Angesichts der Zuspitzung der Klimakrise ist jede Branche gefordert, ihren Einfluss auf den Planeten zu prüfen und Wege zu finden, ihren ökologischen Fußabdruck zu verkleinern. Die digitale Welt und ihr wertvollstes Gut, Daten, bilden hier keine Ausnahme.
Digitale Technologien gelten zwar oft als zentrale Hebel, um die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen und die Sustainable Development Goals umzusetzen, doch eine wachsende Zahl von Studien warnt vor den erheblichen Klima- und Umweltauswirkungen unserer digitalen Aktivitäten.
Von CO₂-intensivem Bergbau und energieaufwendiger Produktion über den steigenden Strombedarf von Rechenzentren bis hin zu Produktobsoleszenz, die zu Tonnen von Elektroschrott führt: Eine umfassende Umweltbilanz digitaler Technologien ist entscheidend, um ihren Beitrag zum Klimawandel und zum Verlust der Biodiversität zu verstehen.
Dieser Artikel stellt die wichtigsten Quellen vor, die zu den Umweltauswirkungen digitaler Technologien beitragen. Die Analyse umfasst alle Stationen im Lebenszyklus digitaler Geräte – von Herstellung und Vertrieb über Nutzung bis zur Entsorgung – sowie die Infrastruktur für Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Daten, etwa Telekommunikationskabel und Rechenzentren. Auf Basis aktueller Studien dient der Artikel als kompakte Einführung, die das Bewusstsein für den ökologischen Fußabdruck digitaler Technologien und von Daten schärft.
Der ökologische Fußabdruck digitaler Technologien: Auf der Suche nach einem ganzheitlichen Ansatz
Der erste Schritt zu einer grünen, nachhaltigen Digitalwelt ist die Ermittlung ihres ökologischen Fußabdrucks. Obwohl die Forschung dazu zuletzt an Fahrt gewonnen hat, bleibt die Bilanzierung der digitalen Welt äußerst komplex.
Die Verfügbarkeit von Daten ist eine der größten Hürden für belastbare Studien. Es ist allgemein anerkannt, wie schwierig es ist, neue Technologien zu regulieren. Entscheidungsträger ringen häufig um die Balance zwischen Innovationsförderung und Schutz der Gesellschaft vor unvorhergesehenen Risiken. Diese Spannung erklärt, warum der Digitalsektor weitgehend unreguliert ist.
Besonders deutlich zeigt sich dieser Mangel an Regulierung bei der Frage der Umweltauswirkungen digitaler Technologien. Ohne einen auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Rechtsrahmen entfällt für Unternehmen oft die Pflicht, Umweltstandards einzuhalten oder Daten zu den ökologischen Auswirkungen ihrer Tätigkeiten offenzulegen.
Trotz jüngster Fortschritte bei der Verbesserung der Unternehmenstransparenz bestehen weiterhin erhebliche Datenlücken und blinde Flecken bei evidenzbasierten Aussagen zu umweltrelevanten Auswirkungen der Digitalisierung.
Der Mangel an Daten führt zu methodischen Einschränkungen, die letztlich beeinflussen, wie die Wissenschaft die Umweltwirkung digitaler Technologien adressiert. Es existieren zahlreiche Ansätze, um diese Auswirkungen zu quantifizieren und zu bewerten. Insbesondere unterscheiden sich Studien häufig in folgenden Punkten:
- Welche Hardware über Endgeräte hinaus betrachtet wird. Gemeint ist die für das Internet notwendige Infrastruktur wie Datennetze, Rechenzentren und Sensortechnik.
- Welche Umweltwirkungen in den „ökologischen Fußabdruck“ einfließen. Viele Studien fokussieren Energiebedarf oder Treibhausgasemissionen (also den CO₂-Fußabdruck). Wichtig ist aber auch, nicht-energetische Effekte wie Wasserverbrauch, Flächeninanspruchnahme und Biodiversitätsverlust zu berücksichtigen.
- Welche Phasen des Gerätelebenszyklus analysiert werden. Also Herstellung, Distribution, Nutzung und End-of-Life.
Angesichts des aktuellen Stands der Branche ist eine umfassende Bewertung des ökologischen Fußabdrucks digitaler Technologien schwierig. Trotz des gestiegenen Interesses und neuer Methoden fehlt weiterhin ein wirklich ganzheitlicher Bewertungsansatz.
Die Umweltauswirkungen von Datentechnologien erklärt
In diesem Abschnitt stellen wir die Bausteine vor, die zur Umweltwirkung von Daten beitragen. Wir betrachten den Fußabdruck digitaler Endgeräte entlang der Lebenszyklusphasen und die notwendige Infrastruktur, damit diese Geräte verlässlich funktionieren.
