Innovazioni nei data center Usa, ora il focus è sull’efficienza energetica

Fornire elettricità ai data center affamati di energia sta mettendo a dura prova le reti, aumentando i prezzi per i consumatori e rallentando la transizione verso l’energia pulita: così come per i data center in Europa, anche negli Stati Uniti l’innovazione di queste strutture va verso l’efficienza energetica e una maggiore attenzione ai problemi legati alla sostenibilità ambientale.

Data center ed efficienza energetica negli Usa, la situazione

Negli Stati Uniti, si contano più di 5.000 data center e, spesso, situati vicino a zone residenziali, incentivati da agevolazioni fiscali e dalla disponibilità di elettricità.

Inoltre, negli USA, gli investimenti nella costruzione di nuovi data center sono considerevolmente aumentati negli ultimi due anni. Basti pensare che, nel 2023, l’investimento complessivo di capitale da parte di Google, Microsoft e Amazon, leader del settore nell’adozione dell’intelligenza artificiale e nell’installazione di data center, è stato superiore a quello dell’intera industria petrolifera e del gas statunitense, per un totale di circa lo 0,5% del PIL statunitense.

Data center e consumi energetici

Tuttavia, è doveroso evidenziare che i data center sono molto energivori. Nel 2023, i data center negli Stati Uniti hanno assorbito oltre il 4% del consumo elettrico totale del Paese, con proiezioni – secondo quanto rivela l’Electric Power Research Institute – che indicano un possibile aumento al 9% entro il 2030. Di fatto, un singolo grande data center può consumare tanta elettricità quanto 50.000 abitazioni.

Inoltre, in parte a causa delle aspettative per l’IA, nei prossimi anni si assisterà ad un aumento ulteriore del numero e delle dimensioni dei data center. Tale crescita sarà parzialmente mitigata da continui miglioramenti dell’efficienza a livello sia hardware sia software. Ciononostante, la domanda di energia elettrica proveniente dai data center è destinata a crescere fortemente fino al 2030 in base alle politiche, alle impostazioni e alle tendenze odierne.

Inoltre, da quanto si evince dall’articolo di McKinsey intitolato “How data centers and the energy-sector-can sate AI’s hunger for power”, per tenere il passo con l’attuale tasso di adozione, si stima che il fabbisogno energetico dei data center triplicherà rispetto alla capacità attuale entro la fine del decennio. Attualmente, i data center rappresentano tra il 3% e il 4% della domanda energetica totale degli Stati Uniti, ma si prevede che questa percentuale aumenterà fino all’11-12% entro il 2030.

È doveroso evidenziare che la crescita esponenziale è guidata dalla crescente domanda di elaborazione dati e potenza di calcolo, mentre l’efficienza energetica dei chip sta diminuendo e ciò comporta, per esempio, che il tempo necessario affinché le unità di elaborazione centrale raddoppino la loro efficienza prestazionale è passato da due a quasi tre anni. Inoltre, per fornire gli oltre 50 gigawatt (GW) di capacità aggiuntiva necessaria per i data center negli Stati Uniti entro la fine del decennio, sarà necessario un investimento superiore a 500 miliardi di dollari solo per l’infrastruttura dei data center.

Il ruolo del settore energetico

Lo scenario appena descritto non fa che evidenziare come il settore energetico è diventato un attore chiave nell’espansione dell’intelligenza artificiale. L’accesso all’energia è ora un elemento cruciale per la costruzione di nuovi data center. Tuttavia, il settore energetico deve affrontare sfide significative, tra cui limitazioni delle fonti energetiche affidabili, sostenibilità energetica, infrastrutture esistenti per l’accesso all’energia, apparecchiature elettriche nei data center e la disponibilità di lavoratori qualificati nel settore elettrico per costruire strutture e infrastrutture.

