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Digitalisierung und Nachhaltigkeit zusammen denken!
Aktualisiert: vor 1 Stunde 9 Sekunden

EIBA – Eine KI unterstützt bei der Kreislaufwirtschaft

15. August 2022 - 8:41

Geschlossene Produktkreisläufe, das Ideal einer kompletten Kreislaufwirtschaft, können nur erreicht werden, wenn in der Produktion schon an das Danach gedacht wird. Das heißt vor allem, Produkte von Anfang an so zu gestalten, dass sich ihre Komponenten wiederverwerten lassen bzw. Ausgangspunkt für neue Produkte werden.

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.

Altteil-Identifizierung per App

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.

EIBA

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.

Remanufacturing anstatt Neuproduktion bringt ökologische Vorteile

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“.

Das 1,5-Grad-Ziel ist ohne eine echte Transformation unseres Energiesystems unerreichbar. Aber wie kann sie gelingen? Was sind die Energiequellen der Zukunft? Welche digitalen Lösungen stehen bereit und wo sind Innovationen gefragt? Und wie kann die Transformation vorangetrieben werden?

Das RESET-Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ stellt digitale, innovative Lösungen vor und beleuchtet die Hintergründe.

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.“

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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Neue RESET-Podcast-Folge: Industrie 4.0 – Ist eine klimaneutrale Industrie mithilfe digitaler Tools möglich?

10. August 2022 - 8:02

Es gibt im Wesentlichen zwei Paradigmen, die dabei helfen können, die Emissionen in der Industrie zu senken, sagt Grischa Beier, der seit acht Jahren am Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung (IASS) in Potsdam zu den Auswirkungen der Digitalisierung auf die Industrie forscht. „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?“

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.podigee.io.
Wir freuen uns, wenn ihr unseren Podcast abonniert!

Der Podcast gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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Die Smartphone-App, die deinen Einkauf nach gefährlichen Chemikalien scannt

8. August 2022 - 8:25

Wenn mehr Verbraucher*innen sozial- und nachhaltigkeitsbewusst einkaufen sollen, ist ein wichtiger Schritt, die Informationen über die Produkte leichter zugänglich zu machen. Aktuell müssen Verbraucher*innen eigenständig gründliche Nachforschungen über die Inhaltsstoffe von Produkten oder die Herstellungsbedingungen anstellen – und meistens sind solche Informationen schwer oder gar nicht verfügbar.

Hier kommen digitale Lösungen ins Spiel. Das Projekt LIFE AskREACH will Verbraucher*innen wichtige Informationen in Echtzeit bieten. Die Entwickler*innen konzentrieren sich dabei vor allem auf die Menge an besonders besorgniserregenden Stoffen, sogenannte ‚Substances of Very High Concern‘ (SVHC) in bestimmten Produkten. SVHCs sind chemische Stoffe, die auf Vorschlag der EU unter die REACH-Verordnung („Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals“) fallen sollten. Bei REACH handelt es sich um eine langfristige Verordnung – und die bisher wohl komplexeste – der EU, die darauf abzielt, die Auswirkungen weit verbreiteter Chemikalien neu zu bewerten.

Besonders besorgniserregende Stoffe sind im allgemeinen Chemikalien, die krebserregend, erbgutverändernd, giftig, langlebig und potenziell fortpflanzungsgefährdend sind. Beispiele für besonders besorgniserregende Stoffe sind Steinkohlenteer, Borsäure und Kobaltdichlorid, wobei jedoch eine breite Palette von Chemikalien, die auch in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, registriert sind.

Etiproducts Chemikalien wie Borsäure kommen in einer Vielzahl von industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen zur Anwendung, können aber fortpflanzungsgefährdend sein.

AskREACH ist ein europaweites Projekt, das eine Datenbank mit Informationen über den SVHC-Gehalt bestimmter Erzeugnisse entwickelt hat. Diese Informationen kommen direkt von den Lieferant*innen, denn sie sind dazu verpflichtet, alle Informationen über besonders besorgniserregende Stoffe in ihren Produkten zur Verfügung zu stellen. Die Datenbank ist mit einer Smartphone-App verbunden, die den Nutzenden die Informationen bei Bedarf direkt und bequem liefert. Sind die benötigten Informationen noch nicht in der App vorhanden, kann die Datenbank diese automatisch bei den Lieferant*innen anfordern. Darüber hinaus wird den Lieferant*innen selbst ein digitales Werkzeug an die Hand gegeben, um die Kommunikation zu erleichtern.

Die App, Scan4Chem, ist kostenlos und funktioniert durch einfaches Scannen des Barcodes am Produkt. Derzeit ist sie in Österreich, Kroatien, der Tschechischen Republik, Dänemark (Tjek Kemien), Estland, Frankreich, Deutschland, Schweden (Kemikalieappen), Griechenland, Lettland, Litauen, Luxemburg, Polen (Pytaj o Chemię), Portugal und Serbien verfügbar. Sie kann sowohl bei Google Play als auch im Apple Store heruntergeladen werden.

AskREACH hat sich zum Ziel gesetzt, mit der App und der Datenbank auch das Bewusstsein der Öffentlichkeit und der Lieferant*innen für besonders besorgniserregende Stoffe zu schärfen. Eine von AskREACH durchgeführte Umfrage ergab, dass rund 70 Prozent der Befragten aus neun von 14 Ländern entweder „äußerst besorgt“ oder „sehr besorgt“ über SVHCs waren. Sie fanden jedoch auch heraus, dass sich rund 60 Prozent der Befragten aus denselben neun Ländern als „überhaupt nicht informiert“ oder „nicht sehr gut informiert“ bezeichneten.

Vielleicht noch besorgniserregender ist der Mangel an Wissen bei den Lieferant*innen selbst. Im Dezember 2019 testete AskREACH eine Reihe von Weihnachtsdekorationen, um die Menge an SVHCs zu ermitteln. Mehr als die Hälfte enthielt mitteilungspflichtige Mengen, über die die Lieferant*innen auf Nachfrage Auskunft gaben. Die meisten anderen behaupteten einfach, ihre Produkte seien REACH-konform, übermittelten unzureichende oder irrelevante Informationen oder antworteten überhaupt nicht. Ein fundamentaler Aspekt von AskREACH besteht darin, die Lieferant*innen an ihre Pflichten gemäß der REACH-Verordnung zu erinnern und die Einhaltung der Vorschriften zu verbessern.

Es wurden bereits zahlreiche Apps entwickelt, die überprüfen, wie nachhaltig, ethisch und verantwortungsbewusst Produkte hergestellt werden. Ethical Barcode bietet Informationen über viele verschiedene Produkten und eine Rangliste in der sie diese nach Kriterien wie Umwelt, Tierversuche, Ausbeutung und LGBT-Rechte einstuft. Mehrere Apps sind auch auf bestimmte Sektoren spezialisiert. Good on You zum Beispiel bietet Informationen zu Bekleidungsmarken.

Es lässt sich darüber streiten, welche Auswirkungen Apps wie jene vom Projekt AskREACH wirklich auf das Konsumverhalten von Verbraucher*innen haben werden. Scan4Chem hat derzeit etwa 10.000 Downloads auf Google Play, was zwar nicht unbedeutend ist, aber im Vergleich zur Zahl der globalen Verbraucher*innen ein Tropfen auf den heißen Stein.

Mit der Entwicklung von mehr Apps wie Scan4Chem und dem dadurch steigenden öffentlichen Bewusstsein, könnten solche Anwendungen dennoch eine entscheidende Rolle im Einkaufsverhalten einer technisch versierteren – und auf Smartphones angewiesene – Verbrauchenden spielen.

Jüngste Umfragen haben auch gezeigt, dass sich die Verbraucher*innen zunehmend Gedanken über die Umweltauswirkungen ihrer Einkäufe machen. Laut einer Umfrage von McKinsey & Co. gaben 66 Prozent der Befragten an, dass sie beim Kauf von Kleidung auf Nachhaltigkeit achten. Diese Zahl steigt auf 75 Prozent bei den Befragten aus der Generation der Millennials.

Darüber hinaus gaben 72 Prozent der Befragten an, dass sie aktiv mehr umweltfreundliche Produkte kaufen würden als noch vor fünf Jahren, während 81 Prozent der Befragten angaben, dass sie in Zukunft noch mehr kaufen würden.

Natürlich lassen sich Umfragen nicht immer auf das wirkliche Leben übertragen, und wenn mit finanziellen Bedenken oder Zweckmäßigkeit konfrontiert, können selbst umweltbewusste Verbraucher*innen umweltschädliche Entscheidungen treffen. Aber wenn die Nutzung von Apps wie Scan4Chem und anderen für die Verbrauchenden – insbesondere für die jüngere Generation – zum Alltag wird, könnte sich die Zukunft des Konsums vielleicht in eine nachhaltigere Richtung bewegen.

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Mit synthetischen Bäumen gegen globale Wasserknappheit

3. August 2022 - 10:00

Wasserknappheit ist eine der größten Bedrohungen unseres Jahrhunderts. Mittlerweile sind etwa 1,1 Milliarden Menschen weltweit davon betroffen, ganze 2,7 Milliarden Menschen erleben Mangel mindestens in einem Monat des Jahres. Das Ziel 6 der Ziele für Nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen strebt an, bis zum Jahr 2030 eine Wasserversorgung und Hygiene für alle zu erreichen – denn besonders die unzureichenden Hygienebedingungen in einigen Regionen der Welt, in großen Teilen hervorgerufen durch den Wassermangel, sind ein akutes Problem für 2,4 Milliarden Menschen (Quelle: WWF). Der WWF prognostiziert, dass bis 2025 zwei Drittel der Weltbevölkerung Wasserknappheit erleben könnten.

SDG 6 – Sauberes Wasser und Sanitäreinrichtungen

Das sechste Ziel für Nachhaltige Entwicklung soll die Folgen schlechter Wasserwirtschaft und unzureichender Infrastruktur reduzieren. Jedes Jahr sterben immer noch Millionen von Menschen an Krankheiten, die durch unzureichende Wasserversorgung, Abwasserentsorgung und Hygiene ausgelöst werden. Nicht nur die Gesundheit, auch die Ernährungssicherheit, die Lebensgrundlage und Bildung vieler Familien sind durch diesen Mangel betroffen.

Laut den Vereinten Nationen gibt es genügend Süßwasserquellen auf dem Planeten, um SDG 6 zu erreichen. Problematisch ist aber der Zugang. Dürren treffen zudem einige Länder härter als andere und verschärfen Folgen wie Unterernährung. In den vergangenen Jahren konnten mit konkreten Maßnahmen einige Fortschritte erzielt werden: laut der UN haben nun 90 Prozent der Weltbevölkerung Zugang zu verbesserter Trinkwasserversorgung. (Quelle: UNRIC)

Wissenschaftler*innen der Virginia Polytechnic Institute and State University haben nun erforscht, wie man diesem globalen Problem entgegentreten kann. Dabei ließen sie sich von der Natur inspirieren. Denn häufig ist zwar Wasser vorhanden, aber wir können es nicht trinken, da es kontaminiert ist oder einen hohen Salzgehalt hat. Die Forscher*innen griffen deshalb auf einen Prozess zurück, wie ihn Mangroven-Bäume an Küstenstreifen anwenden. Diese Bäume können im stark salzhaltigen Wasser der Ozeane wachsen, wie zum Beispiel auf der indonesischen Insel Pari. Dort bieten sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie Überschwemmungen auf der kleinen Insel mindern können, indem sie die starken Strömungen aufgrund stetig steigender Meeresspiegel abschwächen.

Verfahren zur Wasseraufbereitung sind vielfältig – und auch ihre Effektivität

Aber wie kann so etwas synthetisch nachgebaut und vor allem skaliert werden? Herkömmliche Solar-Destillierapparate – an sich keine neue Innovation – saugen zunächst Wasser durch ein absorbierendes Material auf. Das Wasser wird dann durch Sonnenlicht erhitzt und verdunstet, wodurch es weiter aufsteigt. Der Wasserdunst trifft dann auf eine abfallende Decke und kondensiert dort, woraufhin das Wasser in flüssiger Form wieder in eine Auffangschale rinnt. Viele innovative Geräte zur Wasseraufbereitung basieren heute auf diesem Grunddesign.

Die Idee, sich von der Natur inspirieren zu lassen und Baum-ähnliche Designs zu entwickeln, ist auch nicht neu. Ähnliche Geräte nutzen meist die sogenannte Kapillarwirkung: Flüssigkeit haftet an den Rändern eines kleinen Bereichs an und zieht andere Moleküle aufgrund der inneren Bindung der Flüssigkeit nach oben. Das lässt sich zum Beispiel bei den Härchen eines Pinsels beobachten, wenn diese Farbe aufnehmen, oder wenn Flüssigkeiten in poröses Material wie Gips einsickert. Problematisch bei dieser Anwendung ist jedoch, dass sie sich schwer skalieren lässt.

Transpiration als neuer Ausgangspunkt

Aus diesem Grund haben sich die Forscher*innen der Virginia Tech auch dem Prozess der Transpiration zugewandt. Dieser folgt im Grunde dem natürlichen Vorgang, wenn Wasser über die Wurzeln der Bäume durch ihren Stamm zu den Blättern transportiert wird. Sonneneinstrahlung spielt auch hier eine wichtige Rolle. Das Verfahren basiert auf einer Sogwirkung, die entsteht, wenn aufgrund von sinkendem Wasserpotenzial – die Verfügbarkeit von Wasser in der Luft, welche die Pflanze umgibt – Wasser aus den Wurzeln über den Stamm in der Pflanze hochgezogen wird. Dies geschieht, da das Wasserpotenzial die Wassermoleküle aus der Pflanze in die Luft diffundieren lässt, was wiederum den Druck auf die Moleküle in der Pflanze erhöht. Schlussendlich wird das Wasser dann durch Verdunstung über Poren an der Unterseite der Blätter wieder an die Luft abgegeben.

Ndidi Eyegheleme Das innovative Design zur Wasseraufbereitung im Modell

Die synthetische Variante dieses Verfahrens besteht aus 19 Plastikschläuchen mit je 6 Zentimetern Höhe und je 3,175 Millimetern Durchmesser. Das Wasser steigt in diesen Schläuchen auf und wird dann durch eine mit Graphit beschichtete Keramikdiskette, die ähnlich den Blättern der Mangroven eine Oberfläche zur Verdunstung bietet, wieder abgegeben. Das große Ziel ist es, einen Sogeffekt zu erzeugen, der so stark ist, dass das Wasser durch einen Salzfilter gezogen werden kann, ohne eine mechanische Pumpe zu benötigen – genau wie die Mangroven-Bäume im Salzwasser überleben können.

Die Forscher*innen der Virginia Tech sind aber längst nicht die einzigen mit der Vision, auf diese Art zukünftig schnell und in großem Maßstab sauberes Trinkwasser zu erzeugen. Schüler*innen aus den USA haben eine Flasche entwickelt, die auf einem ähnlichen Design basiert und sogar tragbar ist. Die Flasche hat darüber hinaus noch einige weitere Vorteile: So haben die Schüler*innen unter anderem eine Art „Solarflosse“ an der Außenseite der Flasche angebracht, die die Geschwindigkeit erhöhen soll, mit der das Wasser durch den Filter fließt. Dadurch soll auch die Transpirationsrate steigen und sicherstellen, dass der Prozess schneller abläuft.

Von der Natur inspiriert – und auch mit Zukunft?

Bäume liefern immer wieder Inspiration für Designs, die den natürlichen Prozess der Wasserfilterung nachahmen. Der „Warka Tree“ ist ein Gerät, dass den lokalen meteorologischen, geographischen und sozialen Bedingungen von Gemeinden mit starker Wasserknappheit in Äthiopien entspricht. Das Design ist inspiriert von den riesigen, äthiopischen Warka-Feigenbäumen und kann in Regenzeiten Nebel, kondensiertes Wasser und auch Regenwasser auffangen. Auch in Marokko wird Nebel aufgefangen, um sauberes Trinkwasser für die lokalen Gemeinden zu erhalten. Dort gibt es das größte „Nebelernte“-System der Welt, welches aus 600 Metern eines vertikalen, quadratischen Netzes, Solarpumpen und 8 Kilometer langen Rohren besteht. Das aufgefangene Wasser wird über die Rohre direkt an lokale Gemeinden geleitet. Das bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass nicht lange Strecken über mehrere Kilometer zurückgelegt werden müssen, um Wasser zu holen – eine Aufgabe, welche häufig den vulnerableren jungen Frauen und Mädchen zufällt.

Genetics4good/World Resource Institute Wasserknappheit nach Land, 2019

Eine der wichtigsten Fragen, die sich jedoch bei den synthetischen Bäumen, wie bei vielen der innovativen Designs zur Wasseraufbereitung, stellt, ist ihre Skalierbarkeit. Weltweit leiden Billionen von Menschen unter Wasserknappheit, was nicht nur ihren direkten Alltag und ihre Ernährungssicherheit bedroht, aber auch die Agrarwirtschaft und die Umwelt im Ganzen. Um dieser Knappheit entgegentreten zu können, müssen Innovationen im großen Maßstab umgesetzt werden. Das Team der Virginia Tech sieht deshalb die Notwendigkeit, weitere Tests mit größeren Bäumen, mehreren „Blättern“ und verschiedenen Membranen durchzuführen – auch um den gewünschten, ausreichenden Sogeffekt zum Filtern von Salzwasser zu erreichen.      

Doch technische und vor allem digitale Innovationen sind nur ein Ausgangspunkt im Kampf gegen den globalen Wassermangel. Andererseits hat dieser häufig auch politische Ursachen, wird gefördert durch Krieg und Konflikte und besonders durch mangelnde Infrastruktur. Daher reichen Innovationen allein nicht aus – es muss auch strukturell gehandelt werden.

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Wie die Warnrufe von Garnelen Walstrandungen verhindern können

1. August 2022 - 8:56

Bei der Ortung mit Sonar werden Schallimpulse ausgesandt, mit denen Gegenstände im Raum und unter Wasser geortet werden können. Vor allem das Militär nutzt unterschiedliche Sonar-Typen, um feindliche U-Boote ausfindig zu machen. Die dabei ausgesendeten Schallimpulse können eine Lautstärke von bis zu 240 dB haben; das ist so laut, als befände man sich sieben Meter neben einer startenden Saturn-V-Mondrakete.

Wale nutzen ähnliche Frequenzbereiche, um miteinander zu kommunizieren, zu jagen und sich durch die Ozeane zu navigieren. Die Schallwellen von Schiffen oder U-Booten können die Meerestiere und ihre empfindlichen Hörorgane so sehr schädigen, dass sie stranden. Und auch viele andere Meeressäuger werden jedes Jahr durch militärischen Sonar dauerhaft geschädigt.

Zwei Projekte haben sich aufgemacht, eine für Meerestiere verträglichere Alternative zu suchen. Die Lösung: Die Geräusche von verschiedenen Meeresorganismen abhören, um Informationen über Bedrohungen unter Wasser zu erhalten.

Das Projekt Persistent Aquatic Living Sensors (PALS) zum Beispiel hört die Schnappgeräusche von Krabben (das so ähnlich klingen soll wie bratender Speck) ab. Ähnlich wie bei einem Sonargerät würde das Militär auf die Anwesenheit eines Fahrzeugs aufmerksam gemacht, wenn es das Zischen einer Krabbenkolonie zurückschallt.

Das Projekt Grouper Guard hofft, sich auf die lauten, niederfrequenten Töne von Zackenbarschen verlassen zu können. Wenn diese Fische ein Eindringen in ihr Revier wahrnehmen, regen sie sich lautstark über diese Bedrohung auf.

Natürliche Sonar- und Warnmethoden können auch für mehr als nur militärische Aufklärung genutzt werden. „Wenn man sich auf die Geräusche normaler Meeresbewohner einstellt und lernt, wie sie sich verändern, hätten Forscher eine kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeit, die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten unter Wasser zu verfolgen. Dies wäre nützlich für Projekte wie Offshore-Windparks, Ölbohrungen und Meeresbodenabbau,“ schreibt BBC. Eine viel umweltfreundlichere Lösung wäre es natürlich, den Abbau von fossilen Brennstoffen im Meer ganz zu unterlassen, aber das ist eine andere Geschichte.

Dennoch gibt es Zweifel, ob ein Ökosystem aus lebenden Sensoren zuverlässig funktionieren kann. Sidharth Kaushal, Spezialist für Seekriegsführung, verweist auf frühere Versuche, U-Boote anhand des Leuchtens von biolumineszierendem Plankton aufzuspüren. Angeblich wurde einmal ein U-Boot versenkt, aber andere Erfolge waren nur selten zu verzeichnen. „Die Bemühungen der Sowjets und der Amerikaner im Kalten Krieg, [das Plankton] systematisch zu nutzen, waren erfolglos“, sagt Kaushal. „Zum Teil, weil sie keine Möglichkeit hatten, falsch positive Ergebnisse, wie die Reaktion eines vorbeiziehenden Wals, von den echten zu unterscheiden.

Wie dem auch sei, wir haben seit dem Kalten Krieg große technologische Fortschritte gemacht. Die Krabben- und Zackenbarsch-Methoden würden durch Algorithmen, künstliche Intelligenz und spezielle Software verbessert, um sozusagen das Rauschen zu reduzieren und genauere Messwerte über die Quelle und den Standort eines Objekts von Interesse zu erhalten.

In jedem Fall ist jeder Fortschritte auf diesem Gebiet ein Gewinn für die Wale, die in unverhältnismäßig hohem Maße von Sonaren betroffen sind. Und vielleicht können die natürlichen Sonare zusammen mit Satellitentechnologie eines Tages die Schädigung von Meeresbewohnern verhindern.

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Polyjoule – Umweltfreundliche, günstige und sichere Batterien aus Kunststoff?

27. Juli 2022 - 8:52

Damit der Übergang zu erneuerbaren Energien wirklich gelingen kann, muss nach an einigen Schrauben gedreht werden. Eine der dringendsten ist die Entwicklung und Verfeinerung von Lösungen zur Energiespeicherung. Da viele erneuerbare Energiequellen nicht beständig Strom liefern, ist es wichtig, diese Energie für eine spätere Nutzung speichern zu können.

Bisher wurden für die Energiespeicherung und den Energietransport hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Diese haben jedoch einige erhebliche Nachteile. Das sind einerseits ihre hohen Kosten, anderseits aber auch der Bedarf an großen Mengen Lithium, dessen Abbau soziale und ökologische Probleme mit sich bringt. Startups wie das in Boston ansässige Unternehmen Polyjoule suchen nun nach neuen Materialien, die die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien erreichen oder sogar übertreffen können.

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien verwendet Polyjoule Elektroden aus leitfähigen Polymeren. Dabei handelt es sich um kunststoffähnliche, nichtmetallische, organische Verbindungen, die beim Laden und Entladen von Energie in einer Batterie wie Metalle funktionieren. „Unsere auf leitfähigen Polymeren basierende Technologie verwendet eine elektrochemische Standardzelle mit zwei Elektroden, die leitfähige Polymere, ein Kohlenstoff-Graphen-Hybrid und einen nicht entflammbaren flüssigen Elektrolyten enthält. Auf der Elektrodenebene bewegen sich positive Ionen (Kationen) und negative Ionen (Anionen) zwischen den Elektroden hin und her, während die Zelle geladen und entladen wird. Während des Aufladens werden die Ionen durch einen Faradayschen Prozess – die sogenannte Oxidation – in der Elektrodenmasse gespeichert. Beim Entladen werden die Ionen durch einen Faradayschen Prozess, der Reduktion genannt wird, aus den Elektroden ausgestoßen,“ erklärt Polyjoule seine Lösung.

In diesem Sinne funktioniert die Polyjoule-Batterie ähnlich wie eine herkömmliche Batterie, obwohl ihre Materialien einige zusätzliche Vorteile verleihen. Erstens wird die Polyjoule-Batterie als „ultra-sicher“ beschrieben und kann sich im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien bei übermäßigem Gebrauch nicht verformen. Sie kann auch bei höheren Temperaturen verwendet werden und erfordern keine besonderen Transport- oder Herstellungsanforderungen. Laut Eli Paster, CEO von Polyjoule, wollte man vor allem eine flexible und praktische Batterie entwickeln: „Wir wollen eine wirklich robuste, kostengünstige Batterie herstellen, die einfach überall eingesetzt werden kann. Man kann sie überallhin mitnehmen und muss sich keine Sorgen um sie machen.

Speicherung von erneuerbarer Energie

Da die Produktion von erneuerbaren Energien schwankt, kommt es nicht nur immer wieder zu Energieflauten, sondern auch zu Energieüberschüssen. Um zu verhindern, dass diese Energie ungenutzt verpufft, muss sie für eine spätere Nutzung gspeichert werden. Die am weitesten verbreitete Methode ist die Speicherung in Pumpkraftwerken. Doch es gibt auch eine Reihe an anderen Möglichkeiten, zum Beispiel, indem Energie in eine andere Form umgewandelt wird. Das kann zum Beispiel das Erhitzen von Steinen, das Heben von Gewichten oder die Erzeugung von Wasserstoff sein. Mehr dazu hier.

Nach eigenen Angaben übertrifft die Polymerbatterie die Lithium-Ionen-Batterie in allen Bereichen. Während ein durchschnittlicher Lithium-Ionen-Akku etwa 5.000 Ladezyklen während seiner Lebensdauer schafft, schafft ein Polyjoule-Akku etwa 12.000. Außerdem kann die Leistung von 1 MW in 10 Sekunden entladen werden, wohingegen eine durchschnittliche Lithium-Ionen-Batterie dafür 60 Sekunden benötigt. Das Team gibt außerdem an, dass eine Polyjoule-Batterie in weniger als 5 Minuten aufgeladen werden kann, während einige Lithium-Ionen-Batterien bis zu zwei Stunden brauchen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt sind die Kosten. Einer der Hauptkritikpunkte an Lithium-Ionen-Batterien ist, dass sie verhältnismäßig teuer sind. sObwohl ihr Preis in den letzten zehn Jahren drastisch gesunken ist, liegen sie immer noch bei durchschnittlich 132 USD pro Kilowattstunde. Expert*innen sind der Meinung, dass dieser Preis auf etwa 20 USD gesenkt werden muss, damit die Batterien für die Speicherung erneuerbarer Energien wirklich geeignet sind. Polyjoule ist noch nicht ganz an diesem Punkt, aber das Team gibt an, dass seine Batterien zu einem Preis von etwa 65 USD pro Kilowattstunde funktionieren.

Das 1,5-Grad-Ziel ist ohne eine echte Transformation unseres Energiesystems unerreichbar. Aber wie kann sie gelingen? Was sind die Energiequellen der Zukunft? Welche digitalen Lösungen stehen bereit und wo sind Innovationen gefragt? Und wie kann die Transformation vorangetrieben werden?

Das RESET-Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ stellt digitale, innovative Lösungen vor und beleuchtet die Hintergründe.

Da sie vollständig aus Polymeren bestehen, enthalten Polyjoule-Batterien außerdem keine Mineralien wie Lithium oder Kobalt, die vor der Verwendung extrahiert und raffiniert werden müssen. Ihre auf Wasser basierende Herstellungschemie kann mit bereits im Handel erhältlichen Anlagen produziert werden und erfordert keine Reinraumbedingungen. Um zu beweisen, wie einfach die Produktion ist, hat das Startup bereits über 10.000 Polyjoule-Batterien im einfachen Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt.

Einen Nachteil haben die Polymere-Batterien allerdings – ihre Energiedichte. Für eine ähnliche Kapazität sind die Polyjoule-Batteriepacks zwei- bis fünfmal größer als Lithium-Ionen-Batterien. Polyjoule geht daher davon aus, dass ihre Batterien nicht ideal für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen sind, bei denen die Größe eine wichtige Rolle spielt. Polyjoule hat seine Batterien vor allem auf statische Anwendungen wie industrielle Energiespeicherung und Rechenzentren ausgelegt und geht davon aus, dass die Batterien vor allem in Situationen nützlich sein werden, in denen schnell viel Energie benötigt wird, zum Beispiel in kritischen Infrastrukturen und beim Management erneuerbarer Energien.

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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Interview: „Die Digitalisierung muss dringend für Gerechtigkeit und Umweltschutz eingesetzt werden- die Bits-und-Bäume-Konferenz ist wichtiger denn je.“

25. Juli 2022 - 9:31
RESET: Friederike, du bist beim BUND die erste wissenschaftliche Mitarbeiterin zu Digitalisierung und Umweltpolitik. Warum wurde diese Stelle geschaffen?

Freiderike: Der BUND arbeitet – wie der Name schon sagt – zu Umweltpolitik und Naturschutz. Das passiert natürlich viel in Naturschutzprojekten – wir suchen und schützen beispielsweise den Gartenschläfer, einen sehr niedlichen Verwandten des Siebenschläfers.

Aber Umweltschutz bedeutet nicht nur Artenschutz, sondern auch den Erhalt einer enkelfreundlichen Zukunft. Viele aktuelle Umweltkrisen resultieren aus unserem wachstumsgetriebenen Wirtschaftsmodell. Die größten Herausforderungen sind hier die Klima- und Ressourcenkrise und das Artensterben. Diese werden von der Art, wie wir produzieren und konsumieren, ausgelöst und vorangetrieben. Wenn wir eine gerechte, lebenswerte Zukunft auf diesem Planeten wollen, müssen wir deswegen auf Industrien und gesellschaftliche Veränderungen schauen. Digitalisierung ist dabei einer der größten gesellschaftlichen Trends der letzten Jahre und eine stark wachsende Industrie. Das im Blick zu haben ist meine Aufgabe.

Friederike Hildebrandt, Ökonomin und Aktivistin, arbeitet seit Anfang 2021 beim Bund für Umwelt und Naturschutz (BUND) als wissenschaftliche Mitarbeiterin zu Digitalisierung und Umweltpolitik.

Wie positioniert sich der BUND im Themenfeld Nachhaltigkeit und Digitalisierung?

Es gibt ja natürlich nicht die Digitalisierung, sondern die neue Einführung und Entwicklung digitaler Technik wirkt auf gesellschaftliche Trends, die vorher auch schon da waren. Wenn wir Umweltkrisen betrachten, dann wurden sie nicht durch die digitale Industrie ausgelöst. Die Klima- und Ressourcenkrisen sind schon länger ein Problem, aber mit dem Stromverbrauch von Rechenzentren oder dem Ressourcenbedarf für digitale Geräte sind neue Problemfelder dazu gekommen. Und leider zeigen auch Untersuchungen, dass digitalisierte Prozesse nicht unbedingt energie- und ressourcensparender sind.

Gleichzeitig bietet die Digitalisierung neue Möglichkeiten der Kommunikation und Aufbereitung von Wissen. Fridays for Future war eine der ersten großen Bewegungen, die durch Messengerdienste und soziale Netzwerke stark werden konnte. Im BUND nutzen wir die ToxFox-App um Umweltdaten für Verbraucher*innen möglichst einfach zugänglich zu machen. Dafür scannen Nutzer*innen den Barcode auf zum Beispiel Kosmetikprodukten und der ToxFox informiert über schädliche Inhaltsstoffe. Das sind Möglichkeiten der Kommunikation, die mit einfacher Pressearbeit und Broschüren vorher nicht möglich gewesen wären.

Was willst du in der nächsten Zeit angehen?

Wir konzentrieren uns gerade auf die digitale Industrie, also die großen Plattformkonzerne, Hersteller von digitale Geräten und Betreiber von Rechenzentren. Alleine Google, Facebook, Apple, Amazon und Netflix haben gemeinsam einen höheren CO2-Fußabdruck als Portugal und Griechenland- das wollen wir stärker in den Blick nehmen.

Und dann steht natürlich die Bits-und-Bäume-Konferenz an, auf der wir ganz unterschiedliche Workshops anbieten. Wir werden den ToxFox vorstellen, mit Politiker*innen und Forscher*innen diskutieren, wie die Digitalisierung der Kommunen aussehen sollte, um Umweltschutz und Nachhaltigkeit zu unterstützen und werden auf einem großen Podium die Bedeutung von Blockchain-Technologie und Cryptowährungen in der sozial-ökologischen Transformation diskutieren.

Genau, der BUND gehört ja auch zum Trägerkreis der Bits-und-Bäume-Konferenz, die Anfang Oktober stattfindet. Warum ist euch diese Zusammenarbeit zwischen „Bits & Bäumen“ so wichtig?

Um politisch effektiv an einer nachhaltigen Digitalisierung zu arbeiten ist es sehr wichtig, die Umweltbewegung und die Tech-Community zu vernetzen. Die Schwerpunkte von Netzaktivist*innen und Umweltaktivist*innen sind auf den ersten Blick unterschiedlich- wir kämpfen gegen die Zerstörung der Umwelt und für Datenschutz und digitale Freiheitsrechte. Aber diese Interessen sind für eine nachhaltige und gerechte Welt untrennbar- auf einem zerstörten Planeten gibt es keine Freiheitsrechte und mit Überwachung und Demokratiezerstörung kann man keinen Planeten retten.

Bits-und-Bäume-Konferenz, 30.09. bis 02.10.22, Berlin

Alle Infos zur Konferenz und zum Ticketverkauf findest du hier.

RESET ist Medienpartner der Bits-und-Bäume-Konferenz. Wir freuen uns, dabei zu sein!

Was heißt es, zum Trägerkreis zu gehören?

Der Trägerkreis der Bits-und-Bäume-Konferenz besteht aus 13 Organisationen aus dem Umwelt-, sozialen und Digitalisierungsbereich. Was alle diese Organisation verbindet, ist die Überzeugung, dass wir eine ökologisch und sozial gerechte Transformation der Gesellschaft brauchen. Wir wollen eine sozial-ökologische Zukunft für alle, in der die Digitalisierung eine positive Rolle einnimmt und Mensch, Lebensgrundlagen und Umwelt unterstützt.

Wir richten die Konferenz offiziell aus und kümmern und beispielsweise um die Rahmenfinanzierung, aber eigentlich tragen die Bewegungen und Communities das Event. Keine unserer Strukturen würde ohne die Ehrenamtlichen und das Konferenzbüro funktionieren.

Wie ist der Rücklauf bisher; habt ihr viele Bewerbungen für den Call for Participation erhalten?

Wir haben fast 400 Einreichungen, aus Bewegungen, von kleinen Startups, Wissenschaft und aus der netzpolitische Bewegungen und aus ganz Europa, aus denen wir gerade die besten aussuchen.

Besonders ist dieses Jahr auch das Format Pitch & Thrive, bei dem nachhaltige Geschäftsmodelle vorgestellt werden können.

2018 fand ja die erste Konferenz statt, die sehr breit aufgestellt war. Diesmal gibt es Schwerpunktthemen. Was hat sich in den letzten vier Jahren in der Bits-und-Bäume-Community verändert – und auch allgemein im Diskurs über Nachhaltigkeit und Digitalisierung?

Bei der letzten Bits & Bäume stand noch stark die Frage im Raum, ob Digitalisierung eine Chance oder ein Risiko für die Nachhaltigkeit ist. Seitdem hat sich gezeigt: Beides stimmt, aber beides muss schnell angegangen werden.

Wie schon gesagt ist die Digitalisierung nicht nur ein theoretisches Risiko, sondern verschlimmert ökologische und soziale Krisen real und jeden Tag. Sei es durch den Kobaltabbau im Kongo, die Menschenrechtsverletzungen entlang der Lieferketten oder die Zerstörung von Natur durch neue Rechenzentren und Chipfabriken.

Gleichzeitig gibt es immer mehr Möglichkeiten, sie positiv zu nutzen: Smarte Heizsysteme helfen Energie sparen, richtig eingesetzt und datenschutzsensibel bieten Smart-City-Ansätze Möglichkeiten für die besser Planung von Verkehr und die Verbesserung der Lebensqualität und das Wissen für eine Nachhaltige Entwicklung ist zugänglicher denn je.

Wenn wir eine enkelfreundliche Zukunft wollen, müssen wir die Risiken eingrenzen und die Möglichkeiten ausweiten. Das muss gleichzeitig und vor allen Dingen schnell passieren. Deswegen haben wir einen besonderen Fokus auf Globale Gerechtigkeit, Ökonomische Strukturen, Demokratie und Klimaschutz. Die Digitalisierung muss dringend für Gerechtigkeit und Umweltschutz eingesetzt werden- deswegen ist die Bits & Bäume für Vernetzung, Wissensaustausch und die Diskussionen wichtiger denn je.

Und so ist das Event auch gedacht: es geht nicht darum, dass sich die Organisationen präsentieren, sondern um den Austausch, die Inspiration zwischen Aktivist*innen und Wissenschaftler*innen, die Vernetzung der Bewegungen und das voneinander lernen.

Das ist die Grundlage dafür, dass wir eine nachhaltige Digitalisierung schaffen können und digitale Technik den Klima- und Umweltschutz unterstützt.

Vielen Dank für das Interview, Friederike.

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Interview: Klimaneutralität in der Industrie 4.0 – wie kommen wir dahin?

20. Juli 2022 - 8:42
RESET: Die Energiewirtschaft und die Industrie verursachen den größten Anteil an den globalen CO2-Emissionen, richtig?

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.

Grischa Beier forscht seit acht Jahren am Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung IASS in Potsdam zu den Auswirkungen der Digitalisierung auf die Industrie.

Hier leitet er unter anderem die Forschungsgruppe „Digitalisierung und Transformation zur Nachhaltigkeit“, die sich mit den Auswirkungen der Digitalisierung auf die industrielle Nachhaltigkeit, globale Wertschöpfungsketten und internationale Kooperationen beschäftigt.

Woher kommen die hohen CO2 Emissionen?

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.

© Statistisches Bundesamt Aber wird das auch tatsächlich in größerem Maßstab umgesetzt?

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.

Wenn wir die Klimaziele erreichen wollen, müssen die Emissionen in der Industrie massiv reduziert werden. Welche Rolle spielt die Digitalisierung dabei?

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.

Es gibt aber bestimmt auch vielversprechende digitale Lösungen in der Industrie 4.0, oder?

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.

Predictive Maintenance

Predictive Maintenance, also die vorausschauende Instandhaltung, bedeutet, dass auf Basis von Prozess- und Maschinendaten Informationen über den Zustand der Maschinen gewonnen werden und so Abweichungen, Verschleiß, Unregelmäßigkeiten schon erkennbar sind, bevor größere Reparaturen anfallen. Hierzu werden Sensordaten in Echtzeit analysiert und oft mithilfe Künstlicher Intelligenz verarbeitet und Prognosen erstellt.

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.

Welche digitalen Tools kommen in der Circular Economy zum Einsatz?

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.

Rückführungslogistik (Reverse Logistics)

Das Konzept der Rückführungslogistik macht aus linear organisierten Lieferketten Mehrwegsysteme oder noch besser geschlossene Produktkreisläufe. Dazu werden Güter nach ihrem „ersten Leben“ in Kundenhand wieder zurück Richtung Quelle geleitet, um wiederverwertet zu werden. Damit steigt auch die Ressourceneffizienz. Wenn sich der Produktkreislauf schließt, nennt man das Closed-Loop Supply Chains. Digitale Prozesse können die Entwicklung befördern, zum Beispiel indem Künstliche Intelligenz bei der effizienten Demontage unterstützt.

Wie stellen digitale Technologien diese Transparenz her?

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.

Darüber kann ich ja dann auch die gesamte Lieferkette sichtbar machen, oder?

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.

Lieferkettengesetz

Das deutsche Lieferkettengesetz, das im Januar 2023 in Kraft tritt, legt in Deutschland ansässigen Unternehmen menschenrechtliche Sorgfaltspflichten auf, die sie innerhalb ihrer Lieferketten beachten müssen. Demnach müssen sie für die Einhaltung der Menschenrechte entlang der gesamten Lieferkette sorgen.

Auch der Umweltschutz ist in dem Gesetz inbegriffen, wenn Umweltrisiken zu Menschenrechtsverletzungen führen. Umfassende Informationen finden sich hier.

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.

In vielen Studien habe ich als Fazit herausgelesen, dass mit der Digitalisierung zwar CO2 eigespart werden kann, dass dieser Effekt aber meistens wieder aufgehoben wird durch zum Beispiel Rebound-Effekte. Also dadurch, dass Unternehmen das, was eingespart wird, sofort wieder in das eigene Wachstum reinvestieren. Aber auch dadurch, dass die digitalen Technologien selbst einen hohen Energieverbrauch haben.

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 1,5-Grad-Ziel ist ohne eine echte Transformation unseres Energiesystems unerreichbar. Aber wie kann sie gelingen? Was sind die Energiequellen der Zukunft? Welche digitalen Lösungen stehen bereit und wo sind Innovationen gefragt? Und wie kann die Transformation vorangetrieben werden?

Das RESET-Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ stellt digitale, innovative Lösungen vor und beleuchtet die Hintergründe.

Aber wie ist eigentlich der Ist-Zustand; gibt es tatsächlich schon relevante Einsparungen durch Digitalisierung in der Industrie?

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.

Woran liegt das?

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.

Diese Rahmenbedingungen zu schaffen ist also vor allem eine politische Aufgabe?

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.

Das heißt aber, dass wir im Moment noch keinen entsprechenden Rahmen haben, der uns auf den Pfad in Richtung Klimaneutralität der Industrie bringt.

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.

Digitaler Produktpass

Mit dem digitalen Produktpass ist ein Datensatz gemeint, in dem sämtliche Informationen über die Komponenten und Materialien, die Reparierbarkeit oder fachgerechte Entsorgung eines Produkts zusammenfasst werden.

Indem alle umweltrelevanten Daten in einem standardisierten Format vorliegen, soll es allen Akteuren entlang der Wertschöpfungs- und Lieferkette ermöglicht werden, gemeinsam auf eine Kreislaufwirtschaft hinzuarbeiten. Gleichzeitig soll der der digitale Produktpass auch verlässliche Konsumenteninformation bieten. Weiterführende Infos: Digitale Produktpässe sind der Schlüssel für klimafreundliche Entscheidungen

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.

© Robin Sommer/ Unsplash-Lizenz Wir haben noch sieben Jahre, um das Ruder herumzureißen und wirklich massiv Emissionen einzusparen. Ist das nicht trotzdem alles nur ein Tropfen auf den heißen Stein?

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.

Kann die Industrie also wirklich jemals klimaneutral 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.

Grischa, vielen Dank für das Interview!

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

Mehr Informationen hier.

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Neue KI- und Bilderkennungssoftware kann erkennen, wie sich Tiere fühlen

18. Juli 2022 - 8:36

Dort, wo Bilderkennungssoftware und maschinelles Lernen zusammentreffen, ist das Potenzial groß, Forschungen aller Art voranzubringen, insbesondere auch im Umwelt- und Artenschutz. Die Technologie wird bereits in verschiedenen Projekten eingesetzt, um Tiere in freier Wildbahn zu erkennen und zu identifizieren, aber ein neues Verfahren scheint das Konzept noch weiter zu bringen: Forscherinnen und Forscher der ETH Zürich haben einen neuen Bildanalyse-Algorithmus entwickelt, der nicht nur einzelne Tiere identifiziert, sondern auch Einschätzungen über ihr Befinden und sogar ihre Gedanken machen kann.

Die Forschenden trainierten den maschinellen Lernalgorithmus an Mäusen und Makaken im Zoo. Durch die Analyse der Bewegungen und Handlungen der Tiere kann der Algorithmus darauf schließen, ob ein bestimmtes Tier krank ist oder Angst, Neugier oder Freude empfindet. Außerdem könnte er wohl auch in der Lage sein, einige der komplexen Geheimnisse der Tierwelt zu entschlüsseln, wie zum Beispiel die Hierarchien in Primatengruppen und die Rolle der Fellpflege. Markus Marks, Professor für Neurotechnologie an der ETH Zürich, geht davon aus, dass die Technologie besonders für unsere nächsten Primatenverwandten geeignet: „Es gibt ein großes Interesse, vor allem unter Primatenforschern. Eine Gruppe, die wilde Schimpansen in Uganda erforscht, nutzt unsere Technologie… Im Vergleich zu bisherigen Algorithmen zur Verhaltensanalyse, die auf maschinellem Lernen basieren, hat unsere Methode große Vorteile, vor allem, wenn es um die Analyse von Sozialverhalten in komplexen Umgebungen geht.“

Dies ist nicht das einzige Projekt, das versucht, das Potenzial von Gesichts- und Bilderkennungssoftware im Artenschutz auslotet. finFindR nutzt beispielsweise maschinelles Lernen, um einzelne Delfine anhand ihrer Rückenflossen zu identifizieren, während FishFace die Gesichtserkennungstechnologie einsetzt, um kommerzielle Fischereidaten besser zu erfassen.

An Land wurde die Gesichtserkennungssoftware von Google auf Nashörner – und ihre Wilderer – angewandt, wobei das Konzept nicht auf visuelle Bilder beschränkt ist. Und Rainforest Connection nutzt Mikrofone und künstliche Intelligenz, um den Dschungel zu belauschen, gefährdete Papageien aufzuspüren und illegalen Holzeinschlag zu erkennen.

Theoretisch könnte der gleiche Ansatz jedoch auch auf jede andere Tierart angewendet werden. Zu diesem Zweck hat das Team seine Technologie auf einer öffentlichen Plattform zur Verfügung gestellt, so dass sie weltweit genutzt werden kann. Damit werden nicht nur neue Werkzeuge bereitgestellt, sondern es wird auch sichergestellt, dass Forschende in Projekten auf verschiedenen Kontinenten denselben Standard verwenden können. Das macht ihre Arbeit leichter vergleichbar und fördert auch die Zusammenarbeit und das Peer-Reviewing.

Doch diese Anwendungen der Künstlichen Intelligenz liefern nicht nur neue Erkenntnisse, sondern die Forschenden sparen damit auch Zeit und Aufwand. Noch vor wenigen Jahren mussten Forscherinnen und Forscher stundenlang Filmmaterial sichten, um das Verhalten von Tieren besser zu verstehen. Das Team der ETHZ verweist beispielsweise auf eine kürzlich durchgeführte Studie, bei der die Forschenden Unmengen an Filmmaterial von schlafenden Elefanten manuell ansehen mussten, um ein tieferes Verständnis für diesen Vorgang zu entwickeln. Eine solche Aufgabe dürfte selbst die Ausdauer des enthusiastischsten Elefantenliebhabers auf die Probe stellen und wahrscheinlich zu verpassten Beobachtungen führen. Der Algorithmus des maschinellen Lernens hingegen kann innerhalb kürzester Zeit riesige Mengen an Informationen analysieren.

Das spart nicht nur Zeit, Arbeit und letztlich auch Geld, sondern der Computer kann seine Leistung durchgehend beibehalten. Das bedeutet, dass der Algorithmus unter Umständen besser darin ist, subtile Verhaltensänderungen zu erkennen, die sich langsam bzw. über einen längeren Zeitraum hinweg entwickeln.

Derzeit untersucht das Team, wie die Technologie in der Tierhaltung und im Naturschutz eingesetzt werden könnte. So könnte der Algorithmus beispielsweise zur Überwachung von Tieren rund um die Uhr eingesetzt werden, um außergewöhnliches Verhalten automatisch zu beobachten und zum Beispiel Krankheiten früher zu erkennen. Der Algorithmus könnte auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, um Versuchstiere auf nicht-invasive Weise zu überwachen und so den Stress und die Anzahl der benötigten Tiere zu verringern.

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Nachhaltige Software: Wie Freie Lizenzen helfen, unsere Ressourcen zu erhalten

14. Juli 2022 - 8:10

Ob in der Wissenschaft, der Industrie, der öffentlichen Verwaltung oder in Kunst und Kultur – kaum ein Prozess kommt heutzutage noch ohne die Zuhilfenahme von Software aus. Die Digitalisierung hat damit nahezu alle Lebensbereiche durchdrungen, und mit ihr ist Software zu einer systemrelevanten Ressource geworden.

Eine nachhaltige Verwendung und Verfügbarkeit dieser „Ressource Software“ drängt sich allein deswegen auf, um eine Versorgungssicherheit für die laufenden und zukünftigen gesellschaftlichen Prozesse zu gewährleisten. Kritische Infrastrukturen wie das Gesundheitssystem oder der weltweite Warentransport sind direkt von der Verfügbarkeit und Sicherheit der eingesetzten Software abhängig.

openstreetmap.org Das Internet ist die „größte Maschine, die je gebaut wurde.

Immer deutlicher zeigt sich allerdings auch ein steigender ökologischer Fußabdruck der fortschreitenden Digitalisierung. Der Think-Tank „Shift-Project“ hat 2019 bereits Schlagzeilen gemacht mit der Feststellung, dass das Internet in seiner Gesamtheit voraussichtlich ähnlich viel CO2 produziert wie der gesamte Flugverkehr. Eine These, die seitdem von mehreren Studien wiederholt wurde. Dazu kommen zahlreiche Prognosen, dass uns eine Verdoppelung dieser Emissionen bereits innerhalb weniger Jahre bevorsteht. Umso dringender erscheint es deshalb, heute schon die ökologische Nachhaltigkeit der Software mitzudenken.

Doch was macht eine Software nachhaltig? Wie kann Software einerseits nachhaltig verfügbar sein und andererseits ökologisch nachhaltig wirken?

Software als Ressource verstehen

Fangen wir mit der Verfügbarkeit von Software an: Im Gegensatz zu natürlichen Ressourcen ist Software immateriell. Die Ressourcenmenge von Software ist damit prinzipiell unerschöpflich und schwindet zudem nicht durch ihre Verwendung. Ich kann also ein Software-Programm beliebig oft starten und laufen lassen und es wird doch niemals verbraucht sein. Genauso wie zum Beispiel auch eine mathematische Formel, die von Generation zu Generation von immer neuen Kohorten von Schülerinnen und Schülern durchgerechnet wird, aber doch immer Bestand hat.

Die Grundmenge solch immaterieller Ressourcen ist nicht nur unerschöpflich, sie kann prinzipiell auch unbegrenzt skaliert werden. Eine digitale Ressource kann jedem Menschen dieses Planeten – und darüber hinaus – zur Verfügung gestellt werden, ohne dass deswegen ein anderer Mensch auf etwas verzichten müsste. Und betrachten wir eine Software oder ein einzelnes Computerprogramm als eine Ressourcen-Einheit der Menge eins, dann gilt quasi umgekehrt zur Verwendung natürlicher Ressourcen, dass mit jeder Kopie oder weiteren Installation dieses Computerprogramms die Grundmenge steigt statt abzunehmen.

Dennoch kann die eigentlich unbegrenzte Menge künstlich verknappt werden. Das geschieht bei sogenannter „proprietärer Software“ durch ein Verschließen des Quellcodes sowie durch gesetzliche Verknappung und technische Sperrmaßnahmen. Das Copyright und der Patentschutz beispielsweise sind die häufigsten Maßnahmen, um eine freie Verteilung und Verwendbarkeit der Ressource Software zu unterbinden.

Proprietäre Software, Freie Software und Open Source

Freie Software und Open Source Software sind zwei verschiedene Begriffe für dasselbe: Software die unter einer Lizenz veröffentlicht ist, welche allen Menschen die vier Freiheiten gibt, die Software für jeden Zwecke zu verwenden, zu verstehen, zu verbreiten und zu verbessern. Das heißt, der Quellcode der Software ist öffentlich zugänglich und die Software darf zudem beliebig oft kopiert und verändert sowie wiederveröffentlicht werden. Die unterschiedlichen Begriffe sind historischer Natur und der Versuch, verschiedene Aspekte der gleichen Sache zu betonen. Der Autor dieses Artikels bevorzugt den Begriff Freie Software.

