KI heizt einen Stromstoß im Rechenzentrum an. Aber das Netz ist noch nicht bereit
Der rasante Aufstieg künstlicher Intelligenz, angetrieben durch große Sprachmodelle wie ChatGPT, führt zu einem beispiellosen Anstieg des Strombedarfs von Rechenzentren in den Vereinigten Staaten. Dieser wachsende Energiebedarf belastet das alternde Stromnetz des Landes zunehmend, was zu einer sinkenden Stromqualität, einem erhöhten Ausfallrisiko und neuen Herausforderungen für die Infrastruktur von Wohngebäuden führt. Da sich die Einführung von KI beschleunigt, ist ein intelligenteres, widerstandsfähigeres Stromnetz dringend erforderlich geworden. Dieser Artikel untersucht das Ausmaß der Auswirkungen, die damit verbundenen Sicherheitslücken und die Maßnahmen, die Versorgungsunternehmen, Aufsichtsbehörden und Technologieanbieter ergreifen müssen, um sicherzustellen, dass das Netz mit der KI-Revolution Schritt halten kann.
Wann OpenAI hat ChatGPT am 30. November 2022 gestartet, es löste einen globalen Wettlauf um künstliche Intelligenz (KI) aus. Die Fähigkeit des Chatbots, menschenähnliche Antworten zu generieren und komplexe Aufgaben zu bewältigen, markierte einen großen Sprung in der KI. Es veranlasste Konkurrenten wie Google, Meta und Anthropic, ihre eigenen großen Sprachmodelle (LLMs) zu beschleunigen.
Der KI-Boom übt jedoch erheblichen Druck auf die physische Infrastruktur aus. KI sorgt für einen Anstieg des Strombedarfs, da Unternehmen neue Rechenzentren errichten, um immer intensivere Rechenlasten zu unterstützen.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Vereinigten Staaten und untersucht den prognostizierten Anstieg des Strombedarfs von KI-gesteuerten Rechenzentren, seine Auswirkungen auf das Stromnetz und warum Versorgungsunternehmen und Aufsichtsbehörden das Netz dringend modernisieren müssen, um mit dieser Transformation Schritt zu halten.
Wie KI die Stromnachfrage in den USA umgestaltet
KI hat sich schnell zu einer der wichtigsten Innovationen des 21. Jahrhunderts entwickelt. Laut der Internationalen Energiebehörde (IEA) haben große Sprachmodelle wie ChatGPT in den USA innerhalb von zwei Jahren eine Akzeptanzrate von 40 Prozent erreicht. Dieses Tempo übertrifft das frühe Wachstum sowohl des Internets als auch der PCs (Abbildung 1).
Schaubild 1: Die Einführung generativer KI übertrifft frühere Arbeitsplatztechnologien
Innerhalb von zwei Jahren nach der kommerziellen Veröffentlichung hat Generative AI in den USA eine Akzeptanz von 40 Prozent erreicht
Diese schnelle Aufnahme ist mit erheblichen Energiekosten verbunden. Das Training und der Betrieb dieser Modelle erfordern eine enorme Rechenleistung, was den Druck auf Rechenzentren erhöht und den Stromverbrauch auf Rekordwerte treibt. Ein wichtiger Faktor hinter diesem Trend ist der Übergang von herkömmlichen CPU-basierten Servern zu GPU-betriebenen Systemen. GPUs sind zwar weniger energieeffizient als spezielle Chips, dominieren aber heute aufgrund ihrer Stärke bei der Parallelverarbeitung die KI-Workloads.
Einer Schätzung zufolge verbraucht eine einzelne ChatGPT-Abfrage fast das Zehnfache der Elektrizität einer typischen Google-Suche. Das entspricht in etwa dem Betrieb einer LED-Glühbirne mit niedriger Wattleistung für eine Stunde (Grafik 2).
Schaubild 2: KI-gestütztes System benötigt mehr Energie als eine Standard-Google-Suche
Mit dem Ausbau der GPU-Infrastruktur ist der Energieverbrauch von Rechenzentren in den Vereinigten Staaten stark gestiegen. Er stieg von 176 Terawattstunden im Jahr 2018 oder etwa 1,9 Prozent des nationalen Stromverbrauchs auf über 4,4 Prozent im Jahr 2023. Das Energieministerium geht davon aus, dass dieser Anteil deutlich steigen könnte und in den kommenden Jahren sogar 12 Prozent erreichen könnte (Abbildung 3).
Schaubild 3: Der Stromverbrauch von Rechenzentren in den USA steigt mit dem Wachstum der KI
Der Strombedarf von Rechenzentren könnte bis 2028 bis zu 12 Prozent des gesamten US-Stromverbrauchs ausmachen
Um das Wachstum in einen Zusammenhang zu bringen: Der prognostizierte Anstieg des Stromverbrauchs von Rechenzentren in den USA zwischen 2023 und 2028 übersteigt den gesamten Stromverbrauch des Vereinigten Königreichs im Jahr 2023, das etwa 28 Millionen Haushalte.
