Green Cloud Computing

Die Verlagerung von Diensten in die Cloud macht das IT-Leben bekanntlich leichter, denn mobiles Arbeiten spart Wege. Aber die Rechenzentren brauchen auch Energie. Server und Speicher müssen produziert und nach einigen Nutzungsjahren wieder entsorgt werden. Ist der Remote-Betrieb im Endeffekt nicht viel ressourcenintensiver als die traditionelle Arbeit vor Ort? Um nachzurechnen, hat das Bundesumweltamt die Green-Cloud-Computing-Methodik (GCC-Methodik) entwickelt.

Das steckt hinter der Green-Cloud-Computing-Methodik

Die GCC-Methodik berechnet Aufwandskennzahlen für Cloud-Dienstleistungen. Dabei wird der Umweltaufwand zur Herstellung von Informationstechnik und zum Betrieb von Rechenzentren in vier Wirkungskategorien erfasst:

• Rohstoffaufwand (Abiotic Depletion Potential, ADP): Inanspruchnahme von Mineralien und fossilen Rohstoffen in Kilogramm Antimon-Äquivalente pro Jahr [kg Sb.eq./a]
• Treibhausgasemissionen (Global Warming Potential, GWP): Wirkung auf die Erderwärmung in Kilogramm Kohlendioxid-Äquivalente pro Jahr [kg CO2.eq./a]
• Kumulierter Energieaufwand (Cumulative Energy Demand, CED): Verbrauch an energetischen Ressourcen in Megajoule pro Jahr [MJ/a]
• Wasserverbrauch (Water Usage): Direkt verbrauchtes Wasser in Kubikmeter pro Jahr [m³/a]

Der Umweltaufwand wird dem jeweiligen Nutzen gegenübergestellt. Einheiten für den Nutzen sind zum Beispiel Arbeitsplätze pro Jahr für eine VDI-Umgebung, Stunden pro Jahr für ein Videokonferenzsystem oder Terabyte pro Jahr für eine Speicherlösung. Üblicherweise laufen in einem Rechenzentrum mehrere Services. Die Kennzahlen werden auf bestimmte Cloud-Dienste – etwa Videokonferenzen oder virtuelle Desktops – heruntergebrochen, indem jeder Dienst einen prozentualen Anteil an den Umweltwirkungen erhält.

Die Aufwandskennzahlen geben an, wie effizient und damit umweltschonend die Dienstleistung erbracht wird. Hier gilt immer „GCC = Aufwand/Nutzen“. Das Bundesumweltamt berechnet vier Kennzahlen pro Cloud-Service:

• GCC ADP: Rohstoffverbrauch in Kilogramm pro Serviceeinheit
• GCC GWP: CO2-Fußabdruck in Kilogramm CO2 pro Serviceeinheit
• GCC CED: Energieverbrauch in Megajoule pro Serviceeinheit
• GCC Water: Wasserverbrauch in Kubikmeter pro Serviceeinheit

Bisher wurden die neu entwickelten Aufwandskennzahlen nur für wenige exemplarische Fälle berechnet. Das heißt, zum jetzigen Zeitpunkt lassen sie sich nicht verallgemeinern. Dennoch sind sie bereits geeignet, um ähnliche Cloud-Dienstleistungen miteinander zu vergleichen. Um die Zahlen greifbar zu machen, können sie mit anderen CO2-Fußabdrücken wie etwa „ein Kilometer pro Autofahrt“ verglichen werden.

Videokonferenz als Rechenbeispiel

Wie viele Anreisekilometer müssen eingespart werden, damit eine Videokonferenz „grüner“ ist als ein Treffen? Für eine genaue Aussage müssten die GCC-Kennzahlen für den konkreten Dienstanbieter ermittelt werden. Das Bundesumweltamt ermittelte exemplarisch die Kennzahl GCC GWP (CO2-Fußabdruck) eines Jitsi-Anbieters und kam zu einem überraschenden Ergebnis.

