Energie für die Fabrik der Zukunft

Symbolbild: Versuchsfeld des Fraunhofer IPA mit bunten Streifen

Quelle: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Energie für die Fabrik der Zukunft

Im Bereich Ressourceneffiziente Produktion am Fraunhofer IPA betrachten Forscherinnen und Forscher um Professor Alexander Sauer Fabriken ganzheitlich und verbessern sie hinsichtlich ihrer Umweltwirkung sowie ihres Zusammenspiels mit dem zukünftigen Energiesystem. Übergeordneter Ansatz ist dabei die Ultraeffizienzfabrik.

Veröffentlicht am 23.06.2022

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Ein wichtiger Schwerpunkt, an dem auch das Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP der Universität Stuttgart arbeitet, ist das Thema Energie. Die Forscherinnen und Forscher dort und am Fraunhofer IPA fragen: Wie kann ich den Energieverbrauch in Fabriken reduzieren? Wie kann ich ihn an das künftige Energiesystem anpassen? Ein Stichwort ist hier die Elektrifizierung von bisher fossil betriebenen Prozessen, insbesondere von Wärmeprozessen. Gefragt wird: Wie kann ich die Fabrik befähigen, in einem zukünftigen volatilen Energieversorgungsumfeld weiterhin produktiv und auch zuverlässig zu arbeiten? Wie kann ich neue Energieträger in eine Fabrik der Zukunft integrieren?

Ein wichtiger Energieträger wird künftig Wasserstoff sein. Hier startete das EEP vor einiger Zeit mit dem Forschungsprojekt »Wave-H2« eine sehr große Initiative, in der eine industrielle Wasserstoffanwendungsplattform aufgebaut wird. Dabei wird untersucht, wie Wasserstofftechnologien in der Industrie effizient verwendet werden können.

Auf das Material bezogen, leiten den Bereich Ressourceneffizienz die folgenden Problemstellungen: Wie kann ich Materialverschwendung minimieren und nachhaltige sowie kreislauffähige Materialien verwenden? Wie kann ich Produkte so fertigen, dass ich sie später auch wieder gut demontieren und recyceln kann? Neben dem traditionellen technischen Kreislauf von Produkten wird zunehmend ein biologischer Kreislauf aufgebaut. Die Frage ist hier: Wie können wir biobasierte und abbaubare Materialien in Produkte integrieren und einem biologischen Kreislauf zuführen?

»Sowohl auf der Materialseite als auch was die Energie betrifft, wollen wir als Fraunhofer IPA die Industrie auf das Gleis der Biologischen Transformation bringen und sie auf dem Weg in die biointelligente Wertschöpfung unterstützen«, so Institutsleiter Alexander Sauer, der den Bereich Ressourceneffiziente Produktion verantwortet. »Ein schönes Beispiel ist hier etwa eine Lebensmittelfabrik, die Lebensmittelabfälle im eigenen Klärwerk vergärt, um Grundstoffe wieder zu nutzen, plus die frei werdende Energie zur Energieversorgung verwendet.«

Herzstück ist die Energieeffizienz in der Produktion

Bereits 2013, zwei Jahre bevor er ans Fraunhofer IPA kam, hat Sauer gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA den Energieeffizienz-Index der deutschen Industrie (EEI) entwickelt. Das Ziel: schneller an Informationen zu gelangen, wie die Stimmungslage zur Energieeffizienz in der Industrie ist. Die Logik des EEI ist an den Ifo-Geschäftsklimaindex angelehnt. Abgefragt wird für die vergangenen und die kommenden zwölf Monate. Es wird allerdings nicht nur in die Bedeutung der Energieeffizienz abgefragt, sondern es wird zusätzlich nach dem Anteil der Investitionen in Energieeffizienz und der Steigerung der Energieproduktivität gefragt. »Es könnte ja sein, dass alle Energieeffizienz als wichtiges Thema erachten, aber keiner investiert. Und es stellt sich auch kein Effizienzfortschritt ein. Oder aber, die Unternehmen finden es wichtig, investieren und es stellt sich trotzdem kein Effizienzfortschritt ein. Oder sie investieren nicht und es stellt sich ein Effizienzfortschritt ein, aufgrund von vergangenen Investitionen. Das kann alles passieren«, so Sauer.

Um schneller aussagefähig zu sein als etwa das zuständige Bundesministerium, das immer zwei Jahre hinterher ist, fragt der EEI seit 2013 halbjährlich, wie sich die Energieproduktivität in der deutschen Industrie entwickelt. Zusätzlich zu den Standardfragen zur Stimmungslage fragt das EEI aktuell politisch relevante Themenfelder ab, zum Beispiel: Welchen Beitrag die Energieeffizienz zur Klimaneutralität in den Unternehmen leistet, ob sich die Unternehmen vorstellen können, stärker zu elektrifizieren, ob sie Wasserstoff nutzen können, ob sie eine stärkere energetische Flexibilität als sinnvoll erachten und Ähnliches.

Mit den entsprechenden Analysen kann der Politik Hilfestellung gegeben werden, was sie verbessern kann, etwa in Richtung Förderinstrumente. Der EEI nutzt auch den Instituten selbst, als Ausgangspunkt, um Forschungsprojekte aufzusetzen und die Unternehmen beraten zu können, wie sie sich im neuen Energieumfeld besser aufstellen können. Dabei wird auch offenbar, wie die Wettbewerber über gewisse Themen denken. Der Energieeffizienz-Index ist also Benchmark, Kristallisationspunkt für neue Forschungs- und Entwicklungsprojekte sowie Basis für die Beratung von Politik und Gesellschaft.

Der Energieverbrauch steigt trotzdem – Wie lange noch?

Wenn effizientere Technologien entwickelt werden, dann wird in der Regel von der entsprechenden Leistung mehr nachgefragt. Bekannt ist dieses Phänomen unter dem Begriff Rebound-Effekt. Wer LED-Lampen einbaut, lässt sie häufig deutlich öfter brennen als die alte Glühbirne. Der Produktivitätsfortschritt wird im absoluten Verbrauch häufig überkompensiert durch die Produktionsmengensteigerung. Eine Entkopplung von Ressourcenverbrauch und Wirtschaftswachstum oder Produktionsmenge findet hier zwar statt, aber trotzdem steigt der Ressourcenverbrauch weiter an.

Es scheint enorm schwierig, den Ressourcenverbrauch zu senken und gleichzeitig eine höhere Absatzmengenleistung zu erbringen. »Die freiwillige Selbstbeschränkung klappt in der Regel recht selten. Das sehen wir an uns selbst. Der alte Kühlschrank, der durch ein effizienteres Gerät ersetzt wird, wandert häufig in den Keller als Zweitgerät und wird dort für Partys weitergenutzt«, weiß Alexander Sauer.

Was machen wir mit dem Geld, das wir einsparen, weil wir bessere Heizsysteme haben und daher weniger Energie verbrauchen? Wir nutzen es, um ins Kino zu gehen oder in den Urlaub zu fahren. Das ist wieder mit hohem Ressourcenverbrauch verbunden. Ein Teufelskreis

Insbesondere im Bereich der Materialien ist die Senkung des Ressourcenverbrauchs deshalb schwierig, weil wir etwa bei den Grundstoffindustrien schon sehr effizient sind. Beispiel Eisenerz in der Stahlindustrie: Hier sind die am effektivsten zu fördernden Vorräte schon aufgebraucht. Übrig sind Ausgangsmaterialien, die mehr CO2-Emissionen verursachen, um die gleiche Leistung zu erbringen. Die Ressourcenbasis, auf die wir zugreifen, wird an manchen Stellen bereits schlechter. Das ist auch bei der Lebensmittelindustrie der Fall. Die Böden werden schlechter und der Ertrag sinkt. Wir brauchen also mehr Land, um die gleiche Menge an Lebensmitteln zu erzeugen.

Schematische Darstellung einer Kreislaufwirtschaft

Verzichtet wird erst ganz zuletzt

Sind wir als Gesellschaft eigentlich überhaupt bereit, auf etwas zu verzichten? »Diese Frage wird erst relativ spät beantwortet. Prinzipiell wird jeder individuell möglichst wenig auf Komfort verzichten. Schauen wir uns den Lebensstandard an, den wir im Vergleich zum Rest der Welt haben. Wenn wir anerkennen, dass andere aufholen wollen, dann wissen wir, dass der Ressourcenverbrauch zunächst nochmals deutlich ansteigen wird, selbst wenn wir uns in Selbstbeschränkung üben«, glaubt Sauer. Global sei es extrem schwierig, den Ressourcenverbrauch zu reduzieren – insbesondere den fossilen und abiotischen Ressourcenverbrauch. Hier müssen wir laut Sauer den Schwenk durch die Biologische Transformation schaffen, mehr erneuerbare Energien und mehr nachwachsende Rohstoffe nutzen. Mit Unterstützung von biologischen Prozessen kann aus seiner Sicht das ein oder andere realisiert werden, das heute noch technisch gelöst wird.

Effizienz ergänzt die Effektivität

Im Ultraeffizienzansatz des Fraunhofer IPA wird zwischen Effizienz- und Effektivitätstechnologien unterschieden. Die Biologische Transformation zahlt sehr stark auf die Effektivitätstechnologien ein. Das alleine reicht aber nicht aus.

Wenn wir das Effizienz- und Effektivitätsthema übertragen auf das Energiesystem, heißt das, dass möglichst viel Energie über Wind, Sonne, Wasserkraft erzeugt und eingesetzt wird, denn wir wollen möglichst viele Effektivitätstechnologien nutzen. Aber: Der Stromverbrauch wird sich bis 2045 in etwa verdoppeln, wenn wir die Energiewende schaffen wollen, nämlich von 540 auf über 1000 Terrawattstunden pro Jahr. Ohne Effizienztechnologien als Ergänzung kann das nicht funktionieren. Das Thema Energieeffizienz ist – EEP-Stifter Heinz Dürr betont das immer wieder – in fast allen Initiativen und Diskussionen ein sehr vernachlässigtes Thema. Seit Beginn der Energiewende und bis heute haben die Aktivitäten der Bundesregierung auf der Effizienzseite relativ wenig Wirkung gezeigt, auch wenn zwischendurch versucht wurde, den Fokus auf die Effizienz zu legen. »Wir werden keine andere Wahl haben, als die Effizienz massiv zu steigern, wenn wir die Energiewende mit Erneuerbaren schaffen wollen. Nur über technischen Fortschritt kann die Ressourcenwende gelingen und ein großer technischer Fortschritt liegt in der Biologischen Transformation.«

Mit einer Steigerung der Energieeffizienz kann der Anteil der Erneuerbaren erhöht werden, allein indem wir Energie sparen und dann weniger fossile Energieträger brauchen. Weil außerdem weniger Leitungen und weniger Speicher benötigt werden, entsteht hier eine weitere Steigerung der Ressourceneffizienz. »Es ist in jedem Fall eine sogenannte No-Regret-Option, wenn wir Effizienztechnologien voranstellen.«

Politik und Wirtschaft

Bislang wird der Energieverbrauch beim Herstellprozess, etwa von Dämmmaterial, bei der Effizienzbilanzierung von Gebäuden nicht berücksichtigt. Daher sei es an der Zeit, so Alexander Sauer, dass sich die Energierichtlinien bezüglich der grauen Energie, die hier gebunden ist, ändern. »Wir können das gesteckte Klimaschutzziel erreichen, wir werden es aber nicht als energieautarkes Land erreichen. So wie wir heute Öl und Gas importieren, werden wir also zukünftig andere Energieträger importieren müssen.«

»Nun schauen wir mal, was die SPD-Grünen-FDP-Koalition so schmiedet, und ob da wirklich Geschwindigkeit aufgenommen wird. Im bisherigen Schneckentempo werden wir es nicht rechtzeitig schaffen«, weiß Sauer.

Verzicht alleine – da sind sich viele Experten einig – wird nicht funktionieren, aber Reglementierung an der einen oder anderen Stelle, gepaart mit den richtigen Randbedingungen schon. Sobald etwas wirtschaftlich ist, wird es die Industrie machen, so die Erfahrung der letzten Jahrzehnte. Der CO2-Preis wird hier ganz entscheidend sein, um beim Klimaschutz und der Energiewende weiterzukommen. Der Druck, den OEM bereits jetzt erzeugen, indem sie CO2-neutrale Zulieferer fordern, führt dann logischerweise relativ schnell zu einer hohen Veränderungsgeschwindigkeit.

»Die Politik sollte mit Mindeststandardvorgaben unterstützen, wie wir es bei der LED-Leuchte gesehen haben, bei den Elektromotoren, Kühlschränken. Bei Standardkomponenten kann die Politik einen entsprechenden Rahmen setzen und regulieren, damit sich ineffiziente Technologien nicht weiterverbreiten«, fordert Sauer.

Auch Konsumenten haben es in der Hand

Wie aber kann die Industrie zum Klimaschutz beitragen? Was können wir selbst tun, um die Industrie zu unterstützen? Längst hat sich gezeigt: Mit unserem Kaufverhalten können wir die Wirtschaft beeinflussen. Bei Lebensmitteln, die wir ständig einkaufen, haben wir einen sehr schnellen Hebel, um etwas zu verändern, indem wir beispielsweise bewusst weniger energieintensive Produkte wie Fleisch konsumieren. Unabhängig vom Konsumenten kann auch die Industrie wesentlich zur Energiewende beitragen, indem sie versucht, möglichst schnell ihre eigene Bilanzhülle und ihre Lieferkette CO2-neutral zu gestalten. Logischerweise sollte das mit möglichst wenig Nutzung von Kompensationszertifikaten und möglichst wenig Bezug von Grünstrom aus dem Netz erfolgen und mit einer möglichst hohen Nutzung von lokaler Energieerzeugung und Effizienzmaßnahmen.

Ihr Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer

Institutsleiter
Telefon: +49 711 970-3600

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