Der Strommangel der KI

Die rasante Entwicklung der KI lässt den Strombedarf in die Höhe schnellen, und Strommangel ist zu einem kritischen Engpass geworden. Dieser Artikel beleuchtet mögliche Energiequellen wie Solar-, Wind- und Kernenergie und untersucht, wie effizientere KI-Algorithmen und Chips die Stromknappheit langfristig lindern könnten.

Strom als Engpass für den Energiebedarf der KI

Meta-CEO Mark Zuckerberg und Tesla-CEO Elon Musk haben erklärt, dass Strommangel zur größten Herausforderung beim Bau von KI-Rechenzentren geworden ist. Selbst mit genügend Geld für GPUs bleibt das Stromproblem bestehen. Der Bau eines großen Kraftwerks dauert mehrere Jahre, allein Standortwahl und Umweltprüfung können Jahre in Anspruch nehmen. Dieses Problem wird die KI-Entwicklung in den nächsten drei bis vier Jahren weiter bremsen. Auch OpenAI-Chef Sam Altman glaubt, dass die Zukunft der KI davon abhängt, ob es entscheidende Durchbrüche in der Energietechnik gibt.

Laut einer Analyse von Goldman Sachs wird der weltweite Strombedarf von Rechenzentren zwischen 2024 und 2030 um 160 % steigen. Dass Strom der entscheidende Engpass für die Zukunft der KI ist, gilt inzwischen als Konsens.

Stromquellen

Da die KI-Entwicklung an die Grenzen der Stromversorgung stößt, wird die Frage nach möglichen Stromquellen entscheidend.

Klassische Wärmekraftwerke

Wegen des Klimawandels dürfte die klassische Wärmekraft, bislang das Rückgrat der Stromerzeugung, nicht mehr die Hauptquelle sein. Das relativ saubere Erdgas wird als Puffer für erneuerbare Energien dank seiner schnellen Startfähigkeit weiter eine wichtige Rolle spielen. Kohlekraft hingegen verursacht traditionell sehr viel Verschmutzung. Zwar lässt sich diese mit ultra-superkritischer Technik und CO₂-Abscheidung deutlich senken, doch strengeren Umweltstandards genügt das womöglich trotzdem nicht.

Solarenergie

Unter den erneuerbaren Energien hat die Solarenergie das größte Potenzial. Die Kosten der Solarstromerzeugung sind in den vergangenen Jahrzehnten drastisch gesunken. Sinken sie weiter, wird Solarenergie künftig die wichtigste Energiequelle der menschlichen Zivilisation sein.

Laut dem aktuellen LCOE-Bericht 2023 der Investmentbank Lazard kostet Solarstrom aus Großanlagen 24 bis 96 US-Dollar pro Megawattstunde, ein neues Kernkraftwerk 141 bis 221 US-Dollar und ein vollständig abgeschriebenes Kernkraftwerk 31 US-Dollar. Neue Kohlekraftwerke liegen bei 68 bis 166 US-Dollar pro Megawattstunde und selbst vollständig abgeschrieben noch bei 52 US-Dollar – mehr als doppelt so teuer wie Solarstrom, weil bei Kohle vor allem der Brennstoff kostet.

Neben dem niedrigen Preis hat Solarenergie weitere wichtige Vorteile:

• Solange es die menschliche Zivilisation gibt, muss man sich mindestens einige Millionen Jahre lang keine Sorgen um das Versiegen der Quelle machen.
• Solarenergie ist dezentrale Stromerzeugung: Ein großes Kernkraftwerk könnte durch Dutzende Solarparks ersetzt werden, was die Abhängigkeit von einem einzelnen Großkraftwerk und vom Übertragungsnetz verringert.
• Sie ist leicht zu installieren und erfordert keine hohen Einmalinvestitionen.
• Brachflächen wie Wüsten lassen sich sinnvoll nutzen.

Solarenergie hat jedoch auch Nachteile:

• Die jährlichen Sonnenstunden sind regional unterschiedlich, nachts wird kein Strom erzeugt, und auch das Wetter beeinflusst die Erzeugung. Das ist der gemeinsame Nachteil aller erneuerbaren Energien: eine schwankende Stromerzeugung.
• Die Kosten von Solarstrom enthalten oft keine Energiespeicher – und Speicher betreffen nicht nur Solarstrom, sondern sollten eine notwendige Einrichtung für das gesamte Stromnetz sein.
• Große Solarparks brauchen viel Fläche und können die lokale Ökologie beeinträchtigen.
• Auch die Herstellung von Solarmodulen verursacht Umweltbelastungen, die sachgerecht behandelt werden müssen.

Windenergie

Windkraft gibt es an Land (onshore) und auf See (offshore). Onshore-Windkraft ist sogar günstiger als Solarstrom, ihr Ausbau ist aber wegen knapper Standorte und Protesten gegen Lärm schwierig; heute sind fast alle geeigneten Onshore-Projekte erschlossen. Offshore-Windkraft ist teurer, meist teurer als Solarstrom, mit Kosten von 72 bis 140 US-Dollar pro Megawattstunde. Wie Solarenergie kämpft sie mit anspruchsvoller Standortwahl (starker Wind nötig) und schwankender Erzeugung.

