省域范围5G基站碳排放情景分析_苏晓堂.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11省域范围 5G 基站碳排放情景分析苏晓堂1，2，周力1，2，曾思慧1，郭敏2，骆卓文2（1.广东省循环经济和资源综合利用协会，广东 广州 510000；2.广东广信安全应急与节能环保促进中心，广东 广州 510000）【摘要】在摸清某省5G基站能耗、碳排放现状的基础上，预测到2030年5G基站建设规模；通过情景设置，分析各情景下能源消费和二氧化碳（CO2）排放发展趋势，对比不同情景下5G基站的能源消费和CO2排放特征，并提出提升设备能效水平、转变能源结构等低碳发展路径，为后续低碳发展提供参考。【关键词】5G基站；能耗预测；低碳；路径【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0034-030引言5G 是我国新型基础设施建设的重要部分，随着5G 基站大规模推广应用，其能耗高的问题逐步显现。中国通信标准化协会数据显示，运营商 5G 基站主设备空载功耗是 2.22.3 kW，满载功耗 3.73.9 kW，是4G 基站的 34 倍，这说明虽然当前随着技术进步其功耗有所降低，但高能耗问题仍较为棘手。1 5G基站发展现状1.1基站建设规模根据 2020 年通信业统计公报，截至 2020 年底全国 5G 基站数约 71.8 万个，其中某省累计建成 5G基站约 12.4 万个。根据该省 2020 年已公布的 5G 发展目标，该省 2025 年底将实现 5G 全域覆盖，5G 基站累计建成 29 万个。以此测算，该省 5G 基站复合增长率可达到 22%。1.2基站能耗及碳排放现状当前 5G 基站建设以宏基站为主，微基站等提及较少。一般来说，5G 宏基站由一套基带处理单元（base band unit,BBU）和 3 个有源天线处理单元（active antenna unit,AAU）构成。基站功耗主要包含主设备能耗（BBU 和 AAU）、空调能耗、配电及其他能耗1，前两者占比 92%，是基站主要耗能部分2。某运营商分析两个品牌 5G 基站主设备（BBU 和 AAU）在不同负载下的功耗表现，显示 BBU 功耗在不同负载下基本维持稳定，而 AUU 则随负载变化有较大差异3。BBU 功耗均值为 228 W，AAU 功耗均值为953 W，根据典型 5G 宏基站配置可测算出单基站主设备功耗约为 3 087 W，结合基站设备能耗结构占比，单基站功耗约为 6 711 W。根据 2020 年底基站统计数量，可得出该省 5G 基站年用电 72.9 亿 kW h，约占该省 2020 年全社会用电量的 1.05%。5G 基站碳排放量测算采用碳排放因子法，可估算该省 5G 基站当前碳排放量4，得到 2020 年底该省5G 基站碳排放量约 282.54 万 t。2 5G基站发展趋势预测2.1基站数量预测按照 5G 通信技术 10 年后更新换代，本文预测到 2030 年 5G 基站发展趋势。根据 2020 年底已有基站数据和 2025 年基站建设目标，基站数量在 20212025 年间按 22%的复合增长率上涨，20262030 年基站数量按 1%的增长率缓慢上涨，至 2030 年之后开始回落，拟合后预计至 2030 年该省 5G 基站数量为 34.87 万个。2.2基站能耗预测为降低基站功耗，设备厂商和运营商不断探索基站绿色技术，从设备级、站点级、网络级 3 个维度提出了节能降耗解决方案5。设备级方面，通过 7 nm制程芯片、氮化镓（GaN）技术等应用，可更好匹配绿色高效要求，预计设备级功耗平均每年可降低 10%左右6。按 20212023 年设备功耗年均下降 10%，此后设备级功耗保持稳定，结合 20212025 年基站增长数量，预测 2025 年单基站主要设备功率平均值为2 372.65 W。3 5G基站低碳情景分析3.1基站低碳发展情景设置5G 基站碳排放发展趋势影响因素包括基站建设数量、设备节能水平、绿电使用率以及其他因素等7。针对上述因素构建基站低碳发展 4 种情景：基节能环保34DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.033LOW CARBON WORLD 2022/11准情景、节能控制情景、低碳控制情景和高效低碳情景。（1）基准情景。依据目前 5G 基站能耗控制要求，以及技术发展趋势，主设备功率功耗占 5G 基站总能耗 46%的水平保持不变，且不增加额外清洁能源的使用。（2）低碳控制情景。逐年提高 5G 基站设备节能水平并改善能源供给结构，增加清洁能源使用。设置如下：在现有基础上提高基站能耗低碳控制要求，主要设备节能水平相比基准情景整体提升 2%，空调、配电和其他能耗占比逐年降低 0.5%，每年增加 2%的清洁能源使用比例。（3）节能控制情景。在不改变 5G 基站能源结构基础上，提高基站设备节能水平。设置如下：在现有基础上提高对基站能耗低碳控制要求，主要设备节能水平相比基准情景整体提升 2%，空调、配电和其他能耗占比逐年降低 1%。（4）高效低碳情景。显著提高 5G 基站设备节能水平并改善能源供给结构，增加清洁能源使用。设置如下：在现有基础上提高对基站能耗低碳控制要求，主设备节能水平相比基准情景整体提升 2%，空调、配电和其他能耗占比逐年降低 1%，并每年增加 2%的清洁能源使用比例。3.2基站能源消费和碳排放核算方法5G 基站能耗源于主要用能设备功率、使用时间和节能水平8。基站碳排放量与该省电力平均 CO2排放因子及用能结构是否有清洁相关。根据不同情景下设置用能水平和能源结构，通过以下模型预测2030 年基站能源消费和碳排放情况。Qm=NmPm 1+()8 760/10 000；（1）Cm=Qmm 1-m-202()0。（2）式中：Qm5G 基站能耗值，亿 kW h；Nm5G 基站数量，万个；Pm5G 基站主设备功率，kW；Cm5G 基站碳排放量，亿 kW h；5G 基站主设备能耗占比；5G 基站主设备能耗占比年提高比例；m碳排放因子，万 t/亿 kW h；清洁能源逐年提升比率；m年份，年。3.3不同情景下5G基站能源消费趋势和CO2排放趋势分析根据该省 5G 基站能源消费和 CO2排放核算方法，针对基准情景、节能控制情景、低碳控制情景和高效低碳情景对 5G 基站 20202030 年能源消费和CO2排放发展趋势进行预测，具体如图 1、图 2 所示。4 种情景下，该省 5G 基站 2025 年 CO2排放量分 别 约 为 530.54 万 t、468.95 万 t、443.81 万 t 和422.06 万 t。2025 年后 5G 基站基本实现全覆盖，新建需求减少，因此 4 种情景下的基站碳排放量在2025 年后均减少。对比 4 种情景下 CO2排放量，由于“十四五”期间 5G 基站建设规模逐年扩大，5G 基站能源消费总量和 CO2排放总量增加，即使在高效低碳情景下，2025 年碳排放量约为 2020 年的 1.5 倍以上，可以看出节能力度的增加在减少碳排放中所发挥的作用不如清洁能源的使用，达峰背景下基站需重点考虑推广清洁能源的使用。3.4不同情景下5G基站CO2减排潜力图 3 为不同情景下 5G 基站 CO2减排潜力分析，对比不同情景下该省 5G 基站 CO2排放组成、减排量图1 5G基站能源消费发展趋势5G 基站能耗/亿 kW h预测时间/年基准情景低碳控制情景节能控制情景高效低碳情景2020202220242026202820306080100120140160图2 5G基站CO2排放发展趋势5G 基站碳排放量/万 t预测时间/年基准情景低碳控制情景节能控制情景高效低碳情景202020222024202620282030250300350400450500550节能环保35LOW CARBON WORLD 2022/115结语本文通过对 5G 基站建设规模、能耗及碳排放预测，在基准情景、低碳控制情景、节能控制情景、高效低碳情景等 4 个情景设置下进行分析，探究了用电侧和供电侧的减排潜力，并围绕设备能效水平提升、能源结构转变等领域提出了相应的低碳发展路径，助力 5G 基站碳排放量的减少。