Warum ist Kupfer das Öl der Ära der künstlichen Intelligenz?

Kupfer ist eines der ersten Metalle, die von den Menschen entdeckt und genutzt wurden. Bereits um 8000 v. Chr. begannen unsere Vorfahren, aus Kupfer Werkzeuge und Schmuckstücke herzustellen.

Heutzutage wird dieses alte Metall aufgrund der Entwicklung der Künstlichen Intelligenz (KI) erneut in den Fokus gerückt. Goldman Sachs äußerte in seinem Forschungsbericht "KI und Verteidigung stellen das Stromnetz in den Mittelpunkt der Energieversorgungssicherheit" die Meinung, dass Kupfer zum Öl der KI-Zeit werden wird.

Dies scheint zunächst widersprüchlich, denn wenn die Menschen über den Aufstieg der KI sprechen, denken die meisten an Algorithmen und Modelle. Nur wenige sind sich bewusst, dass Rechenergebnisse nicht aus dem Nichts entstehen, sondern auf Strom und Hardware angewiesen sind. ChatGPT verbraucht bei der täglichen Verarbeitung von 200 Millionen Anfragen über 500.000 Kilowattstunden Strom, was der täglichen Stromaufnahme von 17.000 amerikanischen Haushalten entspricht.

Und genau dieses Metall aus der Urzeit ist es, das all dies unterstützt.

Jeder hochwertige GPU-Chip benötigt eine große Menge an Kupfer für die Wärmeableitung und die elektrischen Verbindungen. Dies ist kein unbedeutender Nebendarsteller, sondern ein entscheidender Faktor für die Leistung des Chips.

Nehmen wir als Beispiel den momentan in der gesamten KI-Branche heiß begehrten H100. Jeder GPU enthält 3273 Lotkugeln, und jeder Lotkugel entspricht mindestens 1 - 2 Kupferdrähte. Darüber hinaus benötigt der Verbindungsteil des Kernchips Tausende von Basisdrähten. Das Unterbrechen eines einzigen Kupferdrahts kann dazu führen, dass der GPU ausfällt.

Wenn die Leistungsaufnahme der Chips von einigen Dutzend Watt auf mehrere Kilowatt steigt, scheitern herkömmliche Kühlungslösungen völlig. Nur Kupfer kann die Wärme an die Außenseite der Geräte leiten.

Die thermische Entwurfsleistung des NVIDIA H100-Chips beträgt bereits 700 W, und die maximale Leistungsdichte eines einzelnen Serverracks des neuesten NVIDIA GB300-Servers kann bis zu 130 kW erreichen, was annähernd der Leistung eines mittelgroßen Dieselmotors entspricht. Um diese Wärme abzuführen, sind eine große Anzahl an Kupferkühlkomponenten erforderlich.

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Die Herstellung von GPUs ist nur die Spitze des Eisbergs. Der eigentliche große Verbraucher von Kupfer sind die Stromnetzinfrastrukturen der Rechenzentren.

Der Kupferverbrauch in Rechenzentren steigt rasant. Laut Schätzungen von Schneider Electric beträgt die Kupfermenge in einem 1-GW-Rechenzentrum etwa 65.800 Tonnen. Im Jahr 2023 betrug die weltweite Installationskapazität von Rechenzentren 7,1 GW, was einer Gesamtmenge von 467.000 Tonnen Kupfer entspricht und 1,7 % des weltweiten Kupferverbrauchs ausmacht. Es wird vorausgesagt, dass diese Menge bis 2026 auf 710.000 Tonnen steigen wird.

Dies ist jedoch nur der Kupferverbrauch für die Ausrüstung der Rechenzentren. Auch die Stromnetzinfrastruktur, die die Rechenleistung unterstützt, hat einen großen Bedarf an Kupfer. Bis 2026 wird der Kupferverbrauch in der Stromnetzinfrastruktur auf 624.000 Tonnen steigen.

Dies ist keine Schreckgespenstergeschichte. Das von NVIDIA vorgestellte Super-Chip GB200 verwendet eine Kupferkabelverbindungslösung, und die Gesamtlänge der Kabel im Serverrack beträgt fast 2 Meilen. Wenn man die Liefermenge des H100 im Jahr 2024 als Referenz nimmt und davon ausgeht, dass 350.000 bis 400.000 Einheiten des GB200 ausgeliefert werden, dann wird die benötigte Kupfermenge ganze 30.000 Tonnen betragen.

