KI verursacht einen Stromstoß im Rechenzentrum. Aber das Netz ist noch nicht bereit
Der rasante Aufstieg der künstlichen 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.
Als OpenAI am 30. November 2022 ChatGPT auf den Markt brachte, löste dies einen weltweiten Wettlauf um künstliche Intelligenz (KI) aus. Die Fähigkeit des Chatbots, menschenähnliche Antworten zu generieren und komplexe Aufgaben zu bewältigen, stellte einen großen Fortschritt in der KI dar. Dies veranlasste Konkurrenten wie Google, Meta und Anthropic, die Entwicklung ihrer eigenen großen Sprachmodelle (LLMs) zu beschleunigen.
Der KI-Boom übt jedoch erheblichen Druck auf die physische Infrastruktur aus. KI führt zu einem Anstieg des Strombedarfs, da Unternehmen neue Rechenzentren errichten, um immer anspruchsvollere Rechenlasten zu bewältigen.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Vereinigten Staaten und untersucht den prognostizierten Anstieg des Strombedarfs von KI-gesteuerten Rechenzentren, dessen Auswirkungen auf das Stromnetz sowie die Gründe, warum Energieversorger und Aufsichtsbehörden 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 wichtigsten Innovationen des 21. Jahrhunderts entwickelt. Laut der Internationalen Energieagentur (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).
Abbildung 1: Die Einführung generativer KI übertrifft frühere Technologien im Arbeitsbereich
Innerhalb von zwei Jahren nach der Markteinführung hat generative KI in den USA eine Akzeptanz von 40 Prozent erreicht
Diese schnelle Verarbeitung 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 zehnmal so viel Strom wie eine typische Google-Suche. Das entspricht in etwa dem Stromverbrauch einer LED-Glühbirne mit geringer Wattzahl für eine Stunde (Grafik 2).
Abbildung 2: Ein KI-gestütztes System benötigt mehr Energie als eine normale 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 – was etwa 1,9 Prozent des nationalen Stromverbrauchs entspricht – 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).
Abbildung 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 Stromverbrauchs in den USA 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 umfasst.
Angesichts der steigenden Stromnachfrage wird die Stabilität des US-Stromnetzes zu einem zentralen Anliegen für Energieversorger, Aufsichtsbehörden und die Rechenzentrumsbranche.
Das Netz unter Druck
Die meisten Amerikaner lassen ihre Geräte laufen, ohne sich viele Gedanken über die dahinterstehende Stromversorgung zu machen. In einigen Teilen des Landes wird diese Stromversorgung jedoch immer unzuverlässiger.
Mit dem Ausbau von KI-Rechenzentren steigt nicht nur der Strombedarf, sondern es kommt auch zu Störungen im Stromfluss durch die lokalen Netze. In Gebieten mit dichten Clustern energieintensiver Server treten Spannungsschwankungen immer häufiger auf.
Laut einer Bloomberg-Analyse zeigen Sensordaten von mehr als 700.000 Haushalten ein eindeutiges Muster sinkender Stromqualität in der Nähe schnell wachsender KI-Zentren. Die stärksten Schwankungen wurden in einem Umkreis von 20 Meilen um die wichtigsten Rechenzentrumscluster verzeichnet (Grafik 4).
Abbildung 4: KI-Rechenzentrums-Hubs stehen in Zusammenhang mit einer abnehmenden Stromqualität
Sensordaten zeigen erhebliche Leistungsschwankungen im Umkreis von 20 Meilen um die schnell wachsende KI-Infrastruktur in den USA
Eine Analyse von Sensordaten durch Bloomberg ergab, 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 verzeichneten. In Loudoun County, wo sich die meisten Rechenzentren im Norden Virginias befinden, lag diese Zahl mehr als viermal so hoch.
Im benachbarten Prince William County, wo kürzlich erhebliche neue Rechenzentrumskapazitäten geschaffen 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 um die wichtigsten Rechenzentrumsstandorte befanden. Zwei Dutzend Sensoren verzeichneten zweistellige Werte, einige erreichten sogar 12,9 Prozent.