Proprietäre Software hingegen ist „privatisierte“ Software, deren Quellcode in den meisten Fällen verschlossen bleibt sowie jegliche Veränderung oder Vervielfältigung selbigen durch Copyright, Patentschutz und andere geistige Limitierungsrechte verhindert wird. Hinzu kommen meist technische Sperrmaßnahmen, um eine Umgehung des Copyrights zu verhindern.

Dieser Gefahr der künstlichen Verknappung entgegen wirkt Freie Software, auch Open-Source-Software genannt. Freie Software ist alle Software, die unter einer Freie-Software-Lizenz veröffentlicht wurde. Freie Software steht damit per Lizenz der gesamten Menschheit als Allmende bzw. Gemeingut frei zur Verfügung. Durch die öffentliche Dokumentation sowie das explizite Recht, die Software zu kopieren und anzupassen, bildet Freie Software das Fundament, um digitale Informationen und Software als eine nachhaltige Ressource für zukünftige Generationen zu erhalten. So lange es Computer gibt, werden diese in der Lage sein, Freie Software zu verstehen und zu verwenden – und die rechtliche Erlaubnis gibt es obendrein.

© izoca/ Pixabay-Lizenz Freie Lizenzen helfen, digitale Informationen für zukünftige Generationen zu erhalten. Verfügbarkeit als Kriterium der Nachhaltigkeit

Aus der Verfügbarkeit von Software ergibt sich die erste, eine „innere“ Dimension der Nachhaltigkeit von Software. Denn „dauerhafte Entwicklung ist Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, daß künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen können.“ (Brundtland-Bericht „Unsere gemeinsame Zukunft“, 1987, Vereinte Nationen) Diese viel zitierte Definition von Nachhaltigkeit wird oft auch als „Generationengerechtigkeit“ bezeichnet.

Zur Einhaltung dieser Generationengerechtigkeit gilt im Hinblick auf natürliche Ressourcen, dass heutige Generationen auf eine Art und Weise wirtschaften sollen, dass auch für zukünftige Generationen genug von der Ressource übrig bleibt. Bei der unbegrenzten Menge immaterieller Ressourcen hingegen gilt es lediglich, die letzte verfügbare und kopierbare Form des originalen Quellcodes zu erhalten. Denn von der letzten verfügbaren Kopie kann die Grundmenge prinzipiell wieder unbegrenzt skaliert werden.

Genau das kann proprietäre Software aber unter Umständen nicht leisten, da sie die eigentlich unbegrenzte Ressource verknappt und zudem eine hohe Gefahr des Wissensverlustes birgt. Zum Beispiel kann die Firma hinter einer proprietären Software bankrott gehen. Und weil sonst niemand Zugriff auf den Quellcode hat, ist die Gefahr groß, dass damit auch die von dieser Firma entwickelte Ressource Software für immer verloren geht. Damit wäre die Software zukünftigen Generationen vorenthalten. Besonders dramatisch kann das sein, wenn keine Updates mehr für medizinische Implantante zur Verfügung gestellt werden – was immer wieder passiert.

Freie Software hingegen ermöglicht den Zugriff auf die Ressource für alle Menschen und über die Zeit hinweg. Zudem entsteht Software in gegenseitigen Abhängigkeiten. Jede Freie-Software-Anwendung steht also nicht nur für sich allein, sondern ist Teil eines größeren Ökosystems. Jede Verwendung und Entscheidung für eine Freie Software ist also nicht nur die Entscheidung für ein einzelnes nachhaltiges Softwareprodukt, sondern für den Erhalt eines ganzen Ökosystems.

Aus den Dynamiken, die den Freien Lizenzen zu Grunde liegen, ergeben sich neben der inneren Dimension zudem zahlreiche „externe“ Dimensionen im Sinne der Nachhaltigkeit, darunter sowohl ökologische, soziale als auch ökonomische Nachhaltigkeit.

Ökologische Nachhaltigkeit

Auch wenn es uns nicht immer bewusst ist, verbraucht der Einsatz von Software jede Menge natürlicher Ressourcen. Denn Software braucht Strom und je nach verwendetem Strommix hat dieser Stromverbrauch auch einen deutlichen ökologischen Fußabdruck.

Inzwischen gibt es erste Untersuchungen, die den genauen Anteil des Stromverbrauches einzelner Software-Anwendungen und damit schließlich auch die Effizienz von Software untersucht haben. Vorreiter in Deutschland ist der Umwelt-Campus Birkenfeld in Zusammenarbeit mit dem Öko-Institut und dem Umweltbundesamt. Die Ergebnisse und konkrete Zahlen stehen allerdings noch aus.

Gemeinsam mit anderen zivilgesellschaftlichen Akteuren wurde 2020 zudem ein erster Blauer Engel für Ressourcen- und energieeffiziente Softwareprodukte (DE-UZ 215) entwickelt. Mit der Auszeichnung von Okular ging der erste Blaue Engel auch gleich an eine Freie Software Anwendung. Da Okular aber bisher noch die einzige Software mit dieser Auszeichnung ist, fehlt es an größeren Fallzahlen und Vergleichen, um daraus abzuleiten, wie Freie Software und Ressourceneffizienz zusammenhängen.

Etwas intuitiver wiederum lässt sich der Energieverbrauch erschließen, der zur Produktion der Software benötigt wurde beziehungsweise die Energieersparnis bei Wiederverwendung der Software. Komplexe Software wird oft von hunderten oder gar tausenden Menschen über Jahre hinweg kooperativ entwickelt. Diese Entwicklerinnen und Entwickler verbrauchen dabei jede Menge Strom, sie sitzen am Computer, machen das Licht und die Klimaanlage an, fahren vielleicht mit dem Auto ins Büro und so fort – bis die Software endlich entwickelt ist. Dabei ist Software eigentlich nie „fertig“ entwickelt. Vielmehr wird meistens ab einem gewissen Entwicklungsstadium schlicht entschieden, dass sie nun „marktreif“ ist. Nach der Veröffentlichung muss sie also kontinuierlich weiterentwickelt werden und wird meist regelmäßig mit Updates versorgt. Es sei denn, die Hersteller-Firma beschließt, ihr Produkt einzustellen. Dann ist mit einem Schlag all die investierte Energie verloren. Zumindest bei proprietärer Software. Denn bei Freier Software steht der Code nach wie vor zur Verfügung und kann von Drittparteien weiterentwickelt werden. Und durch die Wiederverwendung der Software kann damit jede Menge Rechenleistung und Hirnschmalz gespart werden.

Und dann ist da noch das Zusammenspiel von Hardware und Software – ohne Hardware keine Software und umgekehrt. Die Produktion der Hardware und deren weltweiter Transport benötigt jedoch jede Menge Energie. Apple gibt in seinem Environmental Responsibility Report 2019 an, dass nur 19 Prozent des ökologischen Fußabdrucks eines iPhones während dessen gesamten Nutzungszeit entstehen und der Rest bei dessen Produktion und dem zugehörigen, weltweiten Warentransport. Auf der anderen Seite des Lebenszyklus sticht der Elektroschrott ins Auge. Der Globale E-Waste Monitor 2020 berechnet 53 Millionen Tonnen Elektroschrott allein für das Jahr 2019.

Jedes Mal, wenn Hardware länger benutzt wird, statt diese wegzuschmeißen und neue zu produzieren, ist dies ein Gewinn für die Umwelt. Doch immer häufiger ist Software-Obsoleszenz dafür verantwortlich, dass Hardware nach nur kurzer Nutzungszeit nicht länger benutzt wird oder benutzt werden kann. Das ist dann der Fall, wenn der Hersteller eines Elektronikartikels seine einmal verkaufte Hardware nicht länger mit kritischen Updates versorgt. Selbst bei beliebten Flaggschiffmodellen namhafter Smartphone-Hersteller kann das unter Umständen schnell eintreten, manchmal bereits nach zwei oder drei Jahren.

Die Initiative „Upcycling Android“ zeigt auf, wie dann mit Hilfe der Installation Freier Software Betriebssysteme die Nutzungszeit deutlich verlängert werden kann. Die dabei aufgezeigte Logik lässt sich grundsätzlich auch auf viele andere Elektronikartikel anwenden. „HEY, ALTER!“ sammelt zum Beispiel alte Rechner, bespielt sie mit einem Linux-Betriebssystem und gibt diese weiter an Schülerinnen und Schülern, die noch keinen eigenen Rechner haben.

Soziale Nachhaltigkeit

Wie bereits ausgeführt ermöglicht Freie Software einen langfristigen Wissenserhalt auch für zukünftige Generationen. Auch bietet Freie Software für aktuelle Generationen eine soziale Nachhaltigkeit, denn Freie Software ermöglicht die Teilhabe aller Menschen weltweit. Niemand kann von der Verwendung der Software ausgeschlossen werden. Zudem ist sie meist kostenlos verfügbar. Das ist besonders interessant für Menschen, für die Lizenzgebühren proprietärer Software sonst eine große Zugangshürde darstellen.

Freie Software ermöglicht zudem auch lokale Anpassungen durch Betroffene selbst. Viele Software-Hersteller verzichten auf Übersetzungen ihrer Produkte in die Sprachen weniger lukrativer Märkte, zum Beispiel im globalen Süden. Damit werden Menschen vor Ort, die nicht über die Kenntnisse einer passenden Fremdsprache verfügen, von der Verwendung der Software ausgeschlossen. Freie Software hingegen kann technisch und juristisch einwandfrei von freiwilligen, nicht-profitorientierten Zusammenschlüssen in jede beliebige Sprache dieser Welt übersetzt werden. Während zum Beispiel das weitverbreitete proprietäre Betriebssystem Microsoft Windows in 110 Sprachen erhältlich ist, schafft es das frei lizensierte Mediawiki, die Software hinter Wikipedia, auf 459 Sprachen.

Insgesamt ist die positive entwicklungspolitische Wirkung des Einsatzes und der Entwicklung Freier Software in der Entwicklungszusammenarbeit vielfältig und reicht von der nachhaltigen Übergabe zu der Stärkung lokaler Wirtschaft und Flexibilität. Dadurch kann bestenfalls eine weitere Abhängigkeit zum globalen Norden reduziert werden. Schließlich ermöglicht Freie Software eine globale Kooperation und Vervielfältigung, der gerade in der internationalen Entwicklungszusammenarbeit eine immer größerer Bedeutung beigemessen wird. 2014 wurden schließlich die „Prinzipien für digitale Entwicklungszusammenarbeit“ von der der United Nations Foundation zugehörigen Digital Impact Alliance entwickelt. Eines der darin enthaltenen neun Prinzipien fordert konsequenterweise die Veröffentlichung von Software, Daten und Standards unter Freier Lizenz.

Ökonomische Nachhaltigkeit

Verstehen wir die ökonomische Nachhaltigkeit als ein Konzept der Gewinnerwirtschaftung, ohne dabei die dafür benötigen Ressourcen langfristig zu schädigen, rückt das direkt die Wiederverwendungsmöglichkeiten Freier Software in den Vordergrund, dienen diese doch wie ausgeführt dem langfristigen Erhalt der Ressource Software.

Freie Lizenzen bieten außerdem einen Ausstieg aus der linearen Produktionsweise von Software, in der gewisse Versionsstände als ein fertiges Produkt verkauft werden und diese nach einiger Zeit ablaufen. Freie Software Lizenzen öffnen vielmehr den Weg hin zu einer Kreislaufwirtschaft, in der Software wiederverwendet werden kann und über die Zeit zusehends optimiert wird. Davon profitieren viele wirtschaftliche Akteur*innen; diejenigen, die Software entwickeln genauso wie diejenigen, die den produktiven Einsatz von Software als Dienstleistung anbieten.

Freie Software fördert direkt den Wettbewerb und verhindert Monopolbildung durch die öffentliche Verfügbarkeit des Codes und der Software. Gewinne verteilen sich so oft auf mehrere Akteur*innen, die zugleich ein gemeinsames Interesse an dem Erhalt der Ressource haben. Zum Beispiel der Linux-Kernel: Der Linux-Kernel ist eine Schnittstelle, welche die Anweisungen der Software in maschinenlesbare Anweisungen an die Hardware übersetzt. Heute ist der Linux-Kernel wohl der meistverwendete Kernel weltweit. Wir finden dessen Anwendung in nahezu allen Formen digitaler Geräte, vom Router zum Kühlschrank über das Smartphone und den Laptop hin zu Supercomputern. Ermöglicht wird dies durch tausende Programmiererinnen und Programmierer weltweit, die gemeinsam immer weiter den Linux-Kernels entwickeln und verbessern. Die Entwicklungsstatistiken führen regelmäßig globale IT-Firmen wie Intel, Red Hat, Google, Huawei, Facebook als die Firmen auf, die am meisten zur Entwicklung beitragen. Firmen, die auf dem freien Markt in Konkurrenz zueinander stehen, erschaffen hier eine gemeinsame Ressource, die wiederum alle – inklusive der Konkurrenz – ausschöpfen können, um daraus Kapital zu generieren. Das ist kein Widerspruch, sondern kalkuliertes Geschäft. Durch die gemeinsame Ressource vermeiden sie die Gefahr, dass Eigenentwicklungen scheitern oder obsolet werden, sie profitieren zudem von den Entwicklungen anderer und müssen nicht jeden Gedanken aufs neue Erfinden oder imitieren.

