Ökologischer Fußabdruck 5G und die Umwelt

Die zunehmende Besorgnis angesichts des Klimawandels hat zu einem bewussteren Umgang mit Energie und dem mit ihrer Erzeugung einhergehenden CO2-Ausstoß geführt. Auf internationaler Ebene wurden verschiedene Initiativen ergriffen, zum Beispiel das Pariser Klimaübereinkommen von 2016 und der Europäische Grüne Deal. Mit dem Grünen Deal verfolgt die EU das Ziel, den CO2-Verbrauch bis 2030 auf die Hälfte zu verringern und bis 2050 sogar vollständig klimaneutral zu sein.

Laut EU-Kommission spielen neue digitale Anwendungen, die dank 5G möglich werden, eine wichtige Rolle bei der Umsetzung der Ziele:

• einerseits helfen sie dabei, die richtigen Entscheidungen zu treffen, um dem Klimawandel zu begegnen und die Umwelt zu schützen;
• andererseits sind sie ein wichtiges Mittel zur Stärkung der europäischen Wirtschaft (siehe auch 5G und die Wirtschaft).

Nachhaltigkeit und digitaler Wandel gehen Hand in Hand und verstärken einander. Die Kombination beider wird auch als „Twin Transition“ bezeichnet.

Neue digitale Anwendungen nutzen neue digitale Technologien, zum Beispiel künstliche Intelligenz, Cloud Computing, Big Data, die gegenseitige Vernetzung von Geräten über das Internet (Internet der Dinge) und 5G. Dies hat zwei unterschiedliche Folgen:

• Zum einen ermöglicht die Vernetzung durch 5G die umfassende Überwachung und Steuerung von Prozessen. So können Daten analysiert und zum Beispiel zur Senkung des Energieverbrauchs genutzt werden. Die Möglichkeiten für verschiedene Branchen wie Landwirtschaft, Transport, Energie und Industrie sind zahllos.
• Zum andern wird die immer stärkere Nutzung digitaler Technologien auch zu einer starken Zunahme der Umweltauswirkungen der Digitalbranche führen.

Deshalb ist es wichtig, dass auch die Digitalbranche umweltbewusst handelt. Auch 5G wird genau diese Auswirkungen haben: Einerseits hilft diese Technik, andere Branchen grüner zu machen (indirekte Auswirkungen), andererseits verbraucht sie selbst ebenfalls Energie (direkte Auswirkungen).

Im März 2022 wurde vom Gremium Europäischer Regulierungsbehörden für Telekommunikation (GEREK) eine Studie über die Wirkung elektronischer Kommunikationsnetze auf die Umwelt veröffentlicht. Die Studie behandelt unter anderem die Emission von durch Telekomnetze verursachten Treibhausgasen, aber auch die Wirkung auf natürliche Rohstoffe wird betrachtet. Eine wichtige Schlussfolgerung ist, dass es einen Mangel an einheitlichen Daten gibt, um ein korrektes Bild der jetzigen Wirkung und der möglichen Entwicklungen zu bekommen. Weiterhin werden auch die Initiativen besprochen, die Telekombetreiber und Telekomregulierungsbehörden nehmen, um die Emission und die Wirkung auf die Umwelt zu senken.

Um eine Übersicht der Situation in Belgien zu schaffen, veröffentlichte das BIPT, die Telekomregulierungsbehörde, Dezember 2022 eine Studie über die Nachhaltigkeit der Telekomnetze in Belgien. Dabei wurde die Entwicklung des Energieverbrauchs, des CO₂-Ausstoßes, des Wasserverbrauchs und der Müllentsorgung der Betreiber Proximus, Telenet und Orange untersucht. Aus der Studie geht hervor, dass Nachhaltigkeit ein wichtiges Thema für die untersuchten Telekombetreiber ist. In der Periode 2018-2021 haben ihr Energieverbrauch sich um 11% und der CO₂-Ausstoß sich um 38% gesenkt. Obwohl der belgische Telekommarkt durch den Kauf von Emissionsrechten bereits CO₂-neutral ist, werden weitere Anstrengungen gemacht, um den CO₂-Ausstoß noch mehr zu vermindern. Die Betreiber streben auch die Wiederverwendung und das Recycling von unter anderem Nachrüstdecodern und Modems an, um den Müllberg zu verringern.

