Die Digitalisierung kann nur mit grünen Rechenzentren nachhaltig werden

Eine neue Studie ermittelt den Stromverbrauch und die CO2-Emissionen von Rechenzentren und zeigt, wie diese zentrale Infrastruktur der Digitalisierung klimaschonender betrieben werden kann.

Autor*in Sarah-Indra Jungblut, 28.07.20

Übersetzung Sarah-Indra Jungblut:

Es gibt viele schlaue, digitale Lösungen, die uns dabei unterstützen können, den Umwelt- und Klimaschutz voranzutreiben – zum Beispiel, indem sie dabei helfen, Energie zu sparen, Ressourcen und Umwelt zu schonen oder Klimaschutzmaßnahmen effektiver zu gestalten. Auf RESET.org berichten wir regelmäßig darüber.

Auch Simon Hinterholzer und Ralph Hintemann vom Borderstep-Institut stellen in ihrer Ende Mai 2020 erschienenen Kurzstudie „Rechenzentren in Europa – Chancen für eine nachhaltige Digitalisierung“ heraus: „Eine leistungsfähige, widerstandsfähige und nachhaltige digitale Infrastruktur fördert eine zukunftsfähige Industrialisierung und unterstützt Innovationen.“ Gerade die aktuelle Corona-Situation zeigt, dass digitale Infrastrukturen eine entscheidende Rolle beim Klimaschutz spielen könnten. In den letzten Monaten wurden Verkehr und Mobilität massiv durch digitale Lösungen ersetzt, was sich unmittelbar bei den Treibhausgasemissionen bemerkbar gemacht hat: Sie sind gesunken.

Natürlich ist parallel dazu der globale Datenverkehr gestiegen. Wie eine Kurzstudie, die das Wuppertal-Institut und Ernst & Young (EY) im Auftrag des Bundesumweltministeriums erstellt haben, belegt, nahm das Datenvolumen während der Corona-Zeit um rund zehn Prozent zu – und verzeichnete neue Rekorde: Am 10. März 2020 wurde der höchste jemals weltweit gemessene Datendurchsatz registriert. „Mit 9,16 Tbit/s wurde am Knoten in Frankfurt ein neuer Weltrekord aufgestellt – pro Sekunde wurde eine Datenmenge übermittelt, die 2 Millionen HD-Videos oder einem 200 Kilometer hohen Stapel beziehungsweise 2 Milliarden DIN-A4-Seiten Text entspricht.“

Doch so immateriell der Datentransfer auch erscheinen mag, auch er hinterlässt Spuren: Mit all den Videokonferenzen und Filmstreamings jagen wir tausende Bits und Bytes durch das WWW– und dieser Datentransport benötigt eine physische Infrastruktur in Form von Netzwerken, Servern, Rechenzentren und den passenden Geräten.

In ihrer Kurzstudie stellen Hintemann und Hinterholzer die Nachhaltigkeitswirkungen von Rechenzentren dar und liefern neue Ergebnisse zur Entwicklung von Energieeffizienz, Energiebedarf und Treibhausgasemissionen der Rechenzentren in Europa. Dabei haben sie vom Serverrack oder Serverraum in einem kleinen oder mittleren Unternehmen über Colocation Rechenzentren, Supercomputer für Forschung und Entwicklung bis hin zu Hyperscale-Cloud Rechenzentren alles unter den Begriff Rechenzentren gefasst. Auch speziell errichtete Rechensysteme, die zum Beispiel für Krypto-Mining oder künstliche Intelligenz entwickelt werden, sind inbegriffen.

