Energie der Zukunft - Wegen KI: Wetteifern um neue Trafo-Generation

KI-Rechenzentren benötigen sehr viel Strom. Doch klassische Transformatoren sind teuer, gross und rar. Eine neue Technologie verspricht Abhilfe.

Transformatoren sind Mangelware, weil sie Kupfer benötigen: ein knapper Rohstoff. Die Lieferketten sind angespannt, der Preis hoch. Wer heute einen Transformator bestellt, muss tief in die Tasche greifen und bis zu drei Jahre warten.

Transformator in einem Unterwerk (Umspannwerk) bei Selzach. Es transformiert den Strom von Hochspannung zu Mittelspannung. Grosse Rechenzentren benötigen oft ein eigenes Unterwerk. Der querliegende Zylinder oben ist ein Öldruck-Expansionsgefäss. Wenn der Trafo stark belastet ist, erwärmt er sich und das Öl dehnt sich aus.

Reto Widmer/SRF

Stromhunger wird immer grösser

Bestehende Rechenzentren brauchen immer mehr Strom, weil die auf KI spezialisierten Chips in den Rechnern immer leistungsfähiger werden. Ein einzelnes «Rack» – ein Kasten mit einigen Computern und KI‑Chips – kann bis zu 100 Kilowatt verbrauchen, etwa der Bedarf von zehn Haushalten.

Unscheinbar, aber hungrig nach Strom: Server-Racks in einem Schweizer Rechenzentrum.

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Schätzungen gehen davon aus, dass am Ende des Jahrzehnts der Verbrauch per Rack auf 500 Kilowatt oder mehr ansteigen wird, Strom von etwa 50 Haushalten. Und in jedem Rechenzentrum stehen Hunderte von ihnen. 

Warum braucht es Transformatoren?

Strom wird über weite Strecken mit sehr hoher Spannung transportiert, damit möglichst wenig Energie verloren geht. Bevor er bei Haushalten oder Rechenzentren ankommt, muss diese Spannung aber angepasst werden – sonst wären Geräte sofort beschädigt.

Transformatoren übernehmen genau diese Aufgabe: Sie wandeln elektrische Spannung effizient nach oben oder unten und sorgen so dafür, dass Strom sicher und verlustarm dort ankommt, wo er gebraucht wird.

Mehr KI = mehr Transformatoren

Damit steigt auch der Bedarf an Transformatoren, die diesen Strom umwandeln können. Doch gerade in Ländern wie der Schweiz ist Land rar und die riesigen Hallen der Rechenzentren verschlingen bereits viel davon.

Damit kommt ein Rechenzentrum nicht weit: klassisches Trafo-Häuschen.

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Es wird schwierig, auf dem Gelände für die Versorgung immer leistungsfähigerer KI-Chips zusätzliche Transformatoren aufzustellen. Eine Variante wäre, die Trafos weiter weg vom Gebäude aufzustellen. Das ist aber ineffizient, weil längere Leitungen zu höheren Stromverlusten führen.

Digitale Lösung: Solid‑State‑Transformatoren

KI‑Firmen stehen vor einem doppelten Problem: Erstens lange Wartezeiten für Transformatoren, wenn sie neue Rechenzentren bauen wollen, und zweitens kaum Platz und Flexibilität, um zusätzliche Trafos bei bestehenden Anlagen zu installieren.

Einer von knapp 100 Trafos der IB Langenthal: 3.6 Tonnen schwer, 1 Tonne davon ist Öl als Isoliermedium. Er transformiert Mittelspannung (16'000 Volt) zu Niederspannung (400 Volt) für die Versorgung eines Quartiers.

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Eine Lösung ist, die Transformatoren zu digitalisieren. Statt massiver Kupferspulen und Stahlkernen können elektronische Trafos mit Halbleitern eingesetzt werden: Solid‑State‑Transformatoren (SST), Halbleiter‑Leistungselektronik. Diese Technik ist nicht neu, die notwendigen Halbleiterkomponenten waren aber zu teuer, um SST grossflächig einzusetzen.

Kurz erklärt: SST, der «digitale» Trafo

Ein Solid-State-Transformator (SST) erfüllt auf den ersten Blick dieselbe Aufgabe wie ein klassischer Transformator: Er wandelt Spannungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Trafos arbeitet er jedoch nicht mit grossen Drahtspulen bei Netzfrequenz, sondern mit Leistungselektronik, Halbleitern und Hochfrequenztechnik.

Die elektrische Energie wird zunächst elektronisch umgeformt (AC/DC und DC/AC mit hoher Frequenz), dann über einen kompakten Hochfrequenz‑Transformator galvanisch getrennt und anschliessend wieder in die gewünschte Spannung und Frequenz gebracht.

Dadurch kann ein SST sehr flexible Energieumwandlungen realisieren, etwa von Wechsel‑ zu Gleichstrom oder zwischen unterschiedlichen Spannungs- und Frequenzniveaus. Er ist kein passives Bauteil, sondern ein aktiv geregeltes System, das den Leistungsfluss softwaregesteuert steuert und optimiert.

In diesem Sinne ist ein SST eher ein «Strom‑Router» als ein klassischer Transformator – vergleichbar mit einem WLAN‑Router, der Datenströme software-gesteuert intelligent verwaltet.

Geändert hat sich das dank der Nachfrage nach SST aus der Elektromobilität, etwa für Ladesäulen. Nun werden SST auch für Rechenzentren interessant. Sie sind etwa zehnmal leichter als klassische Transformatoren, benötigen kaum Kupfer und sind dadurch kompakt. Das spart Platz und vereinfacht die Installation. SST sind zudem flexibler, weil sie Spannungen effizient und fein steuern können – ein Grund, warum sie auch in modernen Elektrolokomotiven eingesetzt werden.

Es herrscht Goldgräberstimmung

Noch steckt die Produktion der digitalen Trafos in den Anfängen, aber es herrscht Goldgräberstimmung.

In den USA etwa wurden vor Kurzem rund 140 Millionen Dollar in Firmen investiert, die an dieser Technologie arbeiten. ABB hat vor einem Jahr Anteile an einem US‑Unternehmen erworben, das Halbleiter‑Leistungselektronik vor allem für KI‑Rechenzentren entwickelt. Und die EU fördert ein Projekt zur Entwicklung digitaler Transformatoren, um bei der Schlüsseltechnologie nicht erneut von einer einzigen Region abhängig zu werden. 

So sollen die SST des Schweizer Startups Hyperscale Power dereinst aussehen.

Hyperscale Power

Auch in der Schweiz ist Bewegung: Die Firma Hyperscale Power hat fünf Millionen Franken eingesammelt. Hinter dem Start-up steht ein ehemaliger ETH‑Student, der seit etwa zehn Jahren ein eigenes Konzept für SST verfolgt und nun die Technologie zur Marktreife bringen will.

Der Wettlauf ist somit eröffnet.