In Goldman Sachs' Bericht steht: Bis 2030 wird der Strombedarf der weltweiten Rechenzentren um 160 % steigen. Dies bedeutet, dass die bestehende Stromnetzinfrastruktur umfassend modernisiert werden muss.

Das durchschnittliche Betriebsalter der europäischen Stromnetze beträgt bereits 50 Jahre, und in Nordamerika liegt es über 40 Jahren. Diese alternden Stromnetze weisen nicht nur eine geringe Übertragungseffizienz auf, sondern können auch die zunehmende Stromnachfrage kaum bewältigen. In 9 von 13 regionalen Strommärkten in den USA kam es im Sommer 2024 bereits zu einem kritischen Strommangel. Bis 2030 wird fast jeder Markt aufgrund der leitenden Materialien mit Stromknappheit konfrontiert sein.

Im Jahr 2024 betrug der Kupferverbrauch in den europäischen Stromnetzen etwa 750.000 Tonnen pro Jahr, in Nordamerika etwa 400.000 Tonnen pro Jahr und in China etwa 5,7 Millionen Tonnen pro Jahr. Die UBS prognostiziert, dass der Kupferverbrauch in den europäischen und nordamerikanischen Stromnetzen zwischen 2024 und 2030 jährlich um 3 % steigen wird, was einer kumulativen Zunahme von etwa 250.000 Tonnen entspricht.

Warum kann die Modernisierung der Stromnetze nicht ohne Kupfer auskommen? Die Antwort liegt in den einzigartigen physikalischen Eigenschaften von Kupfer. Die Leitfähigkeit von Kupfer ist 1,6-mal höher als die von Aluminium. Es hat einen äußerst geringen spezifischen Widerstand und eine Lebensdauer von 30 bis 50 Jahren, was mehr als das Doppelte von Aluminiumprodukten beträgt.

Bei der Stromübertragung ist der Vorteil von Kupfer unverzichtbar. Goldman Sachs prognostiziert, dass bis 2030 die weltweiten Stromnetze und die Infrastrukturprojekte im Energiebereich 60 % des Wachstums der Kupfernachfrage ausmachen werden. Diese Zunahme entspricht der Summe des derzeitigen weltweiten Kupferverbrauchs und des jährlichen Verbrauchs in den USA.

Goldman Sachs geht davon aus, dass der Kupferpreis bis 2027 auf 10.750 US-Dollar pro Tonne steigen wird. Der China Securities Index für die Nichteisenmetallbranche stieg um 2,21 %, und der ETF-Fonds für Nichteisenmetalle um 2,41 %. Der Kupferanteil beträgt 28,66 %. Der Markt spürt bereits diesen Trend.

Das Wachstum der Kupferbergbau- und Raffinationskapazitäten ist sehr begrenzt. In den letzten zehn Jahren betrug die durchschnittliche Jahresschnittwachstumsrate der weltweiten Kupfererzproduktion etwa 2,1 %. Die Internationale Kupferforschungsorganisation (ICSG) senkte im Oktober 2025 ihre Wachstumsprognose. Es wird vorausgesagt, dass die weltweite Kupfererzproduktion im Jahr 2025 nur um 1,4 % steigen wird.

Die BMI, eine Tochtergesellschaft von Fitch, prognostiziert, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der weltweiten Kupfererzproduktion in den nächsten zehn Jahren weit hinter dem Wachstum der Kupfernachfrage zurückbleiben wird, das durch die Bereiche der neuen Energie und der KI entsteht. Der Kerngrund hierfür liegt in der Abnahme der hochwertigen Kupfererzvorkommen. Beispielsweise sank der durchschnittliche Kupfergehalt in den chilenischen Minen von 1,6 % im Jahr 2010 auf 1,1 % im Jahr 2024.

Somit scheint ein Anstieg des Kupferpreises fast unvermeidlich.

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Allerdings bringt der Anstieg des Kupferpreises auch neue Chancen mit sich. Aluminium, als wichtiger Ersatzstoff für Kupfer, erlebt seinen Höhenflug. Obwohl die Leitfähigkeit von Aluminium schlechter ist als die von Kupfer, ist es in einigen Anwendungsfällen aufgrund seiner Kostenvorteile und des geringeren Gewichts eine bessere Wahl.

