Vom Sündenbock zum Klimaretter

Die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) ist für 2 % der Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Mit dieser Meldung hat das Beratungshaus Gartner vor ein paar Jahren eine breite Diskussion um das Thema "Green IT" losgetreten. Die IT-Anbieter haben reagiert und versuchen, ihre Produkte bei der Produktion, im Betrieb und in der Entsorgung ressourcenschonender, stromsparender, umweltfreundlicher zu machen.

Doch im Hinblick auf die gesamte CO2-Bilanz der IKT bleibt die Grüne IT ein Nullsummenspiel. Die rasante Wirtschaftsentwicklung in den Schwellenländern bringt eine explosionsartige Steigerung bei der Nutzung von Computern, Internet und Mobilfunknetzen mit sich. Verbesserungen in der Energieeffizienz der Infrastruktur werden dadurch zunichte gemacht. Ein weitaus größerer positiver Klimaeffekt ist mit innovativen IKT-Lösungen zu erzielen, die zu einer Ökologisierung der Gesamtwirtschaft und des Alltagslebens beitragen können. "ICT for Green" ist das neue Motto.

"Green Growth Strategy"

Die OECD hat diesen Ansatz in ihre "Green Growth Strategy" integriert und fordert ihre Mitgliedsstaaten auf, solche "smarten" IKT-Technologien zu fördern. Die EU hat eine ähnliche Initiative. Für das BMVIT ist dieser Ansatz kein Neuland. Es fördert schon seit mehreren Jahren Forschungen und Projekte, die dieser umfassenderen Definition von grüner IKT entsprechen.

Im Kernbereich der IKT-Forschung sind das fünf Projekte der FIT-IT Programmlinien. ECO-Sensor zum Beispiel beschäftigt sich mit Elektrizitätsgewinnung aus Maschinenvibration (Energy Harvesting) für autarke Sensornetzwerke wie sie zum Beispiel in landwirtschaftlichen Maschinen Verwendung finden. Einem weiter gefassten Green IT-Begriff im Sinne von Applikationen für intelligente, Ressourcen schonende Design-, Monitoring- oder Outsourcing-Lösungen sind weitere 14 FIT-IT Projekte zuzuordnen - auch aus den Programmlinien Visual Computing und Semantic Systems. Bis Ende 2009 waren 20 von 200 FIT-Projekten "grün" und wurden mit insgesamt 10 Mio. Euro gefördert. Das sind 15 % des Gesamtbudgets.

Aus dem Programm Energie 2020 und seinen Vorgängerprogrammen gibt es weitere 30 Beispiele mit einer Gesamtfördersumme von 9 Mio. Euro, wobei hier vor allem sechs "Smart Grids"-Pilotprojekte in den Pionierregionen Salzburg, Linz, Großes Walsertal, Vöcklabruck, Murau, und Großschönau hervorzuheben sind. Dazu Michael Hübner, der in der Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien des BMVIT für Strategieentwicklung zuständig ist: "Die einzelnen Projekte in den Modellregionen beziehen sich wie in einer Matrix aufeinander. Endziel der Smart Grids-Initiative ist eine Neuordnung der Elektrizitätsversorgung, um die erneuerbaren Energieträger optimal im Netz zu positionieren und Energie zu sparen."

Stromsparender Datenverkehr

Ein Thema, das immer brisanter wird, ist der explodierende Stromverbrauch von Kommunikations- und Datennetzen. Allein die Serverfarmen an den Hauptknotenpunkten des Internets verbrauchen 180 Mrd. Kilowattstunden im Jahr - Tendenz stark steigend. Mit der Energie, die eine einzige Google-Abfrage verbraucht, könnte eine Energiesparlampe eine Stunde lang brennen. Zwei FIT-IT Projekte haben sich dieses speziellen Problems angenommen.

"GreenDSL" hat den Stromverbrauch im Wireline-Verkehr im Visier. Bestehende DSL-Systeme sind auf optimale Leistung bei voller Bandbreite optimiert. Sie sind während der gesamten Übertragungsphase aktiv. Die verwendeten DSL-Standards sehen zwar stromsparende Betriebsmodi bei geringerer Last vor, doch werden diese in bisherigen Implementierungen nicht genutzt. "GreenDSL" entwickelt ein Verfahren, das über mehrere Schichten der Netzwerkarchitektur Verbesserungen vornimmt, um neuartige stromsparende DSL-Varianten zu ermöglichen. Ziel des Projekts, das vom BMVIT mit 713.000 Euro gefördert wird (Hälfte der Projektkosten), ist es, den Energieverbrauch eingebetteter Systeme in DSL-Infrastrukturen deutlich zu reduzieren.

Bisherige Initiativen hatten immer die Reduktion des absoluten Stromverbrauchs pro Übertragungskanal für eine limitierte Anzahl an Übertragungsmodi im Auge. GreenDSL dagegen betrachtet nicht nur die physische Schicht, sondern alle Transportschichten. Die Kanäle werden in Subkanäle aufgedröselt, um Redundanzen in der Signalerzeugung zu entdecken. Für den Stromverbrauch des Signals sind seine Frequenz und seine Länge ausschlaggebend. Dazu Projektleiter Thomas Nordström vom Forschungszentrum Telekommunikation Wien: "Mit Hilfe Software-basierter Algorithmen versuchen wir, das verwendete Frequenzspektrum im Hinblick auf den Energieverbrauch zu optimieren."

