Wie klima­schäd­lich ist Video-Streaming?

In der allgemeinen Wahr­nehmung kommt das Video-Streaming bezüglich Umwelt­belastung und Energie­verbrauch nicht besonders gut weg. Gefördert wird diese Grund­haltung durch Artikel mit Titeln wie «Streaming ist das neue Fliegen» (NZZ, 16. 4. 2019) – keine schwierige Sache bei einem so komplexen Thema. Der «Stern» setzt ein Fragezeichen ein, um es vorsichtiger zu formulieren: «Ist Streaming das neue Fliegen?» (Stern, 25. 9. 2020).

Grundsätzlich könnte es ja sein, dass diese Wahr­nehmung gerechtfertigt ist. Ein White Paper des Carbon Trusts aus dem Jahr 2021 – basierend auf relativ aktuellen Verbrauchs­daten der invol­vierten Kompo­nenten – ist da aber anderer Ansicht. Dem Trust, einem auf die Reduktion des CO₂-Ausstosses speziali­sierten inter­nationalen Unter­nehmen mit Hauptsitz in London, kann man nicht unterstellen, die Situation aufgrund von Eigen­interessen verharm­losen zu wollen. Konkret geht die Studie der Frage nach, wie gross die klima­tischen Aus­wir­kungen sind, wenn man eine Stunde lang ein Video streamt. Für die CO₂-Emissionen wird dabei auf den europäischen Strommix zurückgegriffen.

Der Vorteil des Streamings liegt darin, dass die physische Seite der Medienträger samt Produktion, Transport usw. und somit die damit verbundenen Umwelt­belas­tungen entfallen. Dafür intensiviert sich der Energie­verbrauch bei den für das Streaming nötigen Kompo­nenten wie Datencenter, die für die Kodierung und lokaleren Speicherung von Kopien der ursprüng­lichen Videodaten genutzten Content Delivery Networks (CDN), die Internet-Kompo­nenten und die Heim-Router. Bei den Endgeräten entspannt sich die Situation hingegen wieder, denn DVDs und Blu-rays wurden vorwiegend auf energie­inten­siveren TV-Geräten geschaut. Mit dem Einzug des Internets ins Video­konsum­verhalten kamen Laptops, Tablets und Mobil­telefone hinzu, die deutlich weniger Energie für ihren Betrieb benötigen.

Die Unsicherheitsfaktoren

Zunächst einmal: Aus der Perspektive eines spezifischen Video­betrachters gibt es keine pauschale Antwort darauf, mit welchen Emissionen jemand beim Streamen rechnen muss. Zahlreiche stark variierende Faktoren beeinflussen nämlich die Treib­haus­gas­emissionen. Diese Variabilität hängt unter anderem vom länder­spezifischen Strommix ab, mit dem die involvierte Streaming-Infrastruktur betrieben wird. Während 2020 die Erzeugung einer Kilowattstunde in Schweden für die Emission von 8,8 g CO₂ verantwortlich war, lag diese Zahl für die Schweiz bei 128 g (Verbraucher-Strommix gemäss Produktion und Stromhandel, Bafu) und für Deutschland bei 311 g. Europäischer «Spitzenreiter» ist Estland mit knapp 775 g CO₂.

Der zweite wichtige Einfluss­faktor ist das verwendete Anzeigegerät. Schaut man Videos auf einem 50"-Fernsehgerät, ist der Strom­verbrauch im Schnitt etwa vier­einhalb­mal grösser als beim Verwenden eines Laptops und etwa neunzigmal grösser als beim Einsatz eines Mobiltelefons. Gemäss der erwähnten Studie ist üblicherweise das Anzeigegerät für die grössten Treib­haus­gas­emissionen verantwortlich.

