Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Wie nachhaltig ist eine solarbetriebene Website?

Wir stellen die Energie- und Verfügbarkeitsdaten unserer Website dar, berechnen die Graue Energie unserer Konfiguration, betrachten das optimale Gleichgewicht zwischen Nachhaltigkeit und Verfügbarkeit, und umreißen mögliche Verbesserungen.

Übersetzt von: Mario Stoltz

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Bild: Diego Marmolejo.

Unsere selbstgehostete, solarbetriebene, unabhängig von Stromnetz betriebene Website läuft jetzt seit 15 Monaten. In diesem Artikel stellen wir ihre Energie- und Verfügbarkeitsdaten vor und berechnen die Graue Energie unser Konfiguration. Aufgrund dieser Ergebnisse betrachten wir das optimale Gleichgewicht zwischen Nachhaltigkeit und Serververfügbarkeit und umreißen mögliche Verbesserungen.

Einleitung

Im September 2018 haben wir bei Low-tech Magazine eine neue Website gestartet, die darauf abzielte, radikal den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, die aus der Bereitstellung ihrer Inhalte resultieren. Der Energieverbrauch des Internets wächst rasch, sowohl aufgrund steigender Datenraten und Datenmengen bei der Übertragung (die Inhalte werden “fetter”), als auch aufgrund steigender Nutzungszeit (besonders seit Mobilgeräte und drahtloses Internet verfügbar sind).

Unsere solarbetriebene Website stemmt sich gegen diese Trends. Um den Energieverbrauch weit unter jenen einer durchschnittlichen Website zu drücken, haben wir uns für ein Webdesign entschieden, welches zurück zu den Ursprüngen zielt. Wir verwenden eine statische Website anstelle eines datenbankgetriebenen Content-Management-Systems. Um die Energie zu minimieren, welche für die Herstellung von Solarpanel und Batterie erforderlich ist, haben wir eine minimale Konfiguration gewählt und wir akzeptieren, dass die Website sich offline schaltet, wenn das Wetter zu schlecht ist.

Verfügbarkeit, Stromverbrauch und Systemeffizienz

Verfügbarkeit

Unsere solarbetriebene Website schaltet sich offline, wenn das Wetter zu schlecht ist - aber wie oft passiert das? Für einen Zeitraum von ungefähr einem Jahr (351 Tage, vom 12. Dezember 2018 bis zum 28. Dezember 2019) haben wir eine Verfügbarkeit von 95,26% erreicht. Das bedeutet, dass wir insgesamt während 399 Stunden aufgrund von schlechtem Wetter offline waren.

Wenn wir die letzten zwei Monate des Zeitraums ignorieren, war unsere Verfügbarkeit sogar 98,2%, mit einer offline-Zeit von nur 152 Stunden. Während der letzten zwei Monate fiel die Verfügbarkeit auf 80%, weil ein Softwareupgrade den Energieverbrauch unseres Servers erhöhte. Dadurch wurde die Website jede Nacht für einige Stunden offline gedrückt.

Stromverbrauch und Systemeffizienz

Schauen wir uns die elektrische Leistungsaufnahme an, die unser Webserver aufweist (also den operativen Energieverbrauch). Dazu haben wir Messdaten des Servers und des Ladereglers für die Solarzellen. Wenn wir beide Werte vergleichen, fällt die mangelnde Effizienz des Systems ins Auge. Über einen Zeitraum von grob einem Jahr (vom 3. Dezember 2018 bis zum 24. November 2019) verbrauchte unser Server 9,53 kWh (Kilowattstunden).

Wir maßen signifikante Verluste im Solarsystem, die auf Verluste bei der Spannungswandlung und bei der Ladung und Entladung der Batterie zurückzuführen sind. Der Laderegler zeigte einen jährlichen Energieverbrauch von 18,10 kWh an - das bedeutet, dass die Systemeffizienz gemessen vom Ausgang der Solarzelle bis zur Spannungsversorgung des Servers nur ungefähr 50% betrug.

Energieverbrauch pro Besucher der Website

Während des betrachteten Zeitraums hat die solarbetriebene Website 865.000 einzelne Besuche verzeichnet. Wenn wir alle Energieverluste im Solarsystem mit einrechnen, betrug der Energieverbrauch pro einzelnem Besucher 0,021 Wh (Wattstunden), d.h. 21 mWh (Milliwattstunden).

Eine Kilowattstunde solar erzeugten Stroms kann also fast 50.000 einzelne Besucher der Website versorgen, und eine Wattstunde etwa 50 einzelne Besucher. Da wir nur selbst erzeugten Solarstrom verwenden, müssen wir dem operativen Betrieb keine Kohlenstoffemissionen zurechnen.

Eine Kilowattstunde solar erzeugten Stroms kann fast 50.000 einzelne Besucher der Website versorgen

Graue Energie und Verfügbarkeit

Wenn erneuerbare Energien als Lösung für den wachsenden Energieverbrauch des Internets vorgestellt werden, endet die Geschichte oft an dieser Stelle. Wenn Forscher den Energieverbrauch von Rechenzentren untersuchen, welche die im Internet verfügbaren Inhalte bereitstellen, betrachten sie praktisch niemals die Energie zur Erstellung und Wartung der Infrastruktur dieser Rechenzentren.

Bei unserer selbstgehosteten, solarbetriebenen, unabhängig von Stromnetz betriebenen Website lassen wir diese Information nicht weg. Das Solarpanel, die Batterie und der Laderegler sind gleichermaßen essenzielle Teile der Installation wie der Server selbst. Dementsprechend müssen wir den Energieverbrauch für den Abbau und die Verarbeitung der nötigen Minerale und die Herstellung dieser Komponenten mit einberechnen, eben die sogenannte “Graue Energie”.

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Eine einfache Darstellung unseres Systems. Die Spannungswandlung (zwischen dem 12V-Laderegler und dem mit 5V betriebenen Server) und das Messgerät zur Ladestandsmessung der Batterie sind nicht mit dargestellt. Bild: Diego Marmolejo.