Auch auf anderen Ebenen werden mögliche Verbesserungen erforscht: zum Beispiel bei der Energie raubenden Umwandlung von Digital- in Analogsignale. Und nicht zuletzt wird auch an der Entwicklung von wirkungsvollen Niedrigenergie-Modi für die DSL-Infrastruktur gearbeitet. "Wenn kein Signal gesendet wird, soll auch kein Strom verbraucht werden", erklärt Nordström das Ziel. Bestehende alte DSL-Systeme werden allerdings instabil, wenn die Modems permanent hinauf- und hinuntergefahren werden. "Wir arbeiten einerseits an Methoden, Altsysteme zu stabilisieren, und andererseits neue Technologien wie VDSL3 von vornherein energieeffizient zu designen", so Nordström.

Das Projekt läuft noch bis März 2011. Projektpartner ist die auf Halbleiter für die Telekom-Industrie spezialisierte Villacher Firma Lantiq. Nordström schätzt, dass man auf Basis der Projektergebnisse im bestehenden VDSL2-Standard 20 % bis 30 % des Energieverbrauchs einsparen können wird - mit einigen Modifikationen des Standards sogar 50 %. Die erforschten Methoden können auch auf ADSL2/2+ sowie zukünftige xDSL Systeme angewendet werden.

Grüne Signale im Mobilfunk

Neue Mobilfunkstandards bringen eine dramatische Erhöhung der Datenrate mit sich. Um diese Hochleistungssignale zu erzeugen, ist ein enormer Energieaufwand notwendig. Eine deutliche Senkung des Stromverbrauchs von Funkstationen gilt daher bei den Netzbetreibern schon länger als so etwas wie der Stein der Weisen. Denn nur, wenn man den Stromverbrauch in den Griff bekommt, kann mobile Kommunikationstechnik der nächsten Generation mit hohen Datenraten zu geringen Kosten gewährleistet werden. Und das ist letztendlich die Grundbedingung für eine schnelle Verbreitung. Die teuersten und auch energiehungrigsten Komponenten in den 3G Funk-Basisstationen sind die Verstärkerschaltungen. Und sie weisen dabei eine sehr geringe Energieeffizienz von nur 15 bis 25 % auf. Da der Rest großteils als Wärmeenergie verloren geht, kommt noch zusätzlich ein nicht unerheblicher Kühlaufwand dazu, der die Gesamteffizienz noch weiter verringert. Die operativen Energiekosten solcher Sendestationen sind mittlerweile schon höher als die Investitionskosten (jährliche Abschreibung) für ihre Errichtung.

Universitätsassistent Holger Arthaber vom Institut für Elektrische Mess- und Schaltungstechnik an der TU-Wien bringt das plakative Beispiel eines sehr großen Mobilfunkkonzerns: "Beim führenden Netzbetreiber in Japan sind 80 % des Gesamtenergieverbrauchs - also inklusive Bürobeleuchtung und Kaffeemaschinen - auf die Basisstationen zurückzuführen." Der Löwenanteil entfällt dabei auf die Hochfrequenzverstärker, die dafür sorgen, dass das Signal auch noch in mehreren Kilometern Entfernung in ausreichender Stärke und Klarheit beim Mobilgerät ankommt. Die UMTS-Technik stellt diesbezüglich noch höhere Anforderungen, wodurch der Wirkungsgrad noch weiter sinkt. Es besteht daher an der Entwicklung effizienter Verstärker höchstes Interesse - sowohl bei Betreibern als auch Herstellern von Basisstationen. Hier setzte das Forschungsprojekt "Switched" an, das von Infineon Austria und der TU-Wien durchgeführt und vom BMVIT mit 289.000 Euro gefördert wurde - das ist die Hälfte der Projektkosten.

Es wurden verschiedene Übertragungsarchitekturen erforscht, die eine signifikante Effizienzverbesserung versprechen. Die Forscher entwickeln so genannte geschaltete Verstärker (Switched Mode Power Amplifiers = SM-PAs), die für phasenmodulierte Signale eine besonders hohe Effizienz aufweisen. Der Chiphersteller und die Uni haben dabei ihre Kompentenzen gebündelt: Infineon Villach hat bereits SM-PAs für Audio- und xDSL-Applikationen entwickelt und die Gruppe Mikrowellentechnik des Instituts für Elektrische Mess- und Schaltungstechnik kann exzellentes Know-how im Bereich hoch effizienter PAs vorweisen. Fokus der Forschung liegt auf "gepulsten" Verstärkern.

"Das bedeutet, man steuert den Verstärker nicht mit einem analogen, sondern mit einem digitalen Signal an. Bei dieser Übertragungsart gibt es viele Störungsquellen", erklärt Projektleiter Arthaber den Kern der Problemstellung. Ziel der Forschungen ist es, eine Schaltungstechnik zu entwickeln, die diese Störungen minimiert und eine hohe Qualität des Ausgangssignals bei geringerem Energieverbrauch gewährleistet. Das Projekt, das im Vorjahr endete, hat ein paar viel versprechende Ansätze hervorgebracht. Für UMTS könnte gemeinsam mit Infineon in drei bis vier Jahren ein marktreifes Produkt entwickelt werden, schätzt Arthaber. Im Hinblick auf die neue Mobilfunkgeneration LTE hätten sich im Projekt allerdings noch weitere technische Hürden herauskristallisiert, räumt Arthaber ein.

Die redaktionell unabhängige Druckstrecke "ICT for Green" wurde mit freundlicher Unterstützung des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) erstellt.

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