Sztuczna inteligencja (AI) i jej znaczące zapotrzebowanie na energię spowodowały, że branża energetyczna i użyteczności publicznej ponownie oceniła swoje własne prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną i zasoby wymagane do zaspokojenia przyszłego wzrostu gospodarczego.
Branża energetyczna i użyteczności publicznej osiągała swoje własne cele transformacji energetycznej w ciągu ostatniej dekady głównie w uproszczony sposób, ale kontynuacja tej strategii nie jest dostosowana do potrzeb obecnej fali wzrostu technologicznego.
Kolejny etap transformacji energetycznej obejmie technologie, które mogą nie być jeszcze możliwe do zidentyfikowania, ale mają wsparcie federalnych i stanowych wysiłków legislacyjnych.
Branża energetyczna nie powinna poświęcać celów redukcji emisji dwutlenku węgla, aby sprostać oczekiwaniom wzrostu wynikającym z potrzeb obliczeniowych AI.
Jesteśmy przekonani, że branża energetyczna i użyteczności publicznej będzie w stanie sprostać obecnym wyzwaniom.
Postęp technologiczny wymaga kolejnego etapu transformacji energetycznej
„Transformacja energetyczna” to temat, na którym od ponad dekady koncentruje się amerykańska branża elektroenergetyczna. Zmiana w kierunku wykorzystywania większej ilości odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, oraz mniejszego polegania na tradycyjnych źródłach energii, takich jak węgiel i energia jądrowa, charakteryzuje ten temat.
W ostatnich latach, z uwagi na powszechne wykorzystanie technologii sztucznej inteligencji i zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do obsługi wysokiego poziomu obliczeń. Jednak niedawny, gwałtowny wzrost prognoz zapotrzebowania na energię elektryczną - spowodowany powszechnym przyjęciem postępów technologicznych w zakresie sztucznej inteligencji i wymaganiami energetycznymi niezbędnymi do obsługi tego poziomu obliczeń - stanowi wyzwanie dla branży energetycznej, która chce uniezależnić się od paliw wysokoemisyjnych. Ponieważ branża technologiczna dąży do zapoczątkowania nowej ery superkomputerów, takich jak ambitna maszyna „Stargate” Microsoftu o wartości 100 miliardów dolarów, branża energetyczna znajduje się na rozdrożu. Jeśli dojdzie ona do skutku, sama maszyna Stargate może wymagać oszałamiającej mocy pięciu gigawatów (GW),1 co naszym zdaniem podkreśla krytyczne wyzwanie, które wykracza daleko poza sferę zdolności produkcyjnych i innowacji algorytmicznych: monumentalne zapotrzebowanie na moc.
Zmieniające się założenia dotyczące wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną ze względu na obliczanie danych przez sztuczną inteligencję i inne postępy technologiczne mają destrukcyjny wpływ na branżę elektroenergetyczną, która zasadniczo była świadkiem płaskiego popytu w ciągu ostatnich dwóch dekad (patrz rysunek 1).
W rzeczywistości od ery dot-comów z przełomu lat 90. i 2000. przedsiębiorstwa energetyczne nie musiały martwić się o marże rezerw energii elektrycznej w obliczu rosnącego popytu.
Wraz ze stagnacją popytu na energię elektryczną w Stanach Zjednoczonych, branża zwiększyła nacisk na energię odnawialną i usunęła starsze moce z systemu. Średni wiek floty energetycznej wynosi 28 lat, więc zrozumiałe jest, że niektóre konwencjonalne zasoby wytwórcze muszą zostać wycofane.2 Dodatkowo, wymogi prawne w wielu stanach, aby spełnić surowe cele klimatyczne, przyczyniły się do systematycznego wyłączania generacji węglowej w wielu regionach.