Erneuerbare Energien werden mit Hochdruck ausgebaut, begleitet vom großflächigen Bau von Energiespeichern. Sie erfüllen wirtschaftliche Anforderungen und sind vergleichsweise günstig.

Kernenergie

Kernenergie ist eines der meistdiskutierten Themen der letzten Zeit. Die Kernfusion wäre die ideale Wahl: Dabei verschmelzen leichte Elemente (etwa Wasserstoffisotope) bei extrem hohen Temperaturen und setzen enorme Energiemengen frei. Anders als die Kernspaltung erzeugt die Fusion kaum radioaktive Abfälle und gilt als ideale, sauberste Form der Stromerzeugung. Die technischen Hürden sind jedoch extrem hoch; die Kernfusion befindet sich noch im Laborstadium, und bis zur Kommerzialisierung ist es ein weiter Weg.

Selbst wenn die Technik ausgereift ist, dauert die großflächige Kommerzialisierung mindestens 20 Jahre – zu langsam für den dringenden Bedarf. Microsoft hat mit Helion Energy, an der Sam Altman beteiligt ist, einen Vertrag über Fusionsstrom ab 2028 geschlossen. Doch selbst wenn Helion innerhalb von zehn Jahren das erste wirtschaftlich tragfähige Fusionskraftwerk baut, dürfte es weitere zehn Jahre dauern, bis Regierungen weltweit diese Technologie einsetzen.

Die viel diskutierten kleinen modularen Reaktoren (SMR) könnten etwas höhere Stromgestehungskosten haben als große Kernkraftwerke, sind aber sicherer: Da sie kleiner sind und weniger radioaktives Material enthalten, wären die Folgen eines Unfalls für Umwelt und Bevölkerung geringer. Die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) bestätigt, dass SMR das Risiko einer Freisetzung gefährlicher radioaktiver Stoffe bei einem Unfall deutlich senken. Derzeit befinden sich die meisten Projekte jedoch noch im Bau oder in Planung, und manche Daten deuten sogar darauf hin, dass sie teurer werden als bestehende Kernkraftwerke. Die Technik scheint noch nicht ganz ausgereift.

Gedanken zu KI-Entwicklung und Strombedarf

Wird der menschliche Hunger nach Rechenleistung am Ende unersättlich bleiben – oder sich irgendwann auf Effizienz ausrichten? Bisher lag der Fokus darauf, die Rechenleistung zu steigern, mehr Strom zu verbrauchen und um jeden Preis Strom zu erzeugen. Doch diese Kurve wird irgendwann an eine Grenze stoßen, sofern es keinen Durchbruch bei der Kernfusion gibt. Letztlich könnte die Lösung des Energieproblems darin liegen, den Verbrauch durch effizientere KI-Algorithmen und Chips zu senken. Schließlich verbraucht ein Modell mit 20 Millionen Parametern beim Training mehr Strom als eines mit einer Million.

Die Situation erinnert an die Anfänge der CPUs, als der Stromverbrauch kaum eine Rolle spielte. Frühe Intel-x86-CPUs wie der Pentium 4 waren echte Stromfresser, und ARM-CPUs setzten sich später gerade wegen ihrer besseren Energieeffizienz durch. Bei GPUs ist es heute ähnlich: Anfangs kümmerte sich niemand um ihren Verbrauch, doch in drei, vier Jahren könnte es Chips geben, die so schnell sind wie die Vorgängergeneration, aber nur halb so viel Strom brauchen. Je stärker der Ausbau der Stromversorgung an Grenzen stößt, desto zwangsläufiger steigt die Effizienz von KI-Chips – und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) könnten Berechnungen noch effizienter erledigen.

Ein Beispiel: In der KI werden heute Modelle für Spracherkennung und Sprachsynthese eingesetzt. Angenommen, ein Spracherkennungsmodell erreicht 99,99 % Genauigkeit, kostet aber 100 an Rechenleistung, ein anderes erreicht nur 99 %, kostet aber nur 10 an Rechenleistung und Strom. Bei der Kommerzialisierung wird sich wahrscheinlich die etwas ungenauere, aber deutlich günstigere und sparsamere Variante durchsetzen.

Langfristig werden vielleicht 70 bis 80 % der KI-Anwendungen nicht nach Höchstleistung streben, sondern nach einem Gleichgewicht aus Effizienz und Leistung. Man sollte den Stromverbrauch der KI also nicht nur aus Sicht von Erzeugung und Versorgung betrachten – auch die Nachfrageseite wird sich verändern. Der Mensch ist gierig, doch wenn Ressourcen knapp sind, stößt er irgendwann an reale Grenzen und findet neue Wege.