Ecologische voetafdruk 5G en milieu

De groeiende aandacht voor de klimaatverandering heeft geleid tot een bewuster omgaan met de consumptie van energie en de bijbehorende productie van CO2. Internationaal zijn verschillende initiatieven genomen zoals het klimaatakkoord van Parijs in 2016 en de Europese Green Deal. Die laatste streeft ernaar om het CO2-verbruik in de Europese Unie met de helft te verminderen tegen 2030 en zelfs klimaatneutraal te zijn tegen 2050.

Volgens de Europese Commissie spelen nieuwe digitale toepassingen die dankzij 5G mogelijk worden een belangrijke rol om deze doelstelling te halen:

• enerzijds helpen ze bij het nemen van de juiste duurzame beslissingen om klimaatverandering aan te pakken en het milieu te beschermen;
• anderzijds zijn ze een belangrijk middel om de economische activiteit in Europa te verhogen (lees meer over 5G en economie).

De duurzame en de digitale hervorming gaan hand in hand en versterken elkaar. De combinatie van deze twee hervormingen wordt ook wel de ‘twin transition’ genoemd.

Nieuwe digitale toepassingen zullen gebruik maken van nieuwe digitale technologieën zoals artificiële intelligentie, cloud computing, big data, internet of things (apparaten die via internetverbindingen met elkaar in contact staan en gegevens uitwisselen) en 5G. Dat heeft twee gevolgen:

• De connectiviteit die geleverd wordt door 5G maakt het mogelijk om processen uitgebreid te monitoren en bij te sturen. Zo kan data geanalyseerd en gebruikt worden om bijvoorbeeld het energieverbruik te minderen. De mogelijkheden zijn legio voor verschillende sectoren zoals landbouw, transport, energie en industrie.
• Het gebruik van deze digitale technologieën zal steeds groeien waardoor de impact op het milieu van de digitale sector zelf sterk zal toenemen.

Het is dus belangrijk dat de digitale sector zelf ook bewust omgaat met het milieu. Specifiek voor 5G zien we dezelfde gevolgen: enerzijds helpt het om andere sectoren groener te maken (indirecte impact), anderzijds zal het zelf ook energie gebruiken (directe impact).

In maart 2022 werd een studie over de impact van elektronische communicatienetwerken op het milieu gepubliceerd door de Europese vereniging voor telecomregulatoren (BEREC). De studie behandelt onder meer de uitstoot van broeikasgassen die veroorzaakt worden door telecomnetwerken maar ook de impact op natuurlijke grondstoffen wordt bekeken. Een belangrijke conclusie is dat er een gebrek is aan uniforme data om een correct beeld te krijgen op de huidige impact en de mogelijke evoluties. Verder worden ook de initiatieven besproken die telecomoperatoren en -regulatoren nemen om de uitstoot en de impact op het milieu te verlagen.

Om de situatie in België in kaart te brengen publiceerde het BIPT, de telecomregulator, in december 2022 een studie over de duurzaamheid van de telecomnetwerken in België. Hierbij werd gekeken naar de evolutie van het energieverbruik, de CO2-uitstoot, het waterverbruik en de afvalverwerking van de operatoren Proximus, Telenet en Orange. Uit de studie blijkt dat duurzaamheid een belangrijk thema is voor de onderzochte telecomoperatoren. In de periode 2018-2021 is hun energieverbruik afgenomen met 11% en de CO2-uitstoot met 38%. Hoewel de Belgische telecommarkt reeds CO2-neutraal is door de aankoop van emissierechten, worden verdere inspanning geleverd om de CO2-uitstoot nog verder te verminderen. De operatoren zetten ook in op het hergebruik en de recyclage van onder meer settopboxes en modems om de afvalberg te verkleinen.

Elektronisch afval

In het algemeen heeft de productie van apparatuur een grote impact op het milieu. Deze studie beoordeelt kwantitatief de effecten van digitale technologieën op het milieu. Ze maakt een inventaris op van de voorraad digitale apparaten die in 2019 in Europa in gebruik waren en beoordeelt hun impact op het leefmilieu gedurende hun hele levenscyclus: de productie, de distributie, het gebruik en het einde van de levensduur. In de studie werden 12 klimaateffecten of indicatoren bestudeerd, gaande van de opwarming van de aarde tot het verbruik van primaire energie, de verzuring van water en bodem enz. De onderzoekers komen tot de conclusie dat niet het gebruik van het eigen apparaat de grootste impact heeft, maar wel de productie van nieuwe toestellen. De effecten worden voornamelijk veroorzaakt door apparaten van gebruikers en niet door gegevenscentra of de netwerken zelf: de eindapparatuur van gebruikers (laptops, telefoontoestellen, schermen, televisietoestellen, printers, enz.) heeft de grootste impact, naargelang de indicator tussen 54% en 90%.

