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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.

 

Inzwischen hat auch das Portal Statista eine Grafik dazu erstellt:

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.

English version

The carbon footprint of our digital lifestyles

Oeko-Institut is reputed for knowing the answers to many relevant environmental questions concerning the future. Senior researcher Jens Gröger is currently working on the topic of „sustainable digitization“ and has done the maths.

How many CO₂ emissions does a google query cause?

I would like to take this popular question as an opportunity to perform a few sample calculations on the carbon footprint caused by our digital lifestyle. The figures originate from our own scientific research and from external scientific sources on the production and use of information technology devices. Some of these figures are subject to great uncertainty due to rapid change in the sector resulting from technological progress and changing consumer habits. Additionally, the figures are heavily dependent on the respective framework conditions (e.g. the type of power generation). Nevertheless, I would like to make some sample calculations and use the mathematical rule of three in order to describe the magnitude of the problem. The figures have been rounded up generously in order to avoid giving a false impression of exactness.

Let’s start by setting a basis for discussion: A German citizen causes CO₂-equivalent emissions (CO₂e) of around twelve tons per year through energy consumption, transport and other consumption. A climate-friendly restriction would be to limit emissions to two tons per earthling.

1. Production of digital devices

The production of digital devices, such as smartphones, laptops and televisions, causes considerable greenhouse gas emissions. The emissions are caused primarily by process chemicals for raw material extraction and processing and by the energy required for semiconductor production. The manufacture of a large flat-screen TV, for instance, involves CO₂ emissions of 1,000 kilograms [1]. For a laptop, 250 kilograms of CO₂ are emitted during production [2]. A smartphone or a digital voice assistant (Alexa and Co.) are estimated to each emit around 100 kilograms during production. If this manufacturing effort is related to the typical useful life of a laptop, the following annual CO₂ emissions result:

Greenhouse gas emissions of production based on a one-year utility period

• Television: 200 kg CO₂e per year
• Laptop: 63 kg CO₂e per year
• Smartphone: 50 kg CO₂e per year
• Digital Voice Assistant: 33 kg CO₂e per year
• Total production: 346 kg CO₂e per year

2. Use of mobile devices

All digital devices emit CO₂ during their usage phase, whether at home or in the office, by consuming electrical energy. This energy consumption is highly dependent on the respective user behaviour. For the sake of my calculations, my estimations are based on assumed typical use. A television set has an output of 200 watts when being switched on and is used for four hours a day, corresponding to the average personal television consumption in Germany. The laptop is also used for four hours a day on average with an electrical power consumption of 32 watts. It is assumed that a smartphone is usually connected to the charger for four hours a day and consumes five watts during this time. The greenhouse gas emissions caused by the energy consumption during use [3] are therefore as follows:

Greenhouse gas emissions for utility period

• Television: 156 kg CO₂e per year
• Laptop: 25 kg CO₂e per year
• Smartphone: 4 kg CO₂e per year
• Digital Voice Assistant: 4 kg CO₂e per year
• Total use: 189 kg CO₂e per year

3. Data transmission

Digital devices are special in so far as that they constantly transmit data via the internet. So, unlike a toaster or an incandescent lamp, digital technology also generates an additional environmental footprint during use, which does not occur in our homes but on the internet. Yet, the cost of this energy consumption does not appear on our electricity bill. These expenses are instead covered through the basic charges for the internet service provider or streaming service provider and by the sale of data and advertising. The relationship between the level of energy consumption in data networks and the amount of data transmitted is very complex. This is to be traced back to permanent data volume fluctuation and to the design of the networks, which must consider the respective peak times with maximum data volume. Nevertheless, this relationship can be estimated as follows [4]:

Energy consumption = duration of transmission * time factor + amount of data transmitted * quantity factor

Deducting from this estimation and assuming different transmission speeds and data volumes, greenhouse gas emissions of the data network for the following activities are estimated as follows:

Greenhouse gas emissions in data networks

• 4 hours of video streaming a day: 62 kg CO₂e per year
• 10 pictures for social media a day: 1 kg CO₂e per year
• 2 hours of digital voice assistance a day: 2 kg CO₂e per year
• 1 gigabyte backup a day: 11 kg CO₂e per year
• Total data networks: 76 kg CO₂e per year

4. Data Processing Centres

In addition to the digital devices and well-developed data networks, a further prerequisite for our digital lifestyle is the existence of data centre infrastructure. Data centres can be pictured as halls filled with high-performance computers, so-called servers, as well as data storage, network technology and air conditioning technology. In Germany, the area taken up by data centres is growing annually, amounting to a total of 2.2 million square meters in 2017 [5], whilst the total electrical energy consumption in German data centres of the same year amounted to around 13 billion kilowatt hours. If this energy consumption is put in relation with the 33 million people that are estimated to be internet users by the Federal Network Agency, each internet connection would account for almost 400 kilowatt hours of electrical energy or 213 kilograms of CO₂ emissions per year.

The only remaining unknown factor is the energy consumption and the associated CO₂ emissions of a Google query. The data centres of Alphabet, the company behind Google, are spread all over the world, but not in Germany. One could therefore add their emissions to the emissions of German data centres. Estimations thereby suggest that a single Google query is to be compared to an equivalent of between one and ten grams of CO₂ emissions. In Google’s Environmental Report of 2017, the company declared its own carbon footprint for 2016 to be a rate of 2.9 million tonnes of CO₂e and its electrical energy consumption at 6.2 terawatt hours (TWh) [7]. If Google’s carbon footprint is calculated in relation to another uncertain figure, the total of search queries per year (two trillion) [8], the calculations show a total emission of 1.45 grams per search query. Brief feasibility check: this would equal a total of 260 search queries per inhabitant per year. Going back to our carbon footprint: If we use the search engine by making 50 search queries per day, this causes a total CO2 emission of 26 kilograms per year.

Greenhouse emissions in data centres

• German data centres by internet user: 213 kg CO₂e per year
• 50 Google queries a day: 26 kg CO₂e per year
• Total data centres: 239 kg CO₂e per year

5. Joint environmental footprint of all digital activities

By taking a closer look of the estimated CO₂ emissions of our digital activities, it quickly becomes apparent that the number of Google queries is only part of the problem:

Greenhouse gas emissions of digital activities

• Production of digital devices: 346 kg CO₂e per year
• Use of digital devices: 189 kg CO₂e per year
• Data networks: 76 kg CO₂e per year
• Data processing networks: 239 kg CO₂e per year
• Total: 850 kg CO₂e per year

The manufacture and use of digital devices, the transmission of data via the internet and the use of data centres cause a total carbon footprint per person of 850 kilograms per year. This already is almost half of the CO₂ budget available to us per person if climate change is to be kept within tolerable limits. If we add the further greenhouse gas emissions caused by the use of globally distributed websites, music and video streaming services, social networks, networked household appliances, video surveillance and big-data analysis and so on, the individual carbon footprint caused by information technology would easily add up to 1 ton per year or more. Hence, our digital lifestyle is not sustainable in its present form. Even if the pre-calculated figures are only a rough estimate, they still show, based on their magnitude alone, that considerable efforts still need to be made in order to reduce greenhouse gas emissions, both in terms of digital devices and in data networks and data centres. This path and no other, is the only possibility for digitisation to be made sustainable.

Jens Gröger is Senior Researcher in Oeko-Institute’s Products & Material Flows Division and an expert on sustainable consumption and products. His work focuses on information and communication technology, green procurement and eco-labelling.