Prinzip: CO2-Bewusstsein
Der Inhalt des Videos ist weiterhin gültig, aber die Prinzipiennummern können aufgrund der Neunummerierung durch die Green Software Foundation abweichen.
CO2-Bewusstsein
Strom wird nicht immer auf die gleiche Weise erzeugt. Im Laufe der Geschichte erfolgte die Stromerzeugung aus verschiedenen Quellen mit unterschiedlich starken CO2-Emissionen. Einige Energiequellen wie Wind, Sonnenstrahlung oder Wasserkraft sind saubere, erneuerbare Quellen, die kein Kohlendioxid erzeugen. Andere fossile Brennstoffe geben bei der Stromerzeugung unterschiedliche Mengen an Kohlendioxid ab. Gaskraftwerke erzeugen beispielsweise weniger Kohlendioxid als Kohlekraftwerke.
CO2-Intensität
Die CO2-Intensität von Strom ist das Maß für die Menge der CO2-Emissionen (CO₂eq), die pro verbrauchter Kilowattstunde Strom erzeugt werden.
Die Standardeinheit für die CO2-Intensität ist gCO₂eq/kWh, also Gramm CO2 pro Kilowattstunde.
Wenn Ihr Computer den Strom direkt von einem Wasserkraftwerk beziehen würde, läge die CO2-Intensität des verbrauchten Stroms bei zero gCO₂eq/kWh. Ein Wasserkraftwerk erzeugt kein Kohlendioxid bei der Energiegewinnung. Die meisten Menschen verfügen jedoch nicht über einen direkten Anschluss an ein Wasserkraftwerk. Stattdessen beziehen sie den Strom über ein Netz, in das Strom aus verschiedenen Energiequellen eingespeist wird, die jeweils unterschiedliche Mengen von Kohlendioxid erzeugen. Wenn Sie an ein Stromnetz angeschlossen sind, liegt Ihre CO2-Intensität normalerweise über null.
Variabilität der CO2-Intensität
Die CO2-Intensität ändert sich je nach Standort, da einige Regionen über einen saubereren Energiemix verfügen als andere.
Sie ändert sich jedoch auch im Laufe der Zeit aufgrund der veränderlichen Natur der erneuerbaren Energien. Wenn der Himmel z. B. bewölkt ist oder der Wind nicht weht, steigt die CO2-Intensität, da der Anteil der stärker CO2-lastigen Energieträger in Ihrem Strommix zunimmt.
Die Stromnachfrage schwankt im Tagesverlauf und muss gedeckt werden. Ein Teil der Stromerzeuger kann seine Leistung leicht regulieren. Ein Kohlekraftwerk kann beispielsweise weniger Kohle verbrennen. Ein anderer Teil kann die umgesetzte Leistung jedoch nicht so einfach steuern. Ein Windpark kann beispielsweise nicht kontrollieren, wie viel Wind weht. Kostenlos erzeugter Strom kann nur verfallen (Drosselung der Erzeugung).
Aufgrund der Funktionsweise von Energiemärkten werden die hochgradig CO2-lastigen fossilen Energieträger zuerst heruntergefahren und die erneuerbaren zuletzt, wenn die Stromnachfrage sinkt.
Durch eine Verringerung der von Ihren Anwendungen verbrauchten Strommenge kann die CO2-Intensität des Energiemixes im lokalen Netz reduziert werden.
Marginale CO2-Intensität
Ein Grenzkraftwerk ist in der Regel ein System, das schnell auf Änderungen der Stromnachfrage reagieren kann, wie z. B. eine Gasturbine.
Wenn Sie mehr Strom beanspruchen, wird dieser im Grenzkraftwerk produziert. Es kann sich jedoch nicht um ein Windrad oder Solarzellen handeln, da Sie diese nicht anweisen können, mehr zu produzieren.
Dieses Kraftwerk kann seinen Energieoutput steuern. Erneuerbare Energien hingegen können die Sonne oder den Wind nicht beeinflussen, sodass Grenzkraftwerke häufig mit fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Das Grenzkraftwerk emittiert Kohlendioxid. Es fällt also nicht nur die übliche CO2-Intensität des Strommixes im Netz an, sondern auch die CO2-Intensität des Stroms, der erzeugt werden müsste, um den neuen Bedarf zu decken. Dies wird als marginale CO2-Intensität bezeichnet.
Mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke erreichen selten den Nullpunkt, da ihr Betrieb über einem minimalen Schwellenwert liegen muss. Einige werden überhaupt nicht heruntergefahren (skaliert), da sie eine ständig verfügbare Grundlast bereitstellen. So kann es zu dem unrealistischen Szenario kommen, in dem kostenlos erzeugte erneuerbare Energie verfällt (Drosselung der Erzeugung), damit Strom aus kostenpflichtigen fossilen Trägern ins Netz gespeist werden kann.
Wenn eine neue Last durch eine erneuerbare Energiequelle gedeckt wird, die andernfalls gedrosselt worden wäre, liegt die marginale CO2-Intensität bei zero gCO₂eq/kWh.
Es gibt Zeiten, zu denen die marginale CO2-Intensität des Stroms zero gCO₂eq/kWh beträgt. Die Ausführung von Computevorgängen während dieser Zeit ruft durch ihren Stromverbrauch keine Kohlendioxidemissionen hervor.
Bedarfsverlagerung
Stromnetze verfügen derzeit über sehr wenig Möglichkeiten, Strom zu speichern oder zu puffern. Üblicherweise ist die Stromerzeugung darauf ausgelegt, dass das Angebot immer die Nachfrage deckt. Wenn aus erneuerbaren Energien mehr Strom als nachgefragt erzeugt wird und alle Speichersysteme ausgelastet sind, wird diese saubere Energie gedrosselt (verfällt). Eine Lösung besteht darin, die Ausführung von Workloads auf Zeitpunkte und Standorte zu verlagern, an denen mehr erneuerbare Energien vorhanden sind. Dieses Konzept wird als Bedarfsverlagerung bezeichnet.
Wenn Sie Workloads flexibel ausführen können, können Sie den Stromverbrauch auf Zeiten mit geringer CO2-Intensität legen und ihn anhalten, wenn die CO2-Intensität hoch ist. Ein Beispiel wäre, ein Machine Learning-Modell zu einem Zeitpunkt oder in einer Region zu trainieren, zu dem bzw. in der die CO2-Intensität erheblich geringer ist.
Studien wie Berechnen der CO2-Emissionen von Computevorgängen haben gezeigt, dass diese Aktionen den CO2-Ausstoß um 45 % und bis zu 99 % reduzieren können, je nach Anzahl der erneuerbaren Energien, die in den Energiemix eingespeist werden.
Sehen Sie sich Ihre Anwendung noch einmal genau an, ermitteln Sie flexibel ausführbare Workloads, und verwenden Sie die CO2-Intensität des Stroms als Signal dafür, ob und wann diese Workloads ausgeführt werden sollen.
Berechnen der CO2-Intensität
Viele Dienste bieten Ihnen die Möglichkeit, Echtzeitdaten zur aktuellen CO2-Intensität unterschiedlicher Stromnetze abzurufen. Einige stellen auch Schätzungen zur zukünftigen CO2-Intensität bereit. Andere geben die marginale CO2-Intensität an.
Carbon Intensity API: Hierbei handelt es sich um eine kostenlose Ressource für Daten zur CO2-Intensität im Vereinigten Königreich.
ElectricityMap: Diese Plattform ist bei einer nicht kommerziellen Verwendung für einzelne Länder/Regionen kostenlos. Es gibt jedoch auch Premiumlösungen für den kommerziellen Zugriff mit mehreren Ländern/Regionen.
WattTime: Dieses Angebot ist für einzelne Netzregionen kostenlos. Premiumlösungen für mehrere Netze und Grenzemissionen in Echtzeit sind ebenfalls verfügbar.
Eine Verlagerung des Bedarfs ist eine Strategie, bei der Computevorgänge in Regionen oder Zeiträume verlagert werden, in denen die CO2-Intensität geringer ist, oder anders formuliert, wenn das Angebot erneuerbarer Elektrizität hoch ist.
Die Anpassung des Bedarfs ist eine ähnliche Strategie, aber anstatt dass der Bedarf in eine andere Region oder einen anderen Zeitraum verschoben wird, wird der Bedarf so angepasst, dass er dem vorhandenen Angebot entspricht.
Wenn das Angebot erneuerbarer Energien hoch ist, können Sie den Bedarf steigern (d. h. mehr Vorgänge in Ihren Anwendungen ausführen). Wenn das Angebot gering ist, können Sie den Bedarf senken (d. h weniger Vorgänge in Ihren Anwendungen ausführen).
Ein gutes Beispiel für dieses Konzept ist Software für Videokonferenzen. Anstatt ständig mit bestmöglicher Qualität zu streamen, wird hierbei oft der Bedarf angepasst, indem die Videoqualität herabgesetzt wird, um die Audioqualität zu priorisieren.
Ein weiteres Beispiel ist TCP/IP. Die Übertragungsgeschwindigkeit nimmt im Verhältnis dazu zu, wie viele Daten über eine Leitung übertragen werden können.
Ein drittes Beispiel sind progressive Verbesserungen im Web. Die Servicequalität im Web nimmt zu, desto mehr Ressourcen und Bandbreite auf dem Gerät des Endbenutzers bzw. der Endbenutzerin verfügbar sind.
Klimabewusst vs. CO2-effizient
CO2-Effizienz kann transparent für den Endbenutzer sein. Es ist möglich, in jeder Phase der Konvertierung von Kohlendioxid in hilfreiche Funktionen effizienter vorzugehen und gleichzeitig für eine gleichbleibende Servicequalität für Benutzer*innen zu sorgen.
Ab einem gewissen Punkt ist eine transparente höhere CO2-Effizienz jedoch nicht mehr ausreichend. Wenn die Kohlendioxidemissionen für das Ausführen einer Anwendung aktuell zu hoch sind, kann die Servicequalität für Benutzer angepasst werden, um die Kohlendioxidemissionen weiter einzuschränken. Ab dem Punkt, an dem dem Benutzer bewusst wird, dass die Anwendung anders ausgeführt wird, spricht man von einer klimabewussten Anwendung.
Bei der Anpassung des Bedarfs für klimabewusste Anwendungen geht es um die Begrenzung von Kohlendioxidemissionen. Wenn diese für das Ausführen Ihrer Anwendung sehr hoch werden, können Sie den Bedarf so anpassen, dass er einer bestimmten Menge Kohlendioxid entspricht. Entweder geschieht dies automatisch, oder der Benutzer entschließt sich dazu.
Die Anpassung des Bedarfs kann einem allgemeineren Konzept der Nachhaltigkeit zugeordnet werden, nämlich, den Verbrauch zu reduzieren. Ein effizienterer Umgang mit Ressourcen kann schon viel erreichen, ab einem gewissen Punkt muss aber einfach auch der Verbrauch reduziert werden. Für nachhaltigkeitsorientierte Softwareentwickler*innen heißt CO2-Effizienz also vielleicht, Computevorgänge abzubrechen, wenn die CO2-Intensität besonders hoch ist, anstatt den Bedarf zu verlagern. Damit werden der Bedarf unserer Anwendung sowie die Erwartungen unserer Endbenutzer*innen angepasst.
Ökologische Modi
Ökologische Modi kommen im Alltag oft vor, beispielsweise bei Autos oder Waschmaschinen. Wenn sie aktiviert werden, ändert sich die Leistung, da weniger Ressourcen (Benzin, Elektrizität) für das Durchführen derselben Aufgabe genutzt werden. Es entstehen auch Nachteile, andernfalls wären ökologische Modi schon längst der Standard. Aufgrund dieser Nachteile werden Benutzern diese Modi meist als Auswahlmöglichkeit dargestellt, und der Benutzer entscheidet sich dazu, ob er den Modus verwenden und die Nachteile akzeptieren möchte.
Auch für Softwareanwendungen gibt es solche ökologischen Modi, die bei Aktivierung das Anwendungsverhalten auf die folgenden beiden Weisen ändern können:
Intelligenz: Benutzer*innen erhalten Informationen, um auf dieser Grundlage Entscheidungen treffen zu können.
Automatisch: Die Anwendung trifft automatisch umfassendere Entscheidungen, um die Menge an Kohlendioxidemissionen zu reduzieren.