Tot gelijkaardige bevindingen kwamen de Franse telecomregulator (Arcep) en het “Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie” (Ademe). De twee organisaties publiceerden op 19 januari 2022 de eerste bevindingen van hun studie naar de milieu-impact van de digitale technologie. Ze hanteerden daarvoor de methodologie van de levenscyclusanalyse. De milieu-impact van digitale technologie werd onderzocht voor alle fasen (productie, distributie, gebruik en einde levensduur) van de levenscyclus van de apparatuur aan de hand van niet enkel de CO2-voetafdruk maar ook nog 11 andere milieu-indicatoren. Zowel terminals, netwerken als datacenters werden onder de loep genomen. Uit de analyse blijkt dat de terminals (en met name schermen en televisies) verantwoordelijk zijn voor 65 tot 90% van de milieu-impact, volgens de beschouwde milieu-indicator en dat die impact het hoogst is tijdens fabricagefase. Dit rapport is een eerste stap in een project op langere termijn, maar het bevestigt alvast het volgende.:

• De noodzaak om meer kennis en data over de milieueffecten te verzamelen en om over betrouwbare gegevens te beschikken om de modellering te verfijnen;
• De noodzaak om in te spelen op de milieu-impact van "apparatuur" en "materiaal" (verlenging van de gebruiksduur van digitale apparatuur, herstelbaarheid, hergebruik, etc.);
• De noodzaak om alle belanghebbenden te betrekken om te evolueren naar een meer ecologisch gebruik en ontwikkeling van digitale diensten.

De defecte of verouderde elektronische apparaten die worden weggegooid worden elektronisch afval, e-waste of Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) genoemd. Elektrische apparaten bevatten zeldzame metalen waarvan de ontginning niet altijd duurzaam verloopt. Wanneer de apparaten worden weggegooid, gaan deze zeldzame materialen verloren. Daarom worden acties ondernomen om:

• De levensduur van deze toestellen te verlengen;
• De materialen te recycleren.

Het European Environmental Bureau (EEB) onderzocht in deze studie de klimaatkost van smartphones. Het verlengen van de levensduur van smartphones met 1 jaar in de EU komt overeen met 2 miljoen minder wagens op de wegen. Dat komt overeen met bijna de helft van alle wagens in België. De levensduur verlengen kan door meer in te zetten op de herstelling van defecte toestellen of het hergebruik (refurbishment). Afgedankte opladers zijn bijvoorbeeld ook verantwoordelijk voor 11.000 ton aan elektronisch afval per jaar. In de strijd tegen elektronisch afval heeft de Europese Commissie daarom voorgesteld om universele opladers verplicht te maken voor alle toestellen. Ook telecomoperatoren zetten steeds meer in op deze circulaire of kringloopeconomie waarbij zoveel mogelijk oude apparatuur opnieuw wordt gebruikt of gerecycleerd.

5G is een nieuwe technologie en niet alle reeds bestaande 4G-apparaten zullen 5G kunnen gebruiken. Tegelijkertijd zien we dat de nieuwste generatie smartphones 5G wel reeds ondersteunen. Wie nog een ouder toestel heeft en 5G wil gebruiken, zal dus een nieuwe smartphone moeten aanschaffen. Verwacht wordt dat 4G zeker nog tot 2030 actief zal blijven en dat de meeste gebruikers hun apparaat tot einde levensduur zullen gebruiken. De overgang naar 5G zal dus niet meteen leiden tot extra elektronisch afval.

Groter dataverbruik

5G-netwerken presteren beter dan 4G-netwerken. Ze hebben specifieke eigenschappen zoals:

• Een hogere throughput of doorstroming van data (10 tot 100x hoger dan 4G)
• Een lagere latency van 1ms of milliseconde (vertraging in de dataoverdracht welke afhankelijk is van het netwerk en de afstand tussen zender en ontvanger)
• Een groter aantal toestellen dat geconnecteerd kan worden

Deze performantie zal leiden tot een significante groei aan nieuwe toepassingen die de 5G-technologie gebruiken. Tegen 2025 wordt verwacht dat meer dan 12 miljard mobiele apparaten verbonden zullen zijn met het internet of things (zie studies van GSMA en Cisco). Hierdoor zal het dataverbruik aanzienlijk verhogen. Uit onderzoek van Capgemini (in opdracht van het BIPT) blijkt dat het verbruik in België met factor 40 zal groeien tegen 2040.

