Der CO2-Fußabdruck unseres digitalen Lebensstils

Das Öko-Institut ist bekannt dafür, dass es zu wichtigen ökologischen Zukunftsfragen die richtigen Antworten kennt. Senior Researcher Jens Gröger beschäftigt sich mit dem aktuellen Thema „Nachhaltige Digitalisierung“ und hat nachgerechnet.

[Dieser Blogbeitrag erschien 2020. Inzwischen gibt es einen digitalen CO2-Fußabdruck-Rechner, bei dem jeder selbst mit aktuellen Zahlen rechnen kann: www.digitalcarbonfootprint.eu]

Wieviel CO₂-Emissionen verursacht eine Google-Anfrage?

Diese beliebte Journalistinnen- und Journalisten-Frage möchte ich zum Anlass nehmen, ein paar Beispielrechnungen durchzuführen, die den CO₂-Fußabdruck durch unseren digitalen Lebensstil beschreiben. Die Zahlen beruhen auf eigenen oder externen wissenschaftlichen Arbeiten zur Herstellung und Nutzung von Geräten der Informationstechnik. Die Zahlen sind teilweise mit großen Unsicherheiten behaftet, allein schon deshalb, weil sie sich durch den technologischen Fortschritt und die veränderten Konsumgewohnheiten rasant ändern und stark von den jeweiligen Rahmenbedingungen (beispielsweise der Art der Stromerzeugung) abhängig sind. Trotzdem möchte ich hier ein paar Zahlenspiele und Dreisatz-Rechnungen durchführen, um die Größenordnung des Problems zu beschreiben. Bei den Zahlen habe ich großzügig gerundet, um keine Genauigkeit vorzutäuschen, die derzeit leider nicht gegeben ist.

Vorweg zur Einordnung: Eine Bundesbürgerin oder ein Bundesbürger verursacht durch Energieverbrauch, Transport und Konsum CO₂-äquivalente Emissionen (CO₂e) von rund zwölf Tonnen pro Jahr. Ein klimaverträgliches Maß wären zwei Tonnen pro Erdenmensch.

1. Herstellung digitaler Endgeräte

Die Herstellung digitaler Endgeräte, wie Smartphone, Laptop und Fernsehgerät, verursacht erhebliche Treibhausgasemissionen. Die Emissionen entstehen insbesondere durch Prozesschemikalien zur Rohstoffgewinnung und Verarbeitung sowie durch den Energieaufwand zur Halbleiterfertigung. Die Herstellung eines großen Flachbildfernsehers ist mit CO₂-Emissionen von 1.000 Kilogramm verbunden [1]. Für einen Laptop werden in der Herstellung 250 Kilogramm CO₂ ausgestoßen [2]. Ein Smartphone oder ein digitaler Sprachassistent (Alexa und Co.) schlagen bei der Produktion schätzungsweise mit jeweils rund 100 Kilogramm zu Buche. Bezieht man diesen Herstellungsaufwand auf die jeweils typische Nutzungsdauer, so ergeben sich jährliche CO₂-Emissionen wie folgt:

Treibhausgasemissionen bei der Herstellung, bezogen auf 1 Jahr Nutzungsdauer

• Fernseher: 200 kg CO₂e pro Jahr

• Laptop: 63 kg CO₂e pro Jahr

• Smartphone: 50 kg CO₂e pro Jahr

• Sprachassistent: 33 kg CO₂e pro Jahr

• Summe Herstellung: 346 kg CO₂e pro Jahr

2. Nutzung digitaler Endgeräte

Alle digitalen Geräte verursachen zusätzlich in der Nutzungsphase, also bei uns zuhause oder im Büro, CO₂-Emissionen, indem sie elektrische Energie verbrauchen. Dieser Energieverbrauch ist stark vom jeweiligen Nutzerinnen- und Nutzer-Verhalten abhängig. Die Annahmen, die ich hier getroffen habe, sind daher Abschätzungen für eine typische Nutzung. Das Fernsehgerät hat im eingeschalteten Zustand eine Leistung von 200 Watt und wird entsprechend des durchschnittlichen Fernsehkonsums eines Menschen in Deutschland vier Stunden pro Tag genutzt. Der Laptop wird bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 32 Watt ebenfalls vier Stunden pro Tag genutzt. Das Smartphone hängt vier Stunden täglich am Ladegerät und nimmt während dieser Zeit fünf Watt auf. Die Treibhausgasemissionen, die durch den Energieverbrauch bei der Nutzung entstehen [3], stellen sich daher wie folgt dar:

Treibhausgasemissionen in der Nutzungsphase

• Fernseher: 156 kg CO₂e pro Jahr

• Laptop: 25 kg CO₂e pro Jahr

• Smartphone: 4 kg CO₂e pro Jahr

• Sprachassistent: 4 kg CO₂e pro Jahr

• Summe Nutzung: 189 kg CO₂e pro Jahr

3. Datenübertragung

Die Besonderheit digitaler Endgeräte besteht darin, dass sie ständig Daten über das Internet übertragen. Anders also als ein Toaster oder eine Glühlampe erzeugt die digitale Technik während der Nutzung zusätzlich einen ökologischen Fußabdruck, der nicht bei uns zuhause auftritt, sondern im Internet. Die Kosten für diesen Energieverbrauch tauchen nicht unserer Stromrechnung auf. Sie werden durch die Grundgebühren für den Internetanbieter oder Streaming-Dienstleister bezahlt, zusätzlich aber auch durch den Verkauf von Daten und Werbung. Der Zusammenhang zwischen der Höhe des Energieverbrauchs in Datennetzwerken und der übertragenen Datenmenge ist sehr komplex. Auch deshalb, weil die Datenmenge permanent schwankt und die Netze auf die jeweiligen Stoßzeiten mit maximaler Datenmenge ausgelegt sein müssen. Dennoch kann man den Zusammenhang wie folgt abschätzen [4]:

Energieverbrauch = Dauer der Übertragung * Zeitfaktor + Übertragene Datenmenge * Mengenfaktor

Aus dieser Abschätzung ergeben sich unter der Annahme unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeiten und Datenmengen Treibhausgasemissionen im Datennetzwerk für folgende Aktivitäten:

Treibhausgasemissionen in Datennetzwerken

• 4 Stunden Videostreaming pro Tag: 62 kg CO₂e pro Jahr

• 10 Fotos für soziale Netzwerke pro Tag: 1 kg CO₂e pro Jahr

• 2 Stunden Sprachassistent pro Tag: 2 kg CO₂e pro Jahr

• 1 Gigabyte Backup pro Tag: 11 kg CO₂e pro Jahr

• Summe Datennetzwerk: 76 kg CO₂e pro Jahr

4. Rechenzentren

Die Voraussetzung für unseren digitalen Lebensstil ist neben den Endgeräten und einem gut ausgebauten Datennetzwerk zusätzlich noch eine Rechenzentrums-Infrastruktur. Rechenzentren kann man sich als Hallen vorstellen, gefüllt mit Hochleistungscomputern, sogenannten Servern, sowie Datenspeichern, Netzwerktechnik und Klimatisierungstechnik. In Deutschland wächst die von Rechenzentren beanspruchte Fläche jährlich und hat im Jahr 2017 2,2 Millionen Quadratmeter erreicht [5]. Der elektrische Energieverbrauch in deutschen Rechenzentren betrug im Jahr 2017 rund 13 Milliarden Kilowattstunden. Bezieht man diesen Energieverbrauch auf die 33 Millionen Internet-Nutzerinnen und -nutzer, die die Bundesnetzagentur für das Jahr 2017 nennt [6], so entfallen auf jeden Internet-Anschluss knapp 400 Kilowattstunden elektrische Energie beziehungsweise 213 Kilogramm CO₂-Emissionen pro Jahr.

Bleibt als große Unbekannte nur noch der Energieverbrauch und die damit verbundenen CO₂-Emissionen einer Google Anfrage. Die Rechenzentren von Alphabet, der Firma hinter Google, stehen über die ganze Welt verteilt, nicht aber in Deutschland. Es ist daher zulässig, deren Emissionen zu den Emissionen deutscher Rechenzentren hinzuzuzählen. Schätzungen gehen davon aus, dass eine einzelne Google-Anfrage mit CO₂-Emissionen von einem bis zehn Gramm CO₂-Äquivalenten verbunden ist. Google selbst beziffert in seinem Umweltbericht 2017 seinen CO₂-Fußabdruck für das Jahr 2016 mit 2,9 Millionen Tonnen CO₂e und seinen elektrischen Energieverbrauch mit 6,2 Terawattstunden (TWh) [7]. Bezieht man den CO₂-Fußabdruck von Google auf eine weitere unsichere Größe, die Anzahl der Suchanfragen pro Jahr [8] in Höhe von zwei Billionen (10¹²), so erhält man eine Zahl von 1,45 Gramm pro Suchanfrage. Kurzer Plausibilitätscheck: dies sind jährlich 260 Suchanfragen pro Bewohnerin und Bewohner der Erde. Zurück zu unserer CO₂-Bilanz: Nutzen wir die Suchmaschine mit 50 Suchanfragen pro Tag, so verursacht dies CO₂-Emissionen in Höhe von 26 Kilogramm pro Jahr.