Leider kommt der größte Teil dieser Energie aus fossilen Brennstoffen, entweder in Form von Diesel (beim Abbau der Rohmaterialien und dem Transport der Komponenten) oder in Form von Strom, der wiederum hauptsächlich in Kraftwerken erzeugt wurde, die wiederum fossile Brennstoffe verbrennen (im Fall der meisten Produktionsprozesse).

Die Größe von Batterie und Solarpanel ist ein Kompromiss zwischen Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit

Die Graue Energie unserer Konfiguration wird hauptsächlich von der Größe von Batterie und Solarpanel bestimmt. Gleichzeitig bestimmen die Größen von Batterie und Solarpanel auch, wie oft unsere Website online sein kann (also ihre Verfügbarkeit). Die Größe von Batterie und Solarpanel stellt also einen Kompromiss zwischen Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit dar.

Um das optimale Gleichgewicht zu finden, haben wir unser System mit verschiedenen Kombinationen von Solarpaneln und Batterien betrieben (und tun das auch immer noch). Verfügbarkeit und Graue Energie hängen auch von den örtlichen Wetterbedingungen ab, daher sind die hier vorgestellten Ergebnisse nur für unseren Ort (den Balkon der Wohnung des Autors nahe Barcelona in Spanien) gültig.

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Bilder: Diego Marmolejo

Verfügbarkeit und Batteriegröße

Die Speicherkapazität der Batterie legt fest, wie lange die Website ohne Versorgung mit Solarenergie weiterlaufen kann. Ein Minimum von Energiespeicherung ist nötig, um über die Nacht zu kommen, während weitere Kapazität darüberhinaus Zeiten von niedriger (oder fehlender) Energieerzeugung während des Tages ausgleichen kann. Batterien altern; es ist also sinnvoll, mit mehr Kapazität als rechnerisch erforderlich zu beginnen - andernfalls müsste die Batterie relativ schnell ersetzt werden.

> 90% Verfügbarkeit

Berechnen wir zuerst die minimale Kapazität zur Energiespeicherung, um die Website während der Nacht online zu halten. Als Randbedingungen nehmen wir gutes Wetter, eine neue Batterie und ein ausreichend großes Solarpanel an, um die Batterie tagsüber vollständig zu laden. Während des ersten Jahres betrug die durchschnittliche Leistungsaufnahme unseres Webservers einschließlich aller Leistungsverluste der Solaranlage 1,97 Watt. Während der kürzesten Nacht des Jahres (8 Stunden, 50 Minuten zur Sommersonnenwende am 21. Juni) benötigten wir 17,40 Wattstunden Speicherkapazität und während der längsten Nacht des Jahres (14 Stunden, 49 Minuten zur Wintersonnenwende am 21. Dezember) benötigten wir 29,19 Wattstunden.

Mindestspeicherkapazität, um die Website während der Nacht online zu halten*

Month Daylight Night Storage
21 Sep 2018 12h13min 11h47min 23.21 Wh
21 Oct 2018 10h52min 13h8min 25.87 Wh
21 Nov 2018 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Dec 2018 9h11min 14h49min 29.1 Wh
21 Jan 2019 9h41min 14h19min 28.2 Wh
21 Feb 2019 10h53min 13h7min 25.84 Wh
21 Mar 2019 12h13min 11h47min 23.22 Wh
21 Apr 2019 13h34min 10h26min 20.55 Wh
21 May 2019 14h41min 9h19min 18.35 Wh
21 Jun 2019 15h10min 8h50min 17.4 Wh
21 Jul 2019 14h43min 9h17min 18.29 Wh
21 Aug 2019 13h36min 10h24min 20.49 Wh

* Ort: Barcelona; sonniges Wetter tagsüber; * Wh = Wattstunden

Da Bleiakkus nur bis zu ihrer halben Nennkapazität entladen werden sollten, benötigt der solarbetriebene Server einen Bleiakku von 60 Wh Kapazität, um bei optimalen Wetterbedingungen durch die kürzeste Nacht des Jahres zu kommen (2 x 29,19 Wh). Für den größten Teil des Jahres betrieben wir das System mit einer etwas höhren Batteriekapazität (bis zu 86,4 Wh) und einem Solarpanel von 50 W Nennleistung, und damit erreichten wir die oben genannte Verfügbarkeit von 95-98%. 1

100% Verfügbarkeit

Eine größere Batterie könnte die Website auch während längerer Perioden schlechten Wetters weiterlaufen lassen, wiederum sofern das Solarpanel leistungsfähig genug ist, um diese Batterie vollständig zu laden. Um einen ganzen Tag sehr schlechten Wetters (ohne nennenswerte Energieerzeugung) auszugleichen, benötigen wir im Mittel 47,28 Wattstunden (24h x 1,97W) Speicherkapazität.

Vom 1. Dezember 2019 bis zum 12. Januar 2020 haben wir das Solarpanel mit 50W Nennleistung mit einem Akku von 168 Wattstunden Nennkapazität kombiniert, der also eine nutzbare Kapazität von 84Wh besitzt. Dies ist genügend Kapazität, um die Website für zwei Nächte und einen Tag zu betreiben. Obwohl wir diese Konfiguration während der dunkelsten Zeit des Jahres getestet haben, hatten wir dabei relativ gutes Wetter und erreichten eine Verfügbarkeit von 100%.

Um aber diese Verfügbarkeit von 100% über einen Zeitraum von mehreren Jahren sicher zu erreichen, wäre ein noch größerer Energiespeicher erforderlich. Um die Website für vier Tage ohne oder mit sehr niedriger Energieerzeugung weiterlaufen zu lassen, würden wir einen Bleiakku von 440Wh Nennkapazität brauchen - also einen von der Größe einer typischen Autobatterie. Wir nennen diese Konfiguration hier, weil sie dem konventionellen Ansatz von Solarenergie-Insellösungen entspricht.

