KI sorgt für einen Stromanstieg in Rechenzentren. Doch das Stromnetz 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 USA. Dieser wachsende Energiebedarf belastet das alternde Stromnetz des Landes zunehmend und führt zu einer Verschlechterung der Stromqualität, einem erhöhten Ausfallrisiko und neuen Herausforderungen für die private Infrastruktur. Mit der zunehmenden Verbreitung von KI wird ein intelligenteres und widerstandsfähigeres Netz dringender. Dieser Artikel untersucht das Ausmaß der Auswirkungen, die damit verbundenen Schwachstellen und die Maßnahmen, die Versorgungsunternehmen, Regulierungsbehörden und Technologieanbieter ergreifen müssen, um sicherzustellen, dass das Netz mit der KI-Revolution Schritt halten kann.
Als OpenAI am 30. November 2022 ChatGPT einführte , löste dies einen weltweiten 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. Dies veranlasste Konkurrenten wie Google, Meta und Anthropic, ihre eigenen großen Sprachmodelle (LLMs) zu beschleunigen.
Der KI-Boom setzt die physische Infrastruktur jedoch stark unter Druck. KI führt zu einem sprunghaften Anstieg des Strombedarfs, da Unternehmen neue Rechenzentren errichten, um immer intensivere Rechenlasten zu bewältigen.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Vereinigten Staaten und untersucht den prognostizierten Anstieg des Strombedarfs durch KI-gesteuerte Rechenzentren, die Auswirkungen auf das Stromnetz und warum Versorgungsunternehmen und Regulierungsbehörden das Netz dringend modernisieren müssen, um mit dieser Transformation Schritt zu halten.
Wie KI den Strombedarf in den USA verändert
KI hat sich schnell zu einer der bedeutendsten Innovationen des 21. Jahrhunderts entwickelt. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) haben große Sprachmodelle wie ChatGPT in den USA innerhalb von zwei Jahren eine Verbreitungsrate von 40 Prozent erreicht. Dieses Tempo übertrifft das frühe Wachstum des Internets und der PCs (Abbildung 1).
Grafik 1: Die Einführung generativer KI übertrifft bisherige Arbeitsplatztechnologien
Innerhalb von zwei Jahren nach der Markteinführung hat Generative AI in den USA eine Akzeptanz von 40 Prozent erreicht
Diese rasante Verbreitung ist mit erheblichen Energiekosten verbunden. Das Training und der Betrieb dieser Modelle erfordern enorme Rechenleistung, was die Rechenzentren zunehmend belastet und den Stromverbrauch auf Rekordniveau treibt. Ein wesentlicher Faktor für diesen Trend ist der Übergang von traditionellen CPU-basierten Servern zu GPU-basierten Systemen. GPUs sind zwar weniger energieeffizient als spezialisierte Chips, dominieren aber aufgrund ihrer Stärke in der Parallelverarbeitung heute die KI-Workloads.
Einer Schätzung zufolge verbraucht eine einzelne ChatGPT-Abfrage fast zehnmal so viel Strom wie eine typische Google-Suche. Das entspricht in etwa dem Stromverbrauch einer LED-Glühbirne mit niedriger Wattzahl für eine Stunde (Abbildung 2).
Grafik 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 USA stark gestiegen. Er stieg von 176 Terawattstunden im Jahr 2018, was etwa 1,9 Prozent des nationalen Stromverbrauchs entspricht, auf über 4,4 Prozent im Jahr 2023. Das Energieministerium prognostiziert, dass dieser Anteil in den kommenden Jahren deutlich steigen und bis zu 12 Prozent erreichen könnte (Abbildung 3).
Grafik 3: Der Stromverbrauch von US-Rechenzentren steigt mit dem Wachstum der KI rasant an
Der Strombedarf von Rechenzentren könnte bis 2028 bis zu 12 Prozent des gesamten US-Stromverbrauchs ausmachen
Um das Wachstum in einen Kontext zu setzen: Der prognostizierte Anstieg des Stromverbrauchs der US-Rechenzentren zwischen 2023 und 2028 übersteigt den gesamten Stromverbrauch des Vereinigten Königreichs im Jahr 2023, das etwa 28 Millionen Haushalte versorgte.
Angesichts der steigenden Nachfrage nach Elektrizität wird die Stabilität des US-Stromnetzes zu einem zentralen Anliegen der Energieversorger, Regulierungsbehörden und der Rechenzentrumsbranche.
