Schroders: AI vergt aanzienlijke uitbreiding energiecapaciteit

June 18, 2024

Kunstmatige intelligentie (AI) zorgt voor een grote toename in de vraag naar energie. De datacenters die de reken- en opslagcapaciteit leveren die nodig is om AI-modellen te ontwikkelen, te trainen en in te zetten, zullen veel meer energie verbruiken naarmate AI-toepassingen op grotere schaal worden gebruikt. Het voldoen aan deze stijgende vraag naar energie creëert tal van uitdagingen. Dat verklaart waarom Sam Altman, de CEO van OpenAI, energie heeft omschreven als het 'moeilijkste onderdeel' van het voldoen aan de behoefte van AI.

Datacenters gebruikten al steeds meer energie voordat de belangstelling voor de mogelijkheden van generatieve AI explosief toenam. Van 2012-2023 steeg de vraag naar energie van datacenters met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 14%, veel meer dan de groei van 2,5% in de totale vraag naar elektriciteit in dezelfde periode.

Nu zal AI de stroombehoefte van datacenters nog dramatischer doen toenemen. Wanneer AI-modellen zich in de trainingsfase bevinden, waarin ze leren om voorspellingen te doen en beslissingen te nemen op basis van gegevens waarmee ze zijn gevoed, verbruiken ze zes keer zoveel energie als niet-AI-computers. In de 'inferentiefase', wanneer getrainde AI-modellen conclusies trekken op basis van nieuwe gegevens en query's, verbruiken ze nog steeds twee tot drie keer zoveel energie als traditionele workloads.

Een grote toename in capaciteit nodig om AI van stroom te voorzien

Om de groeiende vraag naar stroom van datacenters bij te houden, moet de wereldwijde capaciteit voor het opwekken en afleveren van stroom aanzienlijk worden vergroot. De grootste technologiebedrijven ter wereld geven miljarden dollars uit om kritieke stroomcapaciteit toe te voegen om hun vermogen om AI-modellen te trainen en te ontwikkelen te vergroten.

Onderzoeksbureau SemiAnalysis schat dat de kritieke IT-stroomcapaciteit - dat is de totale stroom die beschikbaar is om servers, opslagapparaten en netwerkapparatuur te laten draaien (en afgezien van niet-IT-gebruik zoals verlichting en koeling) - in datacenters wereldwijd zal toenemen van 49.000 megawatt in 2023 tot 96.000 megawatt in 2026. 

Die toename in kritieke stroomcapaciteit vertegenwoordigt een CAGR van 25% in de komende drie jaar, wat opnieuw veel hoger is dan de jaarlijkse groei van 13% in de periode 2014-2023. AI workloads zullen 85% van die toekomstige groei uitmaken. Zoals afbeelding 2 laat zien, zullen veel technologiebedrijven hun capaciteit bijna verdubbelen.

De verhoogde wereldwijde capaciteit zal niet alleen komen van efficiëntiewinsten en uitbreidingen bij bestaande centra, maar ook van de bouw van nieuwe datacenters.

Duurzaam elektriciteitsverbruik

Hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie zullen een cruciale rol spelen bij het voldoen aan de toegenomen vraag naar rekenkracht, terwijl landen toewerken naar de doelstellingen van het Akkoord van Parijs om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. De westerse technologiebedrijven hebben ook hun eigen ambitieuze doelstellingen om de koolstofuitstoot te verminderen.

Google streeft ernaar om in 2030 24/7 uitsluitend koolstofvrije energie te gebruiken.

Amazon is van plan om in 2025 100% hernieuwbare energie te gebruiken. Het bedrijf streeft er ook naar om in 2040 koolstofuitstoot tot nul te reduceren. Meta (Facebook) heeft de uitstoot van broeikasgassen sinds 2017 met 94% verminderd. Dit heeft het bedrijf voornamelijk gedaan door zijn datacenters en kantoren te voeden met 100% hernieuwbare energie. Microsoft streeft ernaar om tegen 2030 al zijn elektriciteitsverbruik te dekken met koolstofvrije energieaankopen. Het bedrijf is ook van plan om tegen 2050 alle CO2 te verwijderen die het ooit heeft uitgestoten sinds de oprichting van het bedrijf in 1975.