< 90% Verfügbarkeit

Wir haben auch mit Batterien gerechnet, die bewusst nicht groß genug sind, um die Website durch die kürzeste Nacht des Jahres zu bringen: 48Wh, 24Wh und 15,6Wh (mit jeweils nutzbarer Kapazität von 24Wh, 12Wh und 7,8Wh). Die kleinste davon ist auch der kleinste Bleiakku, den man typisch im Handel findet.

Eine Website, die sich abends abschaltet, könnte eine interessante Option für einen lokalen Onlinedienst sein, der wenig Zugriffe nach Mitternacht erwartet.

Wenn das Wetter gut ist, lässt der Akku mit 48Wh Nennkapazität den Server in den Nächten von März bis September durchlaufen. Der Bleiakku von 24Wh kann die Website im Mittel 6 Stunden lang laufen lassen, der Server wird sich also praktisch in jeder Nacht des Jahres herunterfahren - allerdings je nach Saison zu verschiedenen Uhrzeiten.

Der Akku mit 15,6Wh Nennkapazität lässt die Website im Mittel für nur vier Stunden online laufen, wenn kein Solarstrom erzeugt wird. Selbst bei gutem Wetter wird der Server sich etwa um ein Uhr nachts im Sommer und etwa um 21:00 Uhr im Winter abschalten. Die maximale Verfügbarkeit für die kleinste Batterie läge bei etwa 50%, und praktisch wird sie wegen schlechten Wetters (Bewölkung und Regen) niedriger liegen.

Eine Website, die sich abends abschaltet, könnte eine interessante Option für einen lokalen Onlinedienst sein, der wenig Zugriffe nach Mitternacht erwartet. Da sich die Leser von Low-tech Magazine aber nahezu gleichverteilt in Europa und den USA befinden, ist das keine attraktive Option für uns. Wenn sich die Website jede Nacht abschaltet, könnten unsere amerikanischen Leser nur in ihren Morgenstunden darauf zugreifen, die an der Westküste sogar nur in den frühen Morgenstunden.

Erwartete Verfügbarkeit nach Batterietyp, ausgehend von voller Ladung

Batterie Verfügbarkeit
440Wh Website kommt durch vier Tage schlechten Wetters
168Wh Website kommt durch einen Tag schlechten Wetters
86,4Wh Website kommt bei gutem Wetter durch die Nacht
48Wh Website schaltet sich in vielen Nächten des Jahres offline
24Wh Website geht in jeder Nacht offline
15,6Wh Website geht in jeder Nacht offline

Verfügbarkeit und Größe des Solarpanels

Die Verfügbarkeit der solarbetriebenen Website wird nicht nur von der Batterie vorgegeben, sondern auch vom Solarpanel, besonders was schlechtes Wetter angeht. Je größer das Solarpanel, desto schneller lädt es die Batterie auf und desto weniger Sonnenstunden sind nötig, um die Website durch die Nacht zu bringen. Mit dem 50W-Solarpanel sind zum Beispiel eine bis zwei Stunden voller Sonneneinstrahlung ausreichend, um jede der Batterien laden zu können (mit Ausnahme der 440Wh-Autobatterie).

Wenn wir aber das 50W-Solarpanel mit einem 10W-Panel ersetzen, braucht das System wenigstens fünfeinhalb Stunden bei besten Bedingungen, um die 86,4Wh-Batterie aufzuladen (2W sind nötig um den Server zu betreiben, 8W stehen zum Laden der Batterie zur Verfügung). Wenn das 10W-Solarpanel mit einer größeren Batterie kombiniert wird - zum Beispiel dem 168Wh-Bleiakku, braucht es 10,5 Stunden voller Sonneneinstrahlung, um die Batterie ganz aufzuladen. Das ist überhaupt nur zwischen Februar und November möglich.

Ein größeres Solarpanel vergrößert die Chance, dass die Website auch unter nicht optimalen Wetterbedingungen online bleibt

Wolken

Ein größeres Solarpanel ist auch bei wolkigem Wetter vorteilhaft. Je nach Dichte der Wolkendecke können Wolken die Erzeugung von Solarenergie zwischen 0 und 90% des maximal möglichen Werts herabsetzen. Wenn ein 50W-Solarpanel nur 10% seiner Nennleistung bringt (also 5W), dann reicht das noch aus um den Server zu betreiben (2W) und die Batterie mit 3W aufzuladen.

Wenn aber ein 10W-Solarpanel nur 10% seiner Nennleistung bringt, dann reicht das eventuell gerade mal aus, um den Server zu betreiben; die Batterie wird dann nicht mehr geladen. Wir haben die Website zwischen dem 12. und 21. Januar 2020 mit einem 10W-Panel betrieben und sie schaltete sich jeweils schnell aus, wenn das Wetter nicht optimal war. Wir haben jetzt aktuell ein 30W-Solarpanel mit einer 168Wh-Batterie kombiniert, um die Website zu versorgen.

Ein Solarpanel mit 5W - das kleinste 12V-Solarpanel im Handel - stellt das absolute Minimum für eine solarbetriebene Website dar. Allerdings wird es nur unter besten Bedingungen in der Lage sein, den Server zu betreiben (2W) und gleichzeitig eine Batterie zu laden (3W). Auf diese Weise kann die Website auch nur durch die Nacht weiterlaufen, wenn der Tag genügend Sonnenstunden hat. Da Solarpanel aber nur selten ihre Nennleistung erreichen, würde ein solches Panel praktisch dazu führen, dass eine Website nur online ist, wenn die Sonne scheint.