Maar hoe belangrijk is dat extra dataverkeer? Volgens een studie van CEDelft veroorzaakt ongewenste data (zoals advertenties en tracken van gebruikers) tussen 3 en 8 Mton of megaton CO2-uitstoot per jaar. Die uitstoot komt overeen met de uitstoot van ongeveer 4 miljoen wagens. Volgens The Shift Project (een Franse denktank over de koolstoftransitie) zal het energieverbruik drastisch toenemen en zal een verbetering van de energie-efficiëntie niet voldoende zijn. De oplossing? Digitale soberheid. Een halt toeroepen aan het stijgende dataverbruik door bewuster om te gaan met data en alleen die data te gebruiken die men ook effectief nodig heeft.

5G-apparatuur

5G gebruikt complexe apparatuur. De belangrijkste impact is het energieverbruik van het 5G-netwerk zelf en meer specifiek het energieverbruik van de zendapparatuur. De zendmasten bestaan uit een basisstation en een radiogedeelte dat het signaal uitzendt. Maar ook het glasvezelnetwerk waarop de zendapparatuur is aangesloten, verbruikt energie. Vanaf de start van de ontwikkeling van 5G is daarom veel aandacht besteed aan het energie-efficiënter maken van deze nieuwe apparatuur.

Uit verschillende studies (Nokia, Deutsche Umwelt Bundesamt) blijkt dat deze toestellen van het 5G netwerk ongeveer tot 90% minder energie per verstuurde bit verbruiken dan de huidige toestellen van het 4G-netwerk. Dit lage energieverbruik bekomen we dankzij slimme software die ongebruikte delen van het netwerk uitschakelt en de infrastructuur optimaal gebruikt (meer info bij deze studie van Ericsson).

Totale energieverbruik

Toch wordt verwacht dat het totale energieverbruik niet zal dalen en zelfs kan stijgen. Dit wordt het rebound effect genoemd: wanneer het totale energieverbruik amper daalt ondanks het feit dat de apparatuur zelf veel minder energie verbruikt. Het is vergelijkbaar met de impact van het verbreden van een autostrade: in eerste instantie zal er minder file zijn, waardoor het verkeer vervolgens weer toeneemt en de file terugkeert (in sommige gevallen zelfs meer dan voordien). In de literatuur zijn dan ook veel tegenstrijdige meningen te vinden over het totale energieverbruik als gevolg van 5G.

Onderstaande studies geven meer inzicht in de verwachtingen:

• Een studie van het Franse ‘Haut Conseil pour le Climat’, opgericht op initiatief van Emmanuel Macron, verwacht tegen 2030 een stijging van het energieverbruik met 18 tot 44%. De University of Zurich vergeleek het energieverbruik van 2G-4G in 2020 met het energieverbruik van 5G in 2030. De wetenschappers verwachten een stijging van ongeveer 10%, waarbij het dataverkeer tot 6 keer groter wordt. Axon deed dezelfde studie gericht op de Belgische markt en verwacht eveneens een stijging in het energieverbruik van ongeveer 10% tegen 2030.
• Het International Energy Agency (IEA) gaat ervan uit dat de stijging eerder beperkt zal zijn. Ze verwijzen onder andere naar de evolutie bij de grote datacentra waar het energieverbruik op hetzelfde niveau bleef terwijl de reken- en opslagcapaciteit de laatste jaren alleen maar groter werd. Verwacht werd dat het energieverbruik van die datacentra tegen 2020 de hoogte zou inschieten. Maar dankzij de inspanningen van de sector is dat geen realiteit geworden. Het IEA verwacht hetzelfde scenario voor de telecomoperatoren.

Er is nog veel onduidelijkheid over het energieverbruik dat 5G met zich meebrengt. Het is wel bijna zeker dat het energieverbruik weinig of niets zal dalen ten opzichte van het huidig niveau. Aanvullend zal het bestaande 4G-netwerk gedurende de komende jaren ook operationeel blijven en dus naast het 5G-netwerk bestaan. Zo wordt een dubbele infrastructuur in stand gehouden, wat leidt tot meer energieverbruik.

