In dieser dritten und letzten Ausgabe unserer Artikelserie über Embodied Carbon widmen wir uns einem oft übersehenen Aspekt der digitalen Infrastruktur: den CO₂-Emissionen eines gesamten Rechenzentrums über seinen Lebenszyklus. Während sich viele Nachhaltigkeitsbemühungen auf den laufenden Betrieb konzentrieren, entstehen erhebliche Emissionen bereits während der Bauphase und durch die Produktion der Hardware.

Den Einstieg in das Thema Embodied Carbon finden Sie im ersten und zweiten Teil der Serie.

Bauphase: Ein oft unterschätzter Emissionsfaktor

Der Bau eines Rechenzentrums ist eine der emissionsintensivsten Phasen seines Lebenszyklus. Materialien wie Stahl, Beton und Aluminium verursachen hohe CO₂-Emissionen in der Produktion und beim Transport. Die größten Umweltbelastungen entstehen durch:

  • Betonherstellung: Beton ist für etwa 8 % der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich, insbesondere durch die energieintensive Zementproduktion. [Andrew, R. M., 2019] Der Bau eines mittelgroßen Rechenzentrums kann mehrere tausend Tonnen Beton erfordern, abhängig von der Größe und Bauweise. Da die Herstellung von einer Tonne Zement durchschnittlich 0,6 bis 0,9 Tonnen CO₂ verursacht, ergbit dies eine CO₂-Emission von mehreren tausend Tonnen.
  • Stahlproduktion: Die Herstellung einer Tonne Stahl verursacht rund 1,5 Tonnen CO₂. [acatech, 2024] In einem Rechenzentrum werden große Mengen Stahl für die Gebäudestruktur und Serverracks verwendet. Beispielsweise gibt es in deutschen Rechenzentren insgesamt etwa 266.000 Serverracks. [Umweltbundesamt, 2010] Die CO₂-Emissionen pro Tonne Stahl hängen stark von der Produktionsmethode ab. Während klassische Verfahren hohe Emissionen verursachen, könnten neue Technologien wie die Nutzung von grünem Wasserstoff die Bilanz deutlich verbessern. Diese Ansätze sind jedoch noch in der Entwicklungsphase und mit hohem Energieaufwand verbunden. [DWV, 2021]
  • Aluminiumverarbeitung: Aluminium hat eine hohe Energiedichte in der Produktion, wird jedoch aufgrund seines geringen Gewichts und der Korrosionsbeständigkeit in vielen Rechenzentren eingesetzt. Die Produktion von einer Tonne Primäraluminium verursacht durchschnittlich 11,5 Tonnen CO₂. Die genaue Zahl kann je nach Produktionsmethode und Energiequelle variieren. Die Aluminiumherstellung ist besonders energieintensiv, da für die Gewinnung aus Bauxit große Mengen an Elektrizität benötigt werden. [International Aluminium Institute, 2018]
  • Energieverbrauch bei der Errichtung: Die Bauphase erfordert große Mengen an elektrischer Energie für Maschinen, Transport und die Montage der IT-Infrastruktur. Da die meisten Baugeräte mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, entstehen erhebliche CO₂-Emissionen – insbesondere durch dieselbetriebene Bagger, Kräne und Betonmischer.

Betriebsphase: Der Hauptverursacher von CO₂-Emissionen

Nach der Fertigstellung verursacht der Betrieb eines Rechenzentrums kontinuierlich Emissionen, vor allem durch den Stromverbrauch für IT-Hardware, Kühlung und Infrastruktur. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:

  • Stromverbrauch der Server: Rechenzentren weltweit verbrauchten im Jahr 2022 rund 360 TWh Strom, was etwa 1,7 % des globalen Energiebedarfs entspricht. [Gewinn, 2024], [Statista, 2024] Die tatsächlichen Emissionen hängen stark vom Strommix ab – während erneuerbare Energien den CO₂-Fußabdruck minimieren können, führen fossile Energiequellen zu erheblichen Emissionen.
  • Kühlung: Die Kühlung kann bis zu 40 % des gesamten Energieverbrauchs ausmachen. [Wikipedia] Effiziente Kühlmethoden wie Flüssigkühlung oder die Nutzung von Außenluft können die Emissionen erheblich reduzieren.
  • Power Usage Effectiveness (PUE): Moderne Rechenzentren erreichen PUE-Werte von 1,2 oder niedriger, während ältere Anlagen Werte von über 2 haben können, was zu massivem Energieverlust führt. [Computer Weekly, 2023] Der PUE-Wert beschreibt das Verhältnis zwischen dem gesamten Energieverbrauch eines Rechenzentrums und der tatsächlich für die IT-Infrastruktur genutzten Energie – je niedriger der Wert, desto effizienter wird die eingesetzte Energie genutzt.
  • Backup-Systeme: Dieselgeneratoren als Notstromaggregate erzeugen erhebliche CO₂-Emissionen und Luftverschmutzung, insbesondere bei älteren Anlagen. [Umweltbundesamt, 2022]

Stilllegung und Recycling: Was passiert nach 15–25 Jahren?

Nach etwa 15–25 Jahren wird ein Rechenzentrum entweder modernisiert oder stillgelegt. Auch dieser Schritt verursacht Umweltbelastungen:

  • Entsorgung von Baumaterialien: Ohne ein nachhaltiges Rückbaukonzept landen große Mengen an Beton, Stahl und anderen Baustoffen auf Deponien, anstatt recycelt zu werden.
  • Elektroschrott: Jedes Jahr entstehen weltweit über 60 Millionen Tonnen Elektroschrott, von denen nur ein Bruchteil recycelt wird. [unitar, 2024]

Mehr über die Umweltprobleme beim Rohstoffabbau und der Entsorgung von IT-Hardware findest du in unserem vorherigen Artikel.

Umweltbilanz von Rechenzentren über den gesamten Lebenszyklus

Der BUND hat im 2018 im Rahmen einer Studie den Ressourcenverbrauch und die CO₂-Emissionen verschiedener Rechenzentren über den gesamten Lifecycle abgeschätzt. [Bundesumweltamt, 2018] Dabei wurden die Umweltwirkungen in vier Phasen unterteilt: Herstellung, Distribution, Nutzung und Entsorgung.

Die Modell-Rechenzentren waren:

  • RZ1: Ein kommunales Rechenzentrum mit einer IT-Nennleistung von 750 kW. Es wird für Managed Services und Colocation genutzt.
  • RZ2: Ein Webhosting-Rechenzentrum mit einer IT-Nennleistung von 83 kW. Es stellt primär Hosting-Dienste bereit.
  • RZ3: Ein IT-Beratungs-Rechenzentrum mit einer IT-Nennleistung von 192 kW. Es dient hauptsächlich internen Unternehmensdiensten.

Die Umweltwirkungen der Rechenzentren wurden anhand verschiedener Indikatoren analysiert:

  • ADP (Abiotic Depletion Potential): Das abiotische Ressourcenverbrauchspotential bewertet die Auswirkungen auf die Verfügbarkeit nicht erneuerbarer Ressourcen wie Metalle und fossile Rohstoffe.
  • KEA (Kumulierter Energieaufwand): Dieser Indikator beschreibt die gesamte Energiemenge, die über den Lebenszyklus hinweg benötigt wird.
  • THG (Treibhausgaspotenzial): Dieser Indikator misst die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus.
  • Wasserverbrauch: Dieser Indikator bewertet den gesamten Wasserverbrauch über den Lebenszyklus.

Relative Verteilung der Umweltwirkungen der Rechenzentren nach Lebenszyklusphasen Bundesumweltamt, 2018

Die Analyse verdeutlicht, dass über alle Indikatoren hinweg die Nutzungsphase die größte Umweltbelastung verursacht, insbesondere beim Energieverbrauch und den CO₂-Emissionen. Die Herstellung von Hardware trägt jedoch ebenfalls signifikant zu den Umweltwirkungen bei, insbesondere beim abiotischen Ressourcenverbrauchspotential. Die Entsorgungsphase hat dagegen einen vergleichsweise geringen Anteil an den Gesamtwirkungen. Obwohl diese Studie bereits im Jahr 2018 veröffentlicht wurde, sind ihre Ergebnisse weiterhin von großer Relevanz, da sich die grundlegenden Emissionsquellen und Umweltwirkungen von Rechenzentren seither kaum verändert haben.

Maßnahmen hin zu grüneren Rechenzentren

Um die Umweltbelastung eines Rechenzentrums über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu minimieren, sind verschiedene Ansätze erforderlich:

  • Nachhaltige Bauweise: Der Einsatz von CO₂-reduziertem Beton, recyceltem Stahl und nachhaltigen Materialien kann die Emissionen in der Bauphase senken.
  • Energieeffiziente Hardware: Moderne Prozessoren und Speichertechnologien mit niedrigerem Stromverbrauch reduzieren den CO₂-Ausstoß im Betrieb.
  • Grüne Energiequellen: Der Einsatz von erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie kann den Stromverbrauch eines Rechenzentrums nahezu klimaneutral gestalten.
  • Abwärmenutzung: Durch intelligente Wärmerückgewinnung können Rechenzentren ihre Abwärme an lokale Wohn- oder Industriegebiete abgeben.
  • Kreislaufwirtschaft: Die Wiederverwendung und das Recycling von Servern, Baumaterialien und anderen Komponenten verlängern die Nutzungsdauer und reduzieren Abfall.

Fazit

Rechenzentren sind das Rückgrat der digitalen Welt, verursachen aber über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg erhebliche CO₂-Emissionen. Während der laufende Stromverbrauch oft im Fokus steht, darf die Bauphase sowie die Entsorgung von Baumaterialien und Hardware nicht vernachlässigt werden.

Durch nachhaltige Bauweisen, energieeffiziente Hardware, erneuerbare Energie, Nutzung der Abwärme und Kreislaufwirtschaft können Unternehmen ihren ökologischen Fußabdruck erheblich reduzieren.

Es ist an der Zeit, die IT-Infrastruktur der Zukunft so zu gestalten, dass sie nicht nur leistungsfähig, sondern auch nachhaltig ist.

Für mehr Einblicke zum Thema Embodied Carbon lohnt sich ein Blick in den ersten und zweiten Teil der Serie.