Das Netz unter Druck
Die meisten Amerikaner betreiben ihre Geräte, ohne groß über den Strom nachzudenken, der dahinter steckt. Doch in Teilen des Landes wird die Stromversorgung immer unzuverlässiger.
Der Ausbau von KI-Rechenzentren erhöht nicht nur den Strombedarf, sondern stört auch den Stromfluss in den lokalen Netzen. In Gebieten mit einer hohen Dichte energiehungriger Server kommt es immer häufiger zu Spannungsschwankungen.
Laut einer Bloomberg-Analyse zeigen Sensordaten von mehr als 700.000 Haushalten ein klares Muster abnehmender Stromqualität in der Nähe schnell wachsender KI-Zentren. Die stärksten Störungen wurden im Umkreis von 32 Kilometern um große Rechenzentrumscluster registriert (Abbildung 4).
Grafik 4: KI-Rechenzentrums-Hubs stehen im Zusammenhang mit einer Verschlechterung der Stromqualität
Sensordaten zeigen schwere Stromunterbrechungen im Umkreis von 32 Kilometern der schnell wachsenden KI-Infrastruktur in den USA
Bloombergs Analyse der Sensordaten ergab, dass in einem durchschnittlichen US-Landkreis etwa 1,7 Prozent der Sensoren mindestens einen monatlichen Messwert über dem 8-Prozent-Grenzwert für störende Oberschwingungen verzeichneten. In Loudoun County, wo sich die meisten Rechenzentren Nord-Virginias befinden, war dieser Wert mehr als viermal höher.
Im benachbarten Prince William County, wo kürzlich erhebliche neue Rechenzentrumskapazitäten geschaffen wurden, zeigten etwa sechs Prozent der 1.100 Sensoren in Wohngebieten übermäßige harmonische Verzerrungen. Fast alle dieser Messwerte stammten aus Haushalten im Umkreis von elf Kilometern um große Rechenzentrumsstandorte. Zwei Dutzend Sensoren verzeichneten zweistellige Werte, einige erreichten sogar bis zu 12,9 Prozent.
Grafik 6: Die Stromqualität bleibt auch in größerer Entfernung von KI-Rechenzentren stabil
York County, VA, weist konstant eine geringe harmonische Verzerrung auf, die weit unter der 3 %-Schwelle liegt, ohne dass in der Nähe eine Rechenzentrumsaktivität stattfindet.
Neben der Stromqualität stellen Rechenzentren auch ein wachsendes Risiko für die Netzstabilität dar. Eine Standard-Sicherheitsmaßnahme in der Rechenzentrumsbranche besteht darin, sich vom Netz zu trennen und auf lokale Generatoren umzuschalten, wenn Spannung oder Frequenz die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Dies schützt empfindliche Geräte vor Schäden. Trennen sich jedoch mehrere Anlagen gleichzeitig, führt dies zu einem plötzlichen Nachfragerückgang und einer Überschussmenge an Strom im System. Dieses Ungleichgewicht kann das Netz destabilisieren und das Risiko von Ausfällen erhöhen.
Es wird erwartet, dass die Bedrohung mit der Inbetriebnahme weiterer Rechenzentren weiter zunimmt . Die North American Electric Reliability Corporation, die für die Netzzuverlässigkeit zuständige Bundesbehörde, warnte in ihrer Langzeit-Zuverlässigkeitsbewertung 2024 , dass das schnelle Wachstum großer Rechenzentren ein wachsendes Risiko für die Netzstabilität darstellt. Die Bedenken betreffen das Verhalten dieser Anlagen bei Störungen, insbesondere die automatische Abschaltung großer Lasten, die zu ernsthaften betrieblichen Herausforderungen führen kann.
Mit der beschleunigten Entwicklung von Rechenzentren steigt auch die Dringlichkeit, die Anpassungsfähigkeit des Stromnetzes sicherzustellen. Die Energieversorger schlagen Alarm. Viele Regionen stehen nun vor einer doppelten Herausforderung: den historischen Anstieg des Strombedarfs zu decken und gleichzeitig die Infrastruktur zu stabilisieren, die ihn liefert.
Modernisierung des Stromnetzes
Um die Herausforderungen 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 Lastschwankungen zu bewältigen, Belastungen in Echtzeit zu erkennen und zu reagieren, bevor sich Störungen ausbreiten.
