Nachhaltige Software – Wie reduziere ich den ökologischen Footprint meiner Systeme?

Dass der IT-Sektor weltweit einen ähnlichen CO2-Footprint wie Deutschland hat, sollte Grund genug sein, darüber nachzudenken, welche Potenziale zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bisher ungenutzt blieben. Dort setzt digitale Nachhaltigkeit an, um unsere digitale Infrastruktur von den Anwendungen über die Netzwerke bis zur Hardware nachhaltiger zu gestalten.

Der ITK-Sektor ist heute für zwei bis sechs Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, hier ist die Herstellung der nötigen Hardware inkludiert. Forschende gehen davon aus, dass die Emissionen des ITK-Sektors im ungünstigsten Fall bis 2030 auf 23 Prozent weltweit steigen könnten. In meinem letzten Blog-Beitrag könnt ihr nachlesen, wie die drei Nachhaltigkeitsdimensionen mit digitalen Produkten und Dienstleistungen zusammenhängen. In diesem Blog-Beitrag schauen wir uns den Energie- und Ressourcenverbrauch der Software mit dem Ziel der Reduktion von CO2-Emissionen an.

Das Nutzungsverhalten digitaler Technologien hat einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit, wie dieser Blog-Beitrag zeigt. Zu einem verantwortungsvollen Umgang mit Technologie zählen jedoch nicht nur Userinnen und User, sondern vor allem Hersteller und Betreiber. Nicht nur Verbraucherinnen und Verbraucher erwarten einen verantwortungsvollen Umgang mit unserer Umwelt. Auch Investorinnen und Investoren, Mitarbeitende und Geschäftspartnerinnen und -partner machen zunehmend deutlich, dass eine schlüssige Nachhaltigkeitsstrategie für Unternehmen unausweichlich ist. Sie verstehen, dass es längst nicht nur um den Schutz der Umwelt als Selbstzweck, sondern um die Bewahrung einer zukünftigen Lebens- und Geschäftsgrundlage geht. Als Treiber digitaler Nachhaltigkeit gelten zudem Regulatorik und insbesondere die neue EU-Taxonomie und die CSRD, denn nun merken Verantwortliche das erste Mal, wie hoch der Einfluss der IT auf den CO2-Footprint tatsächlich ist.

Welche Rolle spielt Effizienz?

In Gesprächen fällt auf, dass besonders effiziente Software – Effizienz hier als das Verhältnis aus Stromverbrauch und Rechenleistung – häufig als Lösung für digitale Nachhaltigkeit betrachtet wird. Im Bereich mobiler Systeme und im Zuge der Suchmaschinenoptimierung sind hier jedoch die niedrigschwelligen Optimierungen häufig bereits umgesetzt. Und in der Hardwareentwicklung hat man ohnehin Jahrzehnte Vorsprung, da Hardware historisch deutlich stärker auf Effizienz getrimmt wurde. Es gilt also abzuwägen, ob die verfügbaren Kapazitäten in Effizienzsteigerung investiert werden oder ob andere Ansätze, wie die Carbon Awareness – mehr dazu weiter unten –, eine größere Steigerung der Nachhaltigkeit versprechen. Lohnend sind kleine, aufwändige Optimierungen dort, wo Softwarekomponenten häufig verwendet werden, etwa in populärer Open-Source-Software. Denn letztlich gilt es immer auch die Effizienz von Entwickelnden gegen die Effizienz der Maschinen abzuwägen. Ein paar gängige Tipps für effizientere Software sind:

• Optimierte Gültigkeitsdauer der Caches
• Auslieferung von Bildern in der richtigen Auflösung
• System-Schriften statt externer Fonts nutzen
• Serverseitiges Rendern von Inhalten

Bei den genannten Punkten handelt es sich lediglich um einen kleinen Auszug möglicher Verbesserungen. Einen tieferen Einblick dazu bekommt ihr in diesem Blog-Beitrag.

Ist grünes Hosting die Lösung?

Die automatische Adaption des Systemverhaltens, unter Berücksichtigung der Stromquelle, wird in der Literatur als Carbon Awareness bezeichnet. Dabei schlussfolgern Systeme – anhand von Energiemarkt- oder Wetterdaten –, wie viel Gramm CO2 je Kilowattstunde verbrauchten Stroms emittiert werden. Man spricht hier auch von der CO2-Intensität des Stromes, die mittels Maschine Learning bereits recht präzise vorhergesagt werden kann. Durch die Variation von Wind und Sonne speisen die regenerativen Energieträger zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche Mengen Strom in die Netze ein. Der Teil des Stromverbrauchs, der nicht durch regenerativen Strom oder aus Energiespeichern gedeckt werden kann, wird durch fossile Energie ausgeglichen. Durch dieses Wechselspiel aus fossiler und nachhaltiger Energie variiert die CO2-Intensität im Netz ständig.

Time Shifting

Im Fall des Time Shifting können Systeme sich genau diese Volatilität der CO2-Intensität zunutze machen. Ressourcenintensive Prozesse – wie Backups oder das Versenden von Newslettern – müssen nicht immer ad hoc ausgeführt werden. Stattdessen können diese Prozesse ausgeführt werden, wenn viel regenerativer Strom ins Netz eingespeist wird.

