Künstliche Intelligenz (KI) : Wie Künstliche Intelligenz den Kampf gegen den Klimawandel unterstützt

Der Sommer 2022 hat den Bürgerinnen und Bürgern deutlich vor Augen geführt, dass es sich beim Klimawandel nicht um „Fake News“ handelt. Die Binnenschifffahrt auf dem Rhein und anderen Flüssen kam wegen des niedrigen Wasserstands zeitweilig zum Erliegen; die Landwirtschaft in Deutschland und der EU musste wegen der Trockenheit beträchtliche Einbußen hinnehmen. Verstärkte Dürreperioden sind eine Folge des Klimawandels. Auch das Hochwasser im Ahrtal von 2021 und die Waldbrände im Harz und in Brandenburg in diesem Sommer werden mit der Erderwärmung in Verbindung gebracht.

Um Analysen zu den Ursachen und Folgen des Klimawandels zu erstellen und den Weg zu Gegenmaßnahmen zu ebnen, kann Künstliche Intelligenz (KI) eine wichtige Rolle spielen. Das gilt vor allem für drei Bereiche:

• Vorhersagen über die weitere Entwicklung des Klimawandels
• das Monitoring von Flussregionen, Küstengebieten und Wäldern, um frühzeitig potenzielle Gefahren durch Überflutung oder Waldbrände zu erkennen
• Entwicklung von Strategien, um die Folgen der klimatischen Veränderungen abzumildern.

I. Prognosen mit digitalem Zwilling "Earth-2"

Um ein Bild von den Wirkmechanismen der Klimaänderung zu gewinnen und tragfähige Prognosen zu erstellen, reicht es nicht aus, die Wetterdaten der vergangenen Jahrzehnte zu untersuchen. Vielmehr sind komplexe Simulationen erforderlich, die eine große Zahl von Faktoren berücksichtigen. Dazu gehören physikalische, chemische und biologische Prozesse in der Atmosphäre, in Flüssen und Ozeanen sowie auf dem Erdboden. Außerdem müssen die Aktivitäten des Menschen mit einbezogen werden, etwa die Industrialisierung, Urbanisierung und Landwirtschaft. Gleiches gilt für die Effekte des Bevölkerungswachstums und der Versiegelung von Flächen.

Um diese Daten aus unterschiedlichen Quellen auszuwerten und tragfähige Prognosen zu erstellen, können insbesondere „Digitale Zwillinge“ helfen. Solche digitalen Nachbildungen realer Dinge und Prozesse kommen beispielsweise in der Industrie zum Einsatz, in Form von Digital Twins von Maschinen und Produktionsanlagen. Mit „Earth-2“ hat Nvidia ein Projekt gestartet, das Prinzipien des Digitalen Zwillings auf die Erde überträgt. Das Herzstück ist ein Supercomputer, auf dem komplexe Simulationen laufen. Er wird mithilfe von KI-Algorithmen in der Lage sein, Prognosen über die weitere Entwicklung des Klimawandels wesentlich schneller, kostengünstiger und mit weniger Energieaufwand zu erstellen.

Diese Einschätzungen umfassen einen Zeitraum von mehreren Jahren bis zu Jahrzehnten. Mit einem digitalen Zwilling wie Earth-2 in Verbindung mit KI können Fachleute aus Wissenschaft, Politik und Wirtschaft somit Strategien entwickeln, mit denen sich die Folgen der Klimaänderung reduzieren lassen. Außerdem haben sie die Möglichkeit, die Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen zu prüfen, etwa die Reduktion des CO2-Ausstoßes durch Mobilitätskonzepte und die Förderung der E-Mobilität.

II. Mit Echtzeit-Monitoring Katastrophen vermeiden

Eine zentrale Rolle kann KI außerdem bei vorbeugenden Maßnahmen gegen wetterbedingte Katastrophen spielen. Das Hochwasser im Ahrtal im Juli 2021 hat deutlich gemacht, welche Schäden durch Starkregen entstehen können. Damit sich solche Ereignisse nicht wiederholen, hat die Bundesregierung im Koalitionsvertrag eine nationale Klima-Anpassungsstrategie definiert. Sie sieht unter anderem den Ausbau des Küsten- und Hochwasserschutzes vor. Außerdem sollen Standards für die Bewertung von Hochwasser- und Starkregenrisiken erarbeitet werden. Ein weiteres Element ist der Ausbau der privaten Hochwasser- und Starkregenvorsorge.