Da sich die Stromnachfrage beschleunigt, wird die Stabilität des US-Netzes zu einem zentralen Anliegen für Versorgungsunternehmen, Aufsichtsbehörden und die Rechenzentrumsbranche.
Das Netz unter Druck
Die meisten Amerikaner lassen ihre Geräte laufen, ohne viel über die Elektrizität dahinter nachzudenken. In Teilen des Landes wird diese Stromversorgung jedoch immer weniger zuverlässig.
Mit der Erweiterung von KI-Rechenzentren erhöhen sie nicht nur den Strombedarf, sondern stören auch die Art und Weise, wie Strom durch lokale Netze fließt. In Gebieten mit dichten Clustern energiehungriger Server treten Spannungsschwankungen immer häufiger auf.
Laut einer Bloomberg-Analyse zeigen Sensordaten von mehr als 700.000 Haushalten ein klares Muster sinkender Stromqualität in der Nähe schnell wachsender KI-Hubs. Die stärksten Verzerrungen wurden in einem Umkreis von 20 Meilen um die wichtigsten Rechenzentrumscluster verzeichnet (Grafik 4).
Schaubild 4: KI-Rechenzentrums-Hubs sind mit sinkender Stromqualität verbunden
Sensordaten zeigen schwerwiegende Leistungsverzerrungen innerhalb von 20 Meilen von der schnell wachsenden KI-Infrastruktur in den USA
Bloombergs Analyse von Sensordaten stellte fest, dass in einem durchschnittlichen Bezirk der USA etwa 1,7 Prozent der Sensoren mindestens einen monatlichen Messwert über dem Schwellenwert von 8 Prozent für schlechte Oberschwingungen aufzeichneten. In Loudoun County, wo sich die meisten Rechenzentren im Norden Virginias befinden, war diese Zahl mehr als viermal höher.
Im benachbarten Prince William County, wo kürzlich erhebliche neue Rechenzentrumskapazitäten hinzugefügt wurden, wiesen etwa 6 Prozent der 1.100 Sensoren in Wohngebäuden übermäßige harmonische Verzerrungen auf. Fast alle diese Messwerte stammten aus Häusern, die sich im Umkreis von 11 Kilometern von den wichtigsten Rechenzentrumsstandorten befanden. Zwei Dutzend Sensoren zeichneten zweistellige Werte auf, einige erreichten sogar 12,9 Prozent.
Schaubild 6: Die Stromqualität bleibt auch in weiter Entfernung von KI-Rechenzentren stabil
York County, VA, weist durchweg niedrige harmonische Verzerrungen auf, die deutlich unter dem Schwellenwert von 3% liegen, ohne dass in der Nähe ein Rechenzentrum aktiv ist.
Abgesehen von Bedenken hinsichtlich der Stromqualität stellen Rechenzentren auch ein wachsendes Risiko für die Netzstabilität dar. Ein Standard-Sicherheitsmerkmal in der Rechenzentrumsbranche ist vom Stromnetz trennen und auf bauseitige Generatoren umschalten wenn die Spannungs- oder Frequenzwerte die zulässigen Schwellenwerte überschreiten. Dies schützt empfindliche Geräte vor Beschädigungen. Wenn jedoch mehrere Anlagen gleichzeitig abgeschaltet werden, führt dies zu einem plötzlichen Rückgang der Nachfrage, wodurch ein Übermaß an überschüssigem Strom in das System gelangt. Dieses Ungleichgewicht kann das Netz destabilisieren und das Risiko von Ausfällen erhöhen.
Es wird erwartet, dass die Bedrohung zunehmen wird, da immer mehr Rechenzentren online gehen. Die North American Electric Reliability Corporation, die für die Zuverlässigkeit der Netze zuständige Bundesbehörde, warnte in ihrer Bewertung der langfristigen Zuverlässigkeit 2024 dass das schnelle Wachstum großer Rechenzentren ein neues Risiko für die Netzstabilität darstellt. Das Problem konzentriert sich auf das Verhalten dieser Anlagen bei Störungen, insbesondere bei der automatischen Abschaltung großer Verbraucher, was zu schwerwiegenden betrieblichen Problemen führen kann.
Mit der Beschleunigung der Rechenzentrumsentwicklung steigt auch die Dringlichkeit, sicherzustellen, dass sich das Netz anpassen kann. Die Versorgungsunternehmen beginnen, Alarme auszulösen. Viele Regionen stehen heute vor einer doppelten Herausforderung: Sie müssen den historischen Anstieg der Stromnachfrage decken und gleichzeitig die Infrastruktur stabilisieren, die den Strom liefert.
Modernisierung des Netzes
Um die Herausforderung des steigenden Strombedarfs von Rechenzentren und der sinkenden Netzzuverlässigkeit zu bewältigen, ist ein intelligenteres und widerstandsfähigeres Stromnetz erforderlich, das mehr erneuerbare Energien integrieren kann. Es muss in der Lage sein, schnelle Lastwechsel zu bewältigen, Stress in Echtzeit zu erkennen und zu reagieren, bevor sich Störungen ausbreiten.
Dennoch läuft ein Großteil des US-Systems, insbesondere auf Vertriebsebene, immer noch auf einer veralteten Infrastruktur. Während die Investitionen in erneuerbare Energien sprunghaft angestiegen sind, hinken die Ausgaben für Netzausbauten hinterher. In einem Bericht von 2023 mit dem Titel Stromnetze und sichere Energiewendestellte die Internationale Energiebehörde fest, dass mehr als 90 Prozent der Stromversorgungsunterbrechungen in den Vereinigten Staaten auf das Verteilungsnetz zurückzuführen sind.
US-Versorgungsunternehmen haben mit einem neuen Gefühl der Dringlichkeit begonnen, in das Stromnetz zu investieren. Zu den Ankündigungen für 2025 gehören:
Verteilungssysteme, die Strom direkt an die Endverbraucher liefern, waren in den letzten zwei Jahrzehnten der Hauptgrund für die Investitionsausgaben der Versorgungsunternehmen. Von 2003 bis 2023 stiegen die Investitionen in die Vertriebsinfrastruktur um 31,4 Milliarden US-Dollar, was einem Anstieg von 160 Prozent entspricht. Mehr als ein Fünftel dieses Wachstums war in einem einzigen Jahr zu verzeichnen. Zwischen 2022 und 2023 stiegen die Ausgaben um 6,5 Milliarden US-Dollar auf insgesamt 50,9 Milliarden US-Dollar, was hauptsächlich auf den Austausch und die Modernisierung veralteter Geräte zurückzuführen war (Abbildung 7).
Grafik 7: Jährliche US-Kapitalzuführungen nach Sektoren
Technologieunternehmen springen ebenfalls ein. Unternehmen wie Corinex mit Technologien zur Verbesserung des Stromnetzes arbeiten mit Versorgungsunternehmen zusammen, um das Niederspannungsverteilungsnetz mithilfe der Breitband-über-Stromleitungstechnologie zu digitalisieren. Diese Systeme bieten Echtzeit Daten zu Spannung, Oberschwingungen und Energieflüssen , das den Bedienern hilft, Stress frühzeitig zu erkennen und effektiver zu reagieren. Unsere Tools verbessern die Sichtbarkeit und Flexibilität auf lokaler Ebene und unterstützen Versorgungsunternehmen dabei, die umfassenderen Auswirkungen großer vorgelagerter Lasten, wie z. B. Rechenzentren, zu bewältigen.
Die Modernisierung der Infrastruktur ist jedoch nur ein Teil der Lösung. Netzplaner und Regulierungsbehörden untersuchen derzeit neue Verbindungsstandards für große Lasten, wobei der Schwerpunkt auf der Standortbestimmung, der Koordination bei Störungen und einer besseren Kommunikation zwischen Rechenzentren und Versorgungsunternehmen liegt.
Fazit
KI ist nicht mehr nur ein technologischer Durchbruch. Ihr Aufstieg stellt echte, wachsende Anforderungen an das US-Stromnetz. Rechenzentren, die einst nur als Einrichtungen zur Informationsverarbeitung galten, sind heute große Stromverbraucher, die die Art und Weise, wie Elektrizität erzeugt, verteilt und verwaltet wird, neu gestalten.
Versorgungsunternehmen, Regulierungsbehörden und Technologieanbieter beginnen zu reagieren, aber das Tempo der Einführung von KI beschleunigt sich schneller als die Anpassungsfähigkeit des Netzes. Ohne koordinierte Planung und nachhaltige Investitionen wird sich die Belastung der Energiesysteme nur noch verschärfen.
Die Zukunft der KI hängt von der Zuverlässigkeit der Systeme ab, die sie unterstützen. Der Aufbau dieser Zukunft erfordert ein Netz, das so fortschrittlich und anpassungsfähig ist wie die Technologie, die es voraussichtlich mit Strom versorgen wird.
Über den Autor
Colin Tang ist Senior Investment Officer bei Corinex, wo er seine umfangreiche Erfahrung im Finanzbereich nutzt, um die Anlagestrategie und Portfolioperformance des Unternehmens voranzutreiben. Mit einer nachgewiesenen Erfolgsbilanz bei der Identifizierung und Nutzung von Anlagemöglichkeiten spielt Colin eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der finanziellen Ziele und des Wachstums von Corinex.
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