Lastspitzenmanagement erleichtert den Netzanschluss von KI-Rechenzentren
Der stark wachsende Leistungsbedarf hoch-performanter KI-Rechenzentren stellt Netzbetreiber und Rechenzentrumsbetreiber vor neue Herausforderungen. Eine Kurzinformation von VDE ITG und VDE ETG zeigt, wie Gleichstromverteilung, mehrstufige Speicherlösungen und einheitliche technische Standards Lastspitzen reduzieren und Netzanschlüsse erleichtern können.
KI-Rechenzentren besser ins Stromnetz integrieren
- KI-Training und Inferenz verursachen unterschiedliche und teilweise stark schwankende Lastprofile.
- Eine 800-Volt-Gleichstromverteilung kann Leistungsverluste und den Kupferbedarf reduzieren.
- DC/DC-Wandler erreichen laut VDE Wirkungsgrade von bis zu 98 Prozent.
- Mehrstufige Speicherarchitekturen kombinieren Batteriespeicher mit unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen.
- Einheitliche Standards sollen die technische Auslegung vereinfachen und die Integration erneuerbarer Energien unterstützen.
KI-Rechenzentren erhöhen die Anforderungen an die Stromnetze
Weltweit entstehen neue hoch-performante Rechenzentren, um die wachsende Nutzung künstlicher Intelligenz zu ermöglichen. Die dafür benötigten AI-Data-Centers, kurz AI-DC, weisen jedoch einen sehr hohen und teilweise stark schwankenden Strombedarf auf.
Für Netzbetreiber wird der Anschluss solcher Anlagen damit zunehmend anspruchsvoll. Neben der verfügbaren elektrischen Leistung müssen auch Netzstabilität, Versorgungssicherheit und Resilienz berücksichtigt werden. Besonders in Ballungsräumen stehen häufig nur begrenzte Netzanschlusskapazitäten zur Verfügung.
Die Informationstechnische Gesellschaft im VDE und die Energietechnische Gesellschaft im VDE haben deshalb eine gemeinsame Kurzinformation zum intelligenten Lastspitzenmanagement in hoch-performanten Rechenzentren veröffentlicht.
Weitere Beiträge zum Thema
Training und Inferenz erzeugen unterschiedliche Lastprofile
Der Leistungsbedarf eines KI-Rechenzentrums hängt stark von seiner Nutzung ab. Beim Training künstlicher Intelligenz werden grosse Datenmengen über längere Zeiträume verarbeitet. Bei der Inferenz werden bereits trainierte Modelle für konkrete Anwendungen genutzt.
Diese beiden Einsatzbereiche können deutlich voneinander abweichende Lastprofile verursachen. Für die Planung des Netzanschlusses reicht es deshalb nicht aus, lediglich den durchschnittlichen Energieverbrauch oder die maximale Anschlussleistung zu betrachten.
Erforderlich ist eine detaillierte Analyse des zeitlichen Energie- und Leistungsbezugs. Auf dieser Grundlage können technische Mechanismen entwickelt werden, mit denen kurzfristige Leistungsspitzen begrenzt oder ausgeglichen werden.
800-Volt-Gleichstromverteilung reduziert Verluste
Herkömmliche Energieverteilungssysteme in Rechenzentren arbeiten häufig mit einer Spannung von 48 Volt. Bei den hohen Leistungsstufen moderner KI-Rechenzentrums-Racks stossen solche Systeme zunehmend an technische und wirtschaftliche Grenzen.
Die Autoren der VDE-Kurzinformation sehen den Wechsel zu einer 800-Volt-Gleichstromverteilung als einen möglichen Lösungsansatz. Die höhere Spannung kann die für die Übertragung erforderlichen Stromstärken reduzieren. Dadurch sinken sowohl die Leistungsverluste als auch der benötigte Kupferquerschnitt.
Eine Gleichstromverteilung kann zudem besser mit Batteriespeichern, Photovoltaikanlagen und weiteren Gleichstromkomponenten verbunden werden. Damit eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten für ein integriertes Energie- und Lastmanagement innerhalb des Rechenzentrums.
DC/DC-Wandler sichern die Kompatibilität
Damit bestehende 48-Volt-Systeme weiterhin genutzt werden können, werden DC/DC-Wandler eingesetzt. Sie reduzieren die Spannung von 800 Volt auf die für die einzelnen Verbraucher benötigten 48 Volt.
Nach Angaben des VDE erreichen aktuelle Wandler einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent und stellen eine präzise Ausgangsspannung bereit. In der Forschung wird daran gearbeitet, die Zahl der notwendigen Wandlungsstufen weiter zu reduzieren.
Weniger Wandlungsstufen könnten die Energieeffizienz zusätzlich erhöhen, die Verlustwärme verringern und den Kühlbedarf der Rechenzentren reduzieren.
Mehrstufige Speicherarchitektur gleicht Lastspitzen aus
Für die Kompensation kurzfristiger und länger anhaltender Lastspitzen schlagen VDE ITG und VDE ETG eine mehrstufige Speicherarchitektur vor. Dabei werden unterschiedliche Speicher- und Versorgungssysteme miteinander kombiniert.
Eine solche Architektur kann beispielsweise Batteriespeicher mit Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, kurz USV, verbinden. Die verschiedenen Komponenten reagieren auf unterschiedlichen Zeitskalen und übernehmen jeweils jene Aufgaben, für die sie technisch und wirtschaftlich am besten geeignet sind.
Sehr kurzfristige Leistungsschwankungen können innerhalb von Sekunden oder Millisekunden abgefangen werden. Batteriespeicher können zusätzlich grössere Energiemengen über einen längeren Zeitraum bereitstellen und damit die am Netzanschlusspunkt gemessene Leistung begrenzen.