Zakłady energetyczne przewidywały pewien wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną ze względu na kilka czynników, w tym przyjęcie pojazdów elektrycznych (EV) i zmianę lokalizacji amerykańskiej produkcji, ale oczekuje się, że wzrost centrów danych przekroczy oczekiwania.
Również nowe funkcje obliczeniowe AI zwiększają popyt, ponieważ gęstość mocy centrów danych AI jest nawet 10 razy większa niż w przypadku tradycyjnych centrów danych. Według niedawnego raportu McKinsey & Company, udział zapotrzebowania na energię elektryczną w USA przez centra danych ma osiągnąć 35 GW do 2030 r., czyli ponad dwukrotnie więcej niż 17 GW w 2022 r. (rys. 2 na następnej stronie).3
Opóźnienia były historycznie problemem związanym z przetwarzaniem obliczeniowym i wymagały, aby centra danych były fizycznie zlokalizowane obok źródła danych. W związku z tym rynki centrów danych były najbardziej rozpowszechnione w regionach takich jak Dolina Krzemowa i obszar DC oraz w innych głównych ośrodkach technologicznych, takich jak Dallas i Chicago. Obliczenia AI są mniej wrażliwe na opóźnienia, dlatego firmy technologiczne zwiększają swoją obecność w centrach danych.
Źródło: US Energy Information Administration.
Rysunek 1: Zapotrzebowanie na energię elektryczną w USA
Zapotrzebowanie na energię elektryczną (po lewej) Wzrost r/r (po prawej)
3 Zasilanie gwałtownie rosnącego popytu AI w regionach w oparciu o inne wymagania, takie jak poziom penetracji odnawialnych źródeł energii, łatwość uzyskiwania pozwoleń i połączeń międzysystemowych, potencjał zachęt podatkowych i ogólna cena energii elektrycznej. Niektóre regiony skorzystały na rozwoju centrów danych oferując wiele zachęt. Na przykład Georgia Power (spółka zależna Southern Company) niedawno skorygowała swój wzrost sprzedaży detalicznej energii elektrycznej z 1%-2% w latach 2024-2025 do około 9% rocznie w latach 2025-2028 ze względu na rozwój centrów danych i innych obiektów przemysłowych.4
Zapotrzebowanie na centra danych, wraz ze wzrostem ogólnego popytu przemysłowego wynikającego z działań rozwojowych związanych z reshoringiem, stanowi kolejne istotne wyzwanie dla amerykańskiej energetyki.
Centra danych AI wymagają niezawodnego i stałego poziomu zasilania 24/7. Tradycyjna moc obciążenia podstawowego najlepiej zaspokaja tego typu zapotrzebowanie na energię i nie jest czymś, co mogą zaoferować dzisiejsi dostawcy energii odnawialnej. Udoskonalenia technologiczne zwiększyły wydajność odnawialnych źródeł energii, ale najbardziej produktywne elektrownie mają tylko 30% mocy w przypadku energii słonecznej i 45% w przypadku energii wiatrowej.5
Co więcej, postępy w dziedzinie akumulatorów zapewniają jedynie około czterech godzin możliwości tworzenia kopii zapasowych w celu wsparcia wytwarzania energii wiatrowej i słonecznej. Elektrownie, które najlepiej służyłyby centrom danych AI, są dokładnie tymi jednostkami wytwórczymi, które zostały wycofane w ciągu ostatniej dekady, aby dostosować się do przejścia na czystą energię, na której koncentrują się stanowe i federalne władze energetyczne.
Czy węgiel i energia jądrowa mogą rozwiązać ten problem?
Dwa tradycyjne źródła zasilania podstawowego, które najlepiej nadają się do zaspokojenia zapotrzebowania centrów danych AI, nie biorąc pod uwagę kwestii środowiskowych, to węgiel i energia jądrowa. W ostatnich latach zarówno węgiel, jak i energia jądrowa stanowiły coraz mniejszy odsetek ogólnej produkcji energii elektrycznej.