Obwohl die Kombination aus einem kleinen Solarpanel und einer großen Batterie dieselbe Graue Energie haben kann wie ein großes Solarpanel mit einer kleinen Batterie, wird sich das resultierende System natürlich sehr unterschiedlich verhalten. Im allgemeinen erscheint es sinnvoller, sich eher für ein größeres Solarpanel und eine kleinere Batterie zu entscheiden, da diese Kombination die Lebensdauer der Batterie verlängert. Bleiakkus müssen von Zeit zu Zeit voll aufgeladen werden, um nicht zu schnell unter ihre Nennkapazität zu fallen.

Erforderliche Sonnenstunden um die Batterie zu laden, abhängig von der Nennleistung des Solarpanels*

Batterie 50W 30W 10W 5W
440Wh 6h45min 11h14min 33h44min 67h28min
168Wh 2h35min 4h17min 12h53min 25h46min
86.4Wh 1h17min 2h12min 6h37min 13h15min
48Wh 0h44min 1h13min 3h41min 7h22min
24Wh 0h22min 0h37min 1h50min 3h41min
15.6Wh 0h14min 0h24min 1h12min 2h24min

* Unter Annahme von 75% der Nennleistung des Solarpanels, 15% Ladeverlusten und einer Entladung der Batterie bis 50% der Nennkapazität.

Graue Energie für verschiedene Größen von Batterien und Solarpanels

Die Herstellung von Bleiakkus erfordert 1,03 MJ (Megajoule) Energie pro Wattstunde Batteriekapazität 2. Um Solarzellen herzustellen, sind 3,514 MJ pro Quadratmeter Solarzelle nötig 3. In der Tabelle unten stellen wir die Graue Energie für verschiedene Größen von Batterien und Solarpanels vor, und errechnen daraus die Graue Energie pro Jahr. Dabei gehen wir von einer Lebensdauer von fünf Jahren für Batterien und 25 Jahren für Solarpanels aus. Diese Werte wandeln wir um in Kilowattstunden pro Jahr und wir beziehen uns dabei auf Primärenergie, nicht etwa auf elektrischen Strom.

Eine solarbetriebene Website braucht auch einen Laderegler und natürlich den Webserver. Die Graue Energie dieser Komponenten bleibt gleich, unabhängig von der Größe von Solarpanel oder Batterie. Die Graue Energie dieser beiden Komponenten berechnen wir ausgehend von einer angenommenen Lebensdauer von 10 Jahren. 4 5

Graue Energie verschiedener Komponenten (pro Betriebsjahr)

Batterie* Graue Energie
440Wh Batterie 25.17 kWh/pro Jahr
168Wh Batterie 9.60 kWh/pro Jahr
86.4Wh Batterie 3.91 kWh/pro Jahr
48Wh Batterie 2.75 kWh/pro Jahr
24Wh Batterie 1.27 kWh/pro Jahr
15.6Wh Batterie 0.89 kWh/pro Jahr

* 5 Jahre angenommene Lebensdauer der Batterie
* Angaben in kWh/Jahr sind bezogen auf Primärenergie

Solarpanel* Graue Energie
50W-Solarpanel 16.96 kWh/pro Jahr
30W-Solarpanel 10.20 kWh/pro Jahr
10W-Solarpanel 3.40 kWh/pro Jahr
5W-Solarpanel 1.70 kWh/pro Jahr

* 25 Jahre angenommene Lebensdauer der Solarpanels
* Angaben in kWh/Jahr sind bezogen auf Primärenergie

andere Komponenten* Graue Energie
Solar-Laderegler 3.33 kWh/pro Jahr
Server 5.00 kWh/pro Jahr

* 10 Jahre angenommene Lebensdauer der Solarpanels
* Angaben in kWh/Jahr sind bezogen auf Primärenergie

Nun haben wir alle Daten, um die Graue Energie des Systems für alle Kombinationen aus Solarpanels und Batterien zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle unten dargestellt. Zwischen der Konfiguration mit dem kleinsten und der mit dem größten Wert unterscheidet sich die Graue Energie um einen Faktor von fünf: von 10,92 kWh/Jahr Primärenergie für die Kombination aus kleinstem Solarpanel (5W) und kleinster Batterie (15,6Wh) bis zu 50,46 kWh/Jahr Primärenergie für die Kombination aus dem größten Solarpanel (50W) mit der größten Batterie (440Wh).

Graue Energie pro Jahr für verschiedene Konfigurationen der Solaranlage*

Solar Panel
Batterie 50W 30W 10W 5W
440Wh 50.46 kWh 43.70 kWh n/a n/a
168Wh 34.89 kWh 28.13 kWh 21.33 kWh n/a
86.4Wh 29.20 kWh 22.36 kWh 15.64 kWh 13.94 kWh
48Wh 28.04 kWh 21.28 kWh 14.18 kWh 12.78 kWh
24Wh 26.29 kWh 19.80 kWh 13.00 kWh 11.30 kWh
15.6Wh 26.18 kWh 19.42 kWh 12.62 kWh 10.92 kWh

* Darin inbegriffen die Graue Energie von Laderegler und Webserver
* Angaben in kWh/Jahr sind bezogen auf Primärenergie
* “n/a” = das Solarpanel kann die Batterie in keiner Jahreszeit vollständig laden

Wenn wir diese Resultate durch die Zahl von Besuchern der Website (865.000 einzelne Besuche) dividieren, erhalten wir die Graue Energie pro einzelnem Besuch der Website. Für unsere ursprüngliche Konfiguration mit 95-98% Verfügbarkeit (50W-Solarpanel und 86,4Wh-Batterie) wurden pro einzelnem Besuch 0,03Wh Primärenergie verbraucht. Das Resultat wäre ziemlich ähnlich für die anderen Konfigurationen mit geringerer Verfügbarkeit, da einerseits die Graue Energie geringer wäre, aber duch die kürzere Erreichbarkeit der Website auch die Anzahl der einzelnen Besuche.

Kohlenstoffemissionen: wie nachhaltig ist die solarbetriebene Website?