Die Emissionen im Rechenzentrum sowie bei den Teilnehmenden im Homeoffice müssen getrennt betrachtet werden. Die Auslastung der Server wurde aus Logfiles der Jitsi Videobridge im Rechenzentrum ermittelt. Leider musste von da an geschätzt werden, denn der Jitsi-Betreiber mietet seine Server bei einem Hosting-Anbieter, der keine Daten über den Energieverbrauch preisgab.

Der Nutzen der Dienstleistung sollte in Teilnehmerstunden gemessen werden. Dafür bildet man das Produkt aus Teilnehmerzahl und Zeitdauer, die die jeweils Teilnehmenden in einer Videokonferenz verbringen. Der Betrachtungszeitraum war in diesem Fall eine Woche, daher ergab sich für die Teilnehmerstunden eine Einheit von Teilnehmende*h/wo.

Die Verläufe von (gemessener) CPU-Auslastung und (großzügig geschätzter) Leistungsaufnahme aller Server folgten nahezu synchron der Anzahl an Konferenzteilnehmenden. Insofern besteht ein Zusammenhang zwischen Benutzeranzahl und Energieverbrauch. Aus allen Leistungsaufnahmen von Server, Speicher, Netzwerk und Infrastruktur ergibt sich durch die Integration über die Zeit ein wöchentlicher Energieaufwand für die Cloud-Dienstleistung. Wöchentlicher Aufwand und Nutzen können nun dividiert werden.

So viel zur Nutzungsphase. Für die Berechnung einer GCC-Kennzahl aus Aufwand und Nutzen fehlt noch der Aufwand zur Herstellung des Rechenzentrums, hier wurde natürlich auf die Literatur zurückgegriffen. Letzten Endes ergaben sich Treibhausgasemissionen zur Teilnahme an einer Stunde Videokonferenz von 2,27 Gramm CO2-Äquivalente. Diese Zahl setzt sich zusammen aus 0,34 Gramm (15 %) für die Herstellung der Server und 1,93 Gramm (85 %) für die Nutzungsphase im Rechenzentrum.

Ist das alles? Nein, es fehlen noch die CO2-Fußabdrücke von Übertragungsnetz und Heimvernetzung der Endgeräte.

Die übertragene Datenmenge pro Teilnehmenden für je eine Stunde Videokonferenz wurde mit durchschnittlich 612 Megabyte pro Stunde und Teilnehmenden gemessen. Aus einem Energiemodell für Telekommunikationsnetze ergab sich eine Leistungsaufnahme von 1,92 Watt für eine VDSL-Internetverbindung auf dem Technikstand von 2017. Zusammen mit dem Emissionsfaktor des deutschen Strommixes für das Jahr 2018 in Höhe von 0,468 Kilogramm CO2-Äquivalenten pro Kilowattstunde berechnete das Bundesumweltamt den CO2-Fußabdruck des Übertragungsnetzes für die Teilnehmerstunde im Netzwerk zu 0,55 g CO2 eq./h.

Kompliziert wird es bei den Geräten im Homeoffice, denn sie werden unterschiedlich lange und intensiv genutzt. Um Stundenwerte für den Herstellungsaufwand zu erhalten, muss der einmalige Herstellungsaufwand der jeweiligen Geräte durch die effektive Nutzungsdauer in Stunden pro Gerät geteilt werden.

Im Rechenbeispiel wurden drei fiktive Büros verglichen: vom Laptop am Küchentisch über das Heimbüro mit Desktop-PC bis zur Geschäftsstelle mit großem Videomonitor. Die erste Abbildung zeigt die CO2-Fußabdrücke der Videokonferenz in den drei Szenarien. Die Teilnahme mit einem Laptop ist mit 55 Gramm CO2-Äquivalenten pro Stunde verbunden. Mit Desktop-PC und Monitor sind es schon 90 Gramm.