Im Bereich der GPU-Kühlung wird Aluminium bereits weit verbreitet eingesetzt. Die dichten, flachen Kühlrippen auf GPU-Kühlern, die für den Wärmeaustausch mit der Luft sorgen, bestehen fast alle aus Aluminium. Ihr Ziel ist es, innerhalb eines begrenzten Volumens die maximale Kühlfläche bereitzustellen. Darüber hinaus bestehen die äußeren Strukturträger oder Schutzabdeckungen der GPUs normalerweise aus Aluminium oder Magnesium-Aluminium-Legierungen, um das Gewicht so gering wie möglich zu halten, während die erforderliche Festigkeit gewährleistet bleibt.

Nehmen wir erneut den NVIDIA H100 als Beispiel. Die Aluminiumkühlrippenanordnung auf seinem Kühler ist sehr groß, und das Gesamtgewicht wird auf zwischen 300 und 700 Gramm geschätzt.

Auch die Kühlungssysteme der Server in Rechenzentren verwenden in großem Umfang Aluminium. Wenn man annimmt, dass ein Serverrack 80 GPUs enthält, würde das Gesamtgewicht des Kühlungssystems bei der Verwendung von Kupferkühlern zwischen 64 und 96 Kilogramm betragen. Bei der Verwendung von Aluminiumkühlern sinkt das Gesamtgewicht jedoch auf nur 24 - 36 Kilogramm, was einer Gewichtsreduktion von 40 - 60 Kilogramm entspricht.

Dies verringert nicht nur die Belastung der Rackstruktur, sondern ermöglicht auch die Installation von mehr Servern unter den gleichen Belastungsbedingungen, wodurch die Rechenleistungseffizienz der Rechenzentren gesteigert wird. Noch wichtiger ist, dass die Kosten für Aluminiumkühler nur 40 % - 50 % der Kosten für Kupferkühler betragen. Bei einer Massenanwendung können damit mehrere Millionen Yuan an Investitionskosten eingespart werden.

Bei der Stromübertragung nimmt die Verwendung von Aluminiumkabeln ebenfalls rapide zu. Aluminiumkabel werden häufig für die Übertragung von Starkstrom auf Gebäudebene eingesetzt, beispielsweise von der Substation zum Rechenzentrumgebäude sowie in vertikalen und horizontalen Hauptkabelkanälen innerhalb des Gebäudes.

Obwohl Aluminiumkabel bei der Übertragung der gleichen elektrischen Leistung einen größeren Querschnitt benötigen als Kupferkabel, sind die Gesamtkosten von Aluminiumlegierungskabeln etwa 20 % niedriger als die von Kupferkabeln, und das Gewicht beträgt nur etwa ein Drittel von Kupfer. Bei langfristigen, fest verlegten Anwendungen sind die Vorteile von Aluminiumkabeln noch deutlicher.

Die UBS ist auch hier optimistisch und hat ihre Aluminiumpreisprognosen für die nächsten zwei Jahre um 5 % bzw. 2 % erhöht.

Die weltweite Aluminiumproduktion steigt kontinuierlich. Von 2018 bis 2023 stieg die Produktion von 64,166 Millionen Tonnen auf 70,581 Millionen Tonnen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 1,9 % entspricht. Es wird vorausgesagt, dass die weltweite Elektrolyse-Aluminiumproduktion im Jahr 2024 auf 72,25 Millionen Tonnen steigen wird, was einer Zunahme von 2,17 % gegenüber 2023 entspricht.

China ist das weltweit führende Land in der Aluminiumproduktion. Bis Ende 2024 betrug die kumulative Roheisenproduktion in China etwa 550,4 Millionen Tonnen, was 31,47 % der weltweiten kumulativen Produktion ausmacht. Im Jahr 2024 betrug die Roheisenproduktion in China etwa 44 Millionen Tonnen, was ein neues Rekordhoch darstellt und 60,12 % der weltweiten Aluminiumproduktion in diesem Jahr entspricht.