Elektroschrott

Im Allgemeinen hat die Herstellung von Geräten große Auswirkungen auf die Umwelt. Diese Studie bewertet quantitativ die Auswirkungen digitaler Technologien auf die Umwelt. Sie stellt ein Inventar des Vorrats digitaler Geräte, die 2019 in Europa in Betrieb waren, auf und bewertet ihre Auswirkungen auf die Umwelt im Laufe ihrer Lebensdauer: der Herstellung, der Verteilung, des Betriebs und des Endes der Lebensdauer. In der Studie wurden 12 Klimafolgen oder Indikatoren, von Erderwärmung bis zur Nutzung von Primärenergie, Versauerung des Wassers und Bodens usw. erforscht. Die ForscherInnen folgern, dass nicht die Nutzung des eigenen Geräts die größten Auswirkungen hat, sondern die Herstellung neuer Geräte. Die Auswirkungen werden hauptsächlich durch Geräte von NutzerInnen und nicht durch Rechenzentren oder die Netzwerke selbst verursacht: die Endgeräte von NutzerInnen (Laptops, Telefongeräte, Schirme, Fernsehgeräte, Drucker usw.) haben die größten Auswirkungen, je nach dem Indikator zwischen 54% und 90%.

Die französische Telekom-Regulierungsbehörde (Arcep) und die Agentur für Umwelt und Energiemanagement (Ademe) sind zu ähnlichen Schlussfolgerungen gelangt. Am 19. Januar 2022 veröffentlichten die beiden Organisationen die ersten Ergebnisse ihrer Studie über die Umweltauswirkungen der digitalen Technologie. Dabei wandten sie die Methodik der Lebenszyklusanalyse an. Die Umweltauswirkungen der digitalen Technologie wurden in allen Phasen (Produktion, Vertrieb, Nutzung und Ende der Lebensdauer) des Lebenszyklus der Geräte anhand des CO2-Fußabdrucks und 11 weiterer Umweltindikatoren analysiert. Sowohl Endgeräte als auch Netze und Datenzentren wurden untersucht. Aus der Analyse geht hervor, dass Endgeräte (insbesondere Bildschirme und Fernseher) je nach betrachtetem Umweltindikator für 65 bis 90 % der Umweltauswirkungen verantwortlich sind und dass diese Auswirkungen in der Herstellungsphase am größten sind. Dieser Bericht ist ein erster Schritt in einem längerfristigen Projekt, aber er bestätigt bereits Folgendes:

• Die Notwendigkeit, mehr Wissen und Daten über die Umweltauswirkungen zu sammeln und zuverlässige Daten zur Verfeinerung der Modellierung zu erhalten;
• Die Notwendigkeit einer Reaktion auf die Umweltauswirkungen von Geräten und Materialien (Verlängerung der Lebensdauer von digitalen Geräten, Reparaturmöglichkeiten, Wiederverwendung usw.);
• Die Notwendigkeit, alle Interessengruppen einzubeziehen, um zu einer umweltfreundlicheren Nutzung und Entwicklung digitaler Dienste überzugehen.

Die defekten oder alten Elektrogeräte, die weggeworfen werden, werden Elektroschrott oder Elektronikschrott genannt. Für die Herstellung von elektronischen Geräten werden häufig seltene Erden verwendet, deren Gewinnung nicht immer nachhaltig ist. Wenn die Geräte weggeworfen werden, gehen diese kostbaren Rohstoffe verloren. Deshalb werden Maßnahmen ergriffen, um:

• die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und
• die Materialien zu recyceln.

Das Europäische Umweltbüro (European Environmental Bureau, EUB) hat in einer Studie die Klimakosten von Smartphones unter die Lupe genommen. Die Verlängerung der Lebensdauer der in der EU betriebenen Smartphones um ein Jahr würde die Umweltbilanz so stark verbessern wie die Abschaffung von 2 Millionen Autos, also etwa der Hälfte aller in Belgien angemeldeten Fahrzeuge. Eine Verlängerung der Lebensdauer lässt sich zum Beispiel durch die Reparatur defekter Geräte oder durch Wiederverwendung (Aufarbeitung) erreichen. Jahr für Jahr werden zum Beispiel allein 11.000 Tonnen ausrangierte Ladegeräte weggeworfen. Im Kampf gegen Elektroschrott hat die Europäische Kommission daher vorgeschlagen, für alle Geräte einheitliche Ladegeräte zur Pflicht zu machen. Auch Mobilfunkanbieter setzen immer mehr auf Kreislaufwirtschaft und recyceln alte Geräte oder verwenden sie wieder.

5G ist eine neue Technologie, für die nicht alle bestehenden 4G-Geräte geeignet sind. Dennoch ist zu sehen, dass die neueste Smartphonegeneration 5G bereits unterstützt. Wer noch ein altes Smartphone hat und 5G nutzen will, muss also ein neues Gerät kaufen. Es wird erwartet, dass 4G noch bestimmt bis 2030 verfügbar bleibt, und dass die meisten Nutzer ihre Geräte bis zum Ende ihrer Lebensdauer nutzen können. Der Übergang zu 5G wird also nicht direkt zu mehr Elektroschrott führen.

Höherer Datenverbrauch

5G-Netze bieten eine höhere Leistung als 4G-Technologie. Sie haben besondere Eigenschaften wie:

• einen um das zehn- bis hundertfache höheren Datendurchsatz als 4G;

• eine niedrigere Latenz von einer Millisekunde (Verzögerung bei der Datenübertragung, abhängig vom Netzwerk und vom Abstand zwischen Sender und Empfänger;
• die Möglichkeit, eine größere Zahl von Geräten zu vernetzen.

Diese Leistungsmerkmale werden zu einer signifikanten Zunahme an neuen Anwendungen führen, die die 5G-Technologie verwenden. Es wird erwartet, dass bis 2025 mehr als 12 Milliarden Geräte mit dem Internet der Dinge verbunden sein werden (siehe Studien von GSMA und Cisco). Dadurch wird der Datenverbrauch erheblich steigen. Aus einer im Auftrag des BIPT von Capgemini durchgeführten Studie geht hervor, dass der Datenverbrauch in Belgien bis 2040 um den Faktor 40 zunehmen wird.

Doch wie bedeutsam ist dieser zusätzliche Datenverkehr? CE Delft ist in einer Studie zu dem Ergebnis gekommen, dass unerwünschter Datenverkehr (zum Beispiel für Werbung und das Tracking von Konsumenten) den Ausstoß von 3 bis 8 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr verursacht. Dies entspricht dem jährlichen CO2-Ausstoß von etwa 4 Millionen Autos. Laut The Shift Project, einem französischen Thinktank, der sich mit dem Wandel hin zu einer kohlenstofffreien Wirtschaft beschäftigt, wird die Optimierung der Energieeffizienz nicht ausreichen, um den drastisch steigenden Energieverbrauch auszugleichen. Die Lösung? Digitale Disziplin. Dem steigenden Datenverbrauch muss durch einen bewussteren Umgang mit Daten begegnet werden, es dürfen nur noch wirklich benötigte Daten übertragen werden.

5G-Technik

Für 5G werden komplexe Geräte und Anlagen benötigt. Die wichtigste Umweltauswirkung liegt im Energieverbrauch des 5G-Netzes selbst, konkret im Energieverbrauch der Sendeanlagen. Die Sendemasten bestehen aus einer Basisstation und einer Funkanlage, die das Signal aussendet. Doch auch das Glasfasernetz, an das die Sendestationen angeschlossen sind, verbraucht Energie. Deshalb wurde bei der Entwicklung von 5G schon von Anfang an viel Wert darauf gelegt, die neuen Geräte und Anlagen energieeffizienter zu machen.

