„Wetterextreme schlagen in Europa mittlerweile deutlich härter zu, als die Klimaforschung es sich hätte träumen lassen“, stellt nicht nur das Wuppertal Institut fest. An kaum jemandem dürften die in ihrer Frequenz sich erhöhenden Bilder brennender Wälder, überfluteter Landschaften und von Stürmen zerlegter Häuser vorbeigegangen sein. Und in vielen Ländern des Globalen Südens fallen die Wetterextreme noch viel heftiger aus. Wir sind schon mitten im Klimawandel - und es ist höchste Zeit zu handeln. Leider hinken fast alle Länder beim Klimaschutz hinter den eigenen Zielen hinterher. Auch für Deutschland ist das schon ziemlich zeitnahe EU-Emissionsreduktionsziel, bis 2030 40 Prozent weniger CO2 in die Atmosphäre zu emittieren, mit dem aktuellen Kurs der Bundesregierung schier unerreichbar.
Die gute Nachricht: Die Ursachen des Klimawandels sind bekannt und die Wege aus der Krise auch. In der Forschung wurden über die letzten Jahrzehnte sehr konkrete Transformationspfade erarbeitet. Die Studie Klimaneutrales Deutschland 2045 zeichnet zum Beispiel ein Szenario, mit dem Klimaneutralität bereits 2045 möglich ist - mit dem heutigen Stand der Technik.
Einer der größter Hebel auf dem Weg zu Klimaneutralität in Deutschland ist es, bei der Energiewirtschaft und Industrie anzusetzen. Aktuell verursacht dieser Sektor die meisten CO2-Emissionen: Die Erzeugung von Strom und Fernwärme in öffentlichen Kraftwerken und die Herstellung von Kohle- und Mineralölprodukten ist für mehr als ein Drittel der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich.
Mit dem RESET Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt" hat sich das Redaktionsteam von RESET.org daher auf die Suche nach Antworten auf die Frage begeben, wie die Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem vorangetrieben werden kann. Der Schwerpunkt lag dabei auf digitalen Lösungen und technische Innovationen in der Energiewirtschaft und neuen Impulsen in der Industrie. Das Greenbook ist Teil des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts „Mission Klimaneutralität“. Im Folgenden werden die zentralen Ergebnisse zusammengefasst.
Bereits heute sind Wind, Sonne, Biomasse und Wasser wichtige Energiequellen; ihr Anteil am Stromverbrauch stieg von gerade mal 6,5 Prozent im Jahr 2000 auf 41,1 Prozent im Jahr 2021.
In einem Gutachten des Öko-Instituts gehen die Autor*innen davon aus, dass die Energiewirtschaft ihr Sektorziel der im Koalitionsvertrag vereinbarten Klimamaßnahmen für 2030 tatsächlich unterschreiten könnte (andere zentrale Sektoren wie Verkehr, Industrie und Gebäude leider nicht!). Allerdings nur dann, wenn der Kohleausstieg tatsächlich bis 2030 gelingt, erneuerbare Energien ab sofort massiv ausgebaut werden und sich die CO2-Preise des europäischen Emissionshandelssystems erhöhen.
Vergessen werden sollte jedoch nicht, dass der Stromverbrauch in den nächsten Jahren aller Voraussicht nach weiter steigt, da auch die Mobilität und andere Sektoren nach und nach auf Strom umgestellt werden sollen.
Hoffnung auf einen sich in den nächsten Jahren beschleunigenden Ausbau erneuerbarer Energien macht nicht nur, dass die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie immer kostengünstiger wird, sondern auch, dass sich bereits bestehende Technologien stetig weiterentwickeln. Beispiele sind Entwicklungsschübe bei der Herstellung von Wasserstoff, der Energiegewinnung aus Abwärme oder der Agro-Photovoltaik.
Zudem sind in den letzten Jahren verschiedene neue Speichertechnologien hinzugekommen. Effiziente und kostengünstige Speicher sind ein wesentlicher Baustein für die Transformation unseres Energiesystems, da die Ausbeute aus Sonnen- und Windenergie schwankt. Speicher helfen den Strombedarf zu bedienen, indem sie Strom einlagern, wenn es einen Überschuss gibt, und wieder abgeben, wenn Flaute herrscht. Welche Technologien sich durchsetzen werden, wird sich noch zeigen müssen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über verschiedene Speichermöglichkeiten: Energiespeichersysteme - Der Dreh- und Angelpunkt der Energiewende.
Daneben sind wesentliche Aspekte zur fossilen Unabhängigkeit Intelligenz und Effizienz im Netz. Ein Energiesystem, das sich aus erneuerbaren Energien speist, bedeutet eine zunehmende Dezentralisierung der Energiequellen und die Beteiligung von einer steigenden Anzahl an Akteur*innen am Markt. Die dadurch steigende Komplexität des Energiesystems erfordert neue Steuerungs- und Regelungsmechanismen: Lastflüsse und Netze müssen intelligent gesteuert werden und gleichzeitig Verbräuche durch mehr Effizienz sinken. Genau hier setzen digitale Technologien an und schaffen so eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende.
Für das komplexer werdende Energiesystem der Zukunft, in das mehr und mehr kleine und mittlere Erneuerbare-Energien-Anlagen integriert werden, sind neue, intelligente Mess- und Kommunikationstechnologien gefragt. Das Ziel ist es, damit ein „Smart Grid“, also ein intelligentes Stromnetz, aufzubauen, innerhalb dessen nicht nur Energie, sondern auch Daten transportiert werden, die es u.a. Netzbetreiber*innen ermöglichen, zeitnah Informationen zu Stromproduktion, -transport, -speicherung und -verbrauch zu erhalten, auszuwerten und auf dieser Basis Stromflüsse zu steuern. Algorithmen und digitale Tools können dabei unterstützen.
Intelligenz im Energiesystem bedeutet daneben aber auch, den Verbrauch zu flexibilisieren. „Das ist ein relativ neuer Gedanke, also dass man sagt, dass die Verbraucher nicht mehr linear einfach weiter verbrauchen, sondern dass sie dann mehr verbrauchen, wenn mehr Strom vorhanden ist, und weniger, wenn weniger Strom erzeugt wird“, sagt Severin Beucker, Mitgründer des Borderstep Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit. Das bedeutet zum Beispiel, ein Elektroauto dann zu betanken oder in einem Haus Warmwasser zu erzeugen, wenn die Wind- und Sonnenenergieproduktion gerade auf Hochtouren läuft oder nachts, wenn das Energieniveau insgesamt niedrig ist. „Das ist Digitalisierung, denn alles, was wir dazu brauchen, ist fein verteilte Intelligenz. Ich muss wissen, wann wo wie viel Energie gebraucht wird und wann wo viel Energie erzeugt wird. Und diesen Bedarf und die Produktion, die muss ich aufeinander abstimmen.“
Die intelligente Vernetzung ermöglicht aber auch, den Strom zwischen verschiedenen Akteuren bzw. Sektoren hin- und herzuschieben, die sogenannte „Sektorkopplung“.
Wie das intelligente, klimaneutrale Quartier der Zukunft aussehen kann, wird zum Beispiel auf dem ehemaligen Pfaff-Betriebsgelände erprobt: Gründächer mit Photovoltaik (PV) und gebäudeintegrierte Solarpaneele an Fassaden und im öffentlichen Raum sollen einen Großteil des Energiebedarfs vor Ort erzeugen. Dezentrale Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Gebäuden und eine zentrale Redox-Flow-Batterie sorgen dafür, dass der lokal produzierte Strom auch vor Ort genutzt werden kann. Gleichzeitig sind alle Sektoren miteinander verbunden, so dass Strom und Wärme zwischen den verschiedenen Produzenten und Konsumenten –Solaranlagen, Wärmepumpen, Stromspeichern, Elektroautos, Haushalten – fließen können. Über einen elektrischen Smart Grid sind alle Stromverbrauchszähler und sonstigen Komponenten des Stromnetzes mit einem Datennetz verbunden und Strom und Wärme werden über ein digitales Energiemanagementsystems verteilt und lokal optimiert.
Auch in kleineren und mittleren Energiegemeinschaften, seien es Mietergemeinschaften, lokale Netzwerke aus Solaranlagenbetreibenden und Verbraucher*innen oder ganze Dörfer, können digitale Technologien den Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing erleichtern. Hier geht es vor allem darum, Lösungen zu finden, wie Strom zwischen den verschiedenen „Zellen“ gehandelt werden kann. Ihr digitales Abbild können diese Energiegemeinschaften zum Beispiel in Virtuellen Kraftwerken (VPP) finden. Im Wesentlichen wird dazu der zentrale Kontrollraum großer, fossiler Kraftwerke durch den Einsatz von Software nachgebildet. Zusätzlich zum Energiehandel, dem Energieausgleich und der Nachfragesteuerung – die Anpassung der erzeugten Strommenge an die Nachfrage – können über VPPs die aktuellen Verbrauchsdaten mit Wetter- und Prognoseinformationen kombiniert werden, so dass eine sehr feine Netzsteuerung- und Planung möglich ist.
Auch wenn Pilotprojekte wie das Pfaff-Quartier und verschiedene Ansätze Virtueller Kraftwerke den Weg weisen, so sind in Deutschland noch nicht die wesentlichen Voraussetzungen für intelligente, dezentrale Netze und die Einbindung und Flexibilisierung aller Akteur*innen geschaffen. Sowohl bei der Digitalisierung der eigentlichen Energienetze - zum Beispiel Transformatoren und Umspannwerke - als auch auf Ebene der Haushalte bzw. Verbrauchsgemeinschaften stehen wir am Anfang: Erst jetzt werden nach und nach digitale Messeinrichtungen wie zum Beispiel Smart Meter (intelligente Zähler) eingebaut.
Gleichzeitig ist die Effizienz ein wichtiger Aspekt, damit die Transformation zu 100 Prozent Erneuerbaren gelingt. „Wir denken immer, wir würden die Probleme lösen, indem wir alles erneuerbar machen. Aber wir kommen von einem viel zu hohen Energieniveau. Auch für die erneuerbaren Energien sind die Flächen und die Möglichkeiten sehr begrenzt“, so Beucker. Soll die Energiewende also schnell umgesetzt werden, geht es darum, das Energieniveau insgesamt zu senken. Nur durch die Reduktion um 50 Prozent bis 2050 ist eine vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien überhaupt realistisch (vgl. Prognos, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 2020).
Eine wichtiger Schritt, um die Effizienz in der Energiewirtschaft zu erhöhen, ist ein Netzausbau, der sich am tatsächlichen Bedarf orientiert, also Leitungen, Transformatoren und Umspannwerke so zu bauen, dass sie ein Gebiet optimal versorgen. Unter anderem Simulationen eines Energienetzes bzw. einer Energiegemeinschaft können dabei helfen, die Infrastruktur passgenau planen zu können. Ein Bespiel dafür ist PowerTAC. Das Open-Source-Projekt nutzt maschinelles Lernen für Simulationen und Prognosen und hilft so, ein besseres Verständnis für die Gestaltung des komplexen Energiemarkts zu erhalten.
Zusätzlich ist unverzichtbar, Energiesparpotenziale zu erkennen und sämtliche Prozesse durch eine intelligente Steuerung zu optimieren. Ein erster wichtiger Schritt ist dabei die Analyse des Systems, also zu prüfen, wo wie viel Energie für was verbraucht wird. Das interdisziplinäre Team von Etalytics beispielweise hat dazu eine ausgeklügelte Software auf Basis von Künstlicher Intelligenz entwickelt. Zahlreiche Sensoren innerhalb der Energiesysteme - das kann ein Heiz-oder Kühlsystem in einem Unternehmen oder eine Produktionsstrecke in einem industriellen Betrieb sein - erheben permanent Informationen über die Produktivität und den Zustand der Anlagen. Die KI von Etalytics führt diese Daten zusammen und berechnet dann in Echtzeit, wie die Betriebsstrategie innerhalb der Systeme so optimiert werden kann, dass möglichst wenig Energie aufgewendet werden muss. Schließlich werden die optimierten Daten in einzelne umsetzbare Schritte umgewandelt. Neben der Erhöhung der Energieeffizienz kann Etalytics die Systeme auch daraufhin optimieren, die Energieflexibilität zu erhöhen.
In einem Rechenzentrum konnte Etalytics mit seiner intelligenten Software 50 Prozent der Energie zum Kühlen der Server (was den Großteil des Energiebedarfs von Rechenzentren ausmacht) einsparen. Die intelligente Software des Startups soll jedoch nicht nur in Unternehmen und Produktionsanlagen eingesetzt werden können, sondern auch in Gebäudekomplexen, bei Energieversorgern – und vielleicht auch in den „Smart Cities“ der Zukunft.
Auf der Suche nach Lösungen für eine Dekarbonisierung der Energiewirtschaft ist die Industrie der Elefant im Raum. 26 Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs - wobei der Primärenergieverbrauch sogar noch höher liegt - gehen auf die Industrie zurück. Vor allem die chemische Industrie, aber auch die Metall- und die Mineralölindustrie, tragen erheblich dazu bei. Das hat damit zu tun, dass hier viele energieintensive thermische Prozesse betrieben werden, d.h. große Mengen an Rohstoffen oder Zwischenerzeugnissen werden stark erhitzt oder abgekühlt.
Grischa Beier, der am Institute For Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam zu Industrie 4.0 forscht, sieht durchaus Bewegung in der Entwicklung von Verfahren, die thermische Verfahren mit den existierenden Schwachstellen - allen voran ihre schwankenden Erträge - von erneuerbaren Energien zusammenbringen. Aufwärm-Prozesse werden zum Beispiel genutzt, um Energie zu speichern. „Wenn metallische Werkstoffe erhitzt werden müssen, kann man die Schlacke stärker erhitzen als eigentlich notwendig, wenn sehr viel erneuerbarer Strom im Energiesystem ist. So kann man das Metall dann für eine bestimmte Zeitspanne abkühlen lassen, wenn Energie gerade knapp ist.“ Gleichzeitig wird daran geforscht, wie energieintensive Prozesse ressourceneffizienter werden können. Neue Verfahren in der Zementindustrie sind ein Beispiel dafür.
Digitale Technologie kommen in der Industrie vor allem dann zum Einsatz, wenn es um Ressourceneffizienz geht, also darum, wie Produkte mit so wenig wie möglich Energie und anderen Ressourcen hergestellt werden können. Dazu gibt es unterschiedliche Ansätze, zum Beispiel die verbesserte Wartbarkeit und ein verbesserter Support durch intelligente Software, wodurch letztlich Material eingespart werden soll.
Gleichzeitig gibt es auch viele Möglichkeiten, Produktionsprozesse auf die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netz verfügbare Energiemengen abzustimmen, das sogenannte „Demand Response Management“. „Zu den Zeitpunkten, wo durch Sonne und Wind viel erneuerbare Energie verfügbar ist, wird verstärkt produziert. Und andererseits können Produktionsprozesse zu den Zeitpunkten, wo Energie knapp ist, runtergefahren werden. So wird insgesamt – systemisch gedacht – weniger Energie verschwendet und die verfügbare Energie optimal genutzt“, sagt Grischa Beier. Wie so eine intelligente Steuerung umgesetzt werden kann, wurde bereits mit der Software von Etalytics gezeigt.
Auch wenn weniger aus Klimaschutzgründen, sondern meistens eher mit dem Gedanken der Prozessoptimierung und Gewinnmaximierung, ist die Industrie laut Grischa Beier effizienter geworden: „Die Verbräuche an Energie bleiben relativ konstant über die Jahre, obwohl der Output – also das, was produziert wird-, eigentlich zunimmt. Die Schlussfolgerung für mich daraus ist, dass die Verfahren effizienter werden.“ Welchen Anteil die Digitalisierung bzw. die Industrie 4.0 daran hat ist eine Frage, die in der Forschung noch nicht abschließend geklärt ist. Was aber klar ist: Die CO2-Emissionen der Industrie sind nach wie vor zu hoch und neben der Umstellung auf erneuerbare Energien sind weitere, massive Effizienzsteigerungen nötig. Große Chancen stecken in der Kreislaufwirtschaft.
Der Kerngedanke der Kreislaufwirtschaft, auch Circular Economy genannt, ist, Ressourcen möglichst lange in einem geschlossenen Kreislauf zu halten. Ausgediente Produkte, deren Komponenten oder die recycelten Rohstoffe werden so zum Ausgangspunkt für neue Produkte. Insbesondere in der Industrie können geschlossene Kreisläufe dafür sorgen, dass von vorneherein weniger Rohstoffe zugeführt und weniger neue Produkte produziert werden. Wie digitale Technologien darin unterstützen zeigen die Projekte EIBA und DIBIChain.
Ob ein Produkt recycelt oder wiederaufbereitet werden kann oder entsorgt werden muss, darüber entscheidet die Art und der konkrete Zustand. Dazu gilt es zu klären, woraus ein Produkt besteht und was davon noch brauchbar ist. Aktuell ist dieser Prozess kompliziert und zeitaufwändig. Das liegt vor allem daran, dass wenig Informationen zu den Produkten mitgeliefert werden als auch die Identifikation einzelner Komponenten oft schwierig ist. Im Projekt EIBA wird eine KI entwickelt, die Alt-Teile identifiziert, damit sie schneller erkannt und leichter wiederverwertet werden können. Dazu werden sensorisch erfasste Daten und weitere Informationen mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet und zu einer Entscheidungsempfehlung formuliert. Aktuell wird das System auf gebrauchte Fahrzeugaltteile in der Industrie trainiert, doch in Zukunft soll es die EIBA-Technologie auch als App geben, so dass der „Alt-Teil-Detektor“ genauso von kleinen Unternehmen und Werkstätten oder Privatpersonen ohne spezielle Hardware eingesetzt werden kann.
Ausgangspunkt im Projekt EIBA sind Alt-Teile, über die keine weiteren Informationen vorliegen und die im Nachhinein aufwändig identifiziert werden müssen. Ein wesentlicher Schritt für die Kreislaufwirtschaft der Zukunft ist es, sämtliche relevante Produktdaten von Anfang an zu erfassen. Das Tracking der Materialien, deren Veredelung und Verarbeitung entlang der gesamten Lieferkette - von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Rückführung in die Stoffkreisläufe - erleichtert deren Kreislaufführung. Doch nicht nur das: Transparente Lieferketten können auch dabei helfen, faire Arbeitsbedingungen umzusetzen. Das Forschungsprojekt DIBIChain erprobt dazu eine Blockchain-Anwendung, in die alle Teilnehmer*innen einer Lieferkette die für das Lifecycle Assessment relevanten Daten verschlüsselt eingeben können.
Eine klimaneutrale Industrie – wie im übrigen auch ein klimaneutrales Energiesystem insgesamt - ist mit einer intelligenten Steuerung und effizienten Produktionsprozessen allein jedoch kaum zu erreichen. Solange Menschen möglichst viel besitzen wollen und stetiges Wirtschaftswachstum das oberste Ziel ist, muss auch immer mehr produziert werden - und die CO2-Emissionen bleiben auf einem hohen Niveau. Gefragt ist Suffizienz und damit gemeint ist nicht weniger als ein gesellschaftlicher Wandel hin zu einem Konsumverhalten und Wirtschaftsgebaren, das auch die Begriffe „weniger“ und „ausreichend“ kennt. Suffizienzstrategien umzusetzen ist eine gesamtgesellschaftliche Verantwortung, die ein Umdenken auf kultureller, politischer und ökonomischer Ebene erfordert.
Bei der Nutzung digitaler Technologien lassen sich durchaus Suffizienzstrategien umsetzen, zum Beispiel, indem nur dort digitalisiert wird, wo Technologien wirklich eine nachhaltige Verbesserung erzielen, und nur so viele Daten wie nötig erhoben werden.
Auch wenn eine ganze Reihe von positiven Beispielen zeigen, dass der Energieverbrauch mithilfe digitaler Technologien sinken kann, gibt es viele Fälle, in denen der Einspareffekt nicht den Energieverbrauch des Entwicklungsprozesses und der Nutzung ausgleicht, denn: Auch digitale Technologien sind energiehungrig. Jeder Prozess, der digitalisiert wird, benötigt als erstes Material - Sensoren, Prozessoren, Datenleitungen - und Energie für die Programmierung, das Training und später im Betrieb.
Forschende haben beispielweise errechnet, dass das Antrainieren einer KI ungefähr so viel CO2 erzeugt wie fünf PKW über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, also von der Produktion über den Betrieb bis zur Entsorgung. Die Zahlen wurden in diesem Fall für eine ziemlich komplexe Spracherkennungs-KI berechnet und dürften relativ hoch angesetzt sein. Dennoch geben sie einen Eindruck davon, wie energieintensiv die Entwicklung von KI ist.
Auch die Herstellung und Entsorgung der Hardware der digitalen Infrastrukturen tragen zu dem erheblichen Fußabdruck der Digitalisierung bei. Vergleicht man beispielsweise eine moderne Messeinrichtung (IMS) (ohne Smart-Meter-Gateway) mit einem klassischen Ferraris-Zähler (aktuelles Zähler-Modell in Haushalten), verursacht die Herstellung einer IMS 91 kg CO2-Äquivalente, während ein Ferraris-Zähler bei ca. 8 kg CO2-Äquivalenten liegt. Zusätzlich steigt der Stromverbrauch im Betrieb einer IMS, sobald ein Smart-Meter-Gateway dazu kommt.
Das Bottleneck der Digitalisierung sind Rechenzentren, da sämtliche Datenflüsse letztlich hier verarbeitet werden. Alleine im Jahr 2021 verbrauchten Rechenzentren in Deutschland 17 Mrd. Kilowattstunden Strom - und die Tendenz ist steigend.
Bei der Bewertung des Impacts digitaler Technologien muss daher immer genau betrachtet werden, in welchem Verhältnis Ressourcen- und Energieaufwand in der Produktions- und Nutzungsphase zu den tatsächlichen Einsparungen in einem System stehen.
Digitale Technologien gelten als „Enabler“ des zügigen Ausbaus der Erneuerbaren Energien, wie auch eine Studie von Germanwatch feststellt. Dabei kommt ihnen eine Schlüsselfunktion bei Lösungen für die Herausforderungen der Dezentralisierung, Flexibilisierung und effizienten Nutzung von Energie zu, wie auch die von uns vorgestellten innovativen Forschungsprojekte und Startups illustrieren:
Digitale Technologien können Stromangebot und -nachfrage aufeinander abstimmen, indem sie Produktion und Verbrauch zeitnah erfassen. Sie schaffen die Voraussetzungen dafür, dass Energie zwischen Produzent*innen, Verbraucher*innen und Stromspeichern intelligent verteilt werden kann und so die Stromnetze stabil bleiben und möglichst wenig Energie ungenutzt verpufft. Mit ihnen ist ein Energieaustausch über Sektorgrenzen hinweg möglich und sie versetzen Verbraucher*innen in die Lage, auf variable Versorgungstarife zu reagieren.
Damit können digitale Technologien zu einem Energiesystem beitragen, dass mit Intelligenz und Flexibilität die durch erneuerbare Energien bereitgestellte Energie bestmöglich nutzt, Peaks und Flauten ausgleicht und durch Effizienz Verbräuche reduziert. Fossile Energieträger wie Kohle und Gas werden in einem solchen Energiesystem verzichtbar.
Zudem steckt in einer intelligent vernetzten Energiewelt die Chance, dass sich neue Geschäftsmodelle jenseits der Big-Player des Energiemarkts etablieren und Demokratisierungsprozesse in Gang gesetzt werden. Gute Beispiele sind der Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing-Modelle; hier bilden sich neue Energie-Gemeinschaften, die sich dezentral und lokal aus Solaranlagen und Windrädern versorgen.
Allerdings ist ein intelligentes und effizientes Energiesystem noch längst nicht Realität. Im Moment sind es hauptsächlich kleine Bereiche, die digitalisiert werden, ein durchgängiger Austausch über das gesamte Energiesystem besteht nicht. Damit sind die Potenziale, mithilfe digitaler Technologien die Energiewende voranzutreiben, derzeit noch weitaus größer als die Akzeptanz und Nachfrage seitens der Bevölkerung, Unternehmen und Industrie.
Es ist davon auszugehen, dass die großen Energieunternehmen die Digitalisierung des Netzes vorantreiben, da sie selbst ein Interesse an den Daten und der intelligenten Steuerung haben. Um Datenmonopole zu vermeiden, möglichst vielen Akteur*innen die Teilhabe am Energiemarkt zu ermöglichen und einen hohen Datenschutz zu gewährleisten sollte diese Entwicklung jedoch nicht allein der Energiewirtschaft überlassen bleiben.
Dazu kommt: Digitale Technologien schaffen zwar wichtige Voraussetzung für die Energiewende. Dass sie aber tatsächlich zu mehr Effizienz beitragen und Stromverbräuche reduzieren, ist kein Selbstläufer. Auch die Produktion der Hardware, die Programmierung – und bei Anwendungen auf Basis Künstlicher Intelligenz das Training – und der Betrieb digitale Technologien benötigen erhebliche Mengen Energie und Ressourcen. Schon heute macht die Herstellung und Nutzung digitaler Geräte und Dienstleistungen 8 bis 10 Prozent der weltweiten Stromnachfrage aus - und verschiedene Szenarien rechnen mit einem weiteren nutzungsbedingten Anstieg um 50 bis 80 Prozent bis 2030.
Eine wichtige Voraussetzungen für eine zügige Energiewende ist es, die Produktion erneuerbarer Energien und deren dezentralen Austausch zu erleichtern. Dazu gilt es entsprechenden Rahmenbedingungen auf politischer Ebene zu schaffen, u.a. die Beseitigung der bürokratischen Hürden für die Gründung von Erneuerbare-Energie-Gemeinschaften, die Förderung regionaler Kraftwerke für erneuerbare Energien zur Unterstützung kommunaler Netze, die Flexibilisierung der Energietarife, um den Verbrauch an die Verfügbarkeit von erneuerbaren Strom zu koppeln und die Förderung von Bürgerbeteiligung und Mitgestaltung, um die Akzeptanz zu erhöhen.
Zudem muss die technische Infrastruktur geschaffen werden, damit sich ein vernetztes, intelligentes und effizientes Energiesystem entwickeln kann. Dazu gehört unter anderem eine Digitalisierung der Netze und der Einbau intelligenter Zähler (Smart Meter) insbesondere bei Großverbraucher*innen. Smart Meter können Verbrauchsdaten in regelmäßigen Abständen ermitteln, automatisch übermitteln und Zugriffsrechte verwalten. Indem sie Energieversorger, Verbrauchsgeräte und Stromnetz miteinander verbinden, bilden sie eine wichtige Schnittstelle zur Steuerung dezentraler Stromerzeuger wie Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, aber auch zur Organisation von Energie-Gemeinschaften. Zudem können mithilfe der intelligenter Zähler flexible Stromtarife eingeführt werden, die Preisschwankungen und Stromnachfrage berücksichtigen.
Andererseits gilt es, die Digitalisierung selbst nachhaltig zu gestalten und den Klima- und Ressourcenschutz, Datenschutz und soziale Gerechtigkeit im Blick zu behalten. Dafür sind entsprechende politische Rahmenbedingungen und Leitplanken nötig:
Eine derart aktiv gestaltete Digitalisierung kann dazu beitragen, dass die Dekarbonisierung unseres Energiesystems bis 2050 gelingt. Wirksame Lieferkettengesetze und Maßnahmen wie der digitale Produktpass und der Blaue Engel für Rechenzentren und Software, wie sie in der Digitalagenda des BMU angelegt sind und sich teilweise schon in der Umsetzung befinden, sind erste wichtige Schritte auf diesem Weg - aber noch lange nicht ausreichend.
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Bis auf wenige Ausnahmen sind wir davon allerdings noch meilenweit entfernt. Unsere alles andere als kreislaufförmige Industrie ist für rund ein Viertel aller CO2-Emissionen in Deutschland verantwortlich. Durch höhere Wiederverwendungsquoten ließe sich diese Bilanz allerdings erheblich verbessern. Die Idee dahinter ist, das Recycling von Produkten so lange wie möglich hinauszuzögern. Das stoffliche Recycling von Ausgedientem ist heute zwar der Standard, aber in vielen Fällen nicht die beste Art der Wiederverwendung, da hier erst beim Abfall angesetzt wird und die aufwändig hergestellten Produkte komplett zerstört werden. Den Produkten ein längeres Leben zu geben erhält dagegen deutlich länger ihren Wert als das direkte Recycling.
Ob ein Produkt recycelt oder wiederaufbereitet werden kann oder entsorgt werden muss, darüber entscheidet die Art und der konkrete Zustand. Dazu gilt es zu klären, woraus ein Produkt besteht und was davon noch brauchbar ist. Unterstützung bei der Identifizierung von Produkten kommt nun von einer künstlichen Intelligenz (KI), die im Projekt "EIBA" entwickelt wird. Die KI-unterstütze Sammlung und Identifizierung von Altprodukten soll dabei den Übergang in eine Kreislaufwirtschaft erleichtern.
Im Projekt EIBA, das Circular Economy Solutions (C-Eco) zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik, der Technische Universität Berlin (Institute IWF und SE) und acatech (Deutsche Akademie der Technikwissenschaften) entwickelt, wird auf ein Vier-Augen-Prinzip von Mensch und Maschine gesetzt. Sensorisch erfasste Daten und weitere Informationen werden mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet und zu einer Entscheidungsempfehlung formuliert. Damit soll die Fehlerquote bei der Identifikation reduziert und der Prozess beschleunigt werden. Eine kontinuierliche Erweiterung der Daten soll zudem eine Anpassung an neue Produkte und Anforderungen ermöglichen.
Damit geht das Projekt EIBA neue Wege. „Es gibt verschiedene Ansätze in Forschung und Industrie, um ähnliche Systeme zu entwickeln, im produktiven Einsatz ist mir keins bekannt. Oft wird dabei versucht, bestehende Algorithmen und Lösungen wie zum Beispiel OCR-Systeme zum Ablesen von schriftlichen Kennzeichnungen, Gesichtserkennungssysteme oder 3D-Scans für den speziellen Anwendungsfall „Altteil“ zu nutzen. Dabei wird aber oft nicht berücksichtigt, dass bei Altteilen nach einer Nutzungsphase nicht mehr alle Eigenschaften eines Objekts vergleichbar mit denen des Neuteils sind. Oberflächen sind verschmutzt, verrostet oder anders lackiert. Kennzeichnungen fehlen oder sind nicht mehr lesbar. Auch die Geometrie kann sich verändern, wenn beispielsweise Komponenten fehlen oder mechanische Beschädigungen vorliegen“, berichtet Markus Wagner, Projektleiter bei Circular Economy Solutions GmbH (C-ECO). Daher wird im Projekt EIBA bewusst auf mehrere unterschiedliche Datenquellen gesetzt, unter anderem die Objekterkennung über Bilder und technische Eigenschaften der Teile und Geschäftsprozessdaten wie historisches Rücklieferverhalten. Doch ganz allein soll die KI im Projekt EIBA nicht agieren. Vielmehr sollen Mensch und Maschine eng zusammenarbeiten.
Das Projekt „EIBA“ wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe (ReziProK)“ vom BMBF gefördert. Aktuell richtet sich die KI vor allem an produzierende Unternehmen und Händler aus dem Automotive Aftermarket und das System wird auf gebrauchte Fahrzeugaltteile trainiert.
Gleichzeitig wurden im Rahmen des Projekts auch Herausforderungen in anderen Branchen wie der elektrotechnischen Industrie, Maschinenbau und Textilindustrie berücksichtigt. „Über den Projektrahmen hinaus möchten wir die EIBA-Technologie, die heute im industriellen Kontext mit speziellen Arbeitsplätzen und Sensorik-Hardware eingesetzt wird, in einem nächsten Schritt auf Mobilgeräte bringen, so dass die Anwendung auch für kleine Unternehmen und Werkstätten oder Privatpersonen ohne spezielle Hardware ermöglicht wird“, berichtet Wagner.
Doch wer sich schon einmal mit KI beschäftigt hat, weiß um deren hohen Energiebedarf, speziell im Anlernprozess, aber auch in der Nutzungphase. Im Projekt EIBA ist man sich dessen bewusst und bezieht daher unter anderem auch die zusätzlichen Umweltlasten, die durch den Einsatz von Maschinen entstehen, mit ein. Dazu untersuchte das Projekt-Team, wieviel Energie die eingesetzte KI für eine verbesserte Altteil-Erkennungsleistung im Verhältnis zu den eingesparten Emissionen für mehr „Remanufacturing anstatt Neuproduktion“ verbraucht. „Die Ergebnisse werden demnächst als wissenschaftliche Publikation veröffentlicht. Grundsätzlich kann man aber sagen, dass in Bezug auf diese Gegenüberstellung der KI-Einsatz höchst vorteilhaft wäre. Gelingt es beispielsweise nur in meinem Unternehmen für die Produktgruppe „Fahrzeug-Anlasser“ 0,02 Prozent mehr Altteile für das Remanufacturing verfügbar zu machen, so hat sich damit sich der KI-Einsatz schon gelohnt - und wir haben ca. 30 verschiedene Produktgruppen und sind nicht das einzige Unternehmen am Markt, welches Fahrzeugaltteile zurückführt“, berichtet Wagner. „Natürlich gibt es noch weitere Einflüsse auf die Umweltwirkung, positive wie negative, deren Einfluss jedoch noch weiter untersucht werden muss“.
Aber wie groß sind die durch eine Effizienzsteigerung gewonnenen Umweltentlastungen tatsächlich? „Die Einsparungen beim Remanufacturing von Fahrzeugteilen gegenüber Neuproduktion bezogen auf Material, Energie und CO2-Emmissionen sind produktspezifisch sehr unterschiedlich, aber Untersuchungen aus Forschung und Industrie zeigen, dass Werte im Bereich von 50 bis 80 Prozent Verbesserung durchaus realistisch sind. Das ist schon erheblich“, sagt Wagner.
Mit diesen Einsparungen ließen sich die CO2-Emissionen in der Industrie 4.0 auf jeden Fall deutlich reduzieren. Und die Altteil-Identifikation mittels KI lässt sich durchaus auch auf viele andere Branchen ausweiten. Das zeigt auch das Startup Recycleye, das eine Mülltrennungstechnologie mithilfe von Robotern und Bilderkennung entwickelt hat. Allerdings gilt es noch einige Hürden zu überwinden. So sind für die Entwicklung und Anwendung von KI-Systemen große Datenbestände nötig. Diese zu gewinnen kann sehr aufwendig und teuer sein. „Bei EIBA haben wir deshalb den Weg gewählt, diese Daten bei C-ECO im laufenden Prozess zu erheben. Durch die mit der COVID-Pandemie verbundenen Reise- und Kontaktbeschränkungen hatten wir jedoch Schwierigkeiten, die Nutzer vor Ort im Umgang mit der Sensorik und dem angepassten Arbeitsprozess zu schulen und zu betreuen. Die Datenaufnahme wurde gegenüber dem bekannten Arbeitsprozess teilweise als behindernd wahrgenommen und entsprechend wenig enthusiastisch verfolgt. Dadurch hatten wir zwar kein Problem mit der Datenmenge, jedoch mit der Datenqualität. Vereinfacht gesagt, waren auf zu vielen Bildern, leere Arbeitstische, Hallendecken oder Hände in Handschuhen, aber nicht das Altteil, welches es zu erfassen galt. Mit schlechten Daten ist jedoch auch die mögliche Leistungsfähigkeit der KI limitiert und damit auch die durch den Mitarbeiter wahrgenommene digitale Unterstützung“, berichtet Wagner. Doch die Situation hat sich mit der Erleichterung bei Reisen und Kontakten deutlich verbessert und ab Herbst 2022 soll zusammen mit den Werkenden vor Ort die Erkennungsunterstützung im Live-Betrieb validiert weden. Zentral wird dabei auch sein zu zeigen, dass die verbesserte Altteilerkennung über die gesammelten Daten den Werkenden auch im täglichen Arbeitsprozess zugutekommt. Denn, so Wagner: "Auch wenn es banal klingt: Es reicht nicht nur ein paar Sensoren anzuschrauben und mit den Daten Machine-Learning-Modelle zu trainieren. Letztlich spielt die Akzeptanz bei den Menschen, die tagtäglich damit umgehen, die entscheidende Rolle.“
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Wie aber lassen sich mithilfe der Digitalisierung die Ressourceneffizienz erhöhen und die Energiequellen der Industrie dekarbonisieren? Darüber haben wir uns mit Grischa Beier unterhalten und gemeinsam viele Beispiele aus der Praxis erkundet.
Hört selbst, in Episode #5 von RESET Radio: Energiewende: Ist eine klimaneutrale Industrie möglich?
Das Interview ist Teil unseres umfangreichen Greenbooks „Energiewende - Die Zukunft ist vernetzt". Alle Inhalte des Dossiers findet ihr hier: Greenbook Energiewende
Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die Förderung dieser Podcastfolge!
Das ist übrigens nicht die einzige Podcast-Folge! Alle Folgen unter: https://reset.org/podcast/.
Wir freuen uns, wenn ihr unseren Podcast abonniert!
Grischa Beier: Ja, die produzierende Industrie, die wir ja hauptsächlich erforschen, ist derzeit für ungefähr ein Viertel aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. 2019 waren es 27 Prozent in Deutschland. Beim Energieverbrauch sind wir da in ähnlichen Dimensionen. Also, die letzten Zahlen, die wir haben, liegen bei ungefähr 26 Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs, wobei der Primärenergieverbrauch sogar noch höher liegt.
Wenn man sich die Sektoren anguckt, die besonders viel Energie verbrauchen, dann sind es konkret die chemische Industrie einerseits, aber auch die Metall- und die Mineralölindustrie. Dabei fällt auf, was diese drei Sektoren gemeinsam haben, nämlich, dass sie relativ viele thermische Prozesse betreiben. Das sind Verfahren oder eine Klasse von Verfahren, die sehr energieintensiv sind, weil große Mengen an Rohstoffen oder Zwischenerzeugnissen erhitzt oder stark abgekühlt werden müssen.
Wie man solche thermischen Verfahren mit den existierenden Schwachstellen von erneuerbaren Energiesystem sinnvoll zusammenbringen kann, ist allerdings auch ein Ansatzpunkt, der nach meiner Kenntnis schon gut beforscht wird. Beispielsweise, indem Aufwärm-Prozesse genutzt werden, um Energie zu speichern. Wenn metallische Werkstoffe erhitzt werden müssen, kann man die Schlacke stärker erhitzen als eigentlich notwendig, wenn sehr viel erneuerbarer Strom im Energiesystem ist. So kann man das Metall dann für eine bestimmte Zeitspanne abkühlen lassen, wenn Energie gerade knapp ist.
Es gibt größere Unternehmen, die das teilweise schon machen, mir fallen da Aluminium-Hütten oder auch stahlproduzierende Unternehmen ein. Ich glaube auch, dass es in der Beton-Industrie schon Verfahren gibt.
Aber das ist nicht meine Kernkompetenz. Das Thema Industrie 4.0, das ja mein Forschungsschwerpunkt ist, beschäftigt sich mehr mit der metallverarbeitenden Industrie. Also, wenn die metallischen Halbzeuge schon fertig produziert sind und in die großen Firmen geliefert werden, wo sie dann zu den Produkten weiterverarbeitet werden, die wir später auch im Laden kaufen können.
Es gibt im Wesentlichen zwei Paradigmen, die aus meiner Sicht dabei helfen können, die Emissionen in der Industrie zu senken. Das erste Paradigma ist die Ressourceneffizienz, also die Frage: Wie kann ich das, was ich machen muss, um mein Produkt herzustellen, mit so wenig wie möglich Energie und anderen Ressourcen ermöglichen? Und das zweite große Paradigma ist die Dekarbonisierung. Also, wie kann die benötigte Energie dann aus erneuerbaren Energiequellen stammen, sodass ich keine neuen Emissionen damit erzeuge?
Im Hinblick auf das erste Paradigma, die Effizienz, gibt es unterschiedliche Ansätze. Da ist zum einen die Materialeffizienz. Es gibt Ansätze, das Angebot besser auf die Nachfrage zuzuschneiden. Da können digitale Werkzeuge natürlich helfen, weil die gut erfassen können, was tatsächlich gebraucht wird und dann simulieren, wie viel ich dafür an bestimmten Werkstoffen brauche.
Ich erinnere mich an eine Veranstaltung, da war das Konzept Industrie 4.0 vielleicht drei, vier Jahre alt. Einer der geistigen Väter dieses Konzepts hat damals gesagt, aus seiner Sicht würde dieser Ansatz, der besseren Abstimmung von Angebot und Nachfrage, 30 Prozent Ressourcenersparnis bringen. Wenn ich allerdings jetzt mit Vertreterinnen und Vertretern aus der Praxis spreche, ist das eher ein Randaspekt. Die Industrie nutzt meiner Einschätzung nach die technologischen Möglichkeiten eher, um spezifische Kundenwünsche erfassen zu können, aber nicht, um konkret herauszufinden, wie viele Waschmaschinen dieses Typs muss ich produzieren und dann die Produktion zu stoppen, wenn genau diese letzte benötigte Waschmaschine produziert ist. Ich glaube, da sind die Prozesse eher noch statisch.
Ja, ein anderer Ansatz, um Material einsparen zu können, ist natürlich die verbesserte Wartbarkeit und ein verbesserter Support durch digitale Technologien. So kann beispielsweise besser erfasst werden, wann Maschinen einen kritischen Zustand erreichen, in dem sie dringend gewartet werden müssten. Und ich kann damit verhindern, dass Dinge stark beschädigt werden, die dann aufwendig und materialintensiv repariert werden müssen. Ich kann natürlich auch mit digitalen Technologien erreichen, dass die Fachleute, die eine bestimmte Expertise haben, um diese Wartung durchzuführen, auch aus der Ferne mit den Arbeiterinnen und Arbeitern in der Fabrik kommunizieren können, damit die selbst bestimmte Tätigkeiten durchführen können.
In Bezug auf die Energieeffizienz sehe ich auch interessante Ansatzpunkte durch digitale Technologien. Zum einen ist da das Demand Response Management: zu den Zeitpunkten, wo durch Sonne und Wind viel erneuerbare Energie verfügbar ist, wird verstärkt produziert. Und andererseits können Produktionsprozesse zu den Zeitpunkten, wo Energie knapp ist, runtergefahren werden. So wird insgesamt - systemisch gedacht - weniger Energie verschwendet und die verfügbare Energie optimal genutzt.
Ein zweiter Punkt ist die Sektorenkopplung. Das bedeutet, die Energie, die in einem bestimmten Sektor der Industrie verfügbar ist, kann in dem anderen aufgenommen werden. Wenn wir uns vorstellen, wir leben in einer Zukunft, wo Elektromobilität keine Randerscheinung mehr ist und Millionen von Elektrofahrzeugen hängen am Stromnetz, dann ist das natürlich ein wahnsinnig großer Energiespeicher, der genutzt werden kann, wenn viel Energie verfügbar ist. Und so kann man das natürlich auch mit anderen Industrien machen, die ein Energiespeicherpotenzial haben, wie beispielsweise die bereits erwähnten metallischen Schmelzen.
In Bezug auf die Ressourceneffizienz und das weniger verbrauchen von Materialien ist natürlich auch die Circular Economy ein sehr spannender Ansatz. Hier können digitale Technologien beispielsweise dazu beizutragen, dass alle verarbeitenden Unternehmen, die an so einer Wertschöpfungskette beteiligt sind, gemeinsam eine transparente Übersicht erstellen und pflegen, welche Materialien in einem bestimmten Produkt verbaut sind, damit sie die später wieder aufbereiten oder recyceln können oder bestimmte Teile eines Produkts einer Sekundärnutzung zugeführt werden können.
Konkret am Beispiel Circular Economy sind die digitalen Identifier besonders relevant. Bei komplexen Maschinen wie Flugzeugen oder Automobilen sind es Zehntausende von Komponenten, die ich verbaue, im Flugzeug sogar Millionen. Und gerade wenn man jetzt kleine elektronische Bauteile hat, ist es enorm schwierig, sie jemals wieder auseinander zu bauen. Und wenn ich nicht weiß, welches Material in welchem Umfang wo drin ist, kann ich das natürlich nicht für die weiterverwertende Industrie nutzbar machen.
Ich muss erst diese Transparenz schaffen, bevor ich unterschiedliche Ansätze wie Reverse Logistics, Recycling, Upcycling oder einen Sekundärmarkt überhaupt aufsetzen kann. Da sind wir heutzutage oft noch nicht. Aber ich denke, das ist der zentrale Knackpunkt, was digitale Technologien für die Kreislaufwirtschaft leisten können.
Digitale Technologien müssen die Brücke schlagen zwischen dem Wissen, was in einem bestimmten Produkt verbaut ist und der Frage, welches konkrete Artefakt ich gerade in der Hand halte. Das Wissen, was in einem bestimmten Produkt verbaut ist, liegt üblicherweise in einem proprietären IT-System der herstellenden Firma. Alternativ könnte man auch die einzelnen Komponenten eines Produkts mit einem digitalen Identifikations-Werkzeug, zum Beispiel einem RFID-Chip, labeln, in dem drinsteht, dieses RFID-Identifier gehört dem und dem Bauteil, besteht aus dem und dem Material, hat die und die Eigenschaften. Dies würde natürlich ein einheitliches Kennzeichnungssystem voraussetzen.
Genau, das ist auch ein sehr wichtiger Punkt. Da geht es dann aus meiner Sicht nicht so stark darum, Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen, sondern darum, die tatsächlichen Umweltauswirkungen, aber auch sozialen Wirkung eines Produkts entlang der gesamten Lieferkette zu tracken und somit transparent zu machen. Idealerweise von der Firma, die am Ende das Produkt verkauft, bis zur Firma die quasi schon im Mining-Bereich tätig ist. Das ist ja eigentlich eines der zentralen Anliegen des Lieferketten-Gesetzes, dass alle umweltrelevanten Informationen in der gesamten Wertschöpfung durchgängig nachverfolgt, und sichtbar gemacht werden.
Das ist aber aktuell noch eine enorme Herausforderung. Gerade im Bereich der Elektronikindustrie wird sich sehr oft darauf berufen, dass die Produkte so komplex und die Lieferketten so lang sind, dass es unmöglich ist, das nachzuvollziehen. Ich verstehe, dass das schwierig ist. Ich verstehe aber nicht, warum es unmöglich sein soll. Da sind natürlich digitale Technologien elementar wichtig, um diese Nachvollziehbarkeit über die gesamte Kette zu ermöglichen.
Wir haben vor anderthalb Jahren eine große Interview-Studie in der Elektronikindustrie durchgeführt. Übertrieben gesprochen waren Stand damals digitale Technologien eigentlich nur dazu da, um mal eine E-Mail von A nach B zu schicken. Das Neue an dem Konzept Industrie 4.0 war aber ja, dass man über die gesamte Wertschöpfungskette die Daten miteinander verknüpft und in Beziehung setzt und dass man dann die digitalen Technologien nutzt, um aus diesen Informationen neue Gestaltungsoptionen abzuleiten.
Aber ich denke, wenn es gesetzlich vorgeschrieben ist - und auf diesem Weg sind wir jetzt-, dann ist das ein sehr gutes Werkzeug, um wirklich die gesamte Kette informationstechnisch miteinander zu verbinden und transparent zu machen.
Ich denke, das ist ein sehr wichtiger Punkt. Man muss sich immer bewusst machen: Jeder Prozess, den ich digitalisiere, erfordert selbst erst mal ein hohes Investment an Material und Energie. Ich verbaue Sensoren, ich brauche Prozessoren, ich brauche Datenleitung. Oder wenn ich die Informationen über die Luft schicke, wird es noch energieintensiver. Aber ich denke, wenn ich es schlau anstelle und versuche, meine Prozesse dadurch auch wirklich energieeffizienter zu gestalten, dann kann ich am Ende weniger Energie verbrauchen. Es sollte aber niemals als Selbstzweck missverstanden werden.
Gleichwohl lese ich die Statistiken eigentlich so, dass es im Bereich der Datenverwaltung (also den großen Serverparks), wo ja die umgesetzten Datenmengen enorm gestiegen sind, sehr starke Effizienzgewinne gibt, da ja der Energieverbrauch in den letzten Jahrzehnten trotzdem nur sehr moderat gestiegen oder sogar konstant geblieben ist. Ich vermute, dass die zunehmende Nutzung digitaler Technologien und Dienstleistungen nicht notwendigerweise dazu führen muss, dass wir am Ende mehr Energie verbrauchen, wenn wir mehr Daten erheben und verwalten.
Und bei der Industrie ist es vermutlich ähnlich. Die Verbräuche an Energie bleiben relativ konstant über die Jahre, obwohl der Output – also das, was produziert wird-, eigentlich zunimmt. Die Schlussfolgerung für mich daraus ist, dass die Verfahren effizienter werden. Ich kann die Industrie aber so effizient machen, wie ich will, wenn es kein Ende des mehr-Produzierens gibt, werden die systemischen Effekte insgesamt überschaubar bleiben.
Das ist tatsächlich eine Frage, die noch nicht abschließend geklärt ist in der Forschung. Aber meiner Wahrnehmung nach gibt es einzelne sehr gute Beispiele, wo wirklich relevante Einsparungen erzielt wurden.
Ich kann mal zwei Beispiele nennen. Es gab ein großes europäisches Forschungsprojekt aus dem Bereich der Automobilindustrie. Da wurden durch die Zusammenarbeit von Automobilhersteller, Forschungsinstituten und Roboterherstellern erreicht, dass in der Herstellung der Autos die Roboterflotten so optimiert wurden, dass sie ihre Tätigkeiten nicht mehr so schnell wie möglich ausführen, wie das bisher der Standard war, sondern so energieeffizient wie möglich. Für diese Roboterflotten wurden dadurch Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erreicht.
Ein zweites Beispiel kommt aus dem Bereich Flugzeugbau. Da wurden 3D-Druckverfahren genutzt, um bestimmte Teile von Turbinen herzustellen, die jetzt eine sehr komplexe Geometrie haben, die aber durch dieses spezifische Verfahren sehr leicht gebaut werden konnten. Und das ist natürlich im Flugzeugbau besonders interessant, weil die Teile fliegen 20 Jahre lang durch die Luft und für jedes Kilo, was ich mehr durch die Luft transportieren muss, verbrauche ich auch mehr Energie.
Meiner Wahrnehmung nach ist es jetzt aber nicht so, dass solche Ansätze schon in der Breite genutzt werden, sondern das sind eher so einzelne anekdotische Beispiele, die aber noch keine großen systemischen Effekte haben.
Das liegt daran, dass digitale Technologien primär genutzt werden, um die klassischen Performance-Kategorien zu verbessern. Also, ich möchte effizienter werden, das heißt ich möchte in kürzerer Zeit mehr herstellen. Ich möchte vielleicht auch mal weniger Material dafür verbrauchen, weil das Geld kostet. Aber die wesentlichen Parameter sind tatsächlich noch Zeit und Output-Mengen und nach denen wird in der Industrie heutzutage vorrangig optimiert.
Ich denke, solange wir keine gesetzlichen Rahmenbedingungen schaffen, die ökologische, nachhaltige Produktionsweisen einfach vorschreiben, ist es wahrscheinlich für die breite Masse an Unternehmen schwierig, sich grundlegend zu ändern. Aber eine solche grundlegende Änderung ist meiner Auffassung nach nötig, wenn wir es tatsächlich schaffen wollen, in den nächsten zehn, 20 Jahren nah an die Klimaneutralität heranzukommen.
Meiner Meinung nach ja. Es sollte nicht allein den Unternehmen überlassen sein, diese Transformation in einer Geschwindigkeit, die ihnen angenehm ist, zu vollziehen, sondern es sollte durch klare Vorgaben ein Pfad aufgezeigt werden, bis wann diese Unternehmen nachhaltig produzieren müssen. Und es sollte gleichzeitig auch für Verbraucherinnen und Verbraucher transparent gemacht werden, welche Produkte und welche Unternehmen wie nachhaltig sind, damit bewusstere Entscheidungen überhaupt erst ermöglicht werden.
Auch die nicht-finanziellen Berichtspflichten für die kleineren Unternehmen sind nicht populär. Aber wenn diese einmal vorgeschrieben werden, dann werden sie sich durchsetzen und werden uns allen dabei helfen, besser nachzuvollziehen, wie schnell diese Transformation tatsächlich vonstatten geht, um dann zeitnah nachsteuern zu können.
Ich würde zustimmen, dass wir noch nicht da noch lange nicht am Ziel angekommen sind, aber es gab durchaus Politiken und Gesetze in jüngerer Vergangenheit, die da ein erster sehr guter Schritt sind. Nennen würde ich hier beispielsweise den Aktionsplan für die nachhaltige Digitalisierung vom BMBF aus dem Jahr 2019 oder auch die Digitalagenda des BMU von 2020. Aber auch auf europäischer Ebene gibt es beispielsweise das Weißbuch für Künstliche Intelligenz und natürlich den European Green Deal aus 2020, die sehr gute Visionen skizzieren, zudem der digitale Produktpass für elektronische Produkte der EU, aber auch das Lieferkettengesetz von deutscher Seite.
Die Debatte dreht sich derzeit auch um Fragen, wie man große Datenzentren grüner machen kann oder wie die Verbräuche von KI eingehegt werden. Was mir wichtig ist und was ich meine, verstärkt wahrzunehmen, ist, dass in diese Prozesse immer stärker unterschiedliche Akteursgruppen eingebunden werden. Also diese berühmten transdisziplinäre Ansätze, bei denen nicht nur die Wirtschaft oder nur die Forschung befragt wird, sondern dass man versucht, mit allen beteiligten Akteursgruppen ins Gespräch zu kommen, um wirklich ein umfassendes Bild der Problemlage zu bekommen. Und ich würde mir wünschen, dass es nicht nur in der Entwicklung von Richtlinien zu diesem Dialog kommt, sondern dass man guckt, wie kann ich diese mittelfristig begleiten, um kontinuierlich nachzusteuern und weiter zu verbessern.
Das finde ich schwer zu beurteilen, weil ich nicht genau abschätzen kann, wie die Effekte dieser noch recht neuen Regulierungen sein werden. Ich würde mich aus dem Fenster lehnen und sagen: Wenn wir das nur in der EU so handhaben, dann wird es ziemlich sicher nicht ausreichen. Aber ich denke, der erste Tropfen ist notwendig, um den Stein am Ende abzukühlen. Er sollte nun nicht der einzige bleiben. Und ich denke, dass man erstmal bewerten sollte, wie die konkreten Effekte schlussendlich sind. Zudem sollte man parallel in internationalen Organisationen intensiv daran arbeiten, dass in vielen Regionen der Welt diese oder ähnlich wirkende Ansätze übernommen werden.
Das ist eine sehr große Frage. Ich denke, mit den Ansätzen, die heute schon umgesetzt werden, ist das utopisch. Aber wenn das Energiesystem komplett auf erneuerbare Energien umgestiegen ist, zumindest für elektrische Energie, wäre das schon mal ein sehr guter erster Schritt. Dann wird natürlich noch sehr viel thermische Energie in der Industrie benötigt. Da müssen wir durch innovative Ansätze dahin kommen, dass die thermische Energie auch für die Industrie ausreicht, um nicht fossile Brennstoffe verbrennen zu müssen. Und ein wichtiger Punkt ist natürlich auch die Wiederverwendbarkeit von Materialien. Wenn ich es nicht schaffe, einen großen Teil der Materialien annähernd im Kreislauf zu führen, ist Klimaneutralität schwer zu erreichen.
Bestimmte Produkte können öfter wiederverwertet werden als andere, aber es gibt kein Material, das unendlich oft wiederverwendet werden kann. Da müssen wir einfach so gut werden, wie es physikalisch geht. Und für das, was dann noch an Energieverbrauch und an Emissionen zustande kommt, müssen wir Mechanismen finden, wie wir damit so gut wie möglich umgehen können.
Aber sicher ist auch: Es muss ein gewisses gesellschaftliches Bewusstsein für das Konzept der Suffizienz entstehen. Ich denke, solange wir noch in einem kulturellen Umfeld leben, wo alle Leute so viel wie möglich besitzen wollen, wird es relativ schwierig mit der Klimaneutralität. Das ist jetzt aber nicht nur eine Herausforderung für die digitalen Technologien, sondern das ist eine kulturelle, gesamtgesellschaftliche Verantwortung, zu der wir alle beitragen können und sollten.
„Wetterextreme schlagen in Europa mittlerweile deutlich härter zu, als die Klimaforschung es sich hätte träumen lassen“, stellt nicht nur das Wuppertal Institut fest. An kaum jemandem dürften die in ihrer Frequenz sich erhöhenden Bilder brennender Wälder, überfluteter Landschaften und von Stürmen zerlegter Häuser vorbeigegangen sein. Und in vielen Ländern des Globalen Südens fallen die Wetterextreme noch viel heftiger aus. Wir sind schon mitten im Klimawandel - und es ist höchste Zeit zu handeln. Leider hinken fast alle Länder beim Klimaschutz hinter den eigenen Zielen hinterher. Auch für Deutschland ist das schon ziemlich zeitnahe EU-Emissionsreduktionsziel, bis 2030 40 Prozent weniger CO2 in die Atmosphäre zu emittieren, mit dem aktuellen Kurs der Bundesregierung schier unerreichbar.
Die gute Nachricht: Die Ursachen des Klimawandels sind bekannt und die Wege aus der Krise auch. In der Forschung wurden über die letzten Jahrzehnte sehr konkrete Transformationspfade erarbeitet. Die Studie Klimaneutrales Deutschland 2045 zeichnet zum Beispiel ein Szenario, mit dem Klimaneutralität bereits 2045 möglich ist - mit dem heutigen Stand der Technik.
Einer der größter Hebel auf dem Weg zu Klimaneutralität in Deutschland ist es, bei der Energiewirtschaft und Industrie anzusetzen. Aktuell verursacht dieser Sektor die meisten CO2-Emissionen: Die Erzeugung von Strom und Fernwärme in öffentlichen Kraftwerken und die Herstellung von Kohle- und Mineralölprodukten ist für mehr als ein Drittel der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich.
Mit dem RESET Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt" hat sich das Redaktionsteam von RESET.org daher auf die Suche nach Antworten auf die Frage begeben, wie die Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem vorangetrieben werden kann. Der Schwerpunkt lag dabei auf digitalen Lösungen und technische Innovationen in der Energiewirtschaft und neuen Impulsen in der Industrie. Das Greenbook ist Teil des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts „Mission Klimaneutralität“. Im Folgenden werden die zentralen Ergebnisse zusammengefasst.
Bereits heute sind Wind, Sonne, Biomasse und Wasser wichtige Energiequellen; ihr Anteil am Stromverbrauch stieg von gerade mal 6,5 Prozent im Jahr 2000 auf 41,1 Prozent im Jahr 2021.
In einem Gutachten des Öko-Instituts gehen die Autor*innen davon aus, dass die Energiewirtschaft ihr Sektorziel der im Koalitionsvertrag vereinbarten Klimamaßnahmen für 2030 tatsächlich unterschreiten könnte (andere zentrale Sektoren wie Verkehr, Industrie und Gebäude leider nicht!). Allerdings nur dann, wenn der Kohleausstieg tatsächlich bis 2030 gelingt, erneuerbare Energien ab sofort massiv ausgebaut werden und sich die CO2-Preise des europäischen Emissionshandelssystems erhöhen.
Vergessen werden sollte jedoch nicht, dass der Stromverbrauch in den nächsten Jahren aller Voraussicht nach weiter steigt, da auch die Mobilität und andere Sektoren nach und nach auf Strom umgestellt werden sollen.
Hoffnung auf einen sich in den nächsten Jahren beschleunigenden Ausbau erneuerbarer Energien macht nicht nur, dass die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie immer kostengünstiger wird, sondern auch, dass sich bereits bestehende Technologien stetig weiterentwickeln. Beispiele sind Entwicklungsschübe bei der Herstellung von Wasserstoff, der Energiegewinnung aus Abwärme oder der Agro-Photovoltaik.
Zudem sind in den letzten Jahren verschiedene neue Speichertechnologien hinzugekommen. Effiziente und kostengünstige Speicher sind ein wesentlicher Baustein für die Transformation unseres Energiesystems, da die Ausbeute aus Sonnen- und Windenergie schwankt. Speicher helfen den Strombedarf zu bedienen, indem sie Strom einlagern, wenn es einen Überschuss gibt, und wieder abgeben, wenn Flaute herrscht. Welche Technologien sich durchsetzen werden, wird sich noch zeigen müssen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über verschiedene Speichermöglichkeiten: Energiespeichersysteme - Der Dreh- und Angelpunkt der Energiewende.
Daneben sind wesentliche Aspekte zur fossilen Unabhängigkeit Intelligenz und Effizienz im Netz. Ein Energiesystem, das sich aus erneuerbaren Energien speist, bedeutet eine zunehmende Dezentralisierung der Energiequellen und die Beteiligung von einer steigenden Anzahl an Akteur*innen am Markt. Die dadurch steigende Komplexität des Energiesystems erfordert neue Steuerungs- und Regelungsmechanismen: Lastflüsse und Netze müssen intelligent gesteuert werden und gleichzeitig Verbräuche durch mehr Effizienz sinken. Genau hier setzen digitale Technologien an und schaffen so eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende.
Für das komplexer werdende Energiesystem der Zukunft, in das mehr und mehr kleine und mittlere Erneuerbare-Energien-Anlagen integriert werden, sind neue, intelligente Mess- und Kommunikationstechnologien gefragt. Das Ziel ist es, damit ein „Smart Grid“, also ein intelligentes Stromnetz, aufzubauen, innerhalb dessen nicht nur Energie, sondern auch Daten transportiert werden, die es u.a. Netzbetreiber*innen ermöglichen, zeitnah Informationen zu Stromproduktion, -transport, -speicherung und -verbrauch zu erhalten, auszuwerten und auf dieser Basis Stromflüsse zu steuern. Algorithmen und digitale Tools können dabei unterstützen.
Intelligenz im Energiesystem bedeutet daneben aber auch, den Verbrauch zu flexibilisieren. „Das ist ein relativ neuer Gedanke, also dass man sagt, dass die Verbraucher nicht mehr linear einfach weiter verbrauchen, sondern dass sie dann mehr verbrauchen, wenn mehr Strom vorhanden ist, und weniger, wenn weniger Strom erzeugt wird“, sagt Severin Beucker, Mitgründer des Borderstep Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit. Das bedeutet zum Beispiel, ein Elektroauto dann zu betanken oder in einem Haus Warmwasser zu erzeugen, wenn die Wind- und Sonnenenergieproduktion gerade auf Hochtouren läuft oder nachts, wenn das Energieniveau insgesamt niedrig ist. „Das ist Digitalisierung, denn alles, was wir dazu brauchen, ist fein verteilte Intelligenz. Ich muss wissen, wann wo wie viel Energie gebraucht wird und wann wo viel Energie erzeugt wird. Und diesen Bedarf und die Produktion, die muss ich aufeinander abstimmen.“
Die intelligente Vernetzung ermöglicht aber auch, den Strom zwischen verschiedenen Akteuren bzw. Sektoren hin- und herzuschieben, die sogenannte „Sektorkopplung“.
Wie das intelligente, klimaneutrale Quartier der Zukunft aussehen kann, wird zum Beispiel auf dem ehemaligen Pfaff-Betriebsgelände erprobt: Gründächer mit Photovoltaik (PV) und gebäudeintegrierte Solarpaneele an Fassaden und im öffentlichen Raum sollen einen Großteil des Energiebedarfs vor Ort erzeugen. Dezentrale Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Gebäuden und eine zentrale Redox-Flow-Batterie sorgen dafür, dass der lokal produzierte Strom auch vor Ort genutzt werden kann. Gleichzeitig sind alle Sektoren miteinander verbunden, so dass Strom und Wärme zwischen den verschiedenen Produzenten und Konsumenten –Solaranlagen, Wärmepumpen, Stromspeichern, Elektroautos, Haushalten – fließen können. Über einen elektrischen Smart Grid sind alle Stromverbrauchszähler und sonstigen Komponenten des Stromnetzes mit einem Datennetz verbunden und Strom und Wärme werden über ein digitales Energiemanagementsystems verteilt und lokal optimiert.
Auch in kleineren und mittleren Energiegemeinschaften, seien es Mietergemeinschaften, lokale Netzwerke aus Solaranlagenbetreibenden und Verbraucher*innen oder ganze Dörfer, können digitale Technologien den Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing erleichtern. Hier geht es vor allem darum, Lösungen zu finden, wie Strom zwischen den verschiedenen „Zellen“ gehandelt werden kann. Ihr digitales Abbild können diese Energiegemeinschaften zum Beispiel in Virtuellen Kraftwerken (VPP) finden. Im Wesentlichen wird dazu der zentrale Kontrollraum großer, fossiler Kraftwerke durch den Einsatz von Software nachgebildet. Zusätzlich zum Energiehandel, dem Energieausgleich und der Nachfragesteuerung – die Anpassung der erzeugten Strommenge an die Nachfrage – können über VPPs die aktuellen Verbrauchsdaten mit Wetter- und Prognoseinformationen kombiniert werden, so dass eine sehr feine Netzsteuerung- und Planung möglich ist.
Auch wenn Pilotprojekte wie das Pfaff-Quartier und verschiedene Ansätze Virtueller Kraftwerke den Weg weisen, so sind in Deutschland noch nicht die wesentlichen Voraussetzungen für intelligente, dezentrale Netze und die Einbindung und Flexibilisierung aller Akteur*innen geschaffen. Sowohl bei der Digitalisierung der eigentlichen Energienetze - zum Beispiel Transformatoren und Umspannwerke - als auch auf Ebene der Haushalte bzw. Verbrauchsgemeinschaften stehen wir am Anfang: Erst jetzt werden nach und nach digitale Messeinrichtungen wie zum Beispiel Smart Meter (intelligente Zähler) eingebaut.
Gleichzeitig ist die Effizienz ein wichtiger Aspekt, damit die Transformation zu 100 Prozent Erneuerbaren gelingt. „Wir denken immer, wir würden die Probleme lösen, indem wir alles erneuerbar machen. Aber wir kommen von einem viel zu hohen Energieniveau. Auch für die erneuerbaren Energien sind die Flächen und die Möglichkeiten sehr begrenzt“, so Beucker. Soll die Energiewende also schnell umgesetzt werden, geht es darum, das Energieniveau insgesamt zu senken. Nur durch die Reduktion um 50 Prozent bis 2050 ist eine vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien überhaupt realistisch (vgl. Prognos, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 2020).
Eine wichtiger Schritt, um die Effizienz in der Energiewirtschaft zu erhöhen, ist ein Netzausbau, der sich am tatsächlichen Bedarf orientiert, also Leitungen, Transformatoren und Umspannwerke so zu bauen, dass sie ein Gebiet optimal versorgen. Unter anderem Simulationen eines Energienetzes bzw. einer Energiegemeinschaft können dabei helfen, die Infrastruktur passgenau planen zu können. Ein Bespiel dafür ist PowerTAC. Das Open-Source-Projekt nutzt maschinelles Lernen für Simulationen und Prognosen und hilft so, ein besseres Verständnis für die Gestaltung des komplexen Energiemarkts zu erhalten.
Zusätzlich ist unverzichtbar, Energiesparpotenziale zu erkennen und sämtliche Prozesse durch eine intelligente Steuerung zu optimieren. Ein erster wichtiger Schritt ist dabei die Analyse des Systems, also zu prüfen, wo wie viel Energie für was verbraucht wird. Das interdisziplinäre Team von Etalytics beispielweise hat dazu eine ausgeklügelte Software auf Basis von Künstlicher Intelligenz entwickelt. Zahlreiche Sensoren innerhalb der Energiesysteme - das kann ein Heiz-oder Kühlsystem in einem Unternehmen oder eine Produktionsstrecke in einem industriellen Betrieb sein - erheben permanent Informationen über die Produktivität und den Zustand der Anlagen. Die KI von Etalytics führt diese Daten zusammen und berechnet dann in Echtzeit, wie die Betriebsstrategie innerhalb der Systeme so optimiert werden kann, dass möglichst wenig Energie aufgewendet werden muss. Schließlich werden die optimierten Daten in einzelne umsetzbare Schritte umgewandelt. Neben der Erhöhung der Energieeffizienz kann Etalytics die Systeme auch daraufhin optimieren, die Energieflexibilität zu erhöhen.
In einem Rechenzentrum konnte Etalytics mit seiner intelligenten Software 50 Prozent der Energie zum Kühlen der Server (was den Großteil des Energiebedarfs von Rechenzentren ausmacht) einsparen. Die intelligente Software des Startups soll jedoch nicht nur in Unternehmen und Produktionsanlagen eingesetzt werden können, sondern auch in Gebäudekomplexen, bei Energieversorgern – und vielleicht auch in den „Smart Cities“ der Zukunft.
Auf der Suche nach Lösungen für eine Dekarbonisierung der Energiewirtschaft ist die Industrie der Elefant im Raum. 26 Prozent des gesamten deutschen Endenergieverbrauchs - wobei der Primärenergieverbrauch sogar noch höher liegt - gehen auf die Industrie zurück. Vor allem die chemische Industrie, aber auch die Metall- und die Mineralölindustrie, tragen erheblich dazu bei. Das hat damit zu tun, dass hier viele energieintensive thermische Prozesse betrieben werden, d.h. große Mengen an Rohstoffen oder Zwischenerzeugnissen werden stark erhitzt oder abgekühlt.
Grischa Beier, der am Institute For Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam zu Industrie 4.0 forscht, sieht durchaus Bewegung in der Entwicklung von Verfahren, die thermische Verfahren mit den existierenden Schwachstellen - allen voran ihre schwankenden Erträge - von erneuerbaren Energien zusammenbringen. Aufwärm-Prozesse werden zum Beispiel genutzt, um Energie zu speichern. „Wenn metallische Werkstoffe erhitzt werden müssen, kann man die Schlacke stärker erhitzen als eigentlich notwendig, wenn sehr viel erneuerbarer Strom im Energiesystem ist. So kann man das Metall dann für eine bestimmte Zeitspanne abkühlen lassen, wenn Energie gerade knapp ist.“ Gleichzeitig wird daran geforscht, wie energieintensive Prozesse ressourceneffizienter werden können. Neue Verfahren in der Zementindustrie sind ein Beispiel dafür.
Digitale Technologie kommen in der Industrie vor allem dann zum Einsatz, wenn es um Ressourceneffizienz geht, also darum, wie Produkte mit so wenig wie möglich Energie und anderen Ressourcen hergestellt werden können. Dazu gibt es unterschiedliche Ansätze, zum Beispiel die verbesserte Wartbarkeit und ein verbesserter Support durch intelligente Software, wodurch letztlich Material eingespart werden soll.
Gleichzeitig gibt es auch viele Möglichkeiten, Produktionsprozesse auf die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netz verfügbare Energiemengen abzustimmen, das sogenannte „Demand Response Management“. „Zu den Zeitpunkten, wo durch Sonne und Wind viel erneuerbare Energie verfügbar ist, wird verstärkt produziert. Und andererseits können Produktionsprozesse zu den Zeitpunkten, wo Energie knapp ist, runtergefahren werden. So wird insgesamt – systemisch gedacht – weniger Energie verschwendet und die verfügbare Energie optimal genutzt“, sagt Grischa Beier. Wie so eine intelligente Steuerung umgesetzt werden kann, wurde bereits mit der Software von Etalytics gezeigt.
Auch wenn weniger aus Klimaschutzgründen, sondern meistens eher mit dem Gedanken der Prozessoptimierung und Gewinnmaximierung, ist die Industrie laut Grischa Beier effizienter geworden: „Die Verbräuche an Energie bleiben relativ konstant über die Jahre, obwohl der Output – also das, was produziert wird-, eigentlich zunimmt. Die Schlussfolgerung für mich daraus ist, dass die Verfahren effizienter werden.“ Welchen Anteil die Digitalisierung bzw. die Industrie 4.0 daran hat ist eine Frage, die in der Forschung noch nicht abschließend geklärt ist. Was aber klar ist: Die CO2-Emissionen der Industrie sind nach wie vor zu hoch und neben der Umstellung auf erneuerbare Energien sind weitere, massive Effizienzsteigerungen nötig. Große Chancen stecken in der Kreislaufwirtschaft.
Der Kerngedanke der Kreislaufwirtschaft, auch Circular Economy genannt, ist, Ressourcen möglichst lange in einem geschlossenen Kreislauf zu halten. Ausgediente Produkte, deren Komponenten oder die recycelten Rohstoffe werden so zum Ausgangspunkt für neue Produkte. Insbesondere in der Industrie können geschlossene Kreisläufe dafür sorgen, dass von vorneherein weniger Rohstoffe zugeführt und weniger neue Produkte produziert werden. Wie digitale Technologien darin unterstützen zeigen die Projekte EIBA und DIBIChain.
Ob ein Produkt recycelt oder wiederaufbereitet werden kann oder entsorgt werden muss, darüber entscheidet die Art und der konkrete Zustand. Dazu gilt es zu klären, woraus ein Produkt besteht und was davon noch brauchbar ist. Aktuell ist dieser Prozess kompliziert und zeitaufwändig. Das liegt vor allem daran, dass wenig Informationen zu den Produkten mitgeliefert werden als auch die Identifikation einzelner Komponenten oft schwierig ist. Im Projekt EIBA wird eine KI entwickelt, die Alt-Teile identifiziert, damit sie schneller erkannt und leichter wiederverwertet werden können. Dazu werden sensorisch erfasste Daten und weitere Informationen mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet und zu einer Entscheidungsempfehlung formuliert. Aktuell wird das System auf gebrauchte Fahrzeugaltteile in der Industrie trainiert, doch in Zukunft soll es die EIBA-Technologie auch als App geben, so dass der „Alt-Teil-Detektor“ genauso von kleinen Unternehmen und Werkstätten oder Privatpersonen ohne spezielle Hardware eingesetzt werden kann.
Ausgangspunkt im Projekt EIBA sind Alt-Teile, über die keine weiteren Informationen vorliegen und die im Nachhinein aufwändig identifiziert werden müssen. Ein wesentlicher Schritt für die Kreislaufwirtschaft der Zukunft ist es, sämtliche relevante Produktdaten von Anfang an zu erfassen. Das Tracking der Materialien, deren Veredelung und Verarbeitung entlang der gesamten Lieferkette - von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Rückführung in die Stoffkreisläufe - erleichtert deren Kreislaufführung. Doch nicht nur das: Transparente Lieferketten können auch dabei helfen, faire Arbeitsbedingungen umzusetzen. Das Forschungsprojekt DIBIChain erprobt dazu eine Blockchain-Anwendung, in die alle Teilnehmer*innen einer Lieferkette die für das Lifecycle Assessment relevanten Daten verschlüsselt eingeben können.
Eine klimaneutrale Industrie – wie im übrigen auch ein klimaneutrales Energiesystem insgesamt - ist mit einer intelligenten Steuerung und effizienten Produktionsprozessen allein jedoch kaum zu erreichen. Solange Menschen möglichst viel besitzen wollen und stetiges Wirtschaftswachstum das oberste Ziel ist, muss auch immer mehr produziert werden - und die CO2-Emissionen bleiben auf einem hohen Niveau. Gefragt ist Suffizienz und damit gemeint ist nicht weniger als ein gesellschaftlicher Wandel hin zu einem Konsumverhalten und Wirtschaftsgebaren, das auch die Begriffe „weniger“ und „ausreichend“ kennt. Suffizienzstrategien umzusetzen ist eine gesamtgesellschaftliche Verantwortung, die ein Umdenken auf kultureller, politischer und ökonomischer Ebene erfordert.
Bei der Nutzung digitaler Technologien lassen sich durchaus Suffizienzstrategien umsetzen, zum Beispiel, indem nur dort digitalisiert wird, wo Technologien wirklich eine nachhaltige Verbesserung erzielen, und nur so viele Daten wie nötig erhoben werden.
Auch wenn eine ganze Reihe von positiven Beispielen zeigen, dass der Energieverbrauch mithilfe digitaler Technologien sinken kann, gibt es viele Fälle, in denen der Einspareffekt nicht den Energieverbrauch des Entwicklungsprozesses und der Nutzung ausgleicht, denn: Auch digitale Technologien sind energiehungrig. Jeder Prozess, der digitalisiert wird, benötigt als erstes Material - Sensoren, Prozessoren, Datenleitungen - und Energie für die Programmierung, das Training und später im Betrieb.
Forschende haben beispielweise errechnet, dass das Antrainieren einer KI ungefähr so viel CO2 erzeugt wie fünf PKW über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, also von der Produktion über den Betrieb bis zur Entsorgung. Die Zahlen wurden in diesem Fall für eine ziemlich komplexe Spracherkennungs-KI berechnet und dürften relativ hoch angesetzt sein. Dennoch geben sie einen Eindruck davon, wie energieintensiv die Entwicklung von KI ist.
Auch die Herstellung und Entsorgung der Hardware der digitalen Infrastrukturen tragen zu dem erheblichen Fußabdruck der Digitalisierung bei. Vergleicht man beispielsweise eine moderne Messeinrichtung (IMS) (ohne Smart-Meter-Gateway) mit einem klassischen Ferraris-Zähler (aktuelles Zähler-Modell in Haushalten), verursacht die Herstellung einer IMS 91 kg CO2-Äquivalente, während ein Ferraris-Zähler bei ca. 8 kg CO2-Äquivalenten liegt. Zusätzlich steigt der Stromverbrauch im Betrieb einer IMS, sobald ein Smart-Meter-Gateway dazu kommt.
Das Bottleneck der Digitalisierung sind Rechenzentren, da sämtliche Datenflüsse letztlich hier verarbeitet werden. Alleine im Jahr 2021 verbrauchten Rechenzentren in Deutschland 17 Mrd. Kilowattstunden Strom - und die Tendenz ist steigend.
Bei der Bewertung des Impacts digitaler Technologien muss daher immer genau betrachtet werden, in welchem Verhältnis Ressourcen- und Energieaufwand in der Produktions- und Nutzungsphase zu den tatsächlichen Einsparungen in einem System stehen.
Digitale Technologien gelten als „Enabler“ des zügigen Ausbaus der Erneuerbaren Energien, wie auch eine Studie von Germanwatch feststellt. Dabei kommt ihnen eine Schlüsselfunktion bei Lösungen für die Herausforderungen der Dezentralisierung, Flexibilisierung und effizienten Nutzung von Energie zu, wie auch die von uns vorgestellten innovativen Forschungsprojekte und Startups illustrieren:
Digitale Technologien können Stromangebot und -nachfrage aufeinander abstimmen, indem sie Produktion und Verbrauch zeitnah erfassen. Sie schaffen die Voraussetzungen dafür, dass Energie zwischen Produzent*innen, Verbraucher*innen und Stromspeichern intelligent verteilt werden kann und so die Stromnetze stabil bleiben und möglichst wenig Energie ungenutzt verpufft. Mit ihnen ist ein Energieaustausch über Sektorgrenzen hinweg möglich und sie versetzen Verbraucher*innen in die Lage, auf variable Versorgungstarife zu reagieren.
Damit können digitale Technologien zu einem Energiesystem beitragen, dass mit Intelligenz und Flexibilität die durch erneuerbare Energien bereitgestellte Energie bestmöglich nutzt, Peaks und Flauten ausgleicht und durch Effizienz Verbräuche reduziert. Fossile Energieträger wie Kohle und Gas werden in einem solchen Energiesystem verzichtbar.
Zudem steckt in einer intelligent vernetzten Energiewelt die Chance, dass sich neue Geschäftsmodelle jenseits der Big-Player des Energiemarkts etablieren und Demokratisierungsprozesse in Gang gesetzt werden. Gute Beispiele sind der Peer-to-Peer-Handel und Energy-Sharing-Modelle; hier bilden sich neue Energie-Gemeinschaften, die sich dezentral und lokal aus Solaranlagen und Windrädern versorgen.
Allerdings ist ein intelligentes und effizientes Energiesystem noch längst nicht Realität. Im Moment sind es hauptsächlich kleine Bereiche, die digitalisiert werden, ein durchgängiger Austausch über das gesamte Energiesystem besteht nicht. Damit sind die Potenziale, mithilfe digitaler Technologien die Energiewende voranzutreiben, derzeit noch weitaus größer als die Akzeptanz und Nachfrage seitens der Bevölkerung, Unternehmen und Industrie.
Es ist davon auszugehen, dass die großen Energieunternehmen die Digitalisierung des Netzes vorantreiben, da sie selbst ein Interesse an den Daten und der intelligenten Steuerung haben. Um Datenmonopole zu vermeiden, möglichst vielen Akteur*innen die Teilhabe am Energiemarkt zu ermöglichen und einen hohen Datenschutz zu gewährleisten sollte diese Entwicklung jedoch nicht allein der Energiewirtschaft überlassen bleiben.
Dazu kommt: Digitale Technologien schaffen zwar wichtige Voraussetzung für die Energiewende. Dass sie aber tatsächlich zu mehr Effizienz beitragen und Stromverbräuche reduzieren, ist kein Selbstläufer. Auch die Produktion der Hardware, die Programmierung – und bei Anwendungen auf Basis Künstlicher Intelligenz das Training – und der Betrieb digitale Technologien benötigen erhebliche Mengen Energie und Ressourcen. Schon heute macht die Herstellung und Nutzung digitaler Geräte und Dienstleistungen 8 bis 10 Prozent der weltweiten Stromnachfrage aus - und verschiedene Szenarien rechnen mit einem weiteren nutzungsbedingten Anstieg um 50 bis 80 Prozent bis 2030.
Eine wichtige Voraussetzungen für eine zügige Energiewende ist es, die Produktion erneuerbarer Energien und deren dezentralen Austausch zu erleichtern. Dazu gilt es entsprechenden Rahmenbedingungen auf politischer Ebene zu schaffen, u.a. die Beseitigung der bürokratischen Hürden für die Gründung von Erneuerbare-Energie-Gemeinschaften, die Förderung regionaler Kraftwerke für erneuerbare Energien zur Unterstützung kommunaler Netze, die Flexibilisierung der Energietarife, um den Verbrauch an die Verfügbarkeit von erneuerbaren Strom zu koppeln und die Förderung von Bürgerbeteiligung und Mitgestaltung, um die Akzeptanz zu erhöhen.
Zudem muss die technische Infrastruktur geschaffen werden, damit sich ein vernetztes, intelligentes und effizientes Energiesystem entwickeln kann. Dazu gehört unter anderem eine Digitalisierung der Netze und der Einbau intelligenter Zähler (Smart Meter) insbesondere bei Großverbraucher*innen. Smart Meter können Verbrauchsdaten in regelmäßigen Abständen ermitteln, automatisch übermitteln und Zugriffsrechte verwalten. Indem sie Energieversorger, Verbrauchsgeräte und Stromnetz miteinander verbinden, bilden sie eine wichtige Schnittstelle zur Steuerung dezentraler Stromerzeuger wie Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, aber auch zur Organisation von Energie-Gemeinschaften. Zudem können mithilfe der intelligenter Zähler flexible Stromtarife eingeführt werden, die Preisschwankungen und Stromnachfrage berücksichtigen.
Andererseits gilt es, die Digitalisierung selbst nachhaltig zu gestalten und den Klima- und Ressourcenschutz, Datenschutz und soziale Gerechtigkeit im Blick zu behalten. Dafür sind entsprechende politische Rahmenbedingungen und Leitplanken nötig:
Eine derart aktiv gestaltete Digitalisierung kann dazu beitragen, dass die Dekarbonisierung unseres Energiesystems bis 2050 gelingt. Wirksame Lieferkettengesetze und Maßnahmen wie der digitale Produktpass und der Blaue Engel für Rechenzentren und Software, wie sie in der Digitalagenda des BMU angelegt sind und sich teilweise schon in der Umsetzung befinden, sind erste wichtige Schritte auf diesem Weg - aber noch lange nicht ausreichend.
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Ein Viertel aller CO2-Emissionen in Deutschland gehen auf das Konto der Industrie. Wie kann die Digitalisierung dabei helfen, die massiven Emissionen zu reduzieren? Die neue Episode von RESET Radio gibt Antworten - zu Gast: Grischa Beier vom IASS.
In Deutschland ist die Industrie für rund ein Viertel aller CO2-Emissionen verantwortlich. Wir haben uns mit Grischa Beier (IASS Potsdam) darüber unterhalten, wie die Industrie mithilfe der Digitalisierung ihre massiven CO2-Emissionen reduzieren kann.