Ein weiterer Faktor sind technologische Innovationen, die zu geringeren Treib­haus­gas­emissionen führen – sowohl beim Strommix als auch bei der Elektronik. Einerseits steigt der Anteil an erneuerbaren Energien beim Strommix, und andererseits werden elektro­nische Geräte zunehmend energieeffizienter – also nebst den Displaytechnologien auch die Rechenzentren und die Netzwerk­komponenten. Analog zum Mooreschen Gesetz, das die Transistorendichte beschreibt, lassen sich diese Effizienz­steige­rungen bei der Elektronik durch das Koomeysche Gesetz quantifizieren. Letzteres geht von einer Verdoppelung der Effizienz alle 1,6 Jahre aus, mit einer Verlangsamung ab dem Jahr 2000 auf alle 2,6 Jahre. Für draht­gebundene Internet-Daten­übertragung gilt die Regel von Aslan, die von 2000 bis 2015 von einer Halbierung des Energie­verbrauchs pro GB alle zwei Jahre ausgeht. Wegen dieser kontinuierlichen Halbleiter­opti­mierung sind Umwelt­belastungs­studien im IT-Bereich eigentlich schon veraltet, wenn sie erscheinen. Die Kombination von nach­haltigerem Strommix mit höherer Energieeffizienz bei den Geräten sorgt heute dafür, dass die Emissionen des ICT-Sektors ungefähr stabil bleiben, auch wenn die Datenströme den Ansprüchen entsprechend zunehmen.

Systemgrenzen und Methoden

Im Vergleich zu anderen Branchen wie beispielsweise der globalen Stahlproduktion, bei der die Fabrikationsstätten und Wertschöpfungsketten klar definiert sind, ist es im IT-Bereich deutlich schwieriger, die Energieverbräuche und Treibhausgasemissionen zu bestimmen, denn die Bereichsgrenzen sind nicht so scharf umrissen. Die zahlreichen IT-Verbrauchsstudien variieren auch deshalb beträchtlich.

Dies hängt einerseits von der Aktualität der verwendeten Daten ab, und andererseits von der Auswertungsmethode. Die verlässlichsten Studien setzen systematische Bottom-up-Verfahren ein, bei denen die Verbräuche einzelner Komponenten ermittelt oder von der Industrie übernommen und entsprechend der Anzahl Server bzw. anderer Geräte addiert werden. Bei Telekom-Netzwerken wird das Emissionsreporting der Netzwerk-Betreiber genutzt, und bei den Endgeräten führen die Verkaufszahlen und die Verbrauchsangaben der technischen Daten zum Ziel. Die Studie des Carbon Trusts berücksichtigt für die Emissionen nur den Verbrauch aller involvierten Komponenten im Betrieb. Die graue Energie, die für die Herstellung der Geräte benötigt wird, bleibt unberücksichtigt.

Zwei Methoden für ein präziseres Bild

In der vorliegenden Studie wurden zwei Methoden eingesetzt, um die Energie­intensität von Netzwerken in kWh/GB zu ermitteln. Zunächst eine konventionelle Top-Down-Methode, bei der die Energieverbräuche der im Streaming-Betrieb involvierten Geräte den übertragenen Daten­mengen entsprechend verteilt werden. Konkret wird zunächst der Gesamtverbrauch eines Netzwerks ermittelt und dann proportional auf die übertragenen Datenmengen aufgeteilt. Diese Methode hat den Nachteil, dass grossen Datenströmen, die beispiels­weise durch Streamen entstehen, ein viel grösserer Anteil des Standby- Energieverbrauchs zugeschrieben wird als kleineren Datenmengen, die ja ebenfalls auf die ständige Funktionsfähigkeit des Netzwerks angewiesen sind.

Die zweite Methode basiert wie die erste Methode auf Modellen von Dimpact, einem kollaborativen Projekt von Forschern der Universität Bristol mit dreizehn inno­vativen Medien­unternehmen, sowie auf Modellen von Netflix. Sie berücksichtigt Verände­rungen der Datenraten und des Nutzer­verhaltens genauer. Mit ihr lässt sich die weit verbreitete Ansicht, dass die Wahl der Auflösung des geschauten Videos einen grossen Einfluss auf den Energie­verbrauch hat und man mit einer niedrigeren Auflösung sozusagen Energie spart, prüfen. Diese Methode wird als «power model approach» bezeichnet. Beispielsweise wird bei der ersten Methode der Verbrauch des Heim-Routers gemäss dem Datenvolumen zugewiesen, während bei der zweiten Methode die Anzahl Nutzer und die Anzahl Geräte pro Nutzer berücksichtigt werden.

Auch der Standby-Verbrauch der Netzwerk­kom­po­nenten, wenn keine Daten übertragen werden, wird durch die zweite Methode berücksichtigt. Wenn die über­tragene Daten­menge markant erhöht wird, steigt der Strom­verbrauch dieser Kompo­nenten um maximal 30% des Grundverbrauchs. Schaut man also ein Video in 4k (2160 px) statt Full HD (1080 px) an, erhöht sich der Strom­verbrauch der invol­vierten Kompo­nenten kurzfristig nur unwesentlich. Erst wenn die Kompo­nenten wegen des hohen Durchsatzes mit leistungs­fähigeren ersetzt werden müssen, steigt der Strom­verbrauch deutlich.

Ein weiteres Beispiel für diesen durch den Standby-Verbrauch erzeugten Effekt lieferte die Covid-Pandemie, als sich die übertragenen Daten­mengen durch die Homeoffice-Situation zwar um rund die Hälfte erhöhten, aber der Verbrauch der Telekom-Netzwerke nur um 1% stieg.

Diese zweite Methode muss aber noch weiter­entwickelt werden, denn gewisse Fragen, beispiels­weise wie man den Standby-Verbrauch am sinnvollsten zuweist, sind noch offen. Man könnte statt der «time of use», bei der nicht klar ist, ob die Verbindungszeit oder die Download-Zeit genommen werden soll, auch den Wert des genutzten Dienstes oder den Beitrag zum Peak Data Demand berücksichtigen. Wichtig ist, dass die Methode transparent und nachvollziehbar bleibt.

Das Ergebnis

Die Studie kommt zum Schluss, dass der Energie­bedarf und somit die CO₂-Emissionen für das Streaming, verglichen mit anderen energie­verbrau­chenden Aktivitäten, gering ist. Mit der konven­tionellen Berech­nungs­methode kommt sie auf durch­schnitt­liche Emissionen von 56 g CO₂ für eine Stunde Video-Streaming. Dabei werden der europäische Strommix, ein repräsentativer Mix von Endgeräten und eine durch­schnittliche Datenrate von 2,88 GB/h angenommen.

Die gleichen Emissionen würden gemäss der Studie für das Erhitzen von etwa dreieinhalb Tüten Popcorn im Mikro­wellen­herd reichen oder für eine Fahrt von 250 m mit einem durch­schnitt­lichen, fossil betriebenen PKW. Mit dem Schweizer Strommix wären die Emissionen noch deutlich geringer, nämlich rund 24 g CO₂ pro Stunde.

Der Energieverbrauch, der diesem Emissionswert entspricht, beträgt 188 Wh pro Stunde Video-Streaming. Aufgeschlüsselt auf die Gerätegruppen liegt der Verbrauch der Datenzentren bei rund 1 Wh (Hosting, Kodierung und Content Delivery Networks). Die Daten­übertragung über das Netzwerk konsumiert etwa 20 Wh und die Heim-Router verbrauchen 71 Wh. Die restlichen 96 Wh werden in den Endgeräten zu Wärme, Licht und Schall umgewandelt. Da sich diese Werte aber nicht exakt ermitteln lassen, müssen sie mit Vorsicht betrachtet werden. Klar ist, dass sich eine Erhöhung des erneuer­baren Anteils bei der Strom­erzeugung direkt positiv auf die Emissionswerte des Streamings auswirkt.

Das Verhalten ändern

Die Studie zeigt auf, dass es wirkungs­voller ist, ein spar­sameres Endgerät – beispiels­weise ein mobiles Gerät mit einem Verbrauch von rund 1 W – zu wählen, statt die Streaming-Auflösung zu reduzieren. Eine Einschränkung des Videokonsums kann zudem helfen, den Spitzen­verbrauch zu senken, wodurch ein Ausbau der Netzinfrastruktur vermieden oder verzögert werden kann. Je länger der Ausbau hinaus­geschoben werden kann, desto energie­effizienter dürften die neu instal­lierten Komponenten sein.

Und wenn schon effizienz­steigernde Verhaltens­ände­rungen angesprochen werden, sollten Alternativen zum Video-Streaming nicht unerwähnt bleiben: Liest man bei Tageslicht das Buch, das einem zu streamenden Film als literarische Vorlage gedient hat, dürften die uner­wünschten Umwelt­auswir­kungen noch deutlich geringer ausfallen – und das Erlebnis unter Umständen noch eindrücklicher sein.

Literatur

• Carbon impact of video streaming, Carbon Trust, 2021.
• Nachhaltigkeit von Streaming & Co., Bitkom e.V., 2020.