Die Vereinigten Staaten verfolgen mehrere Pläne zur Erweiterung und Modernisierung ihres Stromnetzes. Dazu gehören der Bau zusätzlicher Solar- und Windparks, die Errichtung von Kohle- und Gaskraftwerken sowie die Stromversorgung von Rechenzentren, die KI-Workloads verarbeiten.

All diese Bemühungen hängen von einer Geräteart ab, deren grundlegendes Design aus dem späten 19. Jahrhundert stammt: dem großen Leistungstransformator. Wer versteht, warum ausgerechnet diese Gerätekategorie zum Engpass geworden ist, versteht auch die langen Vorlaufzeiten und steigenden Kosten, die diese Pläne derzeit prägen.

Diese massiven Metallkonstruktionen sind etwa so groß wie ein zweistöckiges Haus und wiegen bis zu 400 Tonnen – ungefähr das Gewicht einer voll beladenen Boeing 747. Sie wandeln die hohen Spannungen, die für die Übertragung von Strom über große Entfernungen verwendet werden, in niedrigere Spannungen um, die Haushalte und Unternehmen nutzen können. Obwohl das Gerät vor etwa 150 Jahren erfunden wurde, werden große Leistungstransformatoren heute noch weitgehend nach demselben Grundprinzip hergestellt.

Viele Transformatoren, die in den USA und anderswo im Einsatz sind, sind älter als ihre vorgesehene Lebensdauer. Gleichzeitig gibt es nicht genug Ersatzgeräte, um die weltweite Nachfrage zu decken. Die Bearbeitung und Auslieferung einer Bestellung kann mehr als drei Jahre dauern.

Transformatoren transportieren Strom effizient

Große Leistungstransformatoren sind für den Transport von Elektrizität über große Entfernungen unverzichtbar. Kraftwerke – darunter Kohle- und Gaskraftwerke, Wasserkraftwerke sowie Solar- und Windparks – befinden sich oft weit entfernt von den Kunden, die den erzeugten Strom nutzen.

Strom, der durch Übertragungsleitungen fließt, erzeugt Wärme. Über große Entfernungen kann diese Wärme die am Ziel ankommende Energiemenge erheblich reduzieren. Energieunternehmen verwenden daher große Transformatoren, um die Spannung zu erhöhen und Übertragungsverluste zu verringern. Der Prozess lässt sich mit dem Verladen von Fracht auf große Lkw vergleichen, die über Autobahnen fahren: Sie transportieren Energie effizienter als kleinere Fahrzeuge auf kleineren Straßen.

Hochspannungsstrom kann jedoch nicht direkt von Haushalten und Unternehmen genutzt werden – so wie ein Sattelschlepper mit Autobahngeschwindigkeit nicht in eine Wohnhaus-Einfahrt fahren kann. Wenn die Elektrizität ein Gebiet mit Kunden erreicht, senkt ein weiterer großer Transformator die Spannung auf nutzbare Werte. Niederspannungsleitungen transportieren den Strom dann auf dem verbleibenden Weg zu Haushalten und Unternehmen.

Von 2019 bis 2025 hat sich die Nachfrage nach Generatortransformatoren, die Kraftwerke mit dem Übertragungsnetz verbinden, nahezu verdreifacht. Im selben Zeitraum hat sich die Nachfrage nach Transformatoren, die als niederspannende „Abfahrten“ dienen, mehr als verdoppelt, während ihre Kosten um 80 % stiegen. Praktisch bedeutet das: Die Kraftwerke im Zentrum der Netzausbaupläne – Kernenergie, fossile Brennstoffe, Solar und Wind – hängen alle am selben begrenzten Pool maßgefertigter Geräte.

Diese Geräte werden nicht in vollautomatisierten Fließbändern massenproduziert. Jeder einzelne wird auf die Anforderungen seines Einsatzorts maßgeschneidert. Wenn ein spezialisierter Transformator bei einem extremen Sturm oder einer Hitzewelle ausfällt, wartet in der Regel kein Ersatz in einem Lagerhaus.

Spezialmaterialien begrenzen die Produktion

Die Materialien, aus denen die Transformatoren bestehen, sind eine wesentliche Ursache der Verzögerungen. Eine kritische Komponente ist elektrischer Stahl mit Kornorientierung, ein Spezialprodukt, das sich von gewöhnlichem Stahl unterscheidet.

Die Hersteller verwenden präzise thermische und mechanische Verfahren, um die magnetischen Kristalle des Stahls in eine einzige Richtung auszurichten. Diese Ausrichtung ermöglicht es magnetischen Feldern, das Material mit relativ geringen Energieverlusten zu durchdringen – eine wichtige Eigenschaft bei der Handhabung großer Strommengen. Nur eine kleine Anzahl spezialisierter Stahlwerke weltweit kann dieses Material herstellen, und nur eines dieser Werke befindet sich in den Vereinigten Staaten. Damit ist die US-Transformatorproduktion bei dem Kernmaterial des Produkts von einem einzigen inländischen Werk abhängig.