Treibhausgasemissionen in Rechenzentren

• Deutsche Rechenzentren pro Internet-Nutzer: 213 kg CO₂e pro Jahr

• 50 Google-Anfragen pro Tag: 26 kg CO₂e pro Jahr

• Summe Rechenzentren: 239 kg CO₂e pro Jahr

5. Ökologischer Fußabdruck aller digitalen Aktivitäten zusammen

Zieht man nun Bilanz aus den geschätzten CO₂-Emissionen unserer digitalen Aktivitäten, so wird schnell klar, warum die Anzahl der Google-Anfragen nur ein kleiner Teil des Problems ist:

Treibhausgasemissionen durch digitale Aktivitäten

• Herstellung Endgeräte 346 kg CO₂e pro Jahr

• Nutzung Endgeräte 189 kg CO₂e pro Jahr

• Datennetzwerke 76 kg CO₂e pro Jahr

• Rechenzentren 239 kg CO₂e pro Jahr

• Summe total 850 kg CO₂e pro Jahr

Die Herstellung und Nutzung von Endgeräten, die Übertragung von Daten über das Internet sowie die Nutzung von Rechenzentren verursachen pro Jahr einen CO₂-Fußabdruck pro Person von insgesamt 850 Kilogramm. Dies ist bereits knapp die Hälfte des uns pro Person zur Verfügung stehenden CO₂-Budgets, wenn der Klimawandel in noch erträglichen Grenzen gehalten werden soll. Nimmt man noch weitere Treibhausgasemissionen hinzu, die durch die Nutzung von weltweit verteilten Webseiten, Musik- und Videostreaming-Diensten, sozialen Netzwerken, vernetzten Haushaltsgeräten, Videoüberwachung, Big-Data-Analysen und so weiter entstehen, so summiert sich der individuelle CO₂-Fußabdruck durch Informationstechnik leicht auf 1 Tonne pro Jahr oder mehr. Unser digitaler Lebensstil ist in der vorliegenden Form nicht zukunftsfähig. Selbst wenn die vorgerechneten Zahlen nur eine grobe Schätzung darstellen, so zeigen sie jedoch allein auf Grund ihrer Größenordnung, dass sowohl bei den Endgeräten als auch in den Datennetzwerken und den Rechenzentren noch erhebliche Anstrengungen unternommen werden müssen, Treibhausgasemissionen zu senken. Nur so kann die Digitalisierung nachhaltig gestaltet werden.

Jens Gröger ist Senior Researcher im Institutsbereich Produkte & Stoffströme und Experte für nachhaltigen Konsum und Produkte. Sein Arbeitsschwerpunkt liegt in den Bereichen Informations- und Kommunikationstechnik, Umweltfreundliche Beschaffung sowie Umweltzeichen.

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Quellen

[1] Fraunhofer IZM, PE Europe (2007): EuP Preparatory Studies “Televisions” (Lot 5), Final Report on Task 5 “Definition of Base Cases”.

[2] Öko-Institut (2016): Ökologische und ökonomische Aspekte beim Vergleich von Arbeitsplatzcomputern.

[3] Umweltbundesamt (2019): Energiebedingte Treibhausgas-Emissionen.

[4] Daniel Schien, Vlad C. Coroama, Lorenz M. Hilty and Chris Preist (2014): The Energy Intensity of the Internet: Edge and Core Networks.

[5] Borderstep (2017): Rechenzentren in Deutschland: Eine Studie zur Darstellung der wirtschaftlichen Bedeutung und der Wettbewerbssituation. Update 2017. Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (BITKOM) (Hrsg.).

[6] Bundesnetzagentur (2019): Jahresbericht 2018.

[7] Google (2017): Environmental Report 2017 – progress update.

[8] Online Marketing (2017): Google verwaltet mindestens 2 Billionen Suchanfragen pro Jahr.