Doch solche Maßnahmen benötigen eine valide Datengrundlage. So muss klar sein, in welchen Gebieten das Risiko von Überflutungen besonders hoch ist. Nur dann lassen sich Vorkehrungen treffen, etwa eine Einschränkung der Bebauung bestimmter Gebiete. Auch solche Informationen lassen sich mithilfe von KI, digitalen Zwillingen und Simulationen bereitstellen. Forschungseinrichtungen können beispielsweise Satellitenbilder von Risikogebieten mit KI-Algorithmen auswerten und daraus Prognosen ableiten, bei welchen Witterungsbedingungen in bestimmten Regionen mit Hochwasser zu rechnen ist.

Damit diese Berechnungen eine hohe Genauigkeit aufweisen, sind neben leistungsfähigen KI- und Machine-Learning-Algorithmen „High-Performance-Computing“-Systeme (HPC) erforderlich. Nur sie sind in der Lage, innerhalb weniger Minuten Simulationen der Klima- und Wetterbedingungen mit einer Auflösung von wenigen Kilometern oder 100 Metern durchzuführen. Das erhöht die Präzision der Vorhersagen und gibt Behörden die Möglichkeit, Bewohner rechtzeitig zu warnen.

III. Gegenmaßnahmen entwickeln

KI und Digitale Zwillinge lassen sich jedoch nicht nur nutzen, um den Klimawandel zu analysieren. Mithilfe beider Technologien können öffentliche Einrichtungen und Unternehmen Maßnahmen erarbeiten, um diese Entwicklung zu stoppen oder zumindest zu verlangsamen. Ein Beispiel ist Siemens Gamesa. Das Unternehmen hat sich auf erneuerbare Energien aus Windkraft spezialisiert.

Um die Windkraftwerke optimal zu positionieren, erstellt Siemens Gamesa im Vorfeld ein digitales 3D-Modell eines Windparks. KI-Algorithmen und entsprechende Modelle unterstützen die Fachleute dabei, das ideale Design eines Parks zu ermitteln. Dazu simulieren sie die Nachlaufströmungen (Wakes), die im Windschatten eines Windrades entstehen und können andere Systeme in sicherem Abstand platzieren. Dadurch liefern die Windparks von Siemens Gamesa stets die optimale Menge an „sauberer“ Energie.

Schiffsrouten optimieren und Luftqualität verbessern

Ein weiteres Beispiel ist die Datenplattform des deutschen Start-up-Unternehmens Trueocean, die bereits einsatzfähig ist. Sie nutzt KI, um den CO2-Ausstoß von Schiffen zu reduzieren. Diese produzieren weltweit rund 800 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr. Durch eine Echtzeit-Optimierung der Routen ließe sich ein beträchtlicher Teil davon einsparen. Trueocean und das Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung ermitteln, wie hoch die Einsparung ausfallen kann. Die Routen werden dann entsprechend angepasst. Dadurch sparen die Schiffe Treibstoff und stoßen weniger CO2 aus.

Ein drittes Beispiel zeigt das Hamburger Startup Breeze Technologies. Sie nutzen viele kleine, Cloud-verbundene Sensoren in Kombination mit KI, um die Luftqualität von Städten schneller und kostengünstiger zu messen und zu verbessern.

Handeln lohnt sich – auch wirtschaftlich

Technologien wie KI, Digitale Zwillinge und High-Performance-Computing können somit die Bundesregierung und die deutsche Wirtschaft maßgeblich dabei unterstützen, die Klimaziele zu erreichen. Dass dies zügig gelingt, ist unabdingbar.

Ludwig von Reiche ist seit über 20 Jahren Geschäftsführer von Nvidia in Deutschland. Bekannt ist der US-Konzern vielen als Grafikprozessor-Hersteller, gehört aber auch zu den führenden KI-Unternehmen.