Die KI und die Energiefrage: Warum Rechenzentren auf DC-Architekturen umdenken müssen

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Um mit den Anforderungen, die KI mit sich bringt, Schritt zu halten, ist der Wechsel von AC-Infrastruktur zu einer DC-nativen Energiearchitektur entscheidend. So können Compute-Anforderungen erfüllt und die Effizienz von Rechenzentren verbessert werden.

Hyperscale-Betreiber treiben den Aufbau von Infrastrukturen voran, die immer energieintensivere Workloads unterstützen können. Weltweit werden zwischen 2026 und 2030 mehr als 100 Gigawatt (GW) neue KI-Rechenzentrumskapazität erwartet.

KI-Infrastruktur im Wandel

Die KI-Zukunft entsteht nicht nur im Hyperscale-Rechenzentrum

Im Zentrum dieser Entwicklung steht eine grundlegende Veränderung der Compute-Dichte. Klassische Server-Racks arbeiten typischerweise mit rund 10 Kilowatt (kW). KI-Racks nähern sich heute 1 Megawatt (MW) – ein Anstieg des Leistungsbedarfs um zwei Größenordnungen auf derselben physischen Fläche. Diese Eskalation macht eine kritische Einschränkung sichtbar, die bislang weitgehend im Hintergrund blieb: die Grenzen der zugrunde liegenden Energiearchitektur bei der Deckung künftiger Nachfrage.

Die Grenzen der AC-Infrastruktur

Obwohl moderne IT digital ist, basiert die Energieversorgung von Rechenzentren weiterhin auf einem Modell, das vor mehr als einem Jahrhundert entwickelt wurde. Wechselstrom (AC) wurde zum Standard, weil er zu einer Zeit, in der Gleichstrom (DC) dies nicht leisten konnte, eine effiziente Übertragung über große Entfernungen ermöglichte.

Jede zentrale Komponente in einem Rechenzentrum – von GPUs bis hin zu Batterien – arbeitet aber grundsätzlich mit DC. Die heutige Infrastruktur ist deshalb auf einen kontinuierlichen Kreislauf von Umwandlungen angewiesen: AC aus dem Netz wird heruntertransformiert, für die Speicherung in DC umgewandelt, für die Verteilung wieder in AC invertiert und schließlich auf Chipebene erneut in DC konvertiert. Dieser Prozess erzeugt eine „Konvertierungsabgabe“: Zwischen 10 und 30 Prozent der eingehenden Energie können verloren gehen, bevor sie überhaupt die Rechenlast erreicht. Entscheidend ist: Diese Verluste wirken doppelt. Wertvolle Energie geht als Wärme verloren – und diese Wärme muss anschließend aktiv über Kühlsysteme abgeführt werden, was zusätzlichen Energieverbrauch verursacht.

In einer Zeit, in der verfügbare Leistung zu einem limitierenden Faktor für den Ausbau von Rechenzentren wird, zählt jeder Prozentpunkt Effizienz. Jeder zusätzliche Verlust bedeutet nicht nur weniger Rechenkapazität aus einem festen Netzanschluss, sondern auch erhebliche finanzielle Auswirkungen im großen Maßstab. In Anlagen der Gigawatt-Klasse kann bereits ein einzelner Prozentpunkt Ineffizienz Millionenwerte vernichten. Das unterstreicht die Notwendigkeit, den Anteil der Energie zu maximieren, der tatsächlich die Prozessoren erreicht.

Warum KI den Wechsel zu DC erzwingt

Historisch waren diese Ineffizienzen tolerierbar. Die Rack-Dichten waren niedrig genug, um Energieverluste aufzufangen, ohne die Leistungsfähigkeit grundsätzlich zu begrenzen. KI verändert das.

Da sich Racks der Megawatt-Skala nähern, werden die physischen und thermischen Grenzen der AC-Infrastruktur erreicht. NVIDIA und andere Technologieführer sprechen sich inzwischen für 800-V-DC-Architekturen als einzig tragfähigen Weg aus, um Racks im Megawatt-Bereich zu unterstützen.

Die Logik dahinter ist einfach: DC-Systeme mit höherer Spannung ermöglichen bei gleicher Leistungsübertragung niedrigere Ströme, reduzieren ohmsche Verluste und erlauben es, deutlich mehr Leistung über bestehende Leiter zu übertragen. Praktisch kann 800 Volt (V) DC wesentlich mehr Leistung liefern und gleichzeitig Kupferbedarf, Installationskomplexität und Kosten senken. Die Umsetzung erfordert allerdings eine grundlegende Neugestaltung der Energieverteilung innerhalb des Rechenzentrums.

Eine Platine für Computing-Trays mit KI-Prozessoren

Von 800 auf 6 Volt für die Stromverteilung in KI-Rechenzentren

Der Übergang von AC zu DC

Der Übergang zu einer DC-nativen Architektur ist kein einzelner Schritt, sondern eine gestufte Entwicklung. Heute arbeiten die meisten Rechenzentren in dem, was sich als Stufe 0 beschreiben lässt: Die Energie wird vollständig in AC verteilt, während die DC-Umwandlung erst am Nutzungspunkt erfolgt.

Stufe 1 bringt gezielte Verbesserungen durch Nachrüstungen wie Sidecar-Lösungen. Sie ermöglichen die Einführung von 800-V-DC-Racks und führen zu einer Systemeffizienz von 85 bis 93 Prozent. Diese Ansätze sind wertvoll, werden aber weithin als Übergangslösungen betrachtet.

Ein deutlicherer Wandel erfolgt in Stufe 2, in der Teile der Infrastruktur – vor allem die USV-Systeme – beginnen, mit DC zu arbeiten. Dieser hybride Ansatz entfernt unnötige Konvertierungen, sodass die Systemeffizienz auf 91 bis 96 Prozent steigen kann.

Der eigentliche Wandel beginnt in Stufe 3: Rechenzentren werden grundlegend DC-nativ. Hier werden traditionelle Transformatoren durch Solid-State-Transformatoren ersetzt, die Mittelspannungs-AC direkt in DC umwandeln. Das vereinfacht die Leistungskette und erschließt Effizienzen von 94 bis 97 Prozent.

Stufe 4 baut darauf mit einer vollständig integrierten DC-Architektur auf. Sie kombiniert hochentwickelte, besonders effiziente Solid-State-Transformatoren, die direkt an 34,5-kV-Netze angeschlossen sind, DC-basierte USV-Systeme und intelligentes Energiemanagement. In dieser Stufe nähert sich die Gesamtsystemeffizienz 98 Prozent und erhöht damit drastisch den Anteil der eingehenden Leistung, der für Compute genutzt werden kann.

Einige Betreiber werden schrittweise vorgehen. Mittelstufen ganz zu überspringen, ist auf lange Sicht jedoch kosteneffizienter und optimiert den Betrieb. Für heute geplante Rechenzentren dürfte es der effektivere Ansatz sein, direkt für 800 V DC zu planen, statt eine spätere Nachrüstung dieser Architektur vorzubereiten.

Seitenantrieb für KI-Rechenzentren

Mit Sidecars zu 1 MW pro Rack

Solid-State-Transformatoren: Der heilige Gral der DC-Architektur

Im Zentrum dieses Übergangs steht der Solid-State-Transformer (SST). Anders als konventionelle Transformatoren, die typischerweise groß, standortspezifisch und funktional begrenzt sind, integrieren Solid-State-Transformatoren Umwandlung und Steuerung in ein einzelnes, modulares System. Sie sind dafür ausgelegt, direkt an die Mittelspannung des Netzes anzuschließen und Hochspannungs-DC in einem Schritt bereitzustellen – ohne mehrere zusätzliche Konvertierungsebenen. Fortschritte bei Halbleitermaterialien, insbesondere Siliziumkarbid, ermöglichen SSTs den Betrieb bei höheren Spannungen und mit geringeren Schaltverlusten. Dadurch steigen Effizienz und Leistungsfähigkeit.

Neben Effizienzgewinnen können Solid-State-Transformatoren weitere Vorteile bieten. Ihr modularer Aufbau ermöglicht im Vergleich zu klassischen, individuell ausgelegten Transformatoren eine schnellere Fertigung und Bereitstellung. Das verkürzt Vorlaufzeiten und beschleunigt die Inbetriebnahme. Integrierte Redundanz auf Modulebene erhöht zudem die Systemresilienz und verhindert Single Points of Failure.

Technische Herausforderungen bleiben jedoch bestehen. Zwar existiert 800-V-DC-Architektur bereits in großen PV-Kraftwerken und Elektrofahrzeugen, ihre Umsetzung für SSTs ist jedoch alles andere als trivial. Der direkte Anschluss an Netzspannungen wie das europäische 33-kV-Netz oder das 34,5-kV-Netz in den USA ohne zwischengeschaltete Konvertierungsstufen ist komplex und erfordert umfassende Expertise in DC-Energiearchitektur.

Weiterentwicklung der Energie-Infrastruktur für KI-Rechenzentren

Infineon und DG Matrix nutzen Siliziumkarbid-Technologie

Auswirkungen auf das Netz

Die Vorteile der DC-Architektur reichen über das Rechenzentrum selbst hinaus. Mit dem steigenden Leistungsbedarf von KI-Infrastruktur nehmen auch die Sorgen um Netzkapazität und Netzstabilität zu. In vielen Regionen begrenzt der Zugang zu ausreichender Leistung bereits den Ausbau von Rechenzentren. Durch höhere Energieeffizienz ermöglichen DC-native Systeme den Betreibern, aus demselben Netzanschluss mehr Rechenleistung zu gewinnen und den Bedarf an zusätzlicher Kapazität zu reduzieren. Geringere Verluste bedeuten zudem weniger Kühlbedarf und entlasten damit den gesamten Energieverbrauch weiter.

Darüber hinaus sollte die Integration DC-basierter Energiespeicher und intelligenter Steuerungssysteme Rechenzentren in die Lage versetzen, dynamischer mit dem Netz zu interagieren. DC-USV-Systeme können beispielsweise als Puffer wirken, Nachfrageschwankungen glätten und die Auswirkungen plötzlicher Laständerungen abmildern.

Hürden bei der Einführung überwinden

Trotz der klaren Vorteile ist der Übergang zu DC nicht frei von Herausforderungen. Erstens stellt sich die Frage der Infrastrukturveränderung. Wer über frühe Nachrüstlösungen hinausgeht, muss zentrale Komponenten der Leistungskette ersetzen – ein komplexer Schritt.

Zweitens sind regulatorische Rahmenbedingungen für DC-Systeme noch nicht vollständig ausgereift. Standards für Sicherheit, Zertifizierung und Betrieb befinden sich insbesondere für höhere Spannungsebenen noch in der Entwicklung. Schließlich gibt es eine Kompetenzlücke: Die Planung und Umsetzung DC-nativer Systeme erfordert spezialisiertes Fachwissen, das in der Branche noch nicht weit verbreitet ist. Diese Herausforderungen sind jedoch typisch für jeden größeren technologischen Wandel. Da die Grundlagen bereits gelegt werden, dürften entsprechende Lösungen bald entstehen.

Der Zeitplan des Übergangs

Dieser Übergang nimmt bereits Gestalt an. Für 2026 werden erste Prototypen und frühe Pilotimplementierungen von DC-Architekturen und Solid-State-Transformatoren erwartet. Bis 2027 dürften SSTs kommerziell verfügbar sein und erste kommerzielle Projekte entstehen. Ab 2028, wenn KI-Racks im Megawatt-Bereich zum Mainstream werden, muss DC-Infrastruktur rasch skalieren, um die Nachfrage zu bedienen.

Mit Blick weiter nach vorn denkt die Branche bereits über einen künftigen Übergang zu 1500-V-DC-Systemen nach. Dies verspricht zusätzliche Effizienzgewinne, bringt aber neue technische und sicherheitsbezogene Herausforderungen mit sich, die durch weitere Innovation und Standardisierung gelöst werden müssen.

Die Unvermeidlichkeit der Evolution

Während KI die Grenzen der Leistungsdichte weiter verschiebt, stößt traditionelle Infrastruktur an ihre Limits. DC-Architektur bietet einen Weg zu höherer Effizienz, größerer Skalierbarkeit und besserer Ausrichtung auf die Anforderungen von Workloads der nächsten Generation.

Die Frage ist nicht mehr, ob dieser Übergang stattfindet, sondern wie schnell die Branche ihn umsetzen kann. Rechenzentren sind die ersten, die diese Herausforderung im großen Maßstab bewältigen müssen – aber vermutlich nicht die letzten. Mit zunehmender Reife der Technologie könnte sich der Wandel hin zu DC-nativen Energiesystemen als deutlich weitreichender erweisen.

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