Wie bitte? Die Kennzahl für das Rechenzentrum lag nur bei 2,27 Gramm pro Stunde und Teilnehmenden. Richtig gerechnet! Die Treibhausgasemissionen für ein übliches Büro mit Bildschirm liegen um einen Faktor von fast 40 höher als die anteiligen Emissionen im Rechenzentrum. Netzwerk- und Cloud-Dienstleister spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die energiesparende Ausstattung im Büro bestimmt, wie umweltfreundlich wir arbeiten.

Wann lohnt sich die Anreise?

Es bleibt die Frage, wann man zum Meeting fahren oder von zu Hause aus teilnehmen sollte. Lässt sich die Reisezeit sinnvoll nutzen, was kostet das Ticket, wie verhält sich die Gesprächszeit zur Fahrzeit oder kollidiert die Heimfahrt mit den Freizeitplänen.

Das Bundesumweltamt verwendet Durchschnittszahlen zur Berechnung der Treibhausgasemissionen im Personenverkehr. Bei durchschnittlicher Belegung der Fahrzeuge dürfen folgende CO2-Äquivalente pro Personenkilometer (Pkm) angenommen werden:

• Pkw: 143 g CO2 eq./Pkm
• Linienbus: 80 g CO2 eq./Pkm
• Schienengebundener Nahverkehr: 55 g CO2 eq./Pkm
• Fernzug: 29 g CO2 eq./Pkm

Setzt man die Treibhausgasemissionen der Videokonferenz mit denen der Verkehrsmittel ins Verhältnis, so erhält man die Distanz, die theoretisch zurückgelegt werden könnte, um sich stattdessen an einem Ort zu treffen. Sind die Emissionen für Hin- und Rückfahrt ins Büro geringer, so ist das physische Treffen klimafreundlicher. Ansonsten können Sie mit gutem Gewissen zu Hause bleiben.

Die zweite Abbildung zeigt die CO2-Emissionen der drei fiktiven Büros umgerechnet in Personenkilometer mit unterschiedlichen Verkehrsmitteln. Wird ein Laptop genutzt, so können pro Stunde Videokonferenz alternativ zwischen 0,26 Personenkilometer mit dem Pkw und ein Personenkilometer mit dem Fernzug zurückgelegt werden.

Bei einer Anreise mit der U-Bahn muss der Begegnungsort bei einer alternativen Teilnahme mit dem Laptop mehr als 0,69 Kilometer entfernt sein, damit die Videokonferenz umweltfreundlicher ist. Bei einer Teilnahme mit dem Desktop-PC muss der Begegnungsort mehr als 1,12 Kilometer entfernt liegen. Entsprechendes gilt für die übrigen Verkehrsmittel, wobei die Variante Fernzug aufgrund der geringen Entfernungen ausscheidet.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Gehen Sie zu Fuß zum Meeting! Ist es dafür zu weit weg, dann ist sie Videokonferenz klimafreundlicher.

Verwendung der Kennzahlen

Die Beispielrechnung stammt aus einer exemplarischen Anwendung der neu entwickelten GCC-Methodik. Sie soll zeigen, dass die Methodik gut geeignet ist, um Umweltwirkungen für einzelne Cloud-Services zu benennen.

Zukünftig kann die GCC-Methodik für eine umweltbezogene Produktdeklaration oder eine Energieverbrauchskennzeichnung für Cloud-Services genutzt werden. Naheliegend ist eine Auszeichnung besonders effizienter Dienste mit einem Umweltzeichen wie dem „Blauen Engel“. Darüber hinaus kann sie als Werkzeug zur Optimierung der einzelnen Teilbereiche eines Rechenzentrums verwendet werden.

Alle Quellen und Hintergründe findet ihr übrigens in der Publikation „Green Cloud Computing – Lebenszyklusbasierte Datenerhebung zu Umweltwirkungen des Cloud Computing“ vom Bundesumweltamt.