Ad esempio, nella Virginia settentrionale, il tempo necessario per garantire l’alimentazione a nuovi data center può superare i tre anni, e in alcuni casi, i tempi di consegna per le apparecchiature elettriche possono essere di due anni o più. Ne consegue che, senza investimenti significativi nei data center e nelle infrastrutture energetiche, il potenziale dell’IA rischia di non essere pienamente sfruttato.

Iniziative per gestire le problematiche dei data center

L’emergente e rapida domanda di nuovi data center rappresenta una sfida enorme per le industrie tecnologiche ed energetiche, per i responsabili delle politiche governative e per i consumatori. A fronte di ciò, i ricercatori e i docenti del MIT Energy Initiative (MITEI) stanno esplorando molteplici aspetti di questo problema, i.e. dall’approvvigionamento di energia al miglioramento della rete, agli strumenti analitici che aumentano l’efficienza e altro ancora, considerando che i data center sono diventati rapidamente il problema energetico dei nostri giorni.

Le possibili soluzioni

Diverse organizzazioni americane, che utilizzano i data center per fornire servizi di cloud computing e gestione dei dati, stanno considerando diverse soluzioni per disporre di tutta l’elettricità necessaria, tra cui la riapertura di alcune centrali nucleari. Inoltre, la necessità di alimentare l’IA sta causando ritardi nella chiusura programmata di alcune centrali elettriche a carbone e l’aumento dei prezzi per i consumatori residenziali. Ricordiamo infatti che il rapporto tra intelligenza artificiale e sostenibilità ambientale è di primaria importanza oggi.

Soddisfare le esigenze dei data center non significa solo stressare le reti elettriche, ma anche rallentare la transizione verso l’energia pulita necessaria per fermare il cambiamento climatico, senza dimenticare i problemi in termini di alimentazione. Vediamo a che punto siamo negli USA e le azioni intraprese dalle big tech.

Trend di aumento della domanda di elettricità

L’aumento della domanda di elettricità causato dall’informatica, in particolare dai data center, rappresenta una sfida imprevista. È doveroso evidenziare che, tradizionalmente, la domanda di energia cresceva di circa lo 0,5% annuo, consentendo alle utility di pianificare nuovi generatori e investimenti. Di fatto, il proliferare dei data center ha provocato un incremento senza precedenti della domanda, che è costante e che richiede operatività ininterrotta 24/7 per gestire grandi volumi di dati e mantenere il raffreddamento dell’infrastruttura.

Inoltre, bisogna considerare anche il problema della trasmissione dell’elettricità: anche se l’energia è disponibile, la rete potrebbe non avere la capacità di trasferirla dove necessario, richiedendo un’espansione della capacità di trasmissione, che comporta un processo lungo e complesso.

Ancora, la “fila per l’interconnessione” rappresenta un ulteriore ostacolo. Di fatto, l’aggiunta di nuovi carichi o di generatori può destabilizzare la rete esistente, causando ritardi nell’attivazione di nuovi data center. Attualmente, la coda è già sovraccarica di progetti solari ed eolici, con tempi di attesa che raggiungono i cinque anni. Pertanto, affrontare la crescente domanda dei data center, garantendo al contempo un servizio di qualità, è una sfida pressante.

Inoltre, secondo quanto rivela un rapporto della società di consulenza Bain dal titolo “Utilities must reinvent themselves to harness the AI-driven data center boom”, le utility statunitensi stanno prevedendo che nei prossimi anni la domanda di energia supererà l’offerta, con i data center come principale driver di questo aumento, come si evince dalle due immagini sotto riportate. Ne consegue che saranno necessari diversi anni affinché l’offerta, sia in termini di generazione che di trasmissione, riesca a raggiungere il livello di domanda previsto, a meno di scenari particolarmente conservativi. Entro il 2028, le utility dovranno incrementare la produzione energetica annuale tra il 7% e il 26% rispetto ai livelli del 2023 per soddisfare la domanda, un aumento che supera di gran lunga il più grande incremento quinquennale registrato, pari a circa il 5%, che le utility statunitensi hanno realizzato dal 2005 al 2023.