Durch das gezielte Glätten der Lastkurve kann eine hohe interne Rechenleistung bereitgestellt werden, ohne dass die vollständige Spitzenleistung jederzeit aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden muss.
Auslegung hängt vom Standort und der Nutzung ab
Für Rechenzentren gibt es keine einheitliche Speicherlösung. Die erforderliche Leistung und Speicherkapazität hängen unter anderem vom Standort, vom verfügbaren Netzanschluss und vom konkreten Einsatzbereich des Rechenzentrums ab.
Auch die Frage, ob eine Anlage überwiegend für das Training von KI-Modellen oder für die Inferenz genutzt wird, beeinflusst die Dimensionierung. Hinzu kommen die technischen Anschlussbedingungen und allfällige Vorgaben des zuständigen Netzbetreibers.
Eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Rechenzentrumsbetreiber, Planungsunternehmen und Netzbetreiber ist deshalb entscheidend. So können Netzanschluss, Speicher, Energieverteilung und Lastmanagement als Gesamtsystem geplant werden.
Netzanschlusskapazitäten werden zum Standortfaktor
Die Verfügbarkeit elektrischer Energie allein reicht für den Betrieb eines KI-Rechenzentrums nicht aus. Entscheidend ist auch, ob am vorgesehenen Standort ausreichend Netzanschlusskapazität zur Verfügung steht.
Insbesondere in Ballungsräumen können bereits bestehende industrielle Verbraucher, Elektromobilität, Wärmepumpen und weitere neue Stromanwendungen die Netze stark beanspruchen. Ein konventioneller Netzausbau ist grundsätzlich möglich, benötigt jedoch häufig viel Zeit und verursacht hohe Kosten.
Ein intelligentes Lastspitzenmanagement kann den Netzausbau nicht vollständig ersetzen. Es kann aber dazu beitragen, vorhandene Netzkapazitäten effizienter zu nutzen und Projekte zu ermöglichen, deren Anschlussleistung ohne Flexibilitätsmassnahmen nicht oder erst deutlich später bereitgestellt werden könnte.
Standardisierung soll Planung und Marktentwicklung beschleunigen
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass hoch-performante Rechenzentren heute mit unterschiedlichen Spannungsebenen, Komponenten und Systemarchitekturen geplant werden.
VDE ITG und VDE ETG sprechen sich deshalb für eine stärkere Standardisierung aus. Einheitliche technische Vorgaben könnten die Auslegung von Speichern, Wandlern und weiteren Kompensationsvorrichtungen erleichtern.
Standards könnten zudem den Markt für entsprechende Technologien öffnen. Hersteller könnten Komponenten für klar definierte Anforderungen entwickeln und in grösseren Stückzahlen produzieren. Rechenzentrumsbetreiber würden gleichzeitig von einer besseren Vergleichbarkeit und einer einfacheren Integration verschiedener Systeme profitieren.
Integration erneuerbarer Energien wird erleichtert
Eine standardisierte Gleichstromarchitektur und ein abgestimmtes Speichersystem können auch die Integration erneuerbarer Energien unterstützen. Lokal erzeugter Solarstrom könnte beispielsweise direkt in das interne Gleichstromsystem eingespeist oder in Batteriespeichern zwischengespeichert werden.
Damit lassen sich Energiebezug, Eigenproduktion und flexible Lasten besser aufeinander abstimmen. Voraussetzung bleibt allerdings, dass die Systeme koordiniert gesteuert werden und sowohl die betrieblichen Anforderungen des Rechenzentrums als auch die Bedürfnisse des Stromnetzes berücksichtigen.
Neue Anforderungen für Netzbetreiber
Für Netzbetreiber werden KI-Rechenzentren zu einer neuen Kategorie grosser Stromverbraucher. Neben der installierten Anschlussleistung gewinnen die Geschwindigkeit von Laständerungen, die verfügbare Flexibilität und das Verhalten bei Netzstörungen an Bedeutung.
Bei Anschlussgesuchen dürfte deshalb künftig genauer geprüft werden, wie Rechenzentren ihre Leistung steuern und welche Speicher- oder Ersatzversorgungssysteme vorhanden sind. Auch vereinbarte Leistungsgrenzen und netzdienliche Betriebsweisen könnten eine wichtigere Rolle spielen.
Für beide Seiten kann sich eine detaillierte Betrachtung lohnen. Rechenzentrumsbetreiber erhalten möglicherweise früher oder kostengünstiger einen Netzanschluss. Netzbetreiber können gleichzeitig hohe Lastspitzen begrenzen und vorhandene Infrastruktur effizienter nutzen.
Lastmanagement wird Teil der Rechenzentrumsplanung
Die VDE-Kurzinformation zeigt, dass der Netzanschluss hoch-performanter KI-Rechenzentren nicht allein durch zusätzliche Leitungen und Transformatoren gelöst werden muss. Moderne Gleichstromsysteme, leistungsfähige Wandler, mehrstufige Speicher und eine intelligente Steuerung können einen wesentlichen Beitrag leisten.
Damit entwickelt sich das Lastspitzenmanagement zu einem zentralen Bestandteil der technischen Planung. Je früher Netzanschluss und Energiearchitektur gemeinsam betrachtet werden, desto besser lassen sich Leistungsbedarf, Kosten, Effizienz und Netzverträglichkeit aufeinander abstimmen.
Die Standardisierung der eingesetzten Systeme könnte diese Entwicklung weiter beschleunigen und die Grundlage für skalierbare Lösungen schaffen.