参考文献1 冯芒.5G 室外基站 AAU/RRU 设备功耗需求浅析J.电信快报，2021（12）：16-20.2 施洪钧.移动通信基站的综合节能探讨J.中国新通信，2018，20（19）：3-4.3 朱朝晖.5G 基站节能技术研究J.数字通信世界，2022（5）：41-45.4 谭萌，彭艺，马戎，等.5G 对中国碳排放峰值的影响研究J.中国环境科学，2021，41（3）：1447-1454.5 那宝玉，周红亮，耿延军.基于智能运维平台的信息基础设施云资源虚拟化计费管理模型研究J.通信技术，2021，54（2）：395-401.6 中国移动研究院.5G 基站节能技术白皮书（2020）EB/OL.（2020-08-28）2022-05-06.https:/ 张蜀晋.基于 5G 通信技术的无线网络节能降耗技术研究J.数字通信世界，2021（8）：19-20，15.8 马玉草，张铁峰，许正阳，等.信息基础设施能耗分析及现状与趋势J.电力信息与通信技术，2022，20（4）：79-879 余斌，于海滨.5G 基站供电与制冷节能技术探讨J.信息通信技术与政策，2021，47（6）：85-90.10高楷轩，郑明红.高频开关电源系统简介及维护管理J.数字传媒研究，2016，33（1）：62-64，67.11谢海智，王华荣.基于智能节电技术实现 5G 基站节能减排的研究J.通信电源技术，2021，38（10）：31-35.12潘鑫，赵慧敏，佟莹.可再生能源在移动通信工程中的应用J.电子技术与软件工程，2016（15）：32.作者简介：苏晓堂（1988），男，汉族，广东广州人，硕士研究生，工程师，研究方向为节能低碳与循环经济。路径领域减排方向减排潜力运营退役生命周期运营主设备（BBU+AAU）射频器件 GaN 技术、硅横向扩散金属氧化物半导体（SiLDMOS）技术通过主设备节能和提高 AAU 负载率，年均能耗降低10%，总能耗约下降 4.6%冷却系统相变蓄冷空调节能技术、液冷技术冷却系统用电占比为总能耗 46%，使用液冷技术比传统基站功耗下降约 30%，基站总能耗约降 13.8%配电及其他高频开关电源系统、一体化电源系统配电设施及其他用电占比为总能耗 8%，通过节能可实现节能率 4%智能运维通道关闭、深度休眠、自适应性启关、智慧能源管理等通过智能运维，有效降低基站静态功耗和低载功耗退役 退役设施回收退役射频单元回收技术、退役储能电池回收通过回收再利用，可减少基站建设和退役阶段碳排放绿色能源清洁能源可再生能源综合利用利用可再生能源逐步替代化石能源储能锂电池供电技术等利用峰谷电价差，夜储白用，减少基站电费支出表1 5G基站低碳发展实施路径和减排比例，可知基站主设备减排潜力与空调、电源等其他设备节能潜力相当，基准情景下 2025 年基站碳排放量比“十三五”期末增加 87.7%，排放增幅最大。高效低碳情景下，基站主设备和其他设备碳排放量均有显著降低，相比基准情景降低约 20.4%，效果显著。4 5G基站低碳发展实施路径结合不同情景 5G 基站碳排放趋势，在推动出台5G 基站低碳发展政策的同时，重点从基站供电侧和用电侧进行分析，供电侧重点是绿色能源投入，包括光伏风电等自发自用、购入绿电、自然冷能等方面；用电侧重点是基站全生命周期运维，包括主设备节能、冷却系统节能、智能运维、配电及其他节能等。此外，基站设备退役后回收利用亦考虑在内。为更好降低碳排放，提出 5G 基站低碳发展部分实施路径，如表 1 所示9-12。图3不同情景下5G基站CO2减排潜力5G 基站碳排放量/万 t2020 年排放2025 年基准情景 2025 年节能控制情景 2025 年低碳控制情景2025 年高效低碳情景基准情景增量可减排量可减排量可减排量5G 基站其他设备碳排放量/万 t5G 基站主设备碳排放量/万 t010020030040050060087.7%-11.6%247.99530.5461.58468.9525.14-5.3%443.81-4.9%21.76422.06282.55节能环保36