。然而，其交貨期最長，可能將部分需求推送給競爭對手。
西門子能源：在工業(yè)燃氣輪機和中型航改型輪機方面實力強大。他們的SGT-800是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的流行選擇。與GE類似，他們面臨交貨期延長的問題，但可能更靈活地應(yīng)對中型項目。
三菱重工：作為相對較晚進入數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的參與者，他們可能憑借可用的產(chǎn)能和積極的定價獲得市場份額。其J系列輪機效率高，但在快速部署解決方案方面認知度較低。
卡特彼勒/SolarTurbines：憑借Titan和Saturn系列工業(yè)燃氣輪機，以及模塊化、可運輸?shù)慕鉀Q方案，成為了關(guān)鍵參與者。他們受益于與xAI的早期合作，以及通過SolarisEnergyInfrastructure等合作伙伴提供的租賃模式。
瓦錫蘭：在中速發(fā)動機市場占據(jù)主導(dǎo)地位，并將其船舶專業(yè)知識應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。他們提供可靠的基荷電力，但爬坡速度較慢，且對大規(guī)模部署眾多小型單元帶來的運維復(fù)雜性持謹慎態(tài)度。
顏巴赫/INNIO集團：在高速發(fā)動機領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，特別是通過與VoltaGrid的集成，提供"能源即服務(wù)"解決方案。他們最適合需要快速部署和運營靈活性的項目。
BloomEnergy：在高密度城市區(qū)域或環(huán)境許可嚴格的地點具有獨特優(yōu)勢。其部署速度是最大賣點，但高昂的成本限制了其廣泛采用。他們需要證明其長期可靠性和降低維護成本。
BoomSupersonic：一個潛在的顛覆者。如果他們能如期交付Superpower輪機，并實現(xiàn)承諾的每千瓦1000美元的硬件成本，他們可能會從現(xiàn)有制造商手中奪取大量市場份額。然而，他們面臨執(zhí)行風(fēng)險，且尚未經(jīng)過大規(guī)模驗證。
斗山能源：作為H級輪機市場的新進入者，憑借與xAI的大型訂單獲得了早期關(guān)注。他們需要建立可靠的服務(wù)和維護網(wǎng)絡(luò)以贏得長期信任。
未來展望
現(xiàn)場發(fā)電并非一時風(fēng)尚。我們預(yù)計，在美國電網(wǎng)大規(guī)模升級（這可能需要數(shù)十年）之前，現(xiàn)場發(fā)電將成為大型AI數(shù)據(jù)中心不可或缺的一部分。未來幾年，我們將看到以下趨勢：
混合系統(tǒng)成為常態(tài)：數(shù)據(jù)中心將結(jié)合現(xiàn)場發(fā)電、電網(wǎng)連接和電池儲能，以優(yōu)化成本、可靠性和可持續(xù)性。
燃料多樣化：隨著氫能和可再生天然氣供應(yīng)鏈的發(fā)展，現(xiàn)場發(fā)電機可能轉(zhuǎn)向低碳燃料，以應(yīng)對環(huán)境監(jiān)管和ESG壓力。
標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化：設(shè)備供應(yīng)商將提供更多預(yù)配置、集裝箱化的發(fā)電解決方案，以進一步縮短部署時間。
監(jiān)管演變：空氣質(zhì)量和排放法規(guī)將演變，可能為使用先進排放控制技術(shù)的現(xiàn)場發(fā)電提供快速通道許可。
小型模塊化反應(yīng)堆的潛在角色：長期來看，下一代核能可能成為現(xiàn)場基荷電力的重要來源，但這可能要到2030年代后期。
最終，AI對電力的無盡需求正在顛覆一個世紀以來集中式發(fā)電和輸電的模式。"自帶發(fā)電"的興起，標(biāo)志著電力行業(yè)向更分布式、更模塊化、以及速度優(yōu)先的范式轉(zhuǎn)變。電網(wǎng)可能不會"死亡"，但它肯定需要學(xué)會與這些自立自足的AI巨獸共存。對于那些能夠提供快速、可靠且具有成本競爭力的發(fā)電解決方案的供應(yīng)商來說，一個巨大的機遇之窗已經(jīng)打開。競爭才剛剛開始。