Grüne Rechenzentren und Netzwerke

CO2-Fußabdruck von IKT

Als Folge der steigenden Digitalisierung und Vernetzung von Dingen und Prozessen werden nicht nur immer mehr IT-Geräte produziert, sondern auch mehr Daten erzeugt und übertragen. Beim CO2-Fußabdruck von IKT-Geräten spielt daher neben den Produktionskosten auch der Datentransfer eine entscheidende Rolle. Denn sowohl die Speicherung der wachsenden Datenmengen in Rechenzentren als auch die steigende Übertragung der erhöhten Datenvolumen erzeugen Treibhausgase.

Insbesondere Streaming von Filmen oder Musik nimmt dabei einen großen Anteil des Datenverkehrs ein. Hinzu kommen Big Data- oder VR-Anwendungen, die ebenfalls den Datenverkehr erhöhen. Auch werden viele Daten nicht mehr lokal, sondern extern in der Cloud gespeichert und je nach Bedarf übertragen.

Nach dem Smarter2030-Bericht der Global e-Sustainability Initiative teilt sich der CO2-Fußabdruck von IKT fast zur Hälfte auf die Endnutzergeräte und zu mehr als die Hälfte auf die Speicherung und die Übertragung auf (Bild 1). Allerdings können durch stetige Optimierung und Effizienzsteigerung der zugrundeliegenden Techniken die Treibhausgasemissionen drastisch verringert werden.

Emissionsarme Übertragung von Daten

Das Umweltbundesamt hat die Treibhausgasemissionen für eine Stunde Videostreaming mit verschiedenen Mobilfunk- und Kabelübertragungsstandards verglichen (Bild 2). Insbesondere bei der Übertragung konnten Reduzierungen der Treibhausgasemissionen vom früheren UMTS/3G-Standard zum zukünftigen 5G-Standard (von 90g auf 5g CO2 pro Stunde Videostreaming) erreicht werden.

Bei der kabelgebundenen Glasfasertechnik (FTTH) produziert die Übertragung nur noch vergleichsweise wenig CO2 (2g/h).

Speicherung von Daten

Rechenzentren ermöglichen das Speichern von Daten sowie deren Verarbeitung. Insbesondere Cloud Computing, bei dem Rechenressourcen nicht mehr lokal, sondern auf entfernten Servern bereitgestellt werden, erfreut sich enormer Popularität.

Rechenzentren dienen der Verarbeitung und Speicherung von Daten. Hierfür bieten sie zuverlässige Versorgungs- und Sicherheitsinfrastrukturen. Dies sind neben Server, Speicher und Netzwerktechnik auch Klimatisierung, Energieversorgung und Monitoring-Einrichtungen. Um höchsmögliche Verfügbarkeit zu gewährleisten, sind die einzelnen Komponenten redundant angelegt, so dass die Daten jederzeit verfügbar sind. Hatten früher die meisten Firmen eigene Rechenzentren, werden heute immer mehr Co-Locations in Anspruch genommen.

Co-Location bezeichnet die Dienstleistung zur Bereitstellung von Rechenzentrumsflächen für Dritte zum Betrieb von Informationstechnik. Ein Co-Location-Rechenzentrum wird in der Regel von mehreren (gewerblichen) Kunden gemeinsam genutzt.

Cloud-Computing stellt IT-Infrastruktur (Speicher, Software, Rechenleistung) über das Internet bereit, sodass diese nicht auf lokalen Rechnern vorhanden sein müssen. Beim Cloud-Computing werden eigene Hardware-Ressourcen eingespart und insbesondere bei großen Datenmengen kann der Speicher flexibel genutzt werden. Auf Cloud-Services kann jederzeit von überall aus zugegriffen werden. So können Hardware- und Energiekosten eingespart werden.
Ein Nachteil von Cloudservices ist die externe Speicherung, die besonders für personenbezogene, sensible oder nationale Daten kritisch sein kann, wenn die Speicherung nicht den nationalen Datenschutzrichtlinien entspricht. Weiterhin sind die Dienste nur online erreichbar, so dass eine zuverlässige Internetanbindung notwendig ist.