Kohlenstoffemissionen der solarbetriebenen Website

Da wir nun die Graue Energie verschiedener Konfigurationen errechnet haben, können wir auch deren CO2-Emissionen bestimmen. Wir können den energetischen Fussabdruck der solarbetriebenen Website nicht mit unserer herkömmlichen Website vergleichen, da diese anderswo gehostet wird und uns für ihren Energieverbrauch keine Daten vorliegen. Was wir aber vergleichen können ist die solarbetriebene Website einerseits mit einer ähnlichen, selbstgehosteten Konfiguration, welche statt Solarenergie mit Strom aus dem öffentlichen Netz betrieben wird. So können wir die Frage der Nachhaltigkeit des Solarbetriebs der Website für uns klären.

Lebenszyklusanalysen von Solarpaneln sind nicht besonders hilfreich zur Bestimmung der CO2-Emissionen unserer Kompomenten, da diese typisch von der Annahme ausgehen, dass die gesamte von Solarpanels abgegebene elektrische Energie auch verbraucht wird. In unserem Fall trift diese Annahme nicht unbedingt zu: Bei den größeren Solarpanels geht unter optimalen Wetterbedingungen eine Menge Energie verloren, da wir sie nicht speichern können.

Das Hosten der solarbetriebenen Version von Low-tech Magazine hat im Laufe eines Jahres soviel C02-Emissionen verursacht wie eine 50km lange Fahrt mit einem durchschnittlichen Auto.

Daher wählen wir einen anderen Ansatz: wir wandeln die Graue Energie unserer Komponenten in äquivalente Liter Dieselöl um (ein Liter Öl enthält 10kWh Primärenergie) und berechnen das Resultat aufgrund der CO2-Emissionen von Öl (ein Liter Dieselöl verursacht 3kg Treibhausgase, einschließlich seiner Gewinnung und Raffination). Hier rechnen wir mit ein, dass die meisten Solarpanels und Batterien heutzutage in China hergestellt werden, wo der Betrieb des Stromnetzes dreimal so kohlenstoffintensiv und 50% weniger effizient ist wie in Europa. 6

Das bedeutet, dass der Verbrauch fossiler Brennstoffe während des ersten Betriebsjahres der solarbetriebenen Version von Low-tech Magazine (mit 50W-Solarpanel und 86,4Wh-Batterie) drei Litern Öl beziehungsweise 9kg CO2-Emissionen entspricht - also etwa soviel wie eine 50km lange Fahrt mit einem durchschnittlichen europäischen Auto. Die Tabelle unten stellt die Ergebnisse für die anderen Konfigurationen dar:

Graue Energie in Öläquivalenten (l/Jahr) und Kohlenstoffemissionen (kg CO2/Jahr) für verschiedene Konfigurationen des Solarsystems*

50W 30W 10W 5W
440Wh 5.05 L
15.14 kg
4.37 L
13.11 kg
n/a n/a
168Wh 3.49 L
10.47 kg
2.81 L
8.44 kg
2.13 L
6.40 kg
n/a
86.4Wh 2.92 L
8.76 kg
2.24 L
6.71 kg
1.56 L
4.69 kg
1.39 L
4.18 kg
48Wh 2.80 L
8.41 kg
2.13 L
6.38 kg
1.45 L
4.34 kg
1.28 L
3.83 kg
24Wh 2.63 L
7.89 kg
1.98 L
5.94 kg
1.3 L
3.90 kg
1.13 L
3.39 kg
15.6Wh 2.62 L
7.85 kg
1.94 L
5.83 kg
1.26 L
3.79 kg
1.09 L
3.28 kg

* Darin inbegriffen die Graue Energie von Laderegler und Webserver
* “n/a” = das Solarpanel kann die Batterie in keiner Jahreszeit vollständig laden

Vergleich mit der Kohlenstoffintensität des Spanischen Elektrizitätsnetzes

Berechnen wir nun die hypothetischen CO2-Emissionen, die entstünden, wenn wir unseren selbstgehosteten Webserver mit Strom aus dem Netz anstatt mit Solarstrom betrieben. In diesem Fall hängen die CO2-Emissionen vom Spanischen Stromnetz ab, welches tatsächlich eins der am wenigsten kohlenstoffintensiven in Europa ist, da ein hoher Anteil an erneuerbaren Energien und Atomenergie eingespeist wird (36,8% Erneuerbare und 22% Atomenergie während des Jahres 2019).

Im vergangenen Jahr nahm die Kohlenstoffintensität des Spanischen Elektrizitätsnetzes auf 162g CO2 pro Kilowattstunde Strom ab. Zum Vergleich - der entsprechende Durchschnittswert in Europa beträgt 300g pro kWh Strom. Im US-amerikanischen Stromnetz sind es 400g und im Chinesischen sogar 900g CO2 pro kWh Strom.

Wenn wir ausschließlich den operativen Energiebedarf unseres Servers betrachten, der während des ersten Jahres 9,53 kWh Strom betrug, hätten wir bei einem Betrieb im Spanischen Stromnetz 1,54kg CO2-Emissionen verursacht, verglichen mit drei bis 10kg in den von uns getesteten Konfigurationen. Das scheint darauf hinzuweisen, dass unser solarbetriebener Server keine gute Idee war, da selbst das kleinste Solarpanel zusammen mit der kleinsten Batterie noch mehr Kohlenstoffemissionen verursacht als der Betrieb am öffentlichen Stromnetz.

Wenn die Kohlenstoffintensität von Elektrizitätsnetzen angegeben wird, nimmt man die Graue Energie der Infrastruktur von erneuerbaren Energien mit Null an.

Wir würden in diesem Fall aber Äpfel mit Birnen vergleichen. Wir haben unsere Emissionen aufgrund der errechneten Grauen Energie unserer Geräte bestimmt. Wenn die Kohlenstoffintensität von Elektrizitätsnetzen angegeben wird, nimmt man die Graue Energie der Infrastruktur von erneuerbaren Energien mit Null an. Wenn wir die Kohlenstoffintensität unseres eigenen Inselnetzes auch so berechnet hätten, wäre sie auf diese Weise natürlich auch Null.

