Durch die Covid-19-Pandemie hatte sich in vielen Unternehmen eine strikte Homeoffice-Regelung durchgesetzt. Als Folge nahm der Straßenverkehr deutlich ab, zudem wurden viele Büroräume nicht mehr genutzt, was Heizung und Strom spart. Aber ist Heimarbeit und die damit verbundene massive Nutzung des Internets für die Umwelt tatsächlich von Vorteil? Um das zu beantworten, muss man wissen, welche ökologischen Auswirkungen die digitale Technologie hat – und wie man diese reduzieren kann. Doch leider sind solche Abschätzungen extrem kompliziert, gerade wenn man komplexe und vernetzte System untersuchen möchte.

Das Internet entstand in den 1970er Jahren und ist seit rund 30 Jahren der breiten Öffentlichkeit zugänglich. Inzwischen ist es für etwa 5,3 Milliarden Nutzer – also knapp 65 Prozent der Weltbevölkerung – ein oft unverzichtbares Werkzeug. Der Erfolg hat zu einer schnellen Weiterentwicklung des World Wide Web geführt. E-Mails, Instant Messenger, Suchmaschinen, soziale Netzwerke, Cloud-Speicher, Streamingdienste: Immer mehr Bereiche des täglichen Lebens verlagern sich online.

Auch die Struktur des Internets hat sich im Lauf der Zeit gewandelt, sie ist größer und komplexer geworden, um der erhöhten Nachfrage gerecht zu werden. Die damit einhergehende Technologie verbraucht allerdings erhebliche Mengen an Energie und Ressourcen – eine Tatsache, die viele Nutzer häufig vergessen.

Angesichts der Klimakrise entwickeln zahlreiche Regierungen gemeinsam mit Forschenden Maßnahmen, um die Umwelt zu schützen. Bisher wurde jedoch kaum untersucht, welche ökologischen Folgen die fortschreitende Digitalisierung mit sich bringt. Die wenigen vorliegenden Studien deuten darauf hin, dass diese Besorgnis erregend sind – sei es wegen des Verbrauchs von Energie, Rohstoffen oder wegen des CO₂-»Fußabdrucks«. Handfeste Zahlen zu nennen fällt allerdings schwer: Die bisherigen Ergebnisse weichen teilweise stark voneinander ab.

Die Schätzungen unterscheiden sich um vier Größenordnungen

In einer 2014 erschienenen Metastudie nahmen sich Vlad Coroamă von der Technischen Universität Lissabon und Lorenz Hilty von der Universität Zürich alle veröffentlichten Artikel über die Energiekosten des Internets der vergangenen zehn Jahre vor. Dabei fanden sie in den Schätzungen Unterschiede von bis zu vier Größenordnungen.

Dafür gibt es mehrere Gründe: Unsicherheiten bei den Messungen, die Näherungen der verwendeten Modelle und den Umfang der Analysen. Je nachdem, ob die Forscher beispielsweise den Einfluss digitaler Endgeräte berücksichtigten oder nicht, variierten die Ergebnisse erheblich. Deshalb ist es so schwierig zu sagen, ob Homeoffice insgesamt der Umwelt nutzt – oder ob eine Internetabfrage in zehn Minuten so viel Energie verbraucht wie ein Wasserkocher in drei Stunden.

In den letzten Jahren haben sich viele Fachleute, so auch wir, verstärkt mit diesem komplexen Thema beschäftigt. Dazu haben wir die vernetzten Systeme und technischen Geräte, aus denen das Internet besteht, einzeln untersucht. Unser Ziel ist es, den Energieverbrauch jedes einzelnen Moduls zu spezifizieren und Wege zu finden, ihn so gering wie möglich zu halten. Bis es so weit ist, liegt noch viel Arbeit vor uns, aber wir konnten bereits einige Fortschritte erzielen.

Zum Beispiel veröffentlichte das internationale Forschungsprojekt GreenTouch 2015 eine Arbeit, in der eine globale Internet-Infrastruktur vorgestellt wird, die den Energieverbrauch im Jahr 2020 verglichen mit 2010 um 98 Prozent senken könnte – selbst unter Berücksichtigung des wachsenden Datenverkehrs bei gleicher Qualität. Hätten Nordamerika, Europa und Japan die Vorschläge umgesetzt, hätten sich dadurch umgerechnet die Treibhausgasemissionen von 5,8 Millionen Autos einsparen lassen. Der Umbau der Infrastruktur erfordert allerdings viele strukturelle und technologische Veränderungen.

Welche Prozesse stecken hinter einer Google-Anfrage?