Der Energieverbrauch eines Rechenzentrums wird in erster Linie durch die Server, die Speicherung (Betrieb) sowie die Kühlung/Klimakontrolle geprägt. Die Menge der Daten steigt kontinuierlich, allerdings konnten die Energiebedarfe für Rechenleistung und Speicherung durch technische Verbesserungen deutlich vermindert werden. Auch die vermehrte Nutzung von Cloud-Computing trägt hierzu bei, da hier Speicherkapazitäten geteilt und bedarfsgerecht genutzt werden können. So werden operationelle Kosten und Energieverbrauch reduziert. Für die Kühlung wird Wasser- oder Luftkühlung genutzt, die trotz verbesserter Techniken viel Wasser bzw. Energie benötigen. Jedoch kann die entstehende Abwärme zum Heizen nahgeliegender Gebäude genutzt werden. Aufgrund der hohen Kühlkosten werden Rechenzentren häufig in kühleren Gegenden betrieben, wie das erste Klima-positive Rechenzentrum in Schweden.

Energieeinsparungsmöglichkeiten sind in Rechenzentren u.a. möglich durch:

• Effiziente Algorithmen und Programmierung
• Effiziente Hardwarelösungen (Austausch älterer Geräte, Standardisierung)
• Optimierte Kühl- und Klimalösungen
• Nutzung erneuerbarer Energien
• Nutzung von Abwärme
• Reduzierung des Energiebedarfs durch intelligentes Design und Nutzung von IKT-Systemen (Nutzung wenn Energie verfügbar, langsamere Rechenschritte, unterschiedliche Systeme für unterschiedliche Anwendungen, modularer Aufbau, KI-Steuerung)
• Einsparungen durch Reduzierung der Anzahl der Rechenzentren
• Virtualisierung und Hyperscaling als Energie- und Kosteneinsparung
• Recycling der Hardware

Rechenzentren weltweit

Obwohl die Digitalwirtschaft weltweit stark wächst befanden sich nach UNCTAD  Anfang 2021 80% der insgesamt 4.714 Co-Location Rechenzentren in Industrieländern, überwiegend in Nordamerika und Europa, und nur 153 in Lateinamerika sowie nur 69 in Afrika.

Data Center Map

Die Speicherung von Daten kann grundsätzlich ortsunabhängig erfolgen, da Daten weltweit schnell übertragen werden können. Allerdings bietet eine lokale Datenspeicherung folgende Vorteile:

• Kosteneinsparungen
• niedrigere Latenz, die insbesondere für Echtzeitdatenanwendungen und -monitoring benötigt wird
• Milderung der Netzausfälle und fehlender Redundanz durch Diversifizierung der Rechenzentren
• Sicherheits- und datenschutzrechtliche Gründe, die eine Speicherung von sensiblen Daten im Inland erfordern
• Förderung lokaler Wirtschaft und Infrastrukturen

Aus diesen Gründen werden seit Kurzem verstärkt lokale Rechenzentren auch in Afrika gebaut.

Allerdings können lokale Rechenzentren bei unzuverlässiger Stromversorgung teurer im Unterhalt sein, um eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten. Auch müssen darüber hinaus spezifische Rechenzentren mit ausreichenden Stromnetzen und einer guten Telekommunikationsinfrastruktur verbunden sein. Bedacht werden müssen klimatische Bedingungen, denn eine ausreichende Kühlung der Server muss immer sichergestellt werden. Andererseits könnten Rechenzentren in wärmeren Ländern zu einem Großteil mit Solarenergie betrieben werden.

Seit kurzem investieren internationale Unternehmen wie Microsoft, Amazon, Atos oder Huawei in Rechenzentren auf dem afrikanischem Kontinent, um Cloud oder Big Data-Dienste anzubieten. Teraco Data Environments, Afrikas größter Rechenzentrumsbetreiber, investiert in erster Linie in Rechenzentren in Südafrika. Auch aus Kostengründen werden Rechenzentren möglichst energieeffizient gebaut.

Aber auch Entwicklungsbanken und internationale Organisationen fördern den Aufbau grüner Rechenzentren: So investierte die AfDB in ein IKT-Cluster im Senegal, die AFD (Agence Franç aise de Développement) unterstützt den Bau von Rechenzentren in Ghana und Djibuti, die Weltbank/IFC moderne Rechenzentren in Ägypten, Nigeria, Kenia und Südafrika und die AU fördert in Kooperation mit der Weltbank im Rahmen der Moonshoot-Initiative neben Netzwerkinfrastruktur auch Rechenzentren.

Aktuell beteiligt sich die politische Initiative Datenmärkte an dem „Data Centres & Cloud for Africa Project“ der Smart Africa Alliance. Hier werden zunächst eine panafrikanische Strategie für den Ausbau sowie technische und regulatorische Empfehlungen für die Förderung nachhaltiger Datenzentren erarbeitet.