Herkomst van de energie

5G-netwerken hebben altijd energie nodig. Telecomoperatoren kunnen ervoor kiezen om energie op te wekken via duurzame energiebronnen zoals wind-, water- en zonne-energie om hun nettto-uitstoot te verminderen. Verschillende Europese telecombedrijven zijn hier reeds bewust mee bezig. In 2020 werd de “European Green Digital Coalition” opgericht door 26 Europese ICT-bedrijven. Die coalitie wil de EU ondersteunen in haar doelstellingen door een verbintenis aan te gaan om tegen 2040 klimaatneutraal te zijn. Daarnaast is het belangrijk dat een operator niet enkel streeft naar klimaatneutraliteit (wat behaald kan worden door de aankoop van groene energie), maar er ook naar streeft om zijn energieverbruik zo laag mogelijk te krijgen.

Energieverbruik door productie

Een toestel verbruikt tijdens zijn levensduur energie wanneer het toestel gebruikt wordt (operationele fase) en wanneer het toestel gemaakt wordt (productie).

• De productie van netwerkapparatuur (zoals zendmasten) gebruikt ongeveer 20% van de totale energie die gedurende de hele levensduur van het apparaat nodig is.
• Voor de productie van toestellen gebruikt door de consument (zoals smartphones) is het omgekeerde waar. Die productie gebruikt ongeveer 80% van de totale energie die gedurende de hele levensduur van het toestel nodig is. Dit is grotendeels te verklaren door de intensieve ontginning van zeldzame grondstoffen. Het is dus noodzakelijk om de levensduur van deze apparaten te verlengen.

Het katalysator effect

Door het gebruik van 5G is men in staat om in andere sectoren het productieproces te optimaliseren en dus ook het energieverbruik te verminderen. 5G speelt dan ook een cruciale rol als katalysator (of ‘enabler’) voor de energiezuinige toepassingen in andere sectoren. Dit noemen we het katalysator of enabling effect. De positieve impact hiervan wordt bevestigd in studies van onder andere GSMA, Analysys Mason en Ericsson. Er zijn verschillende studies die besluiten dat de mogelijke besparing op CO2-uitstoot die mogelijk gemaakt wordt door 5G-netwerken groter is dan de CO2-uitstoot van de netwerken zelf. Volgens het Global e-Sustainability Initiative is dit zelfs een factor 5. Een studie van de Universiteit van Zürich komt zelfs tot een factor 10 (in een zeer optimistisch scenario).

Het is zeer moeilijk om een goede inschatting te maken van het exacte effect van 5G op andere sectoren. Naast inzicht in 5G en digitale toepassingen is ook inzicht nodig in de verticale sectoren (verticals) die 5G zullen gebruiken. Er bestaan momenteel geen goede metrieken of standaarden om de mate van het katalysator effect te meten. De Europese Commissie werkt hard aan de inschattingen en metrieken maar merkt op dat dit geen makkelijke oefening is.

De Franse telecomregulator (Arcep) publiceerde op 14 januari 2022 een studie waarin het energieverbruik werd onderzocht veroorzaakt door het 4G netwerk in combinatie met de uitrol van 5G in de 3.5 GHz band om in extra capaciteit te voorzien. Dit werd vergeleken met het energieverbruik van enkel een 4G netwerk, waarbij eventueel capaciteit werd toegevoegd in het 4G netwerk door bv. extra basestations. Uit de studie blijkt dat in eerste instantie de introductie van 5G leidt tot een (beperkt) hoger energieverbruik vergeleken met 4G alleen. Echter, na 2 tot 5 jaar, afhankelijk of het in een landelijk of stedelijk gebied is, wordt het energieverbruik van de combinatie 4G+5G lager ten opzicht van dan deze van 4G alleen. In 2028 is de energie-efficiënte van 4G+5G in een dichtbevolkt gebied zelfs tot 3x hoger dan deze van 4G alleen. Er wordt zo een besparing in het energieverbruik gerealiseerd die overeenkomt met 10x het energieverbruik van 2020. Deze studie toont duidelijk aan dat de introductie van 5G kan helpen om het energieverbruik bij toenemende vraag naar datacapaciteit te verminderen.

Verder geldt dat indien het 5G-netwerk niet wordt uitgerold, dan zal het 4G-netwerk maar in beperkte mate in staat zijn om de bijkomende data te transporteren die nodige is om de nieuwe digitale toepassingen te ondersteunen. Dit zou de digitale groei hinderen waardoor er minder digitale toepassingen ontstaan waarmee er slim met energie en het milieu kan worden omgegaan. Het enabling effect van 4G is dus kleiner dan dat van 5G.