Abbildung 6: Die Stromqualität bleibt auch in größerer Entfernung von KI-Rechenzentren stabil
York County, Virginia, weist durchweg geringe harmonische Verzerrungen auf, die deutlich unter dem Schwellenwert von 3 % liegen, ohne dass sich in der Nähe ein Rechenzentrum befindet.
Abgesehen von Bedenken hinsichtlich der Stromqualität stellen Rechenzentren auch ein wachsendes Risiko für die Netzstabilität dar. Ein Standard-Sicherheitsmerkmal in der Rechenzentrumsbranche ist die Trennung vom Stromnetz und die Umschaltung auf bauseitige Generatoren, wenn die Spannungs- oder Frequenzwerte die zulässigen Grenzwerte 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.
Mit der zunehmenden Entwicklung von Rechenzentren steigt auch die Dringlichkeit, sicherzustellen, dass sich das Stromnetz anpassen kann. Die Energieversorger schlagen bereits Alarm. Viele Regionen stehen heute vor einer doppelten Herausforderung: Sie müssen den historischen Anstieg des Strombedarfs 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, Belastungen in Echtzeit zu erkennen und zu reagieren, bevor sich Störungen ausbreiten.
Dennoch basiert ein Großteil des US-Systems, insbesondere auf der Verteilungsebene, nach wie vor auf einer veralteten Infrastruktur. Während die Investitionen in erneuerbare Energien sprunghaft angestiegen sind, hinken die Ausgaben für Netzausbauten hinterher. In einem Bericht aus dem Jahr 2023 mit dem Titel „Stromnetze und eine sichere Energiewende“ stelltedie Internationale Energieagentur fest, dass mehr als 90 Prozent der Stromausfälle in den Vereinigten Staaten auf das Verteilungsnetz zurückzuführen sind.
US-Versorgungsunternehmen haben begonnen, mit neuer Dringlichkeit 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 Verteilungsinfrastruktur um 31,4 Milliarden US-Dollar, was einem Anstieg von 160 Prozent entspricht. Mehr als ein Fünftel dieses Wachstums entfiel auf ein einziges Jahr. 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 Anlagen zurückzuführen war (Abbildung 7).
Abbildung 7: Jährliche Kapitalzuführungen in den USA nach Sektoren
Auch Technologieunternehmen bringen sich ein. Unternehmen wie Corinex, die Technologien zur Verbesserung des Stromnetzes anbieten, arbeiten mit Versorgungsunternehmen zusammen, um das Niederspannungs-Verteilungsnetz mithilfe der Powerline-Breitbandtechnologie zu digitalisieren. Diese Systeme liefern Echtzeitdaten zu Spannung, Oberschwingungen und Energieflüssen, die den Betreibern helfen, Belastungen frühzeitig zu erkennen und effektiver zu reagieren. Unsere Tools verbessern die Transparenz und Flexibilität auf lokaler Ebene und unterstützen Versorgungsunternehmen dabei, die weitreichenden Auswirkungen großer vorgelagerter Lasten, wie z. B. Rechenzentren, zu bewältigen.
Die Modernisierung der Infrastruktur ist jedoch nur ein Teil der Lösung. Netzplaner und Regulierungsbehörden prüfen 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 das US-Stromnetz vor echte, wachsende Herausforderungen. Rechenzentren, die einst lediglich als Einrichtungen zur Informationsverarbeitung galten, sind heute große Stromverbraucher, die die Art und Weise, wie Strom erzeugt, verteilt und verwaltet wird, grundlegend verändern.
Versorgungsunternehmen, Regulierungsbehörden und Technologieanbieter beginnen zu reagieren, doch die Einführung von KI schreitet schneller voran als die Anpassungsfähigkeit des Netzes. Ohne koordinierte Planung und nachhaltige Investitionen wird sich die Belastung der Energiesysteme nur noch weiter verschärfen.
Die Zukunft der KI hängt von der Zuverlässigkeit der Systeme ab, auf denen sie basiert. Der Aufbau dieser Zukunft erfordert ein Netz, das ebenso fortschrittlich und anpassungsfähig ist wie die Technologie, die es voraussichtlich versorgen wird.
Über den Autor
Colin Tang ist Senior Investment Officer bei Corinex, wo er seine umfassende Erfahrung im Finanzbereich einsetzt, um die Anlagestrategie und die Portfolio-Performance 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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