Um solche Abschätzungen vornehmen zu können, muss man zunächst wissen, welche Hard- und Softwaresysteme am Internet beteiligt sind, wie sie genutzt werden und wie viel Strom und andere Rohstoffe sie benötigen. Wenn etwa ein Begriff gegoogelt wird, mobilisiert das sowohl physische Hardware als auch Software. Zu Ersterer gehört das Endgerät, auf dem die Suchanfrage gestellt wird (PC, Smartphone oder Tablet), mehrere Netzwerke, die die Daten transportieren, sowie die Server in einem Rechenzentrum, die Suchanfragen verarbeiten.

Auf den Servern befinden sich so genannte virtuelle Maschinen. Diese simulieren unabhängig vom Betriebssystem eine Umgebung, in der Nutzende ihre Programme und Anwendungen ausführen. Inzwischen nutzen die meisten Onlinedienste Cloud Computing, das heißt, die Daten werden nicht auf einem lokalen Rechner verarbeitet, sondern über ein Netzwerk aus Computern. Die Anbieter wählen auf der Grundlage von Leistungsmetriken und Lastverteilungen passende Geräte aus, die eine Anfrage bearbeiten. Wie viele Ressourcen das beansprucht, hängt davon ab, wo sich die Server befinden – und kann somit stark schwanken.

Betrachtet man statt einer Suchanfrage die Mechanismen hinter Onlinevideos, wird es noch komplizierter. Laut einer Arbeit, die The Shift Project (ein französischer Verein, der Wege zu einer kohlenstofffreien Wirtschaft entwickelt) 2019 veröffentlicht hat, machen Videostreams 80 Prozent des globalen Datenverkehrs aus. Diese bestehen hauptsächlich aus abrufbaren Inhalten wie Video-on-Demand sowie aus Echtzeitaufnahmen, etwa bei Videokonferenzen.

Bei herkömmlichem Antennenfernsehen überträgt ein einzelner Sender die Daten zeitgleich an mehrere Empfänger. Bei Onlinevideos ist das anders: Für jeden Zuschauer entsteht ein Datenstrom. Damit steigt der Datenverkehr proportional zur Anzahl der Nutzenden, während er beim Fernsehen nur von den gleichzeitig sichtbaren Inhalten abhängt.

Deshalb können große Plattformen wie Netflix keinen zentralen Server nutzen (so genannte Client-Server-Systeme), die Daten an mehrere Nutzende verteilen, wie es gewöhnlich Websites machen. Stattdessen basieren Videoplattformen auf Content-Delivery-Netzwerken, die Videodaten auf viele Server kopieren, um sie in die geografische Nähe der Verbraucher zu bringen.

Um eine optimale Bereitstellung zu gewährleisten, muss ein Video jederzeit mehrfach in unterschiedlichen Formaten an vielen Orten rund um den Globus verfügbar sein. Streaminganbieter setzen daher extrem viele Server in zahlreichen Rechenzentren ein. So schätzten Timm Böttger und seine Kollegen von der Queen Mary University of London 2018, dass Netflix mindestens 8500 Server in mehr als 600 Rechenzentren für die Verteilung der Inhalte nutzt.

Diese Beispiele zeigen, dass digitale Daten auf ihrem Weg zum Verbraucher viele Geräte durchlaufen. Die physische Welt des Internets ist in drei Teile gegliedert:

1. Netzwerke (drahtgebunden und drahtlos),
2. Rechen- und Datenzentren, in denen Server stehen,
3. Endgeräte wie Smartphones, Tablets oder Computer.

Jeder dieser Teile verbraucht Ressourcen und beeinflusst dadurch auf eigene Weise die Umwelt. Wenn man die Energiekosten der Digitalisierung bestimmen möchte, muss man den Verbrauch dieser drei Bereiche kennen.

Energiekosten von Netzwerken

Um den Energieverbrauch der Kommunikationsnetze, aus denen das Internet besteht, abzuschätzen, muss man zwischen den verschiedenen Technologien unterscheiden: Sie sind entweder auf Kupferdraht oder Glasfaserkabel angewiesen, können aber auch drahtlos sein. Darüber hinaus hängen die Netzwerke von Geräten wie Routern, Switches oder Antennen ab, die ebenfalls eine begrenzte Lebensdauer haben und die Umwelt belasten.

Inzwischen bieten Netzbetreiber zunehmend flächendeckende Mobilfunkstandards an: 2G, 3G, 4G und 5G. Wird eine neue Technologie eingeführt, werden ältere nicht abgeschaltet, um mit allen Endgeräten kompatibel zu bleiben. Für die Nutzung der neuesten Technologie müssen die Kundinnen und Kunden meist neue Geräte kaufen. Viele entsorgen dafür ihr noch funktionierendes Smartphone.

Jede Netzwerkgeneration erhöht die verfügbare Bandbreite pro Nutzer – und diese wird tatsächlich genutzt, was den Datenfluss erhöht. Wie die französische Regulierungsbehörde für elektronische Kommunikation (Arcep) berichtete, verbrauchte eine SIM-Karte 2019 in Frankreich monatlich im Durchschnitt 7 Gigabyte. Berücksichtigt man jedoch nur 4G-SIM-Karten, erhöhte sich das Mittel auf 9,5 Gigabyte.