Według amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej (Energy Information Administration), w latach 2015-2023 z węgla wycofywano średnio 12 GW rocznie, a wyłączenia prawdopodobnie utrzymają się na podobnej trajektorii do końca 2020 r. (rys. 3 na następnej stronie)6.
Źródło: McKinsey Energy Solutions Global Energy Perspective 2023; model popytu na centra danych McKinsey. Nie ma pewności, że jakakolwiek prognoza, projekcja lub szacunek zostaną zrealizowane.
Rysunek 2: Zużycie energii przez centra danych w USA
2023-2030 (Prognoza)
Terawatogodziny (TWh) Procent % całkowitego zapotrzebowania na energię w USA (po prawej)
Ponieważ energia jądrowa jest wysoce niezawodna i wolna od emisji dwutlenku węgla, jest pożądanym źródłem zasilania dla dostawców technologicznych centrów danych. Jednak w ciągu ostatniej dekady doszło do licznych wycofań elektrowni jądrowych z powodu słabych prognoz cen energii i niezdolności operatorów jądrowych do wygenerowania wystarczającego zwrotu ekonomicznego (rysunek 4).
Dopiero niedawno, wraz ze wzrostem prognoz popytu na energię elektryczną, możliwości zwrotu z eksploatacji elektrowni jądrowych stały się jaśniejsze. Chociaż jest już za późno, aby odwrócić proces wycofywania z eksploatacji większości elektrowni jądrowych, gubernator Kalifornii podjął próbę powstrzymania wycofania z eksploatacji ostatniej elektrowni jądrowej w tym stanie, Diablo Canyon, poprzez zapewnienie lepszych zachęt ekonomicznych dla Pacific Gas & Electric, która jest operatorem elektrowni.7 Ponadto próby budowy nowych źródeł energii jądrowej przy użyciu tradycyjnych metod okazały się zbyt kosztowne.
Ponadto próby budowy nowych źródeł energii jądrowej przy użyciu tradycyjnych metod okazały się zbyt kosztowne, czego dowodem jest dwuoddziałowa elektrownia Vogtle firmy Southern Company, która została niedawno ukończona za ponad 17 miliardów USD powyżej poziomów budżetowych.8 Obecnie nie rozważa się budowy nowych bloków jądrowych w Stanach Zjednoczonych, biorąc pod uwagę całkowity koszt Southern Company zrealizowało swoje przedsięwzięcie.
Źródło: US Energy Information Administration.
Rysunek 3: Moc wytwórcza węgla
Gigawatogodziny (GWh), 2013-2023
Rysunek 4: Moc wytwórcza energii jądrowej w USA
Gigawatogodziny, 2013-2023
W związku z pilną potrzebą innowacji w dziedzinie energetyki oraz wymaganiami niezbędnymi do sprostania nowej fizycznej infrastrukturze przetwarzania danych, branża energetyczna powinna przejść do kolejnego zaawansowanego etapu transformacji energetycznej.
Nie wystarczy już, że dostawcy energii zbudują więcej zasobów przerywalnych, które nie są dostępne 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Ponadto rodzaje energii, które tradycyjnie zapewniały najwyższy poziom niezawodności, albo nie spełniają celów klimatycznych, albo są zbyt kosztowne, aby je rozważyć. W związku z tym, aby sprostać temu wyzwaniu, należy wziąć pod uwagę inne technologie i będą wymagały wieloaspektowego podejścia. Istnieje pilna potrzeba innowacji w zakresie produkcji, magazynowania i dystrybucji energii. Badanie alternatywnych źródeł energii i poprawa efektywności energetycznej będą odgrywać kluczową rolę, a nawet postęp w technologii jądrowej może pomóc złagodzić niektóre z tych obaw. W ciągu ostatnich kilku dekad kilka firm pracowało nad rozwojem mniejszych, modułowych reaktorów jądrowych, a niektóre przedsiębiorstwa użyteczności publicznej przewidziały wdrożenie tej technologii w swoich długoterminowych planach dotyczących zasobów.