1. Herstellung
Digitale Endgeräte wie Desktops, Laptops, Tablets und Smartphones sind die Eintrittspforte ins Internet. Die zunehmende Digitalisierung geht einher mit mehr Geräten. Schätzungen zufolge wird es bis 2023 rund 29,3 Milliarden vernetzte Geräte geben, gegenüber 18,4 Milliarden im Jahr 2018 – das entspricht 3,6 Geräten pro Kopf. Mit dem Internet of Things (IoT) rechnet IDC zudem bis 2025 mit 55,7 Milliarden vernetzten IoT-Geräten.
Quelle: Global Digital Overview Juli 2022, DataReportal
Immer mehr Untersuchungen thematisieren den ökologischen Fußabdruck der massenhaften Produktion digitaler Geräte. Studien zeigen, dass diese Phase den CO₂-Fußabdruck, den Wasserverbrauch und die Ressourcenerschöpfung über den gesamten Produktlebenszyklus dominiert.
Besonders zwei Bereiche verdienen Aufmerksamkeit: Bergbau und Fertigung.
Bergbau
Digitale Geräte – ebenso wie grüne Technologien wie Solarpaneele, Windräder und Elektrofahrzeuge – sind auf zahlreiche kritische Materialien angewiesen, darunter Mineralien, Metalle und insbesondere seltene Erden. So enthalten die meisten Smartphones grob 80 % der stabilen Elemente des Periodensystems, darunter die meisten der 17 Seltenerd-Elemente.
Quelle: Visual Capitalist
Die Gewinnung kritischer Rohstoffe erfordert enorme Energiemengen. Nach der Förderung müssen Erze häufig raffiniert werden, um das gewünschte Element zu reinigen und vom Gestein zu trennen. Bei seltenen Erden ist die Aufbereitung besonders aufwendig und ressourcenintensiv. Um kleinste Mengen zu gewinnen, müssen viele Tonnen Gestein bewegt werden. Mehrstufige chemische Verfahren führen dabei oft zu Boden- und Gewässerverschmutzung.
Die digitale und die grüne Transformation werden zwangsläufig eine massive Ausweitung der Rohstoffförderung erfordern. Das dürfte gravierende Umweltfolgen nach sich ziehen, denn Abbau und Raffinierung von Rohstoffen sind bereits heute zentrale Treiber für Ökosystemkollaps, Wasserstress, Biodiversitätsverlust und CO₂-Emissionen.
Produktion
Nach Förderung und Aufbereitung werden kritische Mineralien zu Fertigungsstätten transportiert, wo die Hardware entsteht.
Die Herstellung digitaler Geräte ist sehr energieintensiv – deutlich stärker als die Nutzungsphase. Besonders die Produktion von Halbleitern (Mikrochips, integrierte Schaltkreise) verschlingt große Ressourcen.
Trotz kontinuierlicher Effizienzgewinne in der Produktion reichen Energie- und Materialeinsparungen nicht aus, um die negativen Umwelteffekte zu kompensieren – zu hoch sind Produktions- und Konsumraten. Beschleunigte Innovationszyklen, zielgerichtete Werbung und geplante Obsoleszenz treiben die Produktion zusätzlich an und erhöhen so den ökologischen Fußabdruck.
Die Herstellung beeinflusst auch den Wasserfußabdruck erheblich. Komplexe Geräte wie Laptops und Smartphones bestehen aus vielen Komponenten mit zahlreichen Fertigungsschritten – und jeder Schritt benötigt Wasser.
Zudem fällt Abwasser an, das in umliegende Gewässer eingeleitet wird. Um Grenzwerte einzuhalten, muss es vorab mit sauberem Wasser verdünnt werden. Insgesamt wird der Wasserbedarf für ein einziges Smartphone – inklusive Bergbau – auf 3.190 Gallonen (12.760 Liter) geschätzt.
2. Distribution
Im Gegensatz zu deinem Lieblingsrestaurant ist die Chance, dass dein Smartphone „lokal produziert“ wurde, verschwindend gering. Vom Erzabbau in der Demokratischen Republik Kongo und Chile über Fertigung in Taiwan und China bis zu Distributionszentren in den USA und Läden in westlichen Ländern beruht die Herstellung und Verteilung digitaler Geräte auf einer hochgradig globalisierten und fragmentierten Lieferkette.
Die Komplexität der Lieferkette bedeutet: Endprodukte müssen verpackt werden und weite Wege zurücklegen, bevor sie bei Konsumentinnen und Konsumenten ankommen. Ob Schiff, Flugzeug, Bahn oder Lkw – der Transport verursacht Emissionen, vor allem in Form von CO₂ aus der Verbrennung fossiler Energieträger.
Ein weiterer Punkt ist die Umweltauswirkung des E-Commerce. Die Covid-19-Pandemie hat den Onlinehandel gefestigt – mit Folgen für Lieferketten. Es braucht mehr Forschung, um zu klären, ob Onlineversand, auch bei digitalen Produkten, zu zusätzlichen Transporte missionen führt.
3. Nutzung
Kurz gesagt: In der digitalen Welt geht es um das Verarbeiten, Übertragen und Speichern von Daten. Mit der Zahl der Internetnutzenden steigt die Zahl der Endgeräte, Onlinedienste und Apps. Dieser Trend treibt den Energiebedarf des Internets nach oben – trotz Effizienzgewinnen und dem schrittweisen Ausstieg aus fossiler Energie.
Neben der Energie, die nötig ist, um unsere Geräte zu laden und zu betreiben, sind drei weitere Aspekte für die Umweltbilanz unserer Online-Aktivitäten zentral: Rechenzentren, großskaliges Machine Learning und Netzinfrastruktur.
Rechenzentren
Die Digitalisierung führt nicht nur zu mehr Endgeräten, sondern auch zu rasant wachsendem weltweitem Datenverkehr. Das gesamte Datenvolumen dürfte bis 2025 auf 175 Zettabyte anwachsen, wobei Cloud-Computing-Anwendungen den Großteil des Wachstums treiben.
Quelle: IDC Datasphere Whitepaper
Auch wenn „Cloud“ immateriell klingt, steckt sie in physischer Hardware. Daten werden in spezialisierten, gemeinsam genutzten Rechenzentren weltweit gespeichert und verarbeitet und sind über Weboberflächen zugänglich.
Da immer mehr Dienste und Anwendungen auf Cloud-Anbieter setzen, werden Rechenzentren zum Rückgrat der digitalen Welt. Das weckt Sorgen über den rapide steigenden Energieverbrauch.
Mehrere Studien zeigen: Trotz Effizienzgewinnen in Design und Betrieb wird der Energiebedarf der Rechenzentren mit der Nachfrage nach datenintensiven Cloud-Diensten zunehmen – etwa durch Videostreaming, Cloud-Gaming, soziale Netzwerke, autonome Fahrzeuge, Kryptowährungen, IoT-Geräte, virtuelle Welten und KI-Systeme (siehe nächster Abschnitt).
Neben dem CO₂-Fußabdruck sorgt auch der Wasserbedarf von Kühlsystemen in Rechenzentren für wachsende Bedenken.
Großskaliges Machine Learning
Die Veröffentlichung von ChatGPT Ende 2022 durch OpenAI hat weitreichende Folgen für nahezu jede Branche. ChatGPT ist ein hochentwickeltes KI-System, das in dialogischer Form sehr präzise Antworten generiert.
ChatGPT gehört zur Familie der Large Language Models (LLM), die mit riesigen Textmengen, Natural Language Processing und Deep Learning vielfältige sprachbasierte Aufgaben mit hoher Genauigkeit ausführen – von Textgenerierung über maschinelle Übersetzung bis zu Question Answering.
Seit dem Start wird intensiv diskutiert, wie LLMs unsere Gesellschaft verändern. Wenn LLMs die nächste KI-Revolution prägen, müssen wir ihren Betriebsstrombedarf und die Umweltkosten bewerten. Erste Arbeiten gehen dieser Frage nach.
Beim CO₂-Fußabdruck von LLMs ist zwischen dem Training des Modells und der Inferenz (dem Ausführen von Anfragen) zu unterscheiden.
Für das Training gilt: Rechen- und Umweltkosten steigen mit der Modellgröße und nehmen weiter zu, wenn zusätzliche Tuning-Schritte zur Genauigkeitssteigerung hinzukommen.
2019 wurde beispielsweise geschätzt, dass das Training eines LLM mit 213 Millionen Parametern über 626.000 Pfund CO₂-Äquivalente verursachen kann – fast das Fünffache der lebenszyklusweiten Emissionen eines durchschnittlichen US-Pkw inklusive Herstellung.
Der CO₂-Fußabdruck von ChatGPT – basierend auf GPT-3 mit 175 Milliarden Parametern – dürfte entsprechend deutlich höher liegen.