Fonti di energia sostenibile: un’altra sfida

La crescente domanda di energia elettrica, guidata dai data center, è ulteriormente complicata dagli impegni delle grandi aziende tecnologiche – quali Google, Microsoft e Amazon – a raggiungere emissioni nette di carbonio pari a zero entro il prossimo decennio. Tali aziende, note come “hyperscaler”, hanno intrapreso iniziative per l’acquisto di energia pulita tramite contratti con impianti solari ed eolici. Tuttavia, questa strategia può risultare insufficiente per soddisfare le elevate esigenze dei data center.

Inoltre, l’aumento del consumo energetico sta anche ritardando la chiusura delle centrali a carbone, poiché non vi sono sufficienti fonti rinnovabili per soddisfare tutti gli utenti. Di fatto, anche se gli hyperscaler potrebbero costruire impianti eolici e solari, doveroso evidenziare che la produzione intermittente richiede costose soluzioni di accumulo di energia o l’uso di generatori a gas o diesel, che necessitano di gestione delle emissioni.

Pertanto, di fronte a queste sfide, molti hyperscaler stanno valutando l’energia nucleare, che offre una fornitura stabile e continua. Ad esempio, Microsoft ha firmato un contratto per l’acquisto di energia da un reattore nucleare riaperto a Three Mile Island (Pennsylvania); mentre Amazon ha un accordo simile con un’altra centrale nucleare. Meta, invece, ha emesso una richiesta di proposte per sviluppatori di energia nucleare. Inoltre, Google ha ordinato piccoli reattori nucleari modulari (SMR- small modular reactor) per alimentare i propri data center e prevede che il primo reattore sarà operativo entro il 2030.

Google e Microsoft stanno anche esplorando tecnologie innovative, quali progetti geotermici avanzati e la fusione nucleare, nonostante quest’ultima non sia ancora una tecnologia comprovata.

Mercati secondari con accesso a energia affidabile ed economica

Secondo quanto si evince sempre dal report di McKinsey, i mercati secondari con accesso a energia affidabile ed economica stanno emergendo come nuove opportunità per lo sviluppo di data center. C’è una naturale tensione tra i tempi di costruzione dei data center, che richiedono 18-24 mesi, e quelli delle infrastrutture energetiche, che possono durare da tre a dieci anni. Questa discrepanza temporale offre la possibilità di soluzioni creative per colmare il divario. Molti hyperscaler stanno esplorando nuove località al di fuori dei principali mercati dei data center, attratti dalla disponibilità di energia più economica e dal potenziale di infrastrutture carbon-free. Stati come Iowa, Wyoming, Indiana e Ohio stanno ricevendo investimenti significativi dagli hyperscaler.

Si prevede che circa il 70% della crescita dei data center sarà supportato dagli hyperscaler entro il 2030, rendendo queste nuove località strategiche. Gli investitori possono capitalizzare questa crescita investendo nello sviluppo di data center o nell’intera catena del valore, come infrastrutture in fibra o alimentazione. Con l’aumento di casi d’uso per l’addestramento di modelli di grandi dimensioni, l’importanza della latenza della rete si riduce, favorendo l’espansione in nuove aree. Inoltre, anche se i data center in questi mercati potrebbero essere meno flessibili nei servizi futuri, l’attrattiva economica spesso compensa questi limiti, considerando che, nei mercati in espansione, diventa più facile assicurarsi contratti di off-take, agevolando i progetti energetici su larga scala.