Wenn ein Stromnetz vor allem von fossilen Kraftwerken gespeist wird, kann es nachvollziehbar sein, der Infrastruktur des Netzes keine eigenen Emissionen (keine Graue Energie) zuzurechnen, da die Graue Energie der Netzinfrastruktur klein ist gegenüber den Emissionen der Kraftwerke, die ja laufend fossile Brennstoffe verfeuern. Wenn aber vor allem erneuerbare Energien eingespeist werden, ist das Gegenteil der Fall. Hier sind die operativen Kohlenstoffemissionen praktisch Null, aber bei der Errichtung und Wartung der Infrastruktur wird sehr wohl Energie verbraucht - eben die Graue Energie der Kraftwerke, Anlagen und Leitungen.

Um einen fairen Vergleich mit unserem solarbetriebenen Server anzustellen, müsste die Berechnung der Kohlenstoffintensität des Spanischen Stromnetzes eigentlich die Emissionen aus dem Bau und der Wartung der Kraftwerke, der Hochspannungsleitungen und des Verteilungsnetzes und auch die der großtechnischen Energiespeicherung (falls Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen dereinst verschwinden sollten) mit beinhalten. Natürlich hinge die Graue Energie all dieser Komponenten auch wiederum von der gewählten Verfügbarkeit des Netzes ab, genauso wie das im Kleinen für unser eigenes Inselnetz der Fall ist (siehe oben).

Mögliche Verbesserungen

Wir könnten die Nachhaltigkeit unserer solarbetriebenen Website noch auf viele Arten verbessern ohne ihre Verfügbarkeit zu verringern. Die Herstellung von Solarpanels und Batterien mit Strom aus dem Spanischen Stromnetz hätte in Bezug auf die Kohlenstoffemissionen die größte Wirkung, da der CO2-Fussabdruck unserer Konfiguration dann nur etwa ein Fünftel des heutigen Wertes betrüge. Was wir selbst tun können, ist den operativen Energieverbrauch des Servers zu verkleinern und die Effizienz der solaren Stromerzeugung zu erhöhen. Beides könnte uns erlauben, mit einem kleineren Solarpanel und einer kleineren Batterie auszukommen und dadurch Graue Energie zu verringern. Wir könnten auch auf eine andere Art der Energiespeicherung oder sogar eine andere Art der Energieerzeugung umsteigen.

der Server

Wir haben schon einige Änderungen umgesetzt, durch die der Server einen niedrigeren operativen Stromverbrauch hat. Wir fanden zum Beispiel heraus, dass mehr als die Hälfte des Datenverkehrs auf unserem Server (6,63 von 11,16 Terabyte über das Jahr gerechnet) mit einer einzelnen fehlerhaften RSS-Implementierung verursacht wurde, durch die unser Feed alle paar Minuten abgefragt wurde.

eine Verringerung der Leistungsaufnahme von 0,19W summiert sich über 24h auf 4,56Wh - damit kann die Website mehr als zweieinhalb Stunden länger online bleiben.

Die Korrektur dieses Fehlers zusammen mit einigen anderen Anpassungen ließen die Leistungsaufnahme unseres Servers von 1,14W auf 0,95W sinken. Dieser Gewinn mag klein erscheinen, aber eine Verringerung der Leistungsaufnahme von 0,19W summiert sich über 24h auf 4,56Wh - damit kann die Website mehr als zweieinhalb Stunden länger online bleiben.

Effizienz des Systems

Im Laufe des ersten Jahres betrug die Effizienz unseres Systems nur 50%. Während des Ladens und Entladens der Batterie treten Verluste auf (etwa 22%). Dasselbe passiert bei der Spannungswandlung von 12V (der Ausgangsspannung des Solarsystems) zu 5V (der USB-Versorgungsspannung des Servers), wo die Verluste sich auf 28% summieren. Unser erster Spannungswandler war nicht besonders elegant (leider hat unser Solar-Laderegler keinen direkten USB-Ausgang), und wir könnten einen besseren bauen oder alternativ zu einer Solaranlage mit direktem 5V-Ausgang wechseln.

Energiespeicherung

Um die Effizienz der Energiespeicherung zu erhöhen, könnten wir die Bleiakkus mit teureren Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, welche niedrigere Lade-/Entladeverluste aufweisen (<10%) und gleichzeitig auch eine niedrigere Graue Energie haben. Mit höherer Wahrscheinlichkeit könnten wir uns aber vorstellen, zu einem kompakten Druckluftspeichersystem zu wechseln. Obwohl Niederdruck-Speichersysteme eine mit Bleiakkus vergleichbare Effizienz haben, ist ihre Graue Energie viel niedriger, weil ihre Lebensdauer erheblich höher ist (Jahrzehnte anstelle von Jahren).

Energiequelle

Um die Graue Energie unseres Systems zu verringern, könnten wir auch unsere Energiequelle wechseln. Die Erzeugung von Solarstrom hat verglichen mit Windkraft, Wasserkraft oder sogar dem Menschen als mechanischer Energiequelle sehr viel Graue Energie. Diese alternativen Energiequellen können schon mit wenig mehr als einem elektromechanischen Generator und einem Spannungsregler genutzt werden, und der Rest des Aufbaus könnte zum Beispiel aus Holz bestehen. Eine mit Wasserkraft betriebene Website würde keinen high-tech-Energiespeicher benötigen, sondern käme stattdessen mit einem kleinen Stauteich aus. In einem kalten Klima könnte man eine Website sogar mit einem thermoelektrischen Wandler betreiben, der an einem Holzofen montiert ist.