Auch Kupfer ist knapp. Es wird zu Drähten verarbeitet, die um den Kern des Transformators, der typischerweise aus Stahl besteht, gewickelt werden, um die erforderliche Spannungsanpassung zu erreichen.

Ein Ausweichweg schafft einen weiteren Engpass

Wegen des Transformatormangels können Versorger und Stromerzeuger mehr als zwei Jahre auf die Ausrüstung warten, die benötigt wird, um ein neues Kraftwerk an das Netz anzuschließen. Die Verzögerung gilt für Kraftwerke mit Kernenergie, fossilen Brennstoffen, Solarenergie oder Wind.

Um die Wartezeit auf einen Netzanschluss zu vermeiden, haben Betreiber von Rechenzentren für KI-Systeme versucht, das Netz vollständig zu umgehen, indem sie eigene Gasraftwerke vor Ort installieren.

Dieser Ausweichweg hat ein separates Lieferkettenproblem geschaffen. Gasturbinen arbeiten bei Temperaturen über 2.000 Grad Fahrenheit (1.100 °C) – heiß genug, um normalem Stahl zu schmelzen. Turbinenschaufeln werden in einem komplexen Verfahren aus hochspezialisierten Metallkombinationen hergestellt und mit keramischen Hitzeschutzbeschichtungen versehen.

Da Technologieunternehmen immer größere und mehr Bestellungen aufgeben, hat sich die Zeit zwischen der Bestellung einer Gasturbine und deren Lieferung auf drei bis sieben Jahre verlängert. Die Turbinenpreise im Jahr 2027 werden voraussichtlich nahezu dreimal so hoch sein wie 2019, aufgrund höherer Nachfrage und der anhaltenden Knappheit spezialisierter Materialien. Diese Vorlaufzeit ist länger als die Netzanschluss-Wartezeit, die die Kraftwerke vor eigentlich umgehen sollten.

Mögliche Maßnahmen

Eine Lieferkette aus dem 19. Jahrhundert tut sich schwer, eine Wirtschaft des 21. Jahrhunderts zuverlässig mit Strom zu versorgen. Große Leistungstransformatoren werden auch benötigt, um das bestehende Netz zu modernisieren und seine Anfälligkeit für große Stürme und langanhaltende Ausfälle zu verringern.

Die möglichen Lösungen sind konkret, aber komplex. Die US-Behörde für Cybersicherheit und Infrastruktursicherheit hat empfohlen, Transformator-Designs zu standardisieren, statt jedes Gerät von Grund auf neu zu bauen. Standardisierung könnte den Herstellern helfen, mehr Geräte schneller in einem fließbandartigen Prozess zu produzieren. Sie würde es Versorgern zudem erleichtern, Notfall-Reservetransformatoren zu teilen. Der Bericht der Behörde ist verfügbar bei CISA.

Das US-Energieministerium hat den Einsatz von Technologien empfohlen, die zusammenfassend als „netzverstärkende Technologien“ bekannt sind. Dazu gehören Sensoren, die in Echtzeit messen, wie viel Strom durch lange Übertragungsleitungen fließen kann, sowie fortschrittliche Software, die alternative Routen zur Verteilung von Strom aus Kraftwerken identifiziert und die den Kunden verfügbare Leistung maximiert. Laut dem Ministerium können solche Systeme die Übertragung von 15 % bis 20 % mehr Strom ermöglichen als sonst, wodurch Engpässe gemildert werden, während Versorger auf neue Transformatoren warten. Informationen des Ministeriums sind verfügbar bei DOE.

Längerfristig könnten die Vereinigten Staaten mehr elektrischen Stahl mit Kornorientierung herstellen, mehr Kupfer verarbeiten und ihre Kapazität zur Herstellung großer Leistungstransformatoren ausbauen. Ob standardisierte Designs übernommen werden, netzverstärkende Technologien auf bestehenden Leitungen zum Einsatz kommen und neue inländische Kapazitäten aufgebaut werden, wird bestimmen, wie lange die Wartezeit auf diese Ausrüstung andauert.

Jedes Bemühen, das Stromnetz anzupassen, zu verbessern, auszubauen und zu modernisieren, hängt von dieser Ausrüstung ab. Ohne große Leistungstransformatoren werden diese Bemühungen auf erhebliche Grenzen stoßen. Politik und Industrie stehen daher vor einer Wahl: die Hardware-Engpässe angehen oder die daraus resultierende Netzüberlastung, verzögerte Projekte und höhere Kosten akzeptieren.

Die Lösung des Transformator-Engpasses würde diese Zwänge von einem passiven Ergebnis in ein Problem verwandeln, das durch bewusste Entscheidungen angegangen werden kann.

Jasmine Garland ist Chancellors Postdoctoral Fellow am Department für Bau-, Umwelt- und Architektur-Ingenieurwesen der University of Colorado Boulder.

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation neu veröffentlicht. Der Originalartikel ist verfügbar bei The Conversation.

Diese Geschichte wurde ursprünglich auf Fortune.com veröffentlicht.