Dennoch basiert ein Großteil des US-amerikanischen Stromnetzes, insbesondere auf der Verteilungsebene, noch immer auf veralteter Infrastruktur. Während die Investitionen in erneuerbare Energien stark gestiegen sind, stagnieren die Ausgaben für Netzmodernisierungen. In einem Bericht aus dem Jahr 2023 mit dem Titel „Electric Grids and Secure Energy Transitions“ stellte die Internationale Energieagentur fest, dass mehr als 90 Prozent der Stromversorgungsunterbrechungen in den Vereinigten Staaten ihren Ursprung im Verteilungsnetz haben.
US-Versorger haben mit neuer Dringlichkeit begonnen, in das Stromnetz zu investieren. Zu den Ankündigungen für 2025 gehören:
Ameren Missouri hat bei der Missouri Public Service Commission einen Fünfjahresinvestitionsplan in Höhe von 12,4 Milliarden US-Dollar eingereicht, um die Infrastruktur zu modernisieren und die Zuverlässigkeit und Flexibilität des Stromnetzes zu verbessern.
Verteilnetze, die Strom direkt an die Endverbraucher liefern, waren in den letzten zwei Jahrzehnten der Haupttreiber der Investitionsausgaben der Versorgungsunternehmen. Von 2003 bis 2023 stiegen die Investitionen in die Verteilinfrastruktur um 31,4 Milliarden US-Dollar, ein Plus von 160 Prozent. Mehr als ein Fünftel dieses Wachstums erfolgte in einem einzigen Jahr. Zwischen 2022 und 2023 stiegen die Ausgaben um 6,5 Milliarden US-Dollar auf insgesamt 50,9 Milliarden US-Dollar, hauptsächlich bedingt durch den Austausch und die Modernisierung alternder Anlagen (Abbildung 7).
Abbildung 7: Jährliche Kapitalzuwächse in den USA nach Sektoren
Auch Technologieunternehmen engagieren sich. Unternehmen wie Corinex, die netzverbessernde Technologien entwickeln, arbeiten mit Energieversorgern zusammen, um das Niederspannungsnetz mithilfe von Breitband-Stromleitungstechnologie zu digitalisieren. Diese Systeme liefern Echtzeitdaten zu Spannung, Oberschwingungen und Energieflüssen und helfen den Betreibern, Belastungen frühzeitig zu erkennen und effektiver zu reagieren. Durch die Verbesserung der Transparenz und Flexibilität auf lokaler Ebene unterstützen unsere Tools Energieversorger bei der Bewältigung der weitreichenden Auswirkungen großer vorgelagerter Lasten, wie beispielsweise Rechenzentren.
Doch die Modernisierung der Infrastruktur ist nur ein Teil der Lösung. Netzplaner und Regulierungsbehörden erforschen neue Verbindungsstandards für große Lasten. Dabei stehen Standortwahl, Koordination bei Störungen und eine bessere Kommunikation zwischen Rechenzentren und Versorgungsunternehmen im Mittelpunkt.
Schlussfolgerung
KI ist längst nicht mehr nur ein technologischer Durchbruch. Ihr Aufstieg stellt zunehmend höhere Anforderungen an das US-Stromnetz. Rechenzentren, einst nur als Einrichtungen zur Informationsverarbeitung betrachtet, sind heute Großverbraucher, die die Stromerzeugung, -verteilung und -verwaltung grundlegend verändern.
Energieversorger, Regulierungsbehörden und Technologieanbieter reagieren bereits, doch die KI-Einführung beschleunigt sich schneller als die Anpassungsfähigkeit des Stromnetzes. Ohne koordinierte Planung und nachhaltige Investitionen wird die Belastung der Stromnetze nur noch zunehmen.
Die Zukunft der KI hängt von der Zuverlässigkeit der Systeme ab, die sie unterstützen. Um diese Zukunft zu gestalten, ist ein Netz erforderlich, das ebenso fortschrittlich und anpassungsfähig ist wie die Technologie, die es antreiben soll.
Über den Autor
Colin Tang ist Senior Investment Officer bei Corinex, wo er seine umfassende Erfahrung im Finanzbereich einsetzt, um die Investitionsstrategie des Unternehmens und die Portfolio-Performance voranzutreiben. Mit einer nachgewiesenen Erfolgsbilanz bei der Identifizierung und Nutzung von Investitionsmöglichkeiten spielt Colin Tang eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der finanziellen Ziele und des Wachstums von Corinex.
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