Heliostat

In einer Region mit regelmäßigen Winden oder gutem Potenzial für die Nutzung von Wasserkraft könnte man ein System mit deutlich niedrigerer Grauer Energie bauen, als uns das möglich war. Wenn der Autor sich nicht etwa entscheiden sollte diese Website mit Hand- oder Pedalbetrieb zu versorgen, hängen wir vermutlich weiter von Solarzellen ab. Die größte Verbesserung unter dieser Randbedingung wäre es vermutlich, die Solarpanel mit einem Heliostaten auszustatten, der sie automatisch nach dem Sonnenstand ausrichtet. Damit könnte die Energieerzeugung um bis zu 30% effektiver gemacht werden und uns eine höhere Verfügbarkeit und/oder die Verwendung eines kleineren Solarpanels erlauben.

Skalieren wir es hoch!

Schließlich könnte man die Nachhaltigkeit unseres Systems auch verbessern, indem man es hochskaliert: ein Server könnte mehrere Websites hosten; ein Solarsystem könnte mehrere (und/oder größere) Webserver versorgen. Eine solche Konfiguration könnte eine deutlich niedrigere Graue Energie aufweisen, als es ein eigentlich zu groß dimensioniertes System für eine einzelne Website allein kann.

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Abbildung: Diego Marmolejo.

Solarer Webhoster

Wenn wir den Balkon des Autors dieser Zeilen mit Solarpanels füllten und eine Firma für solares Webhosting gründeten, könnte die Graue Energie pro einzelnem Seitenaufruf signifikant sinken. Wir bräuchten nur einen Server für zahlreiche Websites und nur einen Laderegler für zahlreiche Solarpanels. Die Spannungswandlung wäre effizienter, und sowohl Solarenergie als auch Batterien würden von allen Websites geteilt, wodurch Skaleneffekte entstehen.

Hiermit beschreiben wir natürlich genau das Konzept eines Rechenzentrums. Obwohl wir keine Ambitionen haben so ein Geschäftsmodell zu betreiben, könnten andere diese Idee weiterführen: ein Rechenzentrum für Webhosting einrichten, welches genauso effizient wie jedes andere betrieben wird, aber in einem elektrischen Inselnetz und vollständig von erneuerbaren Energien versorgt wird, und das sich bei schlechtem Wetter abschaltet.

mehr Websites

Unser Webserver ist tatsächlich leistungsfähig genug, um mehrere Websites zu hosten. Daher haben wir bereits einen kleinen Schritt in Richtung von Skaleneffekten unternommen, indem wir die Spanische und Französische Version (und einige andere Übersetzungen - auch diese hier) von Low-tech Magazine auf den solarbetriebenen Server verschoben haben.

Obwohl diese Änderung unseren operativen Stromverbrauch und möglicherweise auch unseren Verbrauch Grauer Energie erhöhen wird, haben wir damit andererseits auch anderswo gehostete Websites eliminiert. Wir müssen auch daran denken, dass die Besucherzahl von Low-tech Magazine in der Zukunft steigen könnte. Daher möchten wir energieeffizienter werden, um unseren ökologischen Fußabdruck mindestens konstant zu halten.

Server und Beleuchtung kombinieren

Skaleneffekte könnten auch erzielt werden, wenn noch einmal ganz anders gedacht wird. Der solarbetriebene Server ist ein Teil des Haushalts des Autors. Dieser Haushalt wird auch teilweise mit Solarenergie in einem Inselnetz versorgt. Wir konnten deswegen verschiedene Größen von Batterien und Solarpanels testen, da wir so die Möglichkeit hatten, sie einfach zwischen den verschiedenen Installationen in diesem Haushalt durchzutauschen.

Als wir den Server mit dem 50W-Panel versorgten, betrieb der Autor das Licht im Wohnzimmer mit einem 10W-Panel - und saß dementsprechend abends öfter im Dunkeln. Als wir umgekehrt den Server am 10W-Panel laufen ließen, war es andersherum: es gab mehr Licht im Haushalt, dafür aber eine niedrigere Verfügbarkeit des Servers.

Wenn das Wetter schlecht wird kann sich der Autor entscheiden die Lichter aus- und dafür den Server anzulassen - oder umgekehrt.

Nehmen wir an, dass wir sowohl das Licht als auch den Server an einer Solaranlage betreiben. Die Graue Energie wäre niedriger, wenn beide Systeme betrachtet werden, denn nur ein Laderegler ist für beide nötig. Außerdem könnte man so mit einer insgesamt kleineren Batteriekapazität und insgesamt kleineren Fläche von Solarpanels auskommen. Wenn das Wetter schlecht wird kann sich der Autor entscheiden die Lichter aus- und dafür den Server anzulassen - oder umgekehrt. Diese Flexibilität haben wir jetzt nicht, da der Server die einzige Last in seinem System ist und sein Energieverbrauch nicht auf einfache Weise angepasst werden kann.

Energieverbrauch im Netz

Soweit wir wissen, ist dies die erste Lebenszyklusanalyse einer Website die ausschließlich mit erneuerbarer Energie versorgt wird und die Graue Energie ihrer Infrastruktur zur Stromerzeugung und -Speicherung mit enthält. Natürlich ist das aber nicht der gesamte Energieverbrauch, der mit dieser Website zusammenhängt.

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Es gibt auch noch die operative und Graue Energie der Infrastruktur des Netzwerks (darunter fällt unser Router, die Übertragungswege des Internets und das Mobilnetzwerk), sowie die operative und Graue Energie der Endgeräte, mit denen unsere Besucher auf unsere Website zugreifen: Smartphones, Tablets, Laptops und Desktop-PCs. Einige dieser Geräte haben relativ niedrigen operativen Energieverbrauch, aber alle haben eine begrenzte Lebensdauer und daher eine relativ hohe Graue Energie.

Der operative Energieverbrauch des Netzes besitzt einen Sockel (auch wenn keine Daten übertragen werden, wird noch Strom verbraucht), skaliert darüberhinaus aber mit dem Brutto-Datenverkehr, also den tatsächlich übertragenen Bits pro Zeit. Daher ist unsere sehr schlanke Website bei der Übertragung genauso effizient wie beim Hosting auf unserem eigenen Server. Wir haben aber wenig bis keinen Einfluss darauf, mit welchen Geräten die Menschen auf unsere Website zugreifen und sie anzeigen, und hier wirkt sich der direkte Vorteil unseres schlanken Webdesigns auch weniger aus als beim Hosting und bei der Übertragung. Zwar hat unsere Website im Prinzip das Potenzial, die Lebensdauer von Endgeräten zu verlängern, denn sie ist schlank genug, um auch auf alten Geräten noch gut auszusehen und schnell geladen zu werden. Leider wird unsere Website allein aber kaum dazu führen, dass die Menschen ihre Endgeräte länger behalten.

Sowohl das Netz als auch Endgeräte könnten ähnlich der solarbetriebenen Website neu gedacht werden.

Auch wenn wir uns diese Begrenzung klar machen, können wir aber sowohl die Netzinfrastruktur als auch Endgeräte ähnlich der Konzepte der solarbetriebenen Website neu denken. Sie könnten herunterskaliert und durch erneuerbare Energien und mit begrenzten Energiespeichern versorgt werden. Teile der Netzinfrastruktur könnten sich bei schlechtem Wetter abschalten; eine Email könnte von einem Gewitter in 3.000km Entfernung zeitweilig aufgehalten werden. Tatsächlich gibt es in manchen Ländern und Regionen solche Netzwerkinfrastruktur. Unsere solarbetriebene Website wurde zum Teil genau durch solche Netze inspiriert. Die Endgeräte könnten weniger Energie verbrauchen und eine längere Lebenserwartung haben.

Man geht typisch davon aus, dass der gesamte Energieverbrauch des Internets ungefähr zwischen Servern, der Übertragungsinfrastruktur und den Endgeräten gleichverteilt ist (wenn man den operativen und auch den Verbrauch an Grauer Energie betrachtet). Daher können wir zum Schluss eine grobe Abschätzung machen, wie der gesamte Energieverbrauch dieser Website aussehen könnte, wenn das Internet wie oben beschrieben neu gedacht würde. Für unser ursprüngliches Setup mit 95,2% Verfügbarkeit wären das 87,6kWh äquivalenter Primärenergie, oder 9 Liter Öl beziehungsweise 27kg CO2-Emissionen pro Jahr. Die möglichen Verbesserungen, die wir oben ausgeführt haben, könnten diese Werte auch insgesamt weiter reduzieren helfen, denn bei dieser Abschätzung gehen wir ja davon aus, dass das gesamte Internet von solaren Inselnetzen auf Balkons versorgt wird… nur eben etwas größer dimensioniert.

Kris de Decker, Roel Roscam Abbing, Marie Otsuka

Mit Dank an Kathy Vanhout, Adriana Parra und Gauthier Roussilhe

Lektorat: Alice Essam

Fußnoten:


  1. die Speicherkapazität für unser ursprüngliches Setup ist eine Schätzung. Tatsächlich haben wir während dieses Zeitraums den solar versorgten Server zusammen mit einem 24Wh (3,7V; 6,6A) LiPo-Akku betrieben und einen sehr alten Bleiakku von 84,4Wh zwischen den LiPo-Akku und den Laderegler gehängt, um beide Systeme kompatibel zu machen. Die Grenzspannung des Bleiakkus war im Sommer relativ hoch eingestellt (das bedeutete praktisch, dass wir das System fast nur mit dem LiPo-Akku versorgten) und im Winter niedriger (so dass der Bleiakku die Stromversorgung in den dunklen Stunden mittrug). Dieses relativ komplizierte Setup mussten wir deshalb wählen, da wir nur für den LiPo-Akku eine Ladestandsmessung durchführen konnten. Diese benötigten wir für unsere online-Batterieanzeige. Im November 2019 entwickelten wir unsere eigene Ladestandsanzeige für den Bleiakku, so dass wir den LiPo-Akku aus unserem System entfernen konnten. 

  2. Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” (PDF) and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005 

  3. Zhong, Shan, Pratiksha Rakhe, and Joshua M. Pearce. “Energy payback time of a solar photovoltaic powered waste plastic recyclebot system.” Recycling 2.2 (2017): 10. 

  4. Es gibt nur wenig nutzbare Forschungsergebnisse zur Grauen Energie von Solar-Ladereglern. Die meisten Studien haben ihren Schwerpunkt auf großen photovoltaischen Systemen, bei denen die Graue Energie der Laderegler verglichen mit derjenigen der Solarpanels vernachlässigt werden können. Das brauchbarste Datum, welches wir fanden, gab einen Wert von 1 Megajoule pro Watt an, bezogen auf die Nennleistung des Ladereglers (Quelle: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468.). Für eine Nennleistung von 120W bedeutet das 120MJ oder 33,33kWh. Für die erwartete Lebensdauer fanden wir Werte von 7 Jahren und 12,5 Jahren (Quellen: einerseits dieselbe wie oben, und andererseits Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016.). Wir entschieden, für unsere Berechnungen eine Lebensdauer von 10 Jahren anzunehmen. 

  5. Es gibt unseres Wissens keine Forschungsergebnisse zur Grauen Energie unseres Webservers. Wir berechneten die Graue Energie ausgehend von der Lebenszyklusanalyse eines Smartphones (Quelle: rcan, Mine & Malmodin, Jens & Bergmark, Pernilla & Kimfalk, Emma & Nilsson, Ellinor. (2016). Life Cycle Assessment of a Smartphone 10.2991/ict4s-16.2016.15.). Wir wissen nicht, was die erwartete Lebensdauer des Servers ist, aber da unser Olimex für industriellen Einsatz gedacht ist (anders als zum Beispiel ein Raspberri Pi), gehen wir davon aus, dass wir wie beim Laderegler eine Lebensdauer von 10 Jahren annehmen können. 

  6. De Decker, Kris. “How sustainable is solar PV power?”, Low-tech Magazine, May 2015. 

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