Hintemann und Hinterholzer stellen dar, dass sich im vergangenen Jahrzehnt die weltweite Leistung der Rechenzentren um den Faktor zehn erhöht hat. Die weltweit übertragene Datenmenge hat sich dabei sogar fast um den Faktor 20 erhöht. Da gleichzeitig die Energieeffizienz der Rechenzentren deutlich verbessert werden konnte, ist der starke Leistungszuwachs nur mit einem moderaten Anstieg des Energiebedarfs der Rechenzentren in Europa um 55 Prozent verbunden: Zwischen 2010 und 2020 stieg der Energiebedarf von 56 Terrawattstunden auf 87 Terrawattstunden an (+ 55 Prozent). Damit benötigen Rechenzentren aktuell rund 2,7 Prozent des elektrischen Stroms in Europa.

Für die Zukunft wird ein moderater weiterer Anstieg des Energiebedarfs auf 98 Terrawattstunden bis 2030 prognostiziert. Die Analysen zeigen zudem, dass die Investitionen in energieeffiziente Rechenzentrumsinfrastrukturen im zurückliegenden Jahrzehnt dazu geführt haben, dass der Anteil der technischen Gebäudeausstattung für Klimatisierung, Stromversorgung, Brandschutz etc. am Energiebedarf der Rechenzentren deutlich zurückgegangen ist. Dies ist nach Ansicht der Autoren ein nachhaltiger und positiver Effekt. Und er zeigt zweierlei: Einerseits hat die rasante Digitalisierung einen erheblichen Ressourcenbedarf. Anderseits bieten Rechenzentren einen entscheidenden Hebel, den globalen Datenverkehr nachhaltiger zu gestalten.

Das Bottleneck einer nachhaltigen Digitalisierung

Der Strombedarf der Rechenzentren ist, neben der Herstellung, Nutzung und Entsorgung all unserer Tools und Geräte, maßgeblich für die CO2-Emissionen der Digitalisierung verantwortlich. Die direkten Umweltwirkungen von Rechenzentren sind von der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie und den dadurch potenziell verursachten CO2-Emissionen abhängig. Dementsprechend ist neben dem Stromverbrauch im Betrieb auch die Art der Stromerzeugung von hoher Relevanz für die Auswirkungen auf den Klimawandel. Schon jetzt verbessern viele Rechenzentrumsbetreibende ihre CO2-Bilanz durch die zunehmende Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien. „So gaben zum Beispiel 30 Prozent der befragten Rechenzentrumsbetreibenden im Jahr 2017 in Deutschland an, ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien für ihr Rechenzentrum zu verwenden.“ Dies kann durch den Strombezug direkt von Anlagenbetreibenden mit einem Power Purchase Agreement geschehen, über den Bezug von Ökostrom eines Stromlieferanten oder auch über den eigenen (lokalen) Betrieb von Erzeugungsanlagen.

Betrachtet man die spezifischen Emissionen, ist die Spannweite in den europäischen Ländern sehr groß, da sich der lokale Erzeugungsmix der jeweiligen Länder auf die berechneten CO2-Emissionen der Rechenzentren auswirkt.

Daher ist davon auszugehen, dass die Emissionen im kommenden Jahrzehnt allein dadurch um 30 Prozent sinken werden und dass die einzelnen Staaten ihre CO2-Emissionen in der Stromerzeugung senken, wie es die Reduktionsziele der Europäischen Union festlegen. Bis zum Jahr 2030 wird darin ein Anteil von 32 Prozent regenerativen Energien angestrebt (European Commission, 2020).

Für Deutschland wird in den Prognosen davon ausgegangen, dass die CO2-Emissionen in der Stromerzeugung nur langsam sinken. Das liegt vor allem daran, dass geplant ist, den Ausstieg aus der Kohleverstromung noch bis zum Jahr 2035 bzw. 2038 hinzuziehen. Solange ein schnellerer, politisch gesteuerter Kohleausstieg in Deutschland nicht angestrebt wird, haben Energieeffizienzmaßnahmen oder die grüne Strombeschaffung in Unternehmen in Deutschland damit noch einen besonders großen Effekt auf die Reduktion der CO2-Emissionen. Zu diesen Effizienzmaßnahmen gehört auch die Nutzung der Abwärme, in der auch nach Hinterholzer und Hintemann eine große Chance für einen nachhaltigen Rechenzentrumsbetrieb steckt. In diesem Artikel stellen wir einige Beispiele dazu vor: Der digitale Fußabdruck – Unser Ressourcenverbrauch im Netz.