Da Modelle oft wiederholt neu trainiert werden, um Ergebnisse zu verbessern und Daten zu aktualisieren, kann der Fußabdruck extrem hoch sein – trotz fortlaufender Effizienzgewinne.
Grafik: MIT Technology Review. Quelle: Strubell et al.
Das sind nur die Trainingskosten. Auch für die Inferenz – also das Generieren von Antworten auf Nutzereingaben – wird Energie benötigt. Der Gesamtenergiebedarf und die Emissionen hängen von der Zahl der Anfragen und der Skalierungsstrategie ab. Bei ChatGPT können es Millionen pro Tag sein, was sich in häufigen Ausfällen niederschlägt. Eine erste Abschätzung liefert dieser Artikel.
Die Gesamtemissionen dieser KI-Systeme hängen nicht nur vom Stromverbrauch ab, sondern auch von der Stromerzeugung. Der Betrieb mit Solar- oder Windenergie senkt Emissionen. Allerdings ist auch die Herstellung und der Rollout grüner Technologien mit Umweltkosten verbunden.
Unterm Strich sollten Umweltaspekte in die Entwicklung von großskaligen Machine-Learning-Modellen und allgemein in jede Form von KI einfließen.
Netzinfrastruktur
Netzinfrastruktur umfasst Hardware und Software, die die Verbindung zwischen Endgeräten und Rechenzentren ermöglichen. Obwohl sie als Adern der digitalen Welt den Datentransport sicherstellen, wird dieses breite Spektrum – von Unterseekabeln und Antennen bis zu Modems und Routern – bei Umweltanalysen digitaler Technologien oft ausgeblendet.
Wie das Internet Ozeane überquert. Quelle: New York Times
Angesichts der Schlüsselrolle der Netzinfrastruktur beim Rollout von 5G und dem IoT sollte diese Wissenslücke geschlossen werden.
4. End-of-Life
Ein Dauerproblem in der Umweltbilanz digitaler Geräte ist E‑Waste. Damit sind elektronische Produkte gemeint, die unerwünscht, defekt oder am Ende ihrer Nutzungsdauer sind.
Aktuelle Marktmechanismen – hohe Produktions- und Konsumraten, kurze Lebenszyklen durch Obsoleszenz und geringe Reparierbarkeit – befeuern das Entstehen von Elektroschrott.
2019 fielen weltweit 53,6 Millionen Tonnen E‑Waste an, von denen nur 17,4 % offiziell erfasst und ordnungsgemäß recycelt wurden.
Weltweite E‑Waste-Entstehung 2010–2019. Quelle: Statista
E‑Waste enthält wertvolle Materialien und gefährliche Stoffe. Viele Altgeräte landen im Restmüll, werden verbrannt oder illegal in Länder des Globalen Südens exportiert, vor allem nach Afrika und Asien. Die Folgen sind teils massive Wasser- und Luftverschmutzung, Bodenbelastung und Gesundheitsrisiken für Arbeitende und Anwohnende.
Data Science grüner denken
Data Science entwickelt sich zu einem starken Hebel gegen die Klimakrise. Datengetriebene Anwendungen nehmen rasant zu – von der Überwachung von Emissionen und der Identifikation klimaanfälliger Regionen über nachhaltigere Lieferketten bis zu Präzisionslandwirtschaft zur Reduktion von Wasserverbrauch und Bodenerosion.
Bei aller Zuversicht sind zusätzliche Anstrengungen nötig, um die Umweltwirkung der Branche zu senken. Mehr „Data Science for Green“ allein reicht nicht; es braucht auch mehr „Green Data Science“.
Erfreulicherweise engagieren sich immer mehr Datenprofis dafür. So forderten 2019 über 1.000 Google-Mitarbeitende das Unternehmen öffentlich auf, seinen Beitrag zum Klimawandel zu reduzieren.
Hier eine unvollständige Liste von Maßnahmen, mit denen Datenprofis die Branche grüner machen können:
- Eine Strategie für „Green Data“ aufsetzen. Sensibilisiere Mitarbeitende für die Auswirkungen alltäglicher Digitalpraktiken und etabliere verantwortungsvolle Nutzungsrichtlinien. Ein gutes Beispiel ist der (französischsprachige) Leitfaden für verantwortungsvolle digitale Best Practices der französischen Regierung und des Institut du Numérique Responsable.
- Dark Data löschen. In vielen Unternehmen ist mehr als die Hälfte der Daten „Dark Data“ – gesammelt, aber unbekannt und ungenutzt. Löschprotokolle helfen, unnötige Speicherung und damit verbundene Emissionen zu vermeiden. Inspiration bietet der Digital Cleanup Day mit einfachen Leitlinien für Organisationen und Einzelpersonen.