Seit 2017 hat China jedoch eine Reform der Angebotsseite in der Aluminiumelektrolysebranche initiiert. Illegale und unregelmäßige Produktionskapazitäten wurden aufgeräumt, und eine Obergrenze für die konforme Produktionskapazität von 45 Millionen Tonnen festgelegt. Bis Ende November 2024 betrug die installierte Elektrolyse-Aluminiumproduktionskapazität in China bereits 45,02 Millionen Tonnen, und die laufende Kapazität lag bei etwa 43,94 Millionen Tonnen. Die Kapazitätsauslastung betrug 97,74 %, was bedeutet, dass es in China kaum noch Raum für ein Wachstum der Elektrolyse-Aluminiumproduktionskapazität gibt. Zukünftiges Produktionswachstum kann nur durch eine leichte Erhöhung der Betriebsrate erreicht werden.

Im Gegensatz zu China expandiert die Aluminiumproduktionskapazität im Ausland rapide. Von Januar bis Oktober 2024 belief sich die Elektrolyse-Aluminiumproduktion im Ausland auf 24,82 Millionen Tonnen, was einem Anstieg von 1,4 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Mit der Wiederaufnahme der zuvor stillgelegten Kapazitäten und dem Start neuer Projekte wird vorausgesagt, dass die Wachstumsrate der Elektrolyse-Aluminiumproduktion im Ausland im Jahr 2025 beschleunigen wird.

Betrachtet man die Produktionsanteile, so betrug der Anteil der chinesischen Elektrolyse-Aluminiumproduktion an der weltweiten Produktion bis Oktober 2024 etwa 60 %, während die Anteile der Golf-Kooperationsrat (GCC) und anderer asiatischer Länder außer China 8,6 % bzw. 6,6 % betrugen.

Obwohl der Weltmarkt für Aluminium im Jahr 2025 noch ein geringes Überangebot aufweist, wird sich diese Situation bis 2026 grundlegend umkehren. Die Bank of America prognostiziert, dass es im Aluminiumsektor einen Lieferengpass von etwa 292.000 Tonnen geben wird, und der Aluminiumpreis könnte im vierten Quartal 2026 auf 3.000 US-Dollar pro Tonne steigen.

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Allerdings sind Kupfer und Aluminium nur das Vorspiel dieser KI-Revolution. Der eigentliche große Markt liegt in der Kühlung und der Wasserversorgung. Rechenzentren sind nicht nur große Stromverbraucher, sondern auch große Wärmeerzeuger.

Mit der kontinuierlichen Steigerung der Leistungsaufnahme von KI-Chips ist die herkömmliche Luftkühlung bereits an ihre physikalischen Grenzen gestoßen. Die Obergrenze der Luftkühlung liegt normalerweise zwischen 10 kW und 15 kW pro Serverrack, und nur in einigen speziellen Systemen kann eine Leistung von 20 kW erreicht werden. Bei den heutigen GPUs ist die Leistung der besten Luftkühlsysteme jedoch begrenzt.

Die Leistungsdichte der Luftkühlung reicht nicht aus, um die Kühlanforderungen von Hochleistungs-Chips zu erfüllen. Das hohe Energieaufkommen führt zu einem hohen PUE (Power Usage Effectiveness)-Wert, und die großen Mengen an Ventilatoren und Luftkanälen beanspruchen wertvollen Platz.

Was noch schlimmer ist, wird die aktuelle Situation durch die weitere Steigerung der Leistungsaufnahme von KI-Chips noch verschärft.

Die Vorteile der Flüssigkeitskühlungstechnologie sind überwältigend. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser beträgt etwa 0,6 W/(m・K), während die von Luft nur etwa 0,024 W/(m・K) beträgt. Das heißt, die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist 25-mal höher als die von Luft.

Betrachten wir nun die Wärmespeicherfähigkeit pro Volumeneinheit. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,2 kJ/(kg・K), während die von Luft 1,005 kJ/(kg・K) beträgt. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist 4,18-mal höher als die von Luft, und die Dichte ist 833-mal höher. Das Produkt dieser beiden Werte beträgt etwa 3500-mal. In der Praxis wird die Wärmeabfuhrleistung pro Volumeneinheit aufgrund der effizienteren Strömung der Kühlflüssigkeit noch weiter gesteigert.

Die Flüssigkeitskühlung kann den Energiever