Aus verschiedenen Studien (Nokia, deutsches Umweltbundesamt) geht hervor, dass die für den Betrieb des 5G-Netzes verwendeten Anlagen pro gesendetes Bit bis zu 90 % weniger Energie verbrauchen als aktuelle 4G Anlagen. Erreicht wird dieser niedrige Energieverbrauch durch intelligente Software, die nicht genutzte Teile des Netzes abschaltet und so für eine optimale Nutzung der Infrastruktur sorgt (weitere Infos siehe diese Studie von Ericsson).

Gesamtenergieverbrauch

Dennoch wird der Gesamtenergieverbrauch voraussichtlich nicht sinken, sondern womöglich sogar noch weiter steigen. Dies wird als „Rebound-Effekt“ bezeichnet: Der Gesamtenergieverbrauch sinkt kaum, obwohl die Geräte und Anlagen selbst viel weniger Energie verbrauchen. Ähnliche Effekte sind aus dem Verkehrswesen bekannt: Wenn zum Beispiel eine Autobahn verbreitert wird, gibt es zunächst weniger Staus. Dadurch jedoch wird sie attraktiver, zieht zusätzlichen Verkehr an, und der Stau ist wieder da (mitunter sogar schlimmer als zuvor). In der Literatur gehen die Meinungen im Hinblick auf die Entwicklung des Gesamtenergieverbrauchs durch 5G auseinander.

Die folgenden Studien bieten einen tieferen Einblick in die Prognosen:

• Eine Studie des von Emmanuel Macron ins Leben gerufenen französischen Hohen Rats für Klimafragen geht bis 2030 von einer Zunahme des Energieverbrauchs um 18 bis 44 % aus. Die Universität Zürich hat in einer Studie den kombinierten Energieverbrauch von 2G, 3G und 4G im Jahr 2020 mit dem Verbrauch von 5G im Jahr 2030 verglichen und erwartet eine Zunahme um 10 %, wobei das Volumen des Datenverkehrs voraussichtlich sechsmal größer wird. Axon hat dieselbe Untersuchung für den belgischen Markt durchgeführt und geht ebenfalls von einer Zunahme des Energieverbrauchs um etwa 10 % bis 2030 aus.
• Die Internationale Energieagentur (IEA) hingegen erwartet eine eher begrenzte Zunahme. Sie verweist unter anderem auf die Entwicklung in großen Rechenzentren, wo der Energieverbrauch in den vergangenen Jahren gleichgeblieben ist, obwohl die Rechen- und Speicherkapazität stetig zugenommen hat. Ursprünglich wurde erwartet, dass der Energieverbrauch von Rechenzentren bis 2020 drastisch steigen würde, doch dank entsprechender Bemühungen in der Branche ist es dazu nicht gekommen. Für die Mobilfunkbetreiber erwartet die IEA dasselbe Szenario.

Es besteht noch viel Unklarheit über den durch 5G-Technologie verursachten Energieverbrauch. Ziemlich sicher ist jedoch, dass er im Vergleich zum heutigen Niveau kaum oder gar nicht sinken wird. Darüber hinaus wird in den kommenden Jahren parallel auch das bestehende 4G-Netz noch weiterbetrieben, und diese doppelte Infrastruktur wird den Energieverbrauch weiter steigen lassen.

Herkunft der Energie

5G-Netze brauchen kontinuierlich Energie. Mobilfunkbetreiber können sich dazu entscheiden, diese aus nachhaltigen Quellen wie Wind-, Wasser- und Sonnenenergie zu beziehen, um ihren Nettoausstoß zu verringern. Verschiedene europäische Netzbetreiber beschäftigen sich bereits bewusst mit diesem Thema. 2020 haben 26 europäische IKT-Unternehmen die European Green Digital Coalition gegründet. Diese will das Ziel der EU unterstützen, bis 2040 klimaneutral zu werden. Wichtig ist auch, dass Netzbetreiber nicht nur die Klimaneutralität der verbrauchten Energie anstreben (was sich durch die Nutzung von grüner Energie erreichen lässt), sondern auch einen möglichst geringen Energieverbrauch.