Der Stromverbrauch von Rechenzentren

Neben den Telekommunikationsnetzen belasten auch die Rechenzentren die Umwelt. Sie beherbergen Server, die Kühlsysteme und eine redundante Stromversorgung benötigen. Um den Stromverbrauch zu senken, erproben einige Betreiber verschiedene Wärmerückgewinnungsmechanismen.

Die Effizienz eines Rechenzentrums wird durch die so genannte PUE-Kennzahl (power usage effectiveness) angegeben. Dieser Wert beziffert die zusätzlichen Energiekosten, die außerhalb der Server entstehen (in der Regel für die Kühlung). Die Betreiber versuchen sich dem idealen PUE-Wert von eins anzunähern, bei dem der Verbrauch für die Kühlung im Vergleich zum Verbrauch für die IT-Infrastruktur vernachlässigbar ist. Die Kennzahl allein ist jedoch nicht aussagekräftig, da sie nicht die Effizienz der IT-Nutzung berücksichtigt.

Einige große Rechenzentren (unter anderem von Google, Amazon, Facebook, Apple und Microsoft) nutzen zunehmend erneuerbare Energien, die sie entweder vor Ort erzeugen oder einkaufen. Dennoch sind die Zentren nicht autark. Apple produziert nach eigenen Angaben zum Beispiel so viel regenerative Energie (größtenteils durch Fotovoltaik), wie der Konzern insgesamt verbraucht. Allerdings steht der Strom meist nur tagsüber und bei gutem Wetter zur Verfügung, während die Geräte in Dauerbetrieb sind. Darum verkauft Apple einen Teil des erzeugten Stroms und kauft den Anteil zurück, den es für die nächtliche Versorgung benötigt.

Die Zahl der Rechenzentren nimmt ständig zu. Das Hauptproblem digitaler Infrastrukturen ist ihre unterschiedliche Auslastung. 2015 schätzte das Uptime Institute in Seattle, dass 30 Prozent der Server in den USA eingeschaltet sind, ohne Arbeit zu verrichten. Bei niedriger Auslastung sinkt der Stromverbrauch jedoch nicht auf null, sondern auf die Hälfte der maximalen Leistung. Wenn ein Server also nur wenige Aufgaben erledigt, verbraucht er trotzdem viel Energie. Andere Geräte wie Switches oder Router sind sogar noch ineffizienter.

Daher haben wir untersucht, wie sich Rechenzentren möglichst sparsam betreiben lassen. Gemeinsam mit unserem Kollegen Issam Rais haben wir 2018 gezeigt, dass man einen Server abschalten sollte, wenn dieser mindestens drei Minuten lang nicht genutzt wird. Dafür braucht es verlässliche Modelle, die vorhersagen, wann Lastspitzen auftreten, um die Geräte vorausschauend hochzufahren. Algorithmen könnten solche Ein- und Ausschaltzyklen berechnen.

Außerdem sind Mechanismen nötig, um virtuelle Maschinen von einem Server auf einen anderen zu verschieben, ohne dass die Leistung darunter leidet. Andere Vorschläge zielen darauf ab, Frequenz und Spannung der Prozessoren zu steuern, damit der Stromverbrauch sinkt, wenn die Geräte nicht voll ausgelastet sind. Alle diese Ansätze könnten dazu beitragen, die ökologische Belastung durch IT-Infrastrukturen zu verringern.

Energieverbrauch der Endgeräte

Neben Rechenzentren und Telekommunikationsnetzen hinterlassen auch die Endgeräte der Nutzerinnen und Nutzer ihre Spuren. 2018 gab es weltweit rund neun Milliarden vernetzte Geräte, darunter zwei Milliarden Smartphones und eine Milliarde Computer. Der Rest sind intelligente Systeme, die in den letzten Jahren immer beliebter geworden sind: Glühbirnen, Waschmaschinen, Zahnbürsten, Fernseher, Kameras, Lautsprecher, Uhren, Roboter und so weiter.

Ihr ökologischer Fußabdruck stellt unsere Konsumgewohnheiten in Frage: Sind sie nur nette Spielzeuge oder tragen sie tatsächlich zu einem besseren Leben bei? Vom intelligenten Schnellkochtopf bis zum Glukosesensor für Diabetiker – es ist schwierig, objektive Kriterien zu definieren, um den Nutzen von Gegenständen zu bewerten. Ihre Auswirkungen auf die Umwelt lassen sich hingegen durchaus messen.