Rechenzentren sind Basisinfrastruktur für viele neue Technologien und Anwendungen

Nach Ansicht der Autoren geht es bei einer kritischen Analyse der Ökobilanz von Rechenzentren jedoch nicht nur darum, den absoluten Ausstoß der CO2-Emissionen von Rechenzentren, deren unmittelbare Emissionen zu betrachten, sondern auch deren positive Wirkung: „Rechenzentren und Breitbandnetze sind (aber) auch eine zentrale Voraussetzung für eine ökologisch nachhaltig ausgerichtete Digitalisierung in Europa. Sie können einen wesentlichen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele in Deutschland und Europa beitragen.“ Denn gerade in der Digitalisierung steckt ein hohes Potenzial, Treibhausgasemissionen zu senken. Dabei könnten diese „um den Faktor drei bis zehn über den Treibhausgasemissionen liegen, die durch den Betrieb digitaler Geräte und Infrastrukturen direkt entstehen, wie verschiedene Studien ermitteln.“ So würden es digitale Technologien ermöglichen, Wirtschaftsprozesse ressourcenschonender zu realisieren, Verkehrsströme effizient und intelligent und die Gesellschaft insgesamt nachhaltiger zu gestalten, zum Beispiel im Zusammenhang mit bezahlbarer und sauberer Energie, nachhaltigem Konsumieren und Produzieren.

Entscheidend für eine nachhaltige und wettbewerbsfähige Digitalisierung in Europa ist nach Ansicht der Autoren daher, digitale Infrastrukturen im Allgemeinen und Rechenzentren im Besonderen in Zukunft mehr in ein energiewirtschaftliches Gesamtkonzept einzubinden. In der Abstimmung mit lokalen Energieerzeugern und Wärmenutzenden können erneuerbare Energien sinnvoll einfließen und die Abwärme kann effizient genutzt werden, zum Beispiel wenn die Abwärme in Fernwärmenetzen landet und Gebäude erwärmt.

Doch insbesondere im hochdynamischen und innovativen Umfeld der Digitalisierung sind Zukunftsprognosen, wie sie Hintemann und Hinterholzer aufstellen, mit großen Unsicherheiten behaftet. Unklar ist zum Beispiel, ob sich über einen Technologiewechsel oder andere Materialien in Zukunft auch weiterhin hohe Leistungssteigerungen der Prozessoren bei deutlich verbesserter Energieeffizienz erreichen lassen.

Aktuell ist davon auszugehen, dass vor allem die Nutzung von Künstlicher Intelligenz in vielen Anwendungsbereichen stark ansteigen wird. Doch die Programmierung der intelligenten Algorithmen benötigt teilweise sehr hohe Rechenleistungen. Und auch in den Bereichen des Autonomen Fahrens, Industrie 4.0 und Smart Cities werden eine Vielzahl neuer Anwendungen erwartet, die hohe Rechenzentrumsleistungen erfordern.

„Auch die öffentlichen Diskussionen und regulatorischen Maßnahmen zum Klimaschutz können einen erheblichen Einfluss auf die zukünftige Entwicklung der digitalen Infrastrukturen in Europa ausüben, insbesondere auch die Zielsetzung der Europäischen Kommission, bis zum Jahr 2030 die Rechenzentren und Telekommunikationsnetze klimaneutral zu betreiben“, heben die Autoren hervor.

Der zweite Teil der Studie mit konkreten Fallbeispielen für energie- und ressourceneffiziente Rechenzentren in Europa sowie Chancen und Herausforderungen, die durch regulative Rahmensetzung sowie der Nutzung von Abwärme in Rechenzentren entstehen können, folgt im Herbst.

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