Apple gebruikt inmiddels in al zijn winkels, datacenters en kantoren wereldwijd 100% hernieuwbare elektriciteit. Ongeveer 90% hiervan is afkomstig van hernieuwbare bronnen die Apple zelf heeft gecreëerd. Apple heeft dit bereikt door langlopende stroomafnameovereenkomsten (PPA's) met een aantal duurzame energiecentrales en door te investeren in, of direct eigenaar te zijn van, andere duurzame-energiefaciliteiten.

De wisselvalligheid van zonne- en windenergie vormt een uitdaging

Datacenters zijn energieslurpers en werken 24/7. Aangezien wind en zon intermitterende energiebronnen zijn, kunnen datacenters niet van energie worden voorzien door duurzame energiebronnen alleen, zelfs niet wanneer batterijtechnologie wordt gebruikt om opgewekte energie op te slaan. 

Waterkracht of kernenergie zouden een alternatief kunnen bieden voor de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Maar waterkracht heeft geografische beperkingen. Kerncentrales hebben extra problemen, variërend van de lange tijd die het kost om ze te bouwen tot publieke weerstand tegen kerncentrales. Op dit moment is aardgas de meest haalbare optie voor het verkrijgen van energie als aanvulling op hernieuwbare bronnen, aangezien het energie kan leveren op aanvraag en een veel schoner alternatief is dan kolengestookte centrales.

Meerdere knelpunten voor de opbouw van extra capaciteit

Het tijdig verhogen van de stroomopwekkings- en transmissiecapaciteit en het beheren van de stabiliteit van elektriciteitsnetten in bredere zin is een uitdaging die de uitbreiding van datacenters en de verspreiding van AI-gebaseerde oplossingen zou kunnen vertragen. Er zijn wat dit betreft meerdere extra knelpunten naar voren gekomen.

Ten eerste heeft de huidige uitbreiding van datacenters al een negatieve invloed op de netwerken. Dat heeft ertoe geleid dat sommige datacenterexploitanten nieuwe uitbreidingen hebben opgeschort. In Ierland, waar datacenters nu 18% van de in het land opgewekte elektriciteit gebruiken, mogen tot 2028 geen nieuwe centra op het elektriciteitsnet worden aangesloten. Nederland heeft de bouw van nieuwe centra beperkt tot twee locaties en Singapore heeft een moratorium van vier jaar ingesteld op de bouw van nieuwe datacenters.

Ten tweede blijkt het een uitdaging om de toeleveringsketens aan te passen aan de hoge ambities van de technologiebedrijven. Er is momenteel een tekort aan transformatoren, die de spanning van elektriciteit aanpassen zodat deze over lange afstanden kan worden getransporteerd en ook kan worden gebruikt op niveaus die veilig zijn voor datacenters. 

Ten derde duurt het ook langer om hernieuwbare energieopwekking aan te sluiten op het elektriciteitsnet vanwege de groeiende wachtrijen voor netaansluitingen. Nieuwe centrales vereisen ook nieuwe elektriciteitsleidingen om de elektriciteit te vervoeren van de plaats waar ze wordt opgewekt naar de plaats waar ze wordt gebruikt. 

Als reactie op deze uitdagingen zoeken technologiebedrijven naar alternatieve oplossingen. Eén optie is het verwerven van een eigen, "off-grid" energiebron. Amazon deed onlangs precies dit toen het een datacenter in Pennsylvania kocht dat zijn energie haalt uit een nabijgelegen kerncentrale.

AI kan helpen het probleem op te lossen

Het is misschien niet verrassend dat AI kan helpen bij het oplossen van veel van de uitdagingen die gepaard gaan met het leveren van de toegenomen benodigde energie. Omdat AI zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, is het nog te vroeg om precies te voorspellen hoe dit scenario zal uitpakken. Toch lijkt het zeer waarschijnlijk dat AI zal helpen bij het ontdekken van manieren om energie efficiënter en effectiever te beheren en te gebruiken.