Eine Studie von Apple aus dem Jahr 2019 zeigt die durchschnittlichen Treibhausgasemissionen eines MacBook Pro mit 16-Zoll-Bildschirm, 512 Gigabyte Arbeitsspeicher und 2,6 Gigahertz Prozessor bei einer Nutzungsdauer von vier Jahren. Der Fußabdruck eines solchen Laptops beträgt rund 394 Kilogramm CO₂-Äquivalente (kg CO₂eq). Davon entfallen 75 Prozent auf die Herstellung, 5 auf den Transport, 19 auf die Nutzung und weniger als 1 Prozent auf die Entsorgung. Demnach müsste man das Gerät viermal so lange nutzen, also etwa 16 Jahre, um den Fußabdruck der Nutzungsphase dem der Herstellungsphase anzugleichen.

Bei anderen Geräten ist es ähnlich. Der Google Nest Thermostat, der die Heizung eines Hauses automatisch regelt, hat laut Hersteller einen Fußabdruck von 30 kg CO₂eq, wenn man von einer zehnjährigen Nutzungsdauer ausgeht. Die Produktionsphase macht 82 Prozent davon aus, verglichen mit 15 für die Verwendung. Für ein ausgewogenes Verhältnis müssten die Geräte folglich etwa 55 Jahre in Betrieb sein – auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass die Batterie so lange hält.

Für die Kundinnen und Kunden sind die Thermostate attraktiv, weil sie die Heizkosten senken. Deshalb wäre es interessant, die gesamten Energiekosten mit den Einsparungen zu vergleichen. Dafür muss man nicht nur den Verbrauch des Gerätes berücksichtigen, sondern auch den der zu Grunde liegenden Infrastruktur: ein Internetzugang sowie die Server des Dienstleisters, auf denen die Lern- und Optimierungsalgorithmen des Thermostats laufen. Diese Kosten sind im oben genannten Fußabdruck nicht enthalten.

2019 haben wir mit dem Doktoranden Loïc Guegan ein Computermodell entwickelt, um den Stromverbrauch eines vernetzten Systems zu berechnen. Damit haben wir ein Produkt vom Typ Google Nest untersucht. Falls die Cloud nur wenige smarte Thermostate verwaltet, so unsere Ergebnisse, übertrifft ihr Verbrauch den der Geräte. Sobald die Anzahl aber 20 übersteigt, wird ihr Einfluss größer als der der Cloud. Um eine richtige Bilanz zu ziehen, muss man diesen Gesamtverbrauch mit den Energieeinsparungen vergleichen.

Bei anderen vernetzten Objekten verbraucht die Cloud die meiste Energie. Wie wir 2018 zeigen konnten, benötigt eine Webcam, die ihre Daten per WLAN an eine Cloud überträgt, nur halb so viel Strom wie die Cloud selbst. Oder sogar nur ein Drittel, wenn statt großer Rechenzentren wie bei Google mehrere kleine Zentren in der Nähe der Nutzer die Informationen verarbeiten, wie es vor allem bei 5G-Netzen immer häufiger der Fall ist.

Mit unseren Modellen haben wir auch andere Technologien untersucht, etwa intelligente Stromnetze. Diese steuern den Stromfluss je nach Nutzungsverhalten, um den Verbrauch zu senken. Aber was kostet diese Intelligenz? Lässt sie sich optimieren?

Bisher gibt es nur wenig Informationen zum Fußabdruck der Technologie. Der dabei entstehende Datenverkehr lässt sich jedoch modellieren. 2020 haben wir mit Hilfe einer solchen Simulation einen Ansatz entwickelt, um die Hard- und Software zu optimieren. Unsere Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Überdimensionierung der Stromnetze zu begrenzen, indem man Verbrauchsspitzen abfedert – insbesondere im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen.

Oft sieht man die Digitalisierung dabei als Teil der Lösung statt als Problem

Viele Forschende und Unternehmen arbeiten derzeit an Ansätzen, um die Digitalisierung umweltfreundlicher zu gestalten. Einige Ideen betreffen die Abfallvermeidung, das ökologische Design von Hard- und Software oder die Verbesserung der Energieeffizienz. Andere Vorschläge zielen darauf ab, die Nutzungsdauer von Geräten zu verlängern oder aussagekräftige Messgrößen zu entwickeln, die die tatsächlichen Umweltauswirkungen widerspiegeln.

Das Pariser Klimaabkommen fordert jeden Bürger auf, seinen ökologischen Fußabdruck zu verkleinern. Oft sieht man die Digitalisierung dabei als Teil der Lösung statt als Problem. Aber auch in der Welt des Internets ist es wichtig, die Auswirkungen auf die Umwelt zu berücksichtigen, sie zu kontrollieren und zu verringern. Alle können einen Beitrag leisten, indem die Technologien in einem vernünftigen Ausmaß genutzt und deren Notwendigkeit hinterfragt werden.