Wachsender Wasserbedarf der KI

Rechenzentren, die KI-Modelle betreiben, Stromerzeugung für ihren Betrieb und Halbleiterfabriken, die die Chips herstellen, verbrauchen alle enorme Mengen an Wasser. Während der Wasser-Fußabdruck der KI im Vergleich zur Landwirtschaft oder industriellen Aktivitäten auf globaler Ebene gering ist, sind die lokalen Auswirkungen doch erheblich, da viele KI-Infrastrukturzentren in wasserarmen Regionen liegen. Der hohe Stromverbrauch und die extreme Wärmeentwicklung der nächsten Generation von KI-Chips übersteigen in der Regel die Kapazität herkömmlicher Luftkühlung in Rechenzentren, weshalb Wasserkühlung zu einer Notwendigkeit geworden ist, um Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten.

Laut Morgan Stanley Research werden KI-Rechenzentren im Basisszenario bis 2028 jährlich 1.068 Milliarden Liter¹ Wasser verbrauchen, was einer 11-fachen Steigerung gegenüber dem Niveau von 2024 entspricht. Dies spiegelt nicht nur den erhöhten Kühlbedarf, sondern auch den indirekten Wasserverbrauch durch die Stromerzeugung wider. Das Unternehmen modelliert drei Szenarien:

Der Wasserverbrauch lässt sich in drei Bereiche unterteilen:

1. Bereich 1 – Kühlung: Wasserverbrauch vor Ort in Rechenzentren, hauptsächlich für Kühltürme und Verdunstungskühlsysteme.
2. Bereich 2 – Stromerzeugung: Der größte Anteil entfällt auf den Wasserverbrauch in thermoelektrischen Kraftwerken, die Strom erzeugen.
3. Bereich 3 – Fertigung: Halbleiterfertigung und Serverproduktion, bei der die Anlagen täglich bis zu 5 Millionen Gallonen ultrareines Wasser (UPW) verbrauchen können.

Die Halbleiterproduktion ist besonders wasserintensiv: Für die Herstellung von 1.000 Gallonen UPW werden bis zu 1.600 Gallonen kommunales Wasser benötigt. Der Prozess umfasst mehrere wasserverbrauchsintensive Prozesse wie Oxidation, Lithografie und chemische Gasphasenabscheidung. Über den Verbrauch hinaus enthält Halbleiterabwasser oft giftige Schadstoffe wie Schwermetalle und PFAS, was zusätzliche Risiken für die lokalen Ökosysteme mit sich bringt.

Obwohl der Fußabdruck der KI im Vergleich zur globalen Bewässerung (die alle anderen Verwendungszwecke in den Schatten stellt) bescheiden ist, sind die lokalen Auswirkungen
gravierend. Mehr als die Hälfte der 30 weltweit größten Rechenzentrumsstandorte sind mit mittleren physischen Risiken konfrontiert, darunter begrenzte Wasserverfügbarkeit, wiederkehrende Dürren oder sinkende Wasserqualität.

Die Regierungen gehen gegen den Wasserverbrauch von Rechenzentren vor. Taiwan rationierte während der Dürre 2021 die Wasserversorgung für Chiphersteller, während die Niederlande und Singapur vorübergehende Verbote für neue Anlagen verhängten. Selbst Google musste in Chile zurückstecken und auf Luftkühlung umstellen, nachdem die Regulierungsbehörden ihre Klima- und Wasserbedenken erhöht hatten. Eine Umfrage von Schneider Electric ergab, dass 73 % der Befragten der Meinung waren, dass die Wasserknappheit Datenzentrenprojekte verlangsamt. Dies zeigt, wie Wasserknappheit zu einem Engpass für die Expansion der KI wird.

Es wird erwartet, dass sich der Wasserstress weiter verschärft. Der sechste Sachstandsbericht des IPCC² bestätigt, dass sich der Wasserkreislauf verändert hat und die terrestrischen Wasserspeicher in Böden, Schnee und Eis zurückgehen. Nach Angaben des World Resources Institute könnten selbst in einem optimistischen Szenario bis zum Jahr 2050³ zusätzlich 1 Milliarde Menschen mit extrem hohem Wasserstress konfrontiert sein. Dies erhöht die Risiken für die KI, da Engpässe neue Rechenzentrumsprojekte verzögern oder verhindern, die Halbleiterfertigung stören und regulatorische Beschränkungen sowie Widerstand in der Bevölkerung auslösen.

Die Kühlung von Rechenzentren spielt nach wie vor eine zentrale Rolle für den Wasserverbrauch der KI. Verschiedene Technologien bringen Kompromisse zwischen Wasser- und Energieeffizienz mit sich:

• Kühltürme: Hoher Wasserverbrauch, aber relativ effizient.
• Verdunstungskühlung: Moderater Wasserverbrauch, klimaschuzabhängig.
• Trockenkühler: Kein Wasserverbrauch vor Ort, aber erhöhter Energiebedarf, wodurch sich die Belastung auf den Stromverbrauch verlagert.

Zu den jüngsten Innovationen gehören:

• Mikrokanal-Kühlplatten: Reduzieren den Kühlmittelfluss und den Wasserverbrauch durch Vergrößerung der Oberfläche für die Wärmeübertragung.
• Meerwasser-Kühlung: Das Rechenzentrum von Google in Hamina, Finnland, nutzt Meerwasser, wodurch die Abhängigkeit von Süßwasser verringert und die Energieeffizienz verbessert wird.

Diese Lösungen sind zwar vielversprechend, ihre Einführung verläuft jedoch uneinheitlich und verzögert sich oft aufgrund von Infrastrukturkosten und technischen Risiken.

Die erste Idee besteht darin, in "Technologie-Enabler" zu investieren, die intelligentere Kühlsysteme, Recycling-Lösungen und Filtertechnologien entwickeln, mit denen Rechenzentren und Chiphersteller ihren Wasserverbrauch senken können. Die zweite Idee betrifft erneuerbare Energien. Da ein Großteil des versteckten Wasserfußabdrucks der KI aus der Stromerzeugung stammt, können sauberere Energiequellen wie Wind und Sonne den Wasserbedarf indirekt senken.

Der dritte Ansatz betrifft Unternehmen, die eine führende Rolle im Wassermanagement einnehmen und das Thema Wasser ernst nehmen. Sie verfolgen ihren Verbrauch, recyceln wo möglich und planen sorgfältig, wenn sie in Regionen mit Wasserknappheit tätig sind. Diese Unternehmen dürften sich in einer ressourcenbewussten Welt, in der KI weiter auf dem Vormarsch ist, von anderen abheben. Unternehmen, die Transparenz und spezifische Wasserstrategien für bestimmte Flussgebiete vorweisen können, dürften sich langfristig als widerstandsfähiger erweisen.

Quellen:
¹ Morgan Stanley Research
² United Nations IPCC Sixth Assessment Report 2021
³ World Resources Institute Aqueduct Water Risk Atlas 2023