De impact van AI op energieverbruik: een diepgaande analyse

AI's Energiehonger: Een Groeiend Probleem

De snelle ontwikkeling van kunstmatige intelligentie (AI) heeft geleid tot brede discussies, waarbij een belangrijk punt de enorme energieconsumptie is. Er is wel eens gekscherend gezegd dat AI pas geen vervanging voor mensen kan zijn als elektriciteit duurder is dan een broodje, maar deze grap weerspiegelt een serieuze realiteit: hoog energieverbruik kan een knelpunt vormen voor de ontwikkeling van AI. Een voormalig Google-ingenieur, Kyle Corbitt, onthulde op sociale media dat Microsoft al problemen ondervond met de stroomvoorziening tijdens de training van GPT-6.

Om grote AI-modellen te trainen, bouwen ingenieurs bij Microsoft aan een InfiniBand-netwerk dat GPU's op verschillende locaties met elkaar verbindt. Deze taak is zo complex omdat het concentreren van meer dan 100.000 H100-chips in één gebied het lokale elektriciteitsnet zou overweldigen en het risico op uitval zou vergroten.

Waarom is dit het geval? Laten we een eenvoudige berekening maken. Volgens Nvidia heeft elke H100-chip een piekvermogen van 700W, wat betekent dat 100.000 chips een piekverbruik hebben van maar liefst 70 miljoen watt. Energie-experts wijzen erop dat zo'n enorm energieverbruik gelijkstaat aan de volledige output van een kleine zonne- of windenergiecentrale. Daarnaast moeten we rekening houden met het energieverbruik van servers en koelapparatuur. Al deze energieverslindende apparatuur geconcentreerd in een klein gebied legt een enorme druk op het elektriciteitsnet.

De Top van de IJsberg: AI's Stroomverbruik

Een artikel in de New Yorker trok veel aandacht met een schatting dat ChatGPT dagelijks meer dan 500.000 kilowattuur aan elektriciteit zou kunnen verbruiken. Desondanks valt het huidige energieverbruik van AI in het niet bij dat van cryptocurrencies en traditionele datacenters. De problemen waar Microsoft-ingenieurs mee te maken hebben, laten zien dat de ontwikkeling van AI niet alleen wordt beperkt door het energieverbruik van de technologie zelf, maar ook door de energiebehoefte van de bijbehorende infrastructuur en de capaciteit van het elektriciteitsnet.

Het Internationaal Energieagentschap (IEA) meldt dat het wereldwijde energieverbruik van datacenters, AI en cryptocurrencies in 2022 460 TWh bereikte, wat ongeveer 2% van het totale mondiale energieverbruik is. Het IEA voorspelt dat in het slechtste geval het elektriciteitsverbruik in deze sectoren in 2026 1000 TWh zal bereiken, wat gelijk staat aan het elektriciteitsverbruik van heel Japan.

Het is belangrijk op te merken dat het energieverbruik dat direct in AI-onderzoek wordt geïnvesteerd, momenteel veel lager is dan dat van datacenters en cryptocurrencies. Nvidia domineert de AI-servermarkt en leverde in 2023 ongeveer 100.000 chips, met een jaarlijks energieverbruik van ongeveer 7,3 TWh. Ter vergelijking: het energieverbruik van cryptocurrencies in 2022 bedroeg maar liefst 110 TWh, wat gelijk staat aan het elektriciteitsverbruik van heel Nederland.

Koelenergie: Een Ondergeschoven Kind

De efficiëntie van datacenters wordt meestal gemeten aan de hand van de Power Usage Effectiveness (PUE), de verhouding tussen de totale energie die wordt verbruikt en de energie die door de IT-belasting wordt verbruikt. Hoe dichter de PUE-waarde bij 1 ligt, hoe minder energie het datacenter verspilt. Een rapport van het Uptime Institute toonde aan dat de gemiddelde PUE-waarde van grote datacenters wereldwijd in 2020 ongeveer 1,59 was. Dit betekent dat voor elke 1 kWh die door de IT-apparatuur van een datacenter wordt verbruikt, de bijbehorende apparatuur 0,59 kWh verbruikt.

Van het extra energieverbruik van datacenters wordt het grootste deel gebruikt voor koelsystemen. Onderzoek toont aan dat koelsystemen tot 40% van het totale energieverbruik van datacenters kunnen uitmaken. Met de voortdurende verbetering van chips, het toegenomen vermogen van afzonderlijke apparaten en de toenemende vermogensdichtheid van datacenters worden er hogere eisen gesteld aan koeling. Door het ontwerp van datacenters te verbeteren, kan de energieverspilling echter aanzienlijk worden verminderd.

De PUE-waarden van verschillende datacenters verschillen sterk, afhankelijk van factoren zoals koelsystemen en structureel ontwerp. Uit een rapport van het Uptime Institute blijkt dat de PUE-waarde in Europese landen is gedaald tot 1,46, terwijl in Azië-Pacific nog steeds meer dan een tiende van de datacenters een PUE-waarde van meer dan 2,19 heeft.

Om de doelstellingen voor energiebesparing en emissiereductie te bereiken, nemen landen over de hele wereld maatregelen. De EU eist bijvoorbeeld dat grote datacenters warmteterugwinningsapparatuur installeren; de Amerikaanse overheid investeert in de ontwikkeling van energiezuinigere halfgeleiders; en de Chinese overheid heeft beleid ingevoerd dat datacenters vanaf 2025 een PUE-waarde van niet meer dan 1,3 moeten hebben en geleidelijk het gebruik van hernieuwbare energiebronnen moeten verhogen, met als doel 100% in 2032.

Energieverbruik van Techbedrijven: Beperken is Moeilijk, Bronnen Vinden Nog Meer

Met de ontwikkeling van cryptocurrencies en AI breiden datacenters van grote technologiebedrijven zich voortdurend uit. Volgens het IEA had de VS in 2022 2700 datacenters die 4% van het nationale elektriciteitsverbruik voor hun rekening namen, en naar verwachting zal dit percentage in 2026 6% bedragen. Omdat de grondreserves aan de oost- en westkust van de VS steeds schaarser worden, verplaatsen datacenters zich geleidelijk naar het midden van het land, maar de elektriciteitsvoorziening in deze gebieden voldoet mogelijk niet aan de vraag.

Sommige technologiebedrijven proberen zich te ontdoen van de beperkingen van het elektriciteitsnet door rechtstreeks elektriciteit te kopen van kleine kerncentrales, maar dit vereist complexe administratieve procedures. Microsoft probeert AI te gebruiken om te helpen bij de aanvragen, terwijl Google AI gebruikt om rekentaken te plannen, de efficiëntie van het elektriciteitsnet te verbeteren en de koolstofuitstoot te verminderen. Wanneer gecontroleerde kernfusie kan worden toegepast, is momenteel nog onbekend.

Klimaatverandering: Een Extra Last

De ontwikkeling van AI heeft een stabiel en krachtig elektriciteitsnet nodig, maar door de toenemende frequentie van extreme weersomstandigheden worden de elektriciteitsnetten in veel regio's kwetsbaarder. Klimaatverandering leidt tot frequentere extreme weersomstandigheden, wat niet alleen de vraag naar elektriciteit verhoogt en de last op het elektriciteitsnet verzwaart, maar ook een directe impact heeft op de infrastructuur van het elektriciteitsnet. Een rapport van het IEA toont aan dat het aandeel van de wereldwijde waterkrachtproductie in 2023 tot het laagste niveau in dertig jaar daalde, tot minder dan 40%, als gevolg van droogte, onvoldoende regenval en vroegtijdige sneeuwsmelt.

Aardgas wordt vaak gezien als een brug naar hernieuwbare energie, maar de stabiliteit ervan bij extreme winterse weersomstandigheden is zorgwekkend. In 2021 trof een koudegolf de Amerikaanse staat Texas, wat leidde tot massale stroomuitval, waarbij sommige inwoners meer dan 70 uur zonder stroom zaten. Een van de belangrijkste oorzaken van deze ramp was het bevriezen van aardgasleidingen, waardoor aardgascentrales uitvielen.

De North American Electric Reliability Corporation (NERC) voorspelt dat in de periode 2024-2028 meer dan 3 miljoen mensen in de VS en Canada een toenemend risico lopen op stroomuitval. Om de energiezekerheid te waarborgen en tegelijkertijd de energie-efficiëntie te verhogen, beschouwen veel landen kerncentrales als een overgangsmaatregel. Tijdens de klimaatconferentie van de Verenigde Naties (COP 28) in december 2023 ondertekenden 22 landen een gezamenlijke verklaring waarin zij beloofden de capaciteit van kernenergieproductie tegen 2050 te verdrievoudigen ten opzichte van het niveau van 2020. Tegelijkertijd, met de krachtige bevordering van de bouw van kerncentrales door landen als China en India, voorspelt het IEA dat de wereldwijde kernenergieproductie in 2025 een recordhoogte zal bereiken.

Het IEA-rapport benadrukt: "In een veranderend klimaat is het van cruciaal belang om de energiediversiteit te vergroten, de capaciteit van het elektriciteitsnet voor interregionale distributie te verbeteren en meer schokbestendige methoden voor energieopwekking toe te passen." Het beschermen van de infrastructuur van het elektriciteitsnet is niet alleen essentieel voor de ontwikkeling van AI-technologie, maar ook voor het nationale welzijn.