Es ist zudem bei Freier Software oft ein Anspruch, den Nutzen der Software für die Nutzenden in den Vordergrund zu stellen. Das ist allerdings oft weniger ein Gesetz oder eine soziale Vereinbarung, als vielmehr eine praktische Folge der Veränderungs- und Abspaltungsmöglichkeiten Freier Software: Weil jede und jeder den Programmcode umschreiben kann, setzt sich oft der größte gemeinsame Nenner durch. Die Geschichte Freier Software ist voll von Abspaltungsprozessen auf Grund von verschiedenen Vorstellungen über die weitere Entwicklung einer Software. Bisher setzt sich dabei meistens das Interesse der Nutzenden durch. Manchmal koexistieren auch verschiedene Versionen nebeneinander.

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EU-Taxonomie: In Europa gelten Gas und Kernenergie jetzt als grün – was nun?

12. Juli 2022 - 8:17

Ein hochrangiger Abgeordneter in Brüssel sprach von einem „dunklen Tag für das Klima“, während ein anderer in der Ukraine beklagte, dass „Putin sich heute die Hände reibt“. In jedem Fall untergräbt die Entscheidung, Erdgas- und Kernenergieprojekte als nachhaltige Energieträger einzustufen, die Integrität von Europas sogenannter „Taxonomie für nachhaltige Aktivitäten“. Die im Juli 2020 in Kraft getretene Taxonomie sollte Greenwashing verhindern, indem sie definiert, welche wirtschaftlichen Aktivitäten nachweislich nachhaltig sind. Durch die Einbeziehung eines geopolitisch problematischen fossilen Energieträgers und einer Quelle nicht lagerfähiger toxischer Abfälle wird die Taxonomie selbst als „größter Greenwash aller Zeiten“ kritisiert.

Befürworter*innen der Entscheidung sagen, dass Gas und Kernenergie eine notwendige Brücke zu einem vollständig erneuerbaren Energienetz darstellen. Kritiker*innen befürchten hingegen, dass durch die Entscheidung Milliarden von Euro aus Investitionen in sauberere und weniger gefährliche Technologien abgezogen werden.

Russlands Krieg in der Ukraine macht die Einbeziehung von Erdgas besonders rätselhaft. Die Maßnahme wurde von Frankreich, das sich zu 70 Prozent aus Kernenergie versorgt, und Deutschland, das von der Kernenergie unabhängig, aber an russisches Gas gebunden ist, nachdrücklich unterstützt.

Natürlich ist nicht alles schlecht und düster. Einige Klimaexpert*innen, die zwar bestürzt, aber nicht völlig verzweifelt sind, sagen, dass Europa seine Klimaziele auch unter der neuen, weniger strengen Taxonomie erreichen kann. Der erste Schritt bestehe darin, sie zu ignorieren. Diejenigen, die es mit grünen Investitionen ernst meinen, müssten eine strengere Prüfung durchführen, als sich nur auf das zu verlassen, was ein „Nutri-Score für Nachhaltigkeit“ sagt. Zweitens wäre es für jedes Land schwierig, eine Verdoppelung der Erdgasförderung zu rechtfertigen, wenn einer seiner größten Exporteure, Russland, praktisch nicht mehr zur Verfügung steht (um Gas von woanders her zu beziehen, wäre eine teure neue Infrastruktur erforderlich, die erst nach langer Zeit fertiggestellt sein wird). Das Gleiche gilt für die Kernenergie; neue Reaktoren kosten viel mehr und der Bau dauert viel länger als die Errichtung von Solarparks, Windparks und Wasserkraftwerken. Und letztendlich erklärt die Taxonomie Gas und Kernenergie nicht de facto für nachhaltig. Projekte in diesen Bereichen müssen immer noch ein bestimmtes Maß an Umweltfreundlichkeit erfüllen, um für eine Förderung in Frage zu kommen.

Sehr konkret haben sich Klimaexpert*innen gegenüber dem Science Media Center (SMC) zur neuen EU-Taxonomie geäußert.

Über die anhaltende Abhängigkeit Europas von russischem Gas:

„Die Entscheidung des EU-Parlaments ist eine vergebene Chance, im Rahmen der EU-Klima- und Nachhaltigkeitspolitik auf die Veränderungen der energiepolitischen Rahmenbedingungen durch den brutalen Überfall Russlands auf die Ukraine zu reagieren. Investitionen in Erdgas in den von der Taxonomie erfassten Bereichen – vor allem der Ersatz von Kohle und Öl in Kraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen – sind derzeit keine geostrategisch haltbare Option. Die Herausforderungen sind vielmehr im Moment und vermutlich für die nächsten Jahre folgende: Erstens, wie kann Europa so schnell wie möglich von Erdgas unabhängig werden – etwa durch Energiesparen oder Substitution von Erdgas durch erneuerbare Energien? Zweitens, wie kann Europa für die Deckung des restlichen und hoffentlich rasch kleiner werdenden Gasbedarfes so rasch wie möglich von Russland und seinen Verbündeten unabhängig werden?“

Prof. Dr. Helmut Haberl, Professor am Institut für Soziale Ökologie, Department für Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, Universität für Bodenkultur Wien (BOKU), Wien, Österreich

Über die Aufnahme von Gas in die Taxonomie:

„Der Einsatz von Erdgas als Brückentechnologie beim Übergang zur erneuerbaren Energie war schon vor dem Beginn des Ukrainekriegs problematisch. Investitionen in Gaskraftwerke hätten bestehende Abhängigkeiten verstärkt und verlängert. In der derzeitigen Lage sind solche Investitionen nicht nur klimapolitisch fragwürdig, sondern geostrategisch kontraproduktiv und angesichts der derzeitigen Preise und Versorgungsunsicherheiten sehr unwahrscheinlich. Die Aufnahme von Erdgas in die Taxonomie ist daher für eine adäquate Antwort Europas auf die gegenwärtige Lage – Ukraine- und Klimakrise gleichzeitig – strategisch bestenfalls nicht hilfreich, wenn nicht gar kontraproduktiv.“

Prof. Dr. Helmut Haberl

„Die Einbeziehung von Gas-Kraftwerken in der im delegierten Rechtsakt enthaltenen Form in die EU-Taxonomie stellt nicht sicher, dass Gaskraftwerke langfristig klimaneutral betrieben werden. Vielmehr können sie auch nach 2035 noch mit Energieträgern betrieben werden, die nur 70 Prozent Emissionseinsparung gegenüber fossilen Energieträgern darstellen. Dies gilt, wenn die Kraftwerke vor 2030 genehmigt wurden. Damit schafft die Taxonomie einen Anreiz, jetzt noch zügig Gaskraftwerke zu planen, damit sie vor 2030 genehmigt werden, ohne dabei sicherzustellen, dass diese Kraftwerke langfristig klimaneutral betrieben werden.“

Jan Peter Schemmel, Sprecher der Geschäftsführung, Öko-Institut e.V., Berlin

„Geradezu widersinnig ist das Argument der Kommission und der Befürworter, Auslauf- und Übergangstechnologien seien deshalb als ‚grün‘ zu behandeln, weil sie ‚notwendig‘ seien, um in ein Nachhaltigkeitszeitalter überzuwechseln. Zunächst einmal sieht der eigentliche Katalog aus vier Nachhaltigkeits-Kriterien (Art. 3 EU 2020/852) ein solches Argument des ‚notwendigen Übels‘ zu Recht gar nicht vor: Das vielleicht übergangsweise noch Unvermeidliche wird deswegen noch lange nicht zum Nachhaltigen. Und ‚notwendig‘ werden die problematischen Technologien vor allem deshalb, weil in den vergangenen Dekaden massiv versäumt wurde, die solare Wasserstoffwirtschaft der Zukunft frühzeitig voranzutreiben. Die deshalb nun angeblich noch ‚notwendigen‘ Auslauftechnologien mit erneuerbaren Energien gleichzustellen, verzögert abermals den tatsächlich dringend erforderlichen Umstieg. Die Fehler der Vergangenheit werden so durch die Taxonomie weitergeführt.“

Prof. Dr. Erik Gawel, Leiter des Departments Ökonomie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Leipzig, und Direktor des Instituts für Infrastruktur- und Ressourcenmanagement der Universität Leipzig

Über die Einbeziehung der Kernenergie in die Taxonomie:

„Die Aufnahme der Kernenergie in die Taxonomie kann in der gegenwärtigen Lage ebenfalls keinen sinnvollen Beitrag leisten, weil der Bau neuer Kernkraftwerke sehr teuer ist und lange dauert. Investitionen in Photovoltaik, Windenergie und andere erneuerbare Energieträger können viel rascher realisiert werden und bei gleichem Investitionsvolumen viel höhere energiepolitische Beiträge leisten. Abgesehen von diesen ökonomischen Überlegungen erscheint die Aufnahme der Kernenergie in eine Liste nachhaltiger Technologien aus Gründen des Risikos von Nuklearunfällen sowie der ungelösten Endlagerproblematik als nicht sachgerecht.“

Prof. Dr. Helmut Haberl

„Atomkraft kann aufgrund der Gefahr schwerer Unfälle, der Gefahr der Weiterverbreitung von Kernwaffen und der Gefahren beim Umgang mit anfallenden hochradioaktiven Abfällen nicht als nachhaltig angesehen werden. Auch bringen Atomkraftwerke in einem auf Klimaneutralität und damit auf Erneuerbaren Energien ausgelegten Energiesystem aufgrund ihrer Kostenstruktur und ihrer Trägheit beim Hoch- und Runterfahren ihrer Leistung keinen Mehrwert. Und schließlich können zum Beispiel aus Sicherheitsgründen geplante, aber vor allem auch ungeplante, notwendige Abschaltungen – wie gegenwärtig in massivem Umfang in Frankreich der Fall – die Versorgungssicherheit bei der Atomenergienutzung in Frage stellen.“

Jan Peter Schemmel

„Die Kommission räumt selbst ein, dass es mit der Nachhaltigkeit von Atom- und Gaskraft per se nicht weit her sein kann – denn sie stellt zahlreiche Bedingungen an das Nachhaltigkeits-Etikett. Mehr als der Versuch schadensbegrenzender Kosmetik ist darin aber nicht zu erkennen. Besonders eklatant wird dies an der Endlager-Frage für Atommüll: Kernenergie wäre auch bei weltweit vollständig gesicherter Endlager-Entsorgung nicht ,nachhaltig‘. Bisher kann aber davon nicht ansatzweise die Rede sein. Dass niemand ein solches Endlager bei sich sehen möchte und seit Jahrzehnten keine Einigung über die sicheren Bedingungen der Lagerung herbeizuführen ist, spricht für die Nachhaltigkeit dieser Energieerzeugung bereits Bände.“
Prof. Dr. Erik Gawel,

Über die Auswirkungen der Taxonomie:

„Beim Erdgas wird die Aufnahme in die Taxonomie ab Anfang 2023 wohl kurz- und mittelfristig geringe oder gar keine konkreten Wirkungen haben: Angesichts der geostrategischen Lage dürften derartige Investitionen ohnehin kaum auf der Tagesordnung stehen, unabhängig davon, ob sie als ‚grün‘ eingestuft und damit leichter finanzierbar sind oder nicht. Wahrscheinlicher erscheint mir, dass die Aufnahme der Kernenergie den energiepolitisch problematischen Pfad in die Kernenergie stabilisieren könnte. So könnte die Kernenergie mit den energie- und klimapolitisch erheblich attraktiveren – weil schnelleren, kostengünstigeren und risikoärmeren – Investitionen in Energieeinsparen und erneuerbare Energien in Konkurrenz treten.“

Prof. Dr Helmut Haberl

„Mit der Entscheidung, Investitionen in Atom- und Gaskraftwerke künftig entsprechend der Taxonomie als nachhaltig bezeichnen zu dürfen, verliert die Taxonomie ihr Potenzial, sich als EU-weiter Gold Standard für nachhaltige Investments zu etablieren. Denn ein Nachhaltigkeitsstandard, in dem offensichtlich nicht-nachhaltige Technologien wie die Kernenergie und Erdgas als nachhaltig deklariert werden können, verliert seine Glaubwürdigkeit. Dabei gibt es angesichts des grenzüberschreitenden Finanzmarktes – inklusive für Geldanlagen – einen hohen Bedarf an einem einheitlichen und transparenten Standard, um ‚Greenwashing‘ zu vermeiden.“

Jan Peter Schemmel

„Die Entscheidung diskreditiert daher sogar das gesamte Anliegen der Taxonomie – auch über Gas- und Kernkraft hinaus – und untergräbt dessen Glaubwürdigkeit sowie seinen wissenschaftlichen Anspruch. Explizit grüne Investments sollten der EU-Taxonomie in Bezug auf Atom- und Gaskraft nicht folgen. Investoren sollten darauf drängen, dies bei Finanzprodukten und institutionellen Anlegern klarzustellen. „Allerdings ist nicht auszuschließen, dass die Entscheidung vor allem im internationalen Bereich Finanzströme in problematische Übergangs- und Auslauftechnologien lenkt, die besser in erneuerbare Energien fließen sollten. Es kommt so zu Fehlallokationen auf dem Weg in wirklich nachhaltige Wirtschafts- und Lebensweisen.“

Prof. Dr Erik Gawel

Gleicher Weg, gleiches Ziel

Wenn es darum geht, weiterhin ernsthaft das Ziel zu verfolgen, den Klimakollaps aufzuhalten, bleibt unabhängig von der Entscheidung des EU-Parlaments der Weg klar. Wir alle müssen weiterhin Projekte verfolgen, fördern und finanzieren, die zweifellos nachhaltig sind, unabhängig von der europäischen Taxonomie. Regierungen müssen sich zu einer sofortigen und vollständigen Energiewende verpflichten, die durch die Bürger*innen beschleunigt wird. Von intelligenten Stromnetzen über neuartige Energiespeicher und bis hin zu zivilen Technologien – viele grüne Technologien sind bereits verfügbar und die Möglichkeiten für grüne Investitionen sind endlos. Wir müssen uns jetzt vor Projekten hüten, die mit ihrer frisch abgestempelten grünen Karte prahlen. Nach der Abstimmung über die Taxonomie ist die Sorgfaltspflicht von Investor*innen – von Privatpersonen bis hin zu Bundesregierungen – wichtiger denn je.

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

Mehr Informationen hier.

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Hypnetic – ein Pumpspeicher im Schiffscontainer

11. Juli 2022 - 8:37

Die skalierbare und erschwingliche Speicherung von Energie ist ein entscheidender Dreh- und Angelpunkt, damit der Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien gelingt. Und obwohl es bisher keine perfekte Lösung gibt, sind Methoden wie die Pumpspeicherung vielversprechend. Traditionell wird bei der Pumpspeicherung Wasser zwischen zwei unterschiedlich hoch gelegenen Reservoirs hin- und hergepumpt. Besteht ein Stromüberschuss, wird das Wasser damit in das höher gelegene Becken gepumpt. Wird die Energie dann benötigt, wird das Wasser in das tiefer gelegene Reservoir abgelassen. Auf dem Weg nach unten treibt es eine Turbine an, die den Wasserstrom wieder in Energie verwandelt. Damit ist ein Pumpspeicherwerk wie eine riesige Batterie, die Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben kann.

Um Energie in großem Maßstab zu speichern, sind Pumpspeicherwerke am weitesten verbreitet. Tatsächlich machen sie weltweit 90 Prozent des Marktes für mechanische Energiespeicherung aus. Aber wie bei jeder Speicherlösung gibt es auch hier noch Raum für Verbesserungen. Die Stauseen und die dazugehörige Infrastruktur – Dämme, Wasserleitungen usw. – nehmen viel Platz in Anspruch und greifen mitunter massiv in die Umwelt und Ökosysteme ein. Außerdem ist der Bau der Anlagen extrem teuer.

Hypnetic, ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördertes deutsches Startup, will einige dieser Herausforderungen lösen, indem es das Prinzip der Pumpspeicherung auf Schiffscontainern überträgt – mit einem kleinen Trick. Denn eigentlich kann man keine Speicher in Metallboxen von der Größe einer Standardküche unterbringen. Bei der Technologie von Hypnetic, die sich derzeit in der Entwicklung befindet, wird die elektrische Energie gespeichert, indem die Umgebungsluft getrocknet und mit Hilfe einer Flüssigkeit effizient komprimiert wird. Die Energie kann dann genutzt werden, indem die Luft mit einem Gas expandiert wird, das hydraulische Komponenten in Bewegung setzt, die eine mit einer elektrischen Maschine verbundene Achse drehen.

Darüber hinaus ist das Gerät mit einem Mechanismus zur Rückgewinnung von Abwärme ausgestattet, um die Effizienz des Umlaufs zu erhöhen. Nach Angaben des Unternehmens können so 72 Prozent des gespeicherten Stroms später wieder abgerufen werden. Nach eigenen Angaben sind die Komponenten des Hypnetic-Speichers außerdem langlebig genug, um eine Million Zyklen zu erreichen. Wenn sich das bestätigen sollte, ist das viel – eine Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise hat eine Lebensdauer von 1.000 bis 10.000 Zyklen. Im Vergleich zu anderen Batterien kommt der Container-Speicher zusätzlich ohne kritische Ressourcen oder giftigen Chemikalien aus und die Wertschöpfungsketten der verwendeten Materialien liegen ausschließlich in Deutschland bzw. Europa.

Wie viele andere Unternehmen setzt auch Hypnetic Künstliche Intelligenz ein, um den Energieverbrauch zu steuern, zu überwachen und zu optimieren.

Das 1,5-Grad-Ziel ist ohne eine echte Transformation unseres Energiesystems unerreichbar. Aber wie kann sie gelingen? Was sind die Energiequellen der Zukunft? Welche digitalen Lösungen stehen bereit und wo sind Innovationen gefragt? Und wie kann die Transformation vorangetrieben werden?

Das RESET-Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ stellt digitale, innovative Lösungen vor und beleuchtet die Hintergründe.

Mit seinem Container-Speicher richtet sich Hypnetic vor allem an Energieversorgungsunternehmen, die damit ihren Kunden die Möglichkeit geben könnten, Lastspitzen abzufangen. Außerdem könnten sie die Energiespeicher nutzen, um Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln.

Hypnetic geht davon aus, dass die Technologie in Anwendungen eingesetzt werden kann, die derzeit von Lithiumbatterien, Redox-Flow-Systemen, Schwungrädern und Power-to-Gas-Speichern bedient werden. Ob sich der Speicher als billigere, wirtschaftlichere und ökologisch ausgewogene Alternative zu diesen Methoden erweist, bleibt abzuwarten. Die Chancen stehen allerdings nicht schlecht.

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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Reallabor Pfaff – Klimaneutralität beginnt im intelligent vernetzten Quartier

6. Juli 2022 - 8:53

Auf den Straßen sind nur wenige Autos zu sehen. Alte Backsteingebäude und Neubauten sind in Wiesen und Parks eingebettet. Lässt man den Blick über die Gebäude gleiten, fallen die Solarfassaden auf und auch die begrünten Dächer sind mit Solarzellen bestückt.

Das ist die Vision des Reallabors Pfaff bzw. des Projekts EnStadt:Pfaff in der Nähe des Stadtzentrums von Kaiserslautern. Dort, wo Pfaff 150 Jahre lang Nähmaschinen produzierte, soll bis 2029 ein innovatives, klimaneutrales Wohn-, Gewerbe- und Technologiequartier entstehen. Dabei wird nicht nur darauf gesetzt, die Gebäude mit Solarstrom zu versorgen und die Mobilität nachhaltig aufzustellen, sondern auch auf eine Vielzahl digitaler Technologien. Nicht verwunderlich also, dass neben der Stadt Kaiserslautern und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, die das Projekt umsetzen, auch die Wissenschaftspartner Fraunhofer IESE, IfaS, die Hochschule Kaiserslautern und die Hochschule Fresenius unterstützen.

Fraunhofer IESE Blick auf einige Gebäude des Pfaff-Quartiers, wie sie heute noch aussehen. Aber wie konzipiert und plant man ein klimaneutrales Quartier?

Die wesentlichen Bausteine sind energieeffiziente Gebäude, die Nutzung erneuerbarer Energien, der Einsatz von Batterie- und Wärmespeichern und effiziente und intelligente Mobilitätslösungen. Was das Projekt allerdings besonders macht ist das Zusammenspiel der verschiedenen Sektoren mithilfe intelligenter Netze und eines intelligenten Energiemanagementsystems.

Der Wärmemarkt hat einen Anteil von rund 40 Prozent an den energiebedingten CO2-Emissionen; daher ist die Wärmeversorgung eine der größten Stellschrauben für ein Quartier, dass sich vorgenommen hat, null Emissionen in die Atmosphäre zu entlassen. Für eine effiziente Wärmeversorgung der Gebäude eignen sich besonders Nahwärmenetze mit niedrigen Temperaturen. Vor allem industrielle Abwärme, die meistens ungenutzt verpufft, kann relativ unkompliziert genutzt werden. Im Pfaff-Quartier kommt die Wärme aus einer Grundwassersanierungsanlage auf dem Gelände, einem nahegelegenen Abwasser-Hauptsammler sowie industrieller Abwärme aus einer benachbarten Gießerei. Was darüber nicht abgedeckt werden kann, wird effizient durch Wärmepumpen ergänzt. Und natürlich kommt auch hier die klassische Dämmung von Gebäuden zum Einsatz, um den Wärmebedarf von Anfang an niedrig zu halten.

Gleichzeitig soll ein möglichst hoher Anteil des Energiebedarfs vor Ort durch erneuerbare Energie erzeugt werden. Die als Gründächer mit Photovoltaik (PV) konzipierten Dächer im Pfaff Projekt erfüllen gleich mehrerer Aufgaben: „Das bietet Raum für Retentionsflächen, kühlt die Stadt und sorgt für eine erneuerbare Energieproduktion“, so Arne Surmann, der am Fraunhofer ISE die Bereiche Smart Home, Quartiersmonitoring und agentenbasiertes Quartiers-Energiemanagementsystem (EMS) des Reallabors Pfaff betreut.

Auch Fassaden und der öffentliche Raum werden im Reallabor Pfaff zu Stromproduzenten, indem gebäudeintegrierte Solarpaneele großflächig verteilt werden. Und damit ein möglichst hoher Anteil des lokal produzierten Stroms auch vor Ort genutzt werden kann, werden dezentrale Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Gebäuden installiert, und eine 1 MWh große Redox-Flow-Batterie soll das Stromnetz auf Quartiersebene optimieren.

Leuchtturmprojekt EnStadt:Pfaff

Das Projekt EnStadt:Pfaff ist eines von sechs Leuchtturmprojekten, in denen erforscht und demonstriert wird, wie die Energiewende in Städten und Kommunen am Beispiel eines Quartiers umgesetzt werden kann, und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Als Reallabor zeichnet sich das Projekt dadurch aus, dass Forschende, Behördenvertreter*innen, Investor*innen, Fachplaner*innen und Technologieunternehmen gemeinsam daran arbeiten, die verschiedensten Technologien zu entwickelt und erproben und vorhandene Technologien optimal zu kombinieren und effizient einzusetzen.

Eine weitere Stellschraube des klimaneutralen Quartiers ist der Fokus auf klimafreundliche Fortbewegungsmittel. Daher sind einerseits kaum Stellplätze für Autos vorgesehen. Gleichzeitig werden aber alternative Mobilitätsangebote durch digitale Tools leichter zugänglich gemacht, um so den motorisierten Individualverkehr stark einzuschränken.

„Dies ist aber nur der Betrieb der Quartiere. Ein großer Punkt, welcher häufig zu kurz kommt, ist die graue Energie im Beton der Gebäude. Hier wurde im Projekt eine Materialdatenbank angelegt, in der der Fußabdruck einzelner Bauteile und Baustoffe aufgeführt wird“, berichtet Surmann.

Das, was aber das Pfaff-Quartier auszeichnet, ist, dass alle Sektoren miteinander verbunden sind. Durch diese sogenannte Sektorkopplung kann Strom und Wärme zwischen den verschiedenen Produzenten und Konsumenten – also Solaranlagen, Wärmepumpen, Stromspeicher, Elektroautos, Haushalten – verteilt werden.

Dazu werden in einem elektrischen Smart Grid alle Stromverbrauchszähler und sonstigen Komponenten des Stromnetzes mit einem Datennetz verbunden und Strom und Wärme über ein digitales agentenbasiertes Energiemanagementsystems lokal optimiert. Das neuartige hierbei: Die Energieagenten handeln autonom und setzen primär die Interessen ihrer Nutzer*innen um. Es erfolgt also keine Fernsteuerung durch eine zentrale Instanz, sondern die Nutzerinnen können zum Beispiel einstellen, ob Agenten ihr Elektroauto so schnell wie möglich oder so grün wie möglich laden wollen oder das Auto sogar für Vehicle-to-X-Anwendungen zur Verfügung steht. Der persönliche Agent verfolgt das jeweilige individuelle Ziel in Verbindung mit den lokalen Quartierszielen, die zum Beispiel durch externe Preisanreize und einen Austausch mit anderen Agenten in der Optimierung berücksichtigt werden können.

Schlussendlich soll diese intelligente Steuerung den Eigenversorgungsanteil mit erneuerbaren Energien massiv erhöhen und Kosten sparen.

Fraunhofer ISE So sollen im Pfaff-Quartier die einzelnen Bereiche in einem intelligent vernetzten Sytsem zusammenspielen. Warum rückt das Quartier in den Fokus?

Wie auch Severin Beucker vom Borderstep Institut betont, fehlt nach wie vor ein durchgängiger Austausch über die verschiedenen Sektoren hinweg: „Wir denken momentan immer noch sehr sektorbezogen, also ,Gebäude‘, ,Industrie‘, ,Mobilität‘. Wir müssen diese Probleme aber als Systeme denken.“ Und genau das lässt sich auf Ebene des Quartiers sehr gut realisieren. Indem Elektroautos, Batteriespeicher und Wärmepumpen miteinbezogen werden, kann die lokale Erzeugung erneuerbarer Energie mittels einer fein abgestimmten, kleinteiligen Steuerung direkt an den Verbrauch vor Ort gekoppelt werden. Und das erleichtert nicht nur die Umstellung auf erneuerbare Energien, sondern kann auch das umliegende Netz entlasten.

Gleichzeitig können für die Bewohner*innen bzw. Nutzer*innen des Quartiers auch wirtschaftliche Vorteile entstehen. „Die Gruppe der Bewohner*innen und Gewerbetreibenden in innerstädtischen Mehrparteienhäusern kann mit an der Energiewende partizipieren und erhält einen Anreiz, Dächer gemeinsam mit PV Anlagen zu bestücken, denn auf diesen Gebäuden befinden sich noch große ungenutzte Flächen“, so Arne Surmann. Doch so logisch der Austausch von Energie zwischen Gebäuden im Quartier klingen mag, bisher ist das noch nicht möglich. Was dafür fehlt, sind nicht technische Voraussetzungen, sondern die deutsche Umsetzung der von der EU geforderten Renewable Energy Community aus der EU-Richtlinie für erneuerbare Energien (RED2-Richtlinie).

„Für das Thema Quartiers-EMS braucht es eine Umsetzung der RED2, welche eigentlich im Juli 2021 fällig gewesen wäre. Das deutsche Modell des Mieterstroms ist unzureichend und zu bürokratisch, als dass es im Quartierskontext skalierbar wäre. Tragfähige Geschäftsmodelle, um alle Dachflächen im Quartier mit PV Gründächern auszustatten und die Energiewende zu den Bewohner*innen zu bringen, werden benötigt“, sagt Arne Surmann. „Als positives Beispiel für die Überführung der Europäischen Direktive in nationales Recht ist die Erneuerbare Energien Gemeinschaft in Österreich zu nennen. Und auch in der Schweiz ist der regulatorische Rahmen schon weiter als in Deutschland. Den Schweizer Quartiersstrom finde ich aus der Sicht eines lokalen Stromhandels sehr interessant.“

Das 1,5-Grad-Ziel ist ohne eine echte Transformation unseres Energiesystems unerreichbar. Aber wie kann sie gelingen? Was sind die Energiequellen der Zukunft? Welche digitalen Lösungen stehen bereit und wo sind Innovationen gefragt? Und wie kann die Transformation vorangetrieben werden?

Das RESET-Greenbook „Energiewende- Die Zukunft ist vernetzt“ stellt digitale, innovative Lösungen vor und beleuchtet die Hintergründe.

Neue Wege zum klimaneutralen Quartier bereiten

Ob das Pfaff-Quartier mit diesen Ansätzen tatsächlich klimaneutral sein wird, wird sich in den nächsten Jahren zeigen. Aber am Ende geht es auch nicht vorrangig darum, das konkrete Projekt entwickelt zu haben. Sondern, betont Surmann, vielmehr darum, der Politik zu zeigen, wo die Probleme liegen und was getan werden muss, damit die Energiewende in den Quartieren vollzogen werden kann. Dazu werden die Erkenntnisse aus dem Projekt – und vor allem auch die Dinge, die nicht funktioniert haben – gesammelt und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) zurückgemeldet.

Und genau hier lässt sich noch viel bewegen, zum Beispiel dadurch, dass endlich geeignete Rahmenbedingungen geschaffen werden, um die ungenutzten Dachflächenpotentiale in deutschen Städten auch für die Energiewende zu nutzen. „PV-Anlagen sind mittlerweile sehr günstig zu haben und sorgen über einen Zeitraum von 20-30 Jahren für CO2-freie elektrische Energie. Die Sektoren Mobilität und Wärme werden zunehmend elektrifiziert. Das bedeutet, wo möglich sollte es entweder zur Pflicht werden, Module zu installieren – nicht nur auf Neubauten- oder besser, sollten die regulatorischen Hürden fallen, so dass es ökonomisch und ökologisch einfach sinnvoll ist, eine Anlage zu installieren“, fordert Arne Surmann.

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

Mehr Informationen hier.

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Mit der intelligenten Software von Etalytics können Rechenzentren bis zu 50 Prozent Kühlungsenergie einsparen

4. Juli 2022 - 10:04

In Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und öffentlichen Gebäuden sind Heiz- und Kühlsysteme unerlässlich und auch jegliche Produktions- oder Rechenprozessen brauchen Energie. Ob Wohngebäude oder Rechenzentrum, die Verteilung und Nutzung der Energie findet immer in umfangreichen und komplexen Systemen statt – und erzeugt hohe 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 in Deutschland verantwortlich.

Was es braucht, um diese massiven Emissionen runterzufahren, darüber besteht wissenschaftlicher Konsens: Den Umstieg auf 100 Prozent erneuerbare Energien und einen effizienteren Umgang mit Energie. Doch auch wenn sich hier und da etwas tut in Sachen Energieeffizienz, gibt es immer noch großen Raum für Verbesserungen. Ein erster Schritt um herauszufinden, wie die Energie effizienter und damit auch sparsamer eingesetzt werden kann, ist die Analyse des Systems, also zu prüfen, wo wie viel Energie für was verbraucht wird. Auf dieser Datenbasis lassen sich dann leichter mögliche Stellschrauben für Maßnahmen zur Effizienzsteigerung ausfindig machen.

Doch den Gründer*innen des deutschen Startups Etalytics zufolge sind die derzeitigen Methoden zur Analyse und Verbesserung der Energieeffizienz noch mangelhaft. So berücksichtigen viele Methoden beispielsweise nicht die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit, obwohl diese Faktoren einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz haben können.

Die grünste Energie ist die, die gar nicht erst verbraucht wird

Um diesen blinden Fleck zu beseitigen, hat das interdisziplinäre Team von IT-Expert*innen, Informatiker*innen und Ingenieur*innen von Etalytics eine ausgeklügelte Software auf Basis Künstlicher Intelligenz entwickelt. Dabei macht sich das Spin-off der Technischen Universität Darmstadt die Tatsache zunutze, dass zahlreiche Sensoren innerhalb der Energiesysteme permanent Informationen über die Produktivität und den Zustand der Anlagen erheben. Die KI verarbeitet sämtliche verfügbaren Daten dann in Echtzeit und berechnet, 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. Zudem können mit dem automatisierten System Anomalien schnell ausfindig gemacht werden und regelmäßige manuelle Eingriffe werden im besten Fall hinfällig.

Erneuerbare Energien brauchen Flexibilität

Neben der Erhöhung der Energieeffizienz kann Etalytics die Systeme auch daraufhin optimieren, die Energieflexibilität zu erhöhen. Das heißt, dass der Energiebedarf auf Zeiten verschoben wird, an denen große Mengen erneuerbare Energien zur Verfügung stehen. Damit sollen nicht nur Kosten gespart, sondern auch die CO2-Emissionen deutlich gesenkt werden.

Dazu sind allerdings Speichermöglichkeiten unverzichtbar, zum Beispiel in Form von thermischen Speichern, die den Energieüberschuss aufnehmen und für Zeiten nutzbar machen, an denen wenig erneuerbarer Strom bereit steht. In vielen Unternehmen und Betrieben sind die Voraussetzungen dafür gegeben.

Bei Rechenzentren – die im übrigen einen enormen Energiehunger haben – ist dies jedoch schwierig: „Zum Kühlen der Server werden sehr große Energiemengen benötigt, die bei Bedarf unverzüglich bereitgestellt werden müssen. Um diese zu verschieben, würden riesige Speichersysteme gebraucht. Das ist hinsichtlich des Platzbedarfs im städtischen Umfeld und der Kosten problematisch“, erklärt Niklas Panten, CEO von Etalytics. „Gezeigt hat sich dagegen, dass sich die Energieeffizienz des kompletten Kältesystems zur Kühlung der Server sehr gut optimieren lässt. Es besteht in den meisten Rechenzentren aus versorgungstechnischen Komponenten wie Kühltürmen, Kältemaschinen, Pumpen, Wärmetauschern sowie verschiedenen Wasser- und Luftkreisläufen. Bislang generell noch selten im Einsatz bietet ein auf Künstlicher Intelligenz basierendes Regelungssystem die Möglichkeit, den Energieverbrauch solcher komplexen Versorgungssysteme zu managen und deutlich zu reduzieren.“

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In einem ersten Pilotprojekt hat Etalytics im Frankfurter Rechenzentrum FR6 der Firma Equinix alle Komponenten des Kältesystems informationstechnisch angeschlossen und mithilfe der Plattform daraus ein Softwaremodell errechnet, welches das energetische Verhalten der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems abbildet. Miteingeflossen sind zudem noch Parameter wie Wettereinflüsse und interne Verbrauchsspitzen. Daraufhin wurde der Betrieb des Kühlsystems so optimiert und automatisiert, dass sämtliche Komponenten mit geringstmöglichem Energieverbrauch ineinandergreifen.
„Rechenzentren können mit unserer Software bis zu 50 Prozent der Energie zur Kühlung der Server einsparen“, sagt Panten. Das bedeutet, dass ein durchschnittliches Rechenzentrum, das Flächen zum Betrieb von Informationstechnik für Dritte bereitstellt (Colocation Rechenzentrum), mit der Software von Etalytics bis zu 600.000 Kilowattstunden und rund 240 Tonnen CO2 im Jahr einsparen kann – natürlich nur unter der Voraussetzung, dass sich das Rechenzentrum aus erneuerbaren Energien speist.

Doch die intelligente Software des Startups ist auch auf andere Unternehmen, Produktionsanlagen, Smart Cities, Energieversorger und Gebäudekomplexe anwendbar. „Wir möchten mit unserer Software einen nennenswerten Beitrag zur globalen Energieeinsparung und CO2-Verminderung leisten. Das Potenzial ist riesig – in Rechenzentren, aber auch in anderen Industrieunternehmen“, so Niklas Panten.

Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Startup schätzt, dass die KI-basierte Energieoptimierung dazu beitragen kann, den Energieverbrauch in Unternehmen um 20 bis 50 Prozent zu senken. Da alle Energiedaten an einem Ort vorliegen, kann das System zusätzlich den betrieblichen CO2-Fußabdruck berechnen.

Umweltorientierte Orchestrierung © Markus Spiske/Unsplash-Lizens

In unserer derzeitigen Energiekrise, in der die Energiepreise hoch und unbeständig sind, senkt der effizientere Einsatz von Energie nicht nur die Kosten für Haushalte, Unternehmen und ganze Volkswirtschaften, sondern ist auch wesentlich für das Erreichen der Klimaziele. Denn einerseits bedeutet ein geringerer Energieverbrauch, dass in unserem heutigen Strommix weniger fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung verbrannt werden, wodurch weniger Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen. Gleichzeitig ist in geringerer Energiebedarf zentral für die Beschleunigung der Energiewende hin zu 100 Prozent erneuerbaren Energien.

Einer Analyse der IEA zufolge könnten wir mit einer Verdopplung der Energieeffizienzrate weltweit jedes Jahr etwa soviel Energie einsparen, wie China derzeit jedes Jahr verbraucht. Nach dieser Berechnung würden die weltweiten CO2-Emissionen bis 2030 um zusätzliche 5 Milliarden Tonnen pro Jahr reduziert.

Dabei zeigt die IEA-Analyse, dass in allen Sektoren der Weltwirtschaft erhebliche Möglichkeiten für rasche Energieeffizienzsteigerungen bestehen. Die meisten dieser Möglichkeiten betreffen leicht verfügbare Technologien und würden sich durch die sinkenden Betriebskosten vollständig amortisieren. Zudem wird bis 2030 etwa ein Drittel des vermiedenen Energiebedarfs durch den Einsatz effizienterer Geräte, von Klimaanlagen bis hin zu Autos, entstehen. Rund ein Fünftel stammt aus der Elektrifizierung, etwa durch den Umstieg auf Wärmepumpen oder Elektroautos. Die Digitalisierung und die Verwendung effizienterer Materialien in der Industrie könnten den Rest dazu beitragen, wie auch das Beipiel Etalytics zeigt.

Dieser Artikel gehört zum Dossier „Energiewende – Die Zukunft ist vernetzt“. Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers zum Thema „Mission Klimaneutralität – Mit digitalen Lösungen die Transformation vorantreiben“ erstellen.

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