Poszukiwanie właściwych rozwiązań
Niezależnie od tego, czy chodzi o pożary, huragany, tornada czy inne znaczące burze, większość urzędników stanowych i federalnych zdaje sobie sprawę, że zmiany klimatyczne mają głęboki wpływ na Stany Zjednoczone i ich infrastrukturę. Dla tych decydentów powinno być również oczywiste, że cele klimatyczne nie powinny być zmieniane ani poświęcane, aby sprostać nagłym zmianom klimatu gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną pochodzący z centrów danych AI i innych szybko rosnących użytkowników energii. Niedawne akty prawne, w tym ustawa o redukcji inflacji z 2022 r., mają w rzeczywistości zachęcać do nowych postępów technologicznych w wielu kanałach branży energetycznej, w tym w zakresie odnawialnych źródeł energii, magazynowania, energii jądrowej i wodoru. Branża elektroenergetyczna była świadkiem wzrostu własnego wzrostu dzięki temu wsparciu legislacyjnemu i jesteśmy zachęcani, że branża znajdzie odpowiednie rozwiązania, aby sprostać wyzwaniom, przed którymi stoi. Ogólnie rzecz biorąc, ramy regulacyjne i polityka publiczna będą musiały ewoluować w tandemie, aby wspierać prognozowany wzrost w branży energetycznej.
Patrząc w przyszłość, wyzwania związane z energią mogą być zarówno zniechęcającą przeszkodą, jak i ogromną szansą. Poszukiwanie rozwiązań niewątpliwie pobudzi innowacje w wielu dziedzinach, od czystych technologii energetycznych po przełomowe rozwiązania w zakresie wydajności obliczeniowej. Zarówno dla inwestorów, jak i liderów branży, nadchodząca podróż nie polega jedynie na finansowaniu następnej generacji superkomputerów, ale na wspieraniu zrównoważonego ekosystemu, który łączy ambicje i ambicje superkomputerów ekosystemu, który łączy ambicje wzrostu gospodarczego z imperatywami zarządzania środowiskiem i odpowiedzialnością społeczną. Sztuczna inteligencja i otaczająca ją infrastruktura obliczeniowa zmusza nas do wyobrażenia sobie ścieżki, która jest nie tylko zaawansowana technologicznie, ale także zrównoważona i sprawiedliwa.
Przypisy końcowe
1. Źródło: „Microsoft i OpenAI rozważają centrum danych AI o wartości 100 mld USD i mocy 5 GW”. Data Center Dynamics. 29 marca 2024 r.
2. Źródło: „Ponieważ wiek floty elektrowni utrzymuje się na poziomie 28 lat, amerykańska flota jądrowa osiąga kamień milowy w średnim wieku”. S&P Global Market Intelligence. 26 października 2022 r.
3. Źródło: „Investing in the Rising Data Center Economy”. McKinsey & Company. 17 stycznia 2023 r.
4. Źródło: The Southern Company (NYSE:SO) Q4 2023 Earnings Call Transcript. 16 lutego 2024 r.
5. Źródło: „Wykorzystanie energii wiatrowej i słonecznej do niezawodnego zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną”. Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL).
6. Źródło: „Prawie jedna czwarta działającej amerykańskiej floty węglowej ma przejść na emeryturę do 2029 roku”. U.S. Energy Information Administration. 7 listopada 2022 r.
7. Źródło: „2022-Senate Bill 846 (Dodd, Bill), Diablo Canyon Powerplant: Przedłużenie działalności (rozdział)”. Kalifornijska Rada Zasobów Powietrza. 2022.
8. Źródło: „Odrodzenie elektrowni jądrowej w Georgii następuje z 7-letnim opóźnieniem, 17 mld USD powyżej kosztów”. AP News. 25 maja 2023 r.