Energieverbrauch bei der Produktion

Geräte und Anlagen verbrauchen nicht nur während des Betriebs Energie, sondern auch bei der Herstellung.

• Etwa 20 % der während des gesamten Lebenszyklus von Netzwerkinfrastruktur (zum Beispiel Sendemasten) verbrauchten Energie fällt bei der Produktion an.
• Bei den vom Verbrauchern benutzten Geräten (zum Beispiel Smartphones) ist es hingegen genau umgekehrt: Hier fallen etwa 80 % des Gesamtenergieverbrauchs schon bei der Produktion an. Dies ist größtenteils durch die energieintensive Gewinnung seltener Rohstoffe zurückzuführen. Daher ist es dringend erforderlich, die Lebensdauer dieser Geräte zu verlängern.

Der Katalysatoreffekt

5G ermöglicht die Optimierung von Produktionsprozessen in unterschiedlichen Branchen und dadurch auch eine Senkung des Energieverbrauchs. Deshalb spielt 5G eine bedeutende Rolle als Katalysator oder „Enabler“ für energiesparende Anwendungen in anderen Sektoren. Die positiven Auswirkungen des Katalysatoreffekts werden zum Beispiel von Studien von GSMA, Analysys Mason und Ericsson bestätigt. Verschiedene Studien kommen zu dem Ergebnis, dass die durch 5G-Netze möglichen Einsparungen beim CO2-Ausstoß den CO2-Ausstoß der Mobilfunknetze selbst übersteigen, laut einer Studie der Global Sustainability Initiative sogar um das Fünffache. Eine Studie der Universität Zürich geht in einem sehr optimistischen Szenario sogar von einem Faktor von 10 aus.

Eine genaue Einschätzung der Auswirkungen von 5G auf andere Branchen ist sehr schwierig, denn dazu ist neben Kenntnissen über 5G und digitale Anwendungen auch ein tiefer Einblick in die vertikalen Sektoren nötig, die diese Technologie nutzen. Aktuell liegen keine guten Metriken oder Standards vor, um den Katalysatoreffekt zu beziffern. Die Europäische Kommission beschäftigt sich intensiv mit dieser Aufgabe, stellt jedoch fest, dass dies kein leicht zu lösendes Problem ist.

Die französische Telekom-Regulierungsbehörde (Arcep) hat am 14. Januar 2022 eine Studie veröffentlicht, in der der Energieverbrauch eines 4G-Netzes in Kombination mit dem 5G-Ausbau im 3,5-GHz-Band untersucht wurde, um zusätzliche Kapazitäten bereitzustellen. Dieses Szenario wurde mit dem Energieverbrauch eines einzigen 4G-Netzes verglichen, dem möglicherweise zusätzliche Kapazität hinzugefügt wurde, z. B. durch zusätzliche Basisstationen. Aus der Studie geht hervor, dass die Einführung von 5G zunächst zu einem (begrenzten) Anstieg des Energieverbrauchs im Vergleich zu 4G allein führt. Nach 2 bis 5 Jahren, je nachdem, ob es sich um ein ländliches oder städtisches Gebiet handelt, wird der Energieverbrauch der 4G+5G-Kombination jedoch geringer als der von 4G allein. Im Jahr 2028 wird die Energieeffizienz von 4G+5G in einem dicht besiedelten Gebiet sogar 3x höher sein als die von 4G allein. Damit wird eine Einsparung beim Energieverbrauch erzielt, die dem Zehnfachen des Wertes von 2020 entspricht. Diese Studie zeigt deutlich, dass die Einführung von 5G dazu beitragen kann, den Energieverbrauch bei steigendem Bedarf an Datenkapazität zu senken.

Bei einem Verzicht auf 5G wäre das bestehende 4G-Netz außerdem nur in begrenztem Maße in der Lage, das für die Unterstützung neuer digitaler Anwendungen nötige größere Datenvolumen zu bewältigen. Das digitale Wachstum würde behindert, und es würden weniger digitale Anwendungen für einen intelligenten Energieverbrauch und die Verbesserung des Umweltschutzes entstehen. Der Katalysatoreffekt von 4G ist also kleiner als der von 5G.