- Nachhaltige Cloud-Anbieter wählen. Bevorzuge Cloud-Services aus Rechenzentren in Regionen mit kohlenstoffarmer Stromversorgung.
- Green AI unterstützen. Forschende des Allen Institute for AI propagieren mit Green AI, Effizienz neben Genauigkeit als Bewertungsmaß beim Trainieren von ML-Modellen zu berücksichtigen.
- Reparieren statt ersetzen. Da Herstellung und Distribution viele Emissionen verursachen, spart eine längere Gerätelebensdauer durch bessere Reparierbarkeit große Emissionsmengen und Umweltschäden ein.
Der Ansatz von DataCamp
DataCamp unterstützt Basisinitiativen und globale Umweltprojekte mit kostenfreiem oder stark vergünstigtem Zugang zu unserer Lernplattform. Über DataCamp Donates arbeiten wir mit Organisationen zusammen, die sich dem Klimaschutz verschrieben haben, und qualifizieren ihre Teams weiter. So können wir unterschiedlichste Organisationen und Fachleute befähigen, positiv auf die Umwelt einzuwirken.
Besonders erfolgreich sind die Partnerschaften mit NGOs wie CDP und Omdena. Über DataCamp Donates erhielten beide Zugang zu kostenfreien Data-Skills, die ihren Organisationen echten Mehrwert liefern.
CDP ist ein gemeinnütziger Anbieter von Klimadaten, der Unternehmen und Regierungen motiviert, ihre Umweltauswirkungen offenzulegen und zu steuern. Mit Unterstützung von DataCamp kann CDP Teammitglieder schnell weiterbilden und so weiterhin marktführende Umwelt-Datenprodukte und -services für viele Organisationen liefern.
Ähnlich revolutioniert Omdena die Zusammenarbeit in datengetriebenen, sozial orientierten Forschungsprojekten. Mit einer globalen Community angehender Datenprofis machen Omdena und DataCamp Lernende fit für den Produktionseinsatz, vermitteln kostenlos die nötigen Kompetenzen für die Arbeit an zentralen Problemen unserer Zeit und ermöglichen belastbare Referenzen für den Lebenslauf – alles ohne Kosten für die Teilnehmenden.
Wir sind stolz, über neun weitere Umwelt-Forschungsorganisationen als DataCamp-Donates-Partner zu zählen, darunter:
- Global Biodiversity Information Facility (GBIF)
- Green City Force
- SOIL Haiti
- Thames Estuary Partnership
- Zimbabwe Flying Labs
- WeAct for Environmental Justice
- The Rivers Trust
- Pacific Rim Conservation
- Council on Energy, Environment and Water (CEEW)
Sie erhalten kleine Zuschüsse oder Stipendien, um Berufseinsteigerinnen und -einsteiger sowie Freiwillige in ihren Organisationen datenkompetent zu machen. So können sie die wichtige Arbeit weiter ausbauen, die ihre Organisationen bereits leisten: die negativen Auswirkungen des Klimawandels in Gemeinden weltweit zu erforschen – dort, wo DataCamp-Lernende und Mitarbeitende leben – und nachhaltige Lösungen zu entwickeln.
Bei DataCamp ist es uns wichtig, die Umweltauswirkungen von Daten und Technologie zu kennen und bewusst zu handeln. Wir arbeiten aktiv mit Organisationen zusammen, die sich für Umweltbelange einsetzen. Gemeinnützige Organisationen können sich für DataCamp Donates bewerben oder eine Demo mit unserem Sales-Team vereinbaren, um zu entdecken, wie DataCamp ihre umweltbewussten Ziele unterstützen kann.
Fazit
Nach aktuellem Stand ist es schwer anzunehmen, dass Digitalisierung per se ökologische Vorteile bringt. Tatsächlich könnte das Gegenteil der Fall sein. Wie der Bericht „Digital Reset“ betont, verschärft der Digitalisierungsprozess Umwelt- und Sozialkrisen, statt sie zu lösen.
Digitalisierung verändert rasant unser Zusammenleben und gilt Regierungen weltweit als Schlüssel für Wirtschaftswachstum – und sogar für den Wandel hin zu mehr Nachhaltigkeit.
Doch die regulatorischen Schritte zugunsten dieser expansiven Agenda blenden aus, welchen Beitrag die Digitalökonomie zu den Umweltproblemen leistet, mit denen wir konfrontiert sind. Die digitale Transformation muss so gesteuert werden, dass ihre negativen Umweltauswirkungen gemindert werden.
