De groene datarevolutie

We staan aan het begin van een grootscheepse transitie. Bedrijven en huishoudens gaan van het gas af, elektrisch rijden wordt de norm en op steeds meer daken wekken zonnepanelen groene stroom op. Bij alle initiatieven die genomen worden, blijft één groot verbruiker veelal buiten beschouwing: data.

De wereld draait steeds meer op data en al die data vraagt steeds meer energie. "Het is een zorgwekkende situatie", beaamt prof. dr. ir. Ton Backx, CEO Institute for Photonic Integration (TU Eindhoven) en CEO Photon Delta. "Dataverkeer verbruikte in 2016 al 5 procent van alle elektriciteit die we wereldwijd opwekken. Door het uitdijende dataverkeer neemt dat verbruik ieder jaar exponentieel toe, gemiddeld met een factor 1,7."

Techbedrijven willen vergroenen

Ook de grote techbedrijven zoals Amazon, Facebook, Google en Microsoft beseffen dat er snel actie ondernomen moet worden om dataverkeer en dataopslag duurzamer te maken. Daarom maken steeds meer grote techbedrijven gebruik van energie uit hernieuwbare bronnen, zoals zon en wind. Volgens het rapport 'Clicking Clean: Who is Winning the Race to Build a Green Internet?' van Greenpeace uit 2017 hebben de 'groene' initiatieven van Facebook, Apple en Google van vier jaar geleden inmiddels navolging gevonden bij twintig andere internetbedrijven. Greenpeace ziet daarvoor drie redenen: klanten vragen in toenemende mate om meer duurzame oplossingen, de kosten van duurzame energie dalen en worden vergelijkbaar met die van fossiele brandstoffen en duurzaamheid kan ingezet worden om het merk te versterken, richting consumenten en werknemers.

In 2016 verbruikte dataverkeer al 5 procent van alle elektriciteit en het verbruik groeit jaarlijks, gemiddeld met een factor 1,7.

Microsoft kiest voor windenergie

"We moeten ons als techsector realiseren dat datacenters halverwege het volgende decennium tot de grootste verbruikers van elektriciteit ter wereld zullen worden gerekend", aldus Brad Smith, president van Microsoft, in het Greenpeace-rapport. Microsoft zet zich sterk in voor vergroening van haar datacenters. Zo zal het Nederlandse datacenter van Microsoft in Middenmeer vanaf 2019 jaarlijks gebruikmaken van 180 MW windenergie afkomstig van het nieuwe windmolenpark van Nuon in de Wieringermeerpolder. "We willen graag hernieuwbare energie afnemen voor ons datacenter in Middenmeer", aldus Ernst-Jan Stigter, algemeen directeur van Microsoft Nederland, bij het tekenen van de overeenkomst voor windenergie. "Deze investering in Nederland toont het potentieel aan van Nederland als icoon op het gebied van digitale transformatie en helpt bij het creëren van een virtuele cyclus waarmee de partners van Microsoft Cloud hun impact op het milieu verminderen."

Er worden in Nederland meer initiatieven ontplooid om dataverkeer en dataopslag te vergroenen. Datacenters produceren veel warmte en zien mogelijkheden om de resterende warmte aan warmtenetten te leveren. In Amsterdam-Oost is een initiatief gestart om warmte van Equinix te gaan leveren aan de nabijgelegen wijk met vijfduizend bestaande woningen. Het omgekeerde is al wel praktijk: een datacenter in de Amsterdamse Zuidas krijgt van Nuon duurzame koude voor zijn proceskoeling geleverd. Deze koude is afkomstig uit de diepere waterlagen van De Nieuwe Meer.

Dataverkeer: enorme energiebesparingen mogelijk

Maar waarom is dataverkeer eigenlijk zo energiezuchtig? En zou je dat niet kunnen veranderen? Professor Backx legt uit dat er op twee punten in het proces veel energie verloren gaat: bij de omzetting van elektrische signalen naar licht en omgekeerd en bij het 'boosten' van het signaal onderweg tussen begin en eindpunt (zie kader).

Veel efficiënter zou het zijn om data direct als lichtsignaal op te slaan en te verwerken, om te werken met fotonen (lichtdeeltjes) in plaats van elektronen. Daarin worden momenteel grote stappen gezet, aldus Backx: "Fotonen gedragen zich als elektronen maar gaan veel zuiniger om met energie. Door licht in plaats van elektriciteit te gebruiken, kunnen we het aantal noodzakelijke opto-elektrische conversies verkleinen en kunnen de verliezen in het transport van de datapakketten aanzienlijk verkleind worden. Theoretisch gezien is met licht 100.000 tot 1 miljoen keer minder energie nodig." En dergelijke forse energiebesparingen zijn ook snel te realiseren. "Hier in het lab hebben we al veel van de technologie die nodig is om deze besparingen te realiseren in werkende vorm. Die technologie moet nu doorontwikkeld worden naar praktische toepassingen."

Fotonica zorgt voor een revolutie

Om dat voor elkaar te krijgen, komt Photon Delta in beeld. Dit ecosysteem waarin research, productie en applicatieontwikkelingen zijn verenigd, richt zich op het ontwikkelen van infrastructuur van en toepassingen voor geïntegreerde fotonica: fotonica gecombineerd met elektronica. Backx: "Geïntegreerde fotonica is al sinds midden jaren zestig van de vorige eeuw een belangrijk onderzoeksgebied in Nederland. Er is veel kennis en expertise, dat geeft ons nu een voorsprong bij de doorontwikkeling." Hij is ervan overtuigd dat geïntegreerde fotonica een soortgelijke revolutie zal betekenen voor de samenleving als de introductie van de micro-elektronica midden jaren zeventig. "Er gaat een nieuwe wereld voor ons open. Toepassing van fotonica kan de energietransitie een boost geven omdat er minder energie nodig zal zijn voor alle dataverkeer. Maar ik voorzie ook toepassingen op het gebied van preventieve gezondheidszorg, bijvoorbeeld met de ontwikkeling van een medische scanner die vergelijkbaar met op geluid gebaseerde echoscopie op basis van licht 3D-beelden kan maken van weefsel en tot op celniveau kan kijken, of slimme sensoren voor het meten van de luchtkwaliteit. En fotonische sensoren kunnen helpen om materialen nog beter te scheiden, waardoor ook de circulaire economie een stap dichterbij komt."

De nieuwe Silicon Valley?

Dat klinkt veel belovend. En volgens Backx hoeven we niet lang op de eerste toepassingen te wachten. "Ik denk dat de nieuwe generatie datacenters snel in toenemende mate gebruik zullen maken van geïntegreerde fotonica. In 2023 zouden er al forse stappen gezet kunnen zijn in de technologie daarvoor. Het tempo waarmee geïntegreerde fotonica zich ontwikkelt, ligt ook iets hoger dan bij micro-elektronica: factor 1,3–2,0 afhankelijk van de toepassing per jaar in plaats van 1,3 tot 1,5. Belangrijk is dat we nu de basis leggen voor de nieuwe infrastructuur en bedrijven in staat stellen daarvan gebruik te maken. Nederland heeft de potentie om de Silicon Valley te worden van de fotonica – als we de mogelijkheden benutten, kunnen we wereldleider worden op dit gebied!"