Altre soluzioni per ridurre il consumo energetico

Il futuro della produzione di energia per data center sarà caratterizzato dai progressi tecnologici in atto. Vediamo quali:

• Chip per computer più evoluti – L’utilizzo di chip per computer più veloci e algoritmi ottimizzati, che consumano meno energia, possono contribuire a ridurre sia il carico energetico sia il calore generato.
• Celle a combustibile a idrogeno – Le celle a combustibile a idrogeno stanno guadagnando terreno come fonte di energia a emissioni zero per i data center. Con i miglioramenti nelle tecnologie di produzione e stoccaggio, l’idrogeno potrebbe diventare una valida alternativa ai generatori tradizionali. Aziende come Microsoft stanno già sperimentando sistemi basati sull’idrogeno per ridurre la loro impronta di carbonio.
• Piccoli reattori nucleari modulari (SMR) – Si tratta di piccoli reattori compatti e altamente efficienti, i piccoli reattori nucleari modulari offrono il potenziale per una generazione di energia stabile e a lungo termine con un impatto ambientale minimo. Sebbene siano ancora nelle prime fasi di sviluppo, questi sistemi sono promettenti per i data center su larga scala, in particolare quelli in località remote dove l’accesso alla rete è limitato.
• Gestione dell’energia ottimizzata per l’intelligenza artificiale – L’intelligenza artificiale stessa sta svolgendo un ruolo nell’ottimizzazione dell’utilizzo dell’energia all’interno dei data center. L’analisi predittiva e gli algoritmi di apprendimento automatico possono prevedere i modelli di domanda, consentendo agli operatori di gestire le risorse in modo più efficiente e ridurre i costi. Sfruttando i sistemi di gestione dell’energia basati sull’intelligenza artificiale, i data center possono ottenere risparmi energetici significativi e migliorare l’efficienza operativa complessiva.
• Strategia di “carbon-aware computing” – Essa prevede lo spostamento delle attività di calcolo verso momenti e luoghi in cui l’energia a basse emissioni di carbonio è più disponibile. Ciò comporta, potenzialmente, ritardare o trasferire attività non urgenti in data center situati in regioni con energia più pulita e conveniente. Tuttavia, tale pratica è limitata dalla “fila per l’interconnessione” (“Interconnection queue”), che rende difficile accedere rapidamente all’energia pulita in altre aree. È doveroso evidenziare che tale approccio è, ovviamente, limitato dal problema della “fila per l’interconnessione”. Inoltre, è difficile accedere all’energia pulita in un’altra regione o stato, tuttavia, sono in corso sforzi per allentare il quadro normativo per garantire che le interconnessioni critiche possano essere sviluppate più rapidamente e facilmente.

Data Center e consumi residenziali: come gestire il problema

L’installazione di data center in quartieri residenziali solleva, altresì, preoccupazioni che vanno oltre l’estetica, coinvolgendo questioni pratiche come l’affidabilità del servizio elettrico locale e la collocazione delle nuove linee di trasmissione. Inoltre, si pone il problema di chi debba sostenere i costi dei nuovi generatori e degli aggiornamenti infrastrutturali necessari. A differenza di nuovi impianti industriali che generano posti di lavoro, i data center impiegano generalmente pochi dipendenti, offrendo minori benefici economici diretti alla comunità.

Pertanto, le utility devono ripensare le loro strutture tariffarie per evitare che i costi delle modifiche infrastrutturali pesino eccessivamente sui residenti.

Cosa ci aspetta

L’intersezione tra tecnologie avanzate e la crescente domanda di energia ha portato la produzione energetica al centro delle operazioni dei data center. Pertanto, il futuro dei data center risiederà nel bilanciare le crescenti esigenze delle tecnologie basate sull’intelligenza artificiale con pratiche operative sostenibili, considerando che l’impiego di questa tecnologia dirompente continua a trasformare vari settori ed è destinata ad impattare sempre più sulla domanda di energia dei data center.

Inoltre, l’integrazione dell’analisi predittiva basata sull’intelligenza artificiale e della gestione delle risorse sarà fondamentale per ottimizzare l’utilizzo dell’hardware, il consumo energetico e la gestione dei vincoli della catena di approvvigionamento. Adottando queste soluzioni, i data center possono supportare la crescita dell’intelligenza artificiale e promuovere gli obiettivi di sostenibilità globale, garantendo un futuro a vantaggio del settore e dell’ambiente.