Ressourcen und Umwelt: Durch effiziente Vernetzung läuft 5G schonender

Damit Deutschland vom neuen Mobilfunkstandard 5G profitiert, wird in der Bundesrepublik das 5G-Mobilfunknetz ausgebaut. Diese Sendeanlagen effizient zu betreiben, ist zentral für die Schonung der Umwelt.

Stromverbrauch der neuen Technik

Die fünfte Mobilfunkgeneration umfasst Konzepte und Technologien, mit denen der Mobilfunk energie- und ressourceneffizient gestaltet werden kann. Dieses Potenzial ergibt sich daraus, dass durch die Art der Signalübertragung das Frequenzspektrum besser genutzt werden kann (die sogenannte spektrale Effizienz) und mehrere Antennensysteme besser zusammenwirken können. Hierdurch kann mit weniger Energie eine höhere Datenmenge per Funk übertragen werden. Die vorhandenen Ressourcen werden besser genutzt und ausgelastet. Eine 5G-Funkzelle kann daher deutlich mehr Nutzerinnen und Nutzer oder auch Sensoren versorgen. Bei einer gleichen Anzahl von Nutzerinnen und zu übertragenden Daten kann dadurch der ansonsten notwendige Ausbau von Antennenstandorten begrenzt werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber älteren Mobilfunkgenerationen besteht darin, dass 5G erstmals ein direktes Energiesparmanagement unterstützt.

Weiteres Potential ergibt sich aus der Möglichkeit, die bisherigen Systeme von der zweiten bis vierten Mobilfunkgeneration (GSM, UMTS, LTE) teilweise oder weitgehend zu ersetzen. Eine Kooperation der in Deutschland agierenden Mobilfunknetzbetreiber beim Betrieb von Antennenstandorten könnte es ermöglichen bestehende redundante Netzkapazitäten bei unveränderter oder besserer Netzabdeckung abzubauen. Das würde Energie und Rohstoffe sparen.

Die neuen Mobilfunksender selbst verbrauchen im Vergleich zu ihren 4G Vorgängern deutlich weniger Strom. Das gilt allerdings nicht für die Systemtechnik und die Rechenzentren. Aufgrund der wahrscheinlich immens steigenden Datenmenge gehen Expertinnen und Experten davon aus, dass der Energiebedarf der Rechenzentren zukünftig weiter steigen wird. Vor allem die Kühlleistung der Server spielt eine wichtige Rolle.

Forschung zur Umweltbelastung

Die Entwicklung und der Ausbau von 5G, die derzeit wie auch die bisherigen Mobilfunknetze im Frequenzbereich bis 7 Gigahertz stattfinden, hat hier das beste Potenzial, alte ineffiziente Technik abzulösen und mit effektiveren neuen Netzen, mittelfristig den Mobilfunk umweltfreundlicher zu gestalten. Im Forschungsvorhaben „Technikfolgenabschätzung der Veränderungsprozesse für den Bereich der Netzinfrastrukturen des Mobilfunks inklusive der Endgeräte und der sich daraus ergebenden Umweltbelastung“, das das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration im Auftrag des Umweltbundesamtes durchführt, wird die Entwicklung des Energie- und Rohstoffbedarfs der neuen Mobilfunkgeneration untersucht. Neben dem Energiebedarf der künftigen Mobilfunkinfrastruktur wird auch deren Rohstoffbedarf, insbesondere an kritischen Rohstoffen wie Gallium, Germanium oder Indium, analysiert. Das Forschungsvorhaben wird voraussichtlich Ende 2021 mit Maßnahmenempfehlungen abgeschlossen, die den Energie- und Ressourcenbedarf der Mobilfunkinfrastruktur effektiv reduzieren.

Abwärme könnte genutzt werden

Einen wichtigen Ansatzpunkt liefert eine Studie der RWTH Aachen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass beim dauerhaften Betrieb der Rechenzentren sowie beim Kühlen eine große Menge an Niedertemperaturabwärme entsteht – laut der Studie bis zu 8 Milliarden Kilowattstunden Abwärme bis zum Jahr 2025. Hier liegt ein großes Potenzial der kommenden Jahre. Denn die Niedertemperaturabwärme könnte als Energiequelle und mit dem Einsatz von Wärmepumpen und Wärmespeichern zur Wärmeversorgung von energieeffizienten Wohnsiedlungen und ganzen Stadtteilen genutzt werden und somit einen Klimaschutzbeitrag durch die Verdrängung fossiler Energieträger leisten. Das setzt jedoch eine integrierte Planung der Kühlsysteme im Rechenzentrum, der Wärmetauscher und Wärmeverteilnetze und der energetischen Ausstattung der versorgten Gebäude voraus. Diese Planungsprozesse sind heute noch sehr selten, bislang wird Abwärme nur in einem von 100 Rechenzentren umfangreich genutzt. Vor dem Hintergrund des hohen Energieeinsparpotenzials solcher Lösungen und des wachsenden Energiebedarfs von Rechenzentren, ist die Verbreitung solcher Sektorkopplungskonzepte zwischen Rechenzentren und den Wärmebedarfsobjekten in ihrer jeweiligen Umgebung wünschenswert.

Intelligente Steuerung ermöglicht die energieeffiziente Vernetzung von Energieerzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energiequellen und Mobilfunksendeanlagen, die ihrerseits mit Industriestandorten oder Stadtteilen verbunden sind, um erneuerbaren Strom und Abwärme ohne Umwandlungen direkt und effizient zu nutzen. In sich schaffen sie ein sektorengekoppeltes System mit geringen CO₂-Emissionen. Die Verbreitung solcher integrierten Energiekonzepte setzt gezielte Information und das Schaffen von geeigneten Rahmenbedingungen für die Beteiligten voraus. Die Schaffung einer verpflichtenden kommunalen Wärmeleitplanung wird als ein geeignetes Instrument zur breitenwirksamen Unterstützung integrierter Konzepte diskutiert.

Links und weiterführende Informationen

1. Höfer, Bierwirth & Madlener (2019). C15 –Energie-Mehrverbrauch in Rechenzentren bei Einführung des 5G Standards, S. 25. Aachen: Institute for Future Energy Consumer Needs and Behavior (FCN) & RWTH Aachen. [22.07.2020].
2. Zeit Online. Durch 5G steigt Stromverbrauch in Rechenzentren stark an. [22.07.2020].
3. Fraunhofer IZM. Environmental & Reliability Engineering, UTAMO. [22.07.2020].
4. UmweltDialog Online. Steigender Energieverbrauch durch 5G. [22.07.2020].

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