Umweltwirtschaft NRW
Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen
Herausragende Kompetenzen bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik

Energieeffizienz und Energieeinsparung

Energiesparen und Energieeffizienzsteigerung bilden neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien die Grundlage der Energiewende. Durch einen reduzierten Energieverbrauch werden Emissionen aus der Energiewandlung verringert, Ressourcen geschont und gleichzeitig Energiekosten gespart. Dies kann besonders im industriell geprägten Energieland Nordrhein-Westfalen sowohl Innovationen vorantreiben und wirtschaftliche Chancen bieten als auch kostengünstig dazu beitragen, Klimaschutzziele zu erreichen.

Das Marktsegment Energieeffiziente Gebäude umfasst Produkte und Dienstleistungen, die die Energieeffizienz von Wohn- und gewerblich genutzten Gebäuden erhöhen. Neben Wärmedämmung, Isolierung und den zugehörigen Materialien, z. B. Dämmplatten und Isolierverglasungen, leistet Gebäudetechnik einen entscheidenden Beitrag zur Energieeffizienz. Schlüsseltechnologien sind dabei unter anderem spezielle Lüftungstechnik, LED-Beleuchtung, Blockheizkraftwerke und wärmepumpenbasierte Heizungssysteme. Systemlösungen wie Passivhäuser und IKT-basierte Smart-Home-Systeme ergänzen das Marktsegment.

Erwerbstätige und Umsätze im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung

Einsparpotenziale liegen auch in energieverbrauchenden Prozessen, besonders in der industriellen Produktion. Die Technologien, die diese Potenziale erschließen, bilden das Marktsegment Energieeffiziente Produktionsprozesse und Technologien. Dazu gehört unter anderem die Automatisierung und bessere Steuerung von Prozessen, Regel und digitale Vernetzungstechnik (Stichwort Industrie 4.0) sowie Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung.

In beiden Marktsegmenten spielen auch Dienstleistungen zur Konzeption, Errichtung oder Implementierung energieeffizienter Gebäude und Technologien eine entscheidende Rolle, z. B. einschlägige Architektur, Bau, Design und Installation.

Unter Verwendung unspezifischer Vorleistungen und Rohstoffe werden im Marktsegment Energieeffiziente Gebäude Gebäudetechnik und Isolier- bzw. Dämmmaterialien hergestellt. Diese werden basierend auf Architektur-, Planungs- und Beratungsleistungen, gegebenenfalls auch auf Contracting-Schemata durch Handwerk und Bau in energieeffiziente Gebäude umgesetzt.

Im zweiten Marktsegment Energieeffiziente Produktionstechnologien werden technische Komponenten und Geräte entwickelt und gefertigt. Außerdem findet Wertschöpfung statt, wenn diese unter Rückgriff auf Planungs-, Beratungs und IT-Dienstleistungen in Produktionsmaschinen und -prozessen installiert werden.

Wertschöpfungssystem
Wertschöpfungssystem des Teilmarkts Energieeffizienz und Energieeinsparung
Innovationen
Eine Wortwolke mit aktuellen Begriffen aus dem Teilmarkt, im Mittelpunkt stehen Brennstoffzelle, LED, Smart Meter und weitere

Die Steigerung der Energieeffizienz ist ein wichtiger Faktor im Klimaschutz. Konkret zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Betriebskosten beitragen können Effizienzmaßnahmen im Gebäudebereich sowie in der industriellen Produktion. Folgerichtig nehmen die beiden entsprechenden Marktsegmente dieses Teilmarktes hinsichtlich ihrer Innovationskraft einen ähnlich hohen Stellenwert ein. Zum Teil hochgradig spezialisierte Unternehmen der nordrhein-westfälischen Umweltwirtschaft arbeiten in beiden Feldern kontinuierlich an neuen Lösungen, um höhere Effizienzgrade zu erreichen.

Die Wordcloud gibt Aufschluss über die von nordrhein-westfälischen Unternehmen im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung adressierten Innovationsthemen. Sie zeigt deutlich, dass aktuell in diesem Themenbereich mehrere Innovationsthemen oder -felder von vergleichbar hoher Bedeutung sind. Dies sind einerseits konkrete Effizienz-Produkte (z. B. Smart Meter, LED-Beleuchtung, Brennstoffzellen, Wärmepumpen), andererseits Dienstleistungsinnovationen (z. B. Energie Contracting) und schließlich auch Konzepte (z. B. Intralogistik, Condition Monitoring, Intelligente Gebäude). Viele der genannten Innovationsthemen belegen dabei auch die Chancen und Möglichkeiten der Energieeffizienz durch Digitalisierung. Nicht nur ist IKT als relevanter Begriff in diesem Kontext präsent, auch viele konkrete Innovationsansätze bauen explizit auf neuen digitalen Möglichkeiten der Industrie 4.0 auf.

Die Grafik zeigt Innovationsschwerpunkte im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung
Die Legende zur Grafik Innnovationsschwerpunkte

Energieeffiziente Gebäude

Im Bereich der energieeffