Senkt Industrie 4.0 den Energieverbrauch?

Mit zunehmender Digitalisierung steigt die Energieeffizienz in der Produktion. Doch sinkt damit auch der Gesamtenergieverbrauch der Industrie? Aktuelle Studien sehen hier keinen eindeutigen Zusammenhang.

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Der Energieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe in Deutschland war im Jahr 2020 in etwa so hoch wie im Jahr 1995. Soweit die schlechte Nachricht. Die gute: Die Bruttowertschöpfung der Industrie stieg im gleichen Zeitraum um 38 %. Das heißt, die Industrie setzt Energie heute deutlich effizienter ein als noch vor einem Vierteljahrhundert. Bereits seit dem Jahr 2017 mit dem bislang höchsten Verbrauch sinkt der Energieverbrauch laut Umweltbundesamt kontinuierlich.

Und Potenzial zu weiteren Energieeinsparungen finden sich auch weiterhin, wie beispielsweise der Blick auf den Betrieb von Werkzeugmaschinen verrät: Bis zu 80 % des Energieverbrauchs werden hier dafür verwendet, dass die Maschine produktionsbereit ist; nur ein kleiner Teil der Energie in der Teilefertigung mündet in den eigentlichen Zerspanungs- oder Umformprozess. Erhebliche Mengen an Energie lassen sich beispielsweise auch an Pumpen in Kühlschmierstoffsystemen, in Schaltschrankkühlungen oder an Kühlaggregaten einsparen. Doch obwohl Fabrikbetreiber schon aus wirtschaftlichen Gründen ein Interesse an einem geringeren Energieverbrauch haben, stehen der Erhöhung der Energieeffizienz in der Produktion oftmals technologische Hürden im Weg:

• Der energetische Zustand von Maschinen und ganzen Fabriken ist nicht transparent.
• Energetische Hotspots oder Einsparpotenziale bleiben deswegen unerkannt und können nicht systematisch verbessert werden.
• Energieeffizienzmaßnahmen werden aus Sorge vor negativen Auswirkungen auf die Produktivität oder die Zuverlässigkeit von Produktionsanlagen nicht ergriffen.
• Die Auswirkungen von Energieeffizienzmaßnahmen auf Produktionszeit, -kosten und -qualität lassen sich oft nicht sicher prognostizieren

Industrie investiert in Energietransparenz

Einen Ausweg bietet bekanntlich die Digitalisierung der Produktion mit Industrie-4.0-Technologien. Immer mehr und bessere Sensoren erzeugen ein immer vollständigeres digitales Abbild der Produktion. Prozess-, Maschinen- und Prozessdaten werden verdichtet, analysiert und zu Prognosezwecken herangezogen oder in die Regelung von Maschinen, Prozessketten und Fabriken integriert. So entsteht Transparenz über Energieverbräuche, Einsparpotenziale und Zusammenhänge zwischen Effizienzmaßnahmen und den Leistungskennzahlen einer Fabrik.

Etwa die Hälfte der Unternehmen nutzen bereits Energiemanagementsysteme, wie die Universität Stuttgart mit Verweis auf eine Befragung unter 850 Teilnehmern berichtet. Weite Teile der Industrie investieren also in transparentere Energiedaten, wenngleich sich die Investitionsbereitschaft vor dem Hintergrund von Zinswende und Rezession zuletzt abgeschwächt hat.

Energieintensität sinkt nicht zwingend

Doris Meurer vom Umweltbundesamt beschreibt die Potenziale für die Energiesenkung, die sich daraus ergeben: "Durch die zunehmende Datenverfügbarkeit wird sich in allen Industrie-4.0-Bereichen der Informationsstand insgesamt, beziehungsweise das Wissen über Prozesse, Prozessketten, Prozesszustände, Produkte, Materialströme, Energieverbräuche etc. deutlich erhöhen." Bislang drehten sich Aktivitäten und Forschungsarbeiten zur Industrie 4.0 allerdings vor allem um Aspekte wie Standardisierung und Interoperabilität oder auf den Einsatz von KI. Jetzt, da sich viele Industrie-4.0-Modelle in der Entwicklung befinden, sei es aber äußerst wichtig, dass auch Umweltaspekte wie Energie- und Materialeffizienz darin berücksichtigt würden. Dann dass eine stärker digitalisierte Produktion nicht nur die Produktivität ankurbelt, sondern auch gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch senkt, wird zwar häufig postuliert, durch Studien belegt ist es aber bislang kaum.

Anhand von Daten aus 15 europäischen Ländern haben Wissenschaftler des Forschungsinstituts für Nachhaltigkeit (RIFS) am Helmholtz-Zentrum Potsdam untersucht, wie sich der Einsatz von Industrie-4.0-Technologien auf die Energieintensität im verarbeitenden Gewerbe auswirkt. Ihre Ergebnisse zeigten dabei keinen zwingend positiven Effekt auf:

1. Mit steigender Roboterdichte sinkt die Energieintensität.
2. Mit zunehmendem Digitalisierungsgrad ("Digital Capital Intensity") steigt die Energieintensität.
3. Ein hohes Maß an digitaler Kompetenz im Unternehmen wirkt sich weder positiv noch negativ auf die Energieintensität aus.

Rebound-Effekt kompensiert Energieeffizienz

Zuletzt hat ein Team des Helmholtz-Zentrums nun auch den Zusammenhang einer umfassenden Digitalisierung der Produktion und dem Energieverbrauch anhand von Daten der chinesischen Industrie untersucht. Im Unterschied zu anderen Studien haben sich die Forschenden dabei nicht auf relative Energieverbräuche oder auf Energieeffizienz konzentriert, sondern auf den Gesamtenergieverbrauch in der Produktion. Grundlage ist eine Paneldatenanalyse mit Daten aus zehn chinesischen Industriesektoren aus den Jahren 2004 bis 2019.

Auch in dieser Studie zeigte sich kein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Grad von Industrie 4.0 und dem Energieverbrauch. In manchen Bereichen wie der Textilindustrie erhöht der Einsatz von Robotern anstelle von Handarbeit den Energieverbrauch, wie die Forschenden berichten. Zudem steige durch eine zunehmende Digitalisierung zwar oftmals die Energieeffizienz, allerdings würden die eingesparten Ressourcen anschließend häufig wieder für wachstumsfördernde Maßnahmen reinvestiert, sodass sich der Energieverrauch unter dem Strich teilweise sogar erhöhe. Dieses Phänomen ist unter dem Begriff Digitaler Rebound-Effekt bekannt.

Einsparungen in bereits stark digitalisierten Sektoren

Dennoch will Stefanie Kunkel, Erstautorin der Studie, der Industrie 4.0 das Potenzial zu geringeren Energieintensitäten in der Produktion nicht absprechen. Belegen lasse sich diese positive Auswirkung allerdings nur für bereits stark digitalisierte Sektoren.

Doch auch hier bleiben Kunkel zufolge noch offene Fragen. Zum Beispiel würden im Zuge der Industrie-4.0-Transformation auch Geschäftsaktivitäten ins Ausland verlagert, was die Energieintensität der heimischen Produktion zwar senken könnte. Allerdings fanden sie und ihr Team Hinweise darauf, dass mit steigendem Einsatz von Industrie-4.0-Technologien auch die Energieintensität der importierten Güter steigen. Die Forschenden des Helmholtz-Zentrums plädieren dafür, die zugrunde liegenden Dynamiken mithilfe von weiteren Forschungsarbeiten besser zu verstehen.