Location Shifting – follow the sun/wind

Auf den gleichen Prinzipien basiert das Location Shifting. Dabei werden ressourcenintensive Prozesse jedoch nicht aufgeschoben, sondern in andere Rechenzentren verlagert. Wenn ein Rechenzentrum gerade mit viel regenerativem Strom versorgt wird, kann es sich in Bezug auf die zu erwartenden CO2-Emissionen lohnen, Berechnungen dorthin auszulagern. Dieses Offloading lohnt sich dann, wenn die Energiekosten für die Übertragung von Daten zum Rechenzentrum die eingesparte Menge CO2 nicht übersteigen. Die Übertragung und Verarbeitung einfacher Daten ist für dieses Verfahren prädestiniert. Bei komplexen Daten wie Videos und Bildern muss genau berechnet werden, ob sich die Auslagerung des Prozesses wirklich lohnt.

Lastspitzen

Die Vermeidung von Lastspitzen sollte ergänzend zum Time und Location Shifting umgesetzt werden, da bei jeder Lastspitze im Netz der Mehrbedarf aus fossilen Energieträgern oder Energiespeichern gedeckt wird. Eine einfache Maßnahme zur Vermeidung von Lastspitzen ist etwa, Prozesse wie Cron-Jobs nicht zur vollen Stunde auszuführen, da häufig auch andere Prozesse auf die vollen Stunden terminiert sind.

Grünes Hosting

Green-Cloud- oder -Hosting-Angebote sind eine weitere Möglichkeit, einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit zu leisten. Die Rechenzentren verbrauchen zwar in der Regel denselben Strom wie alle anderen Rechenzentren in der Region, die Anbietenden unterstützen über den Preisaufschlag für grünen Strom oder Power Purchase Agreements jedoch den Ausbau regenerativer Energien oder Umweltschutzprojekte. Seltene Gegenbeispiele sind Rechenzentren in der Schweiz, Island oder Skandinavien, die wirklich nur mit regenerativem Strom betrieben werden. Diese können eine wirkliche Alternative sein, wenn die versendeten Inhalte nicht sonderlich komplex sind und der Netzwerkinfrastruktur bei der Übertragung wenig Leistung abverlangen.

Müssen wir sparen?

Verschwendung von Rechenleistung

Die Vermeidung von Ausschuss und Verschwendung sowohl bei Software als auch Hardware ist neben der Effizienz und der Stromquelle der dritte große Aspekt ökologisch nachhaltiger Software. Sensoren, die beispielsweise mehrmals in der Sekunde mit vielen Dezimalstellen messen, verbrauchen unnötig viel Strom, wenn der Anwendungsfall solch eine Präzision nicht zwingend erfordert. Gleiches gilt für die Bereitstellung von Ressourcen. Nicht jede Anwendung muss rund um die Uhr mit der maximalen Rechenleistung verfügbar sein. Ein verantwortungsvoller Umgang mit digitalen Ressourcen – also die Vermeidung unnötigen Ressourcenverbrauchs – ist ein wichtiger Baustein digitaler Nachhaltigkeit und häufig die niedrigschwelligste Maßnahme.

Die Rolle der Hardware

Neben dem Stromverbrauch spielt die Hardware weiterhin eine zentrale Rolle bei digitaler Nachhaltigkeit. Denn auch die Herstellung von Hardware – seien es Laptops, Smartphones oder die Ausstattung in Rechenzentren – verbraucht Ressourcen. Über die Lebensdauer einer typischen Webanwendung liegt der Footprint durch die anteilig genutzte Hardware bei rund 19 Prozent. Der Blaue Engel – das Umweltzeichen für ressourcen- und energieeffiziente Software – fordert daher die Abwärtskompatibilität von Software von mindestens fünf Jahren. Dadurch kann die Notwendigkeit regelmäßiger Neuanschaffungen von leistungsfähigerer Hardware reduziert werden. Jedoch sind auch solche Maßnahmen nie ohne Zielkonflikte umsetzbar. So verbraucht etwa ein generisches System, das für viele Chip-Architekturen entwickelt wird, mehr Strom, als wenn ein Low Level Code passgenau für den verwendeten Chip entwickelt wird.

Wie nachhaltig ist meine Software?

Offizielle Standards zur Bewertung digitaler Nachhaltigkeit gibt es noch nicht. Allgemeine Frameworks für die Evaluation der Nachhaltigkeit von Produkten, Dienstleistungen und Unternehmen sind jedoch breit genug ausgelegt, um auch auf digitale Lösungen angewendet werden zu können. Zudem gibt es einige wenige jüngere Rahmenwerke für die gezielte Analyse digitaler Lösungen. Prominente Vertreter allgemeiner Frameworks sind die ISO 14040:44 oder das GHG Protocol. Ein konkreter Ansatz im Bereich digitaler Nachhaltigkeit entwickelt sich aktuell mit dem Software Carbon Intensity Standard. Tools wie der Website Carbon Calculator oder der Green Web Checker können zudem bei einer ersten Einordnung helfen.

Fazit

Zu einer schlüssigen Nachhaltigkeitsstrategie gehört immer auch eine Betrachtung der digitalen Nachhaltigkeit. Dabei muss nachhaltige Software nicht zwangsläufig teurer sein, die meisten Unternehmen begreifen sie vielmehr bereits als Chance. Viele der vorgestellten Lösungsansätze für nachhaltige Software sind zudem mit geringem Aufwand umsetzbar und können Betriebskosten in Form von Strom oder eingekaufter Rechenleistung sparen. Best Practices wie Caching und Bildkomprimierung gehören außerdem schon längst zum Repertoire der meisten Entwickelnden und müssen allenfalls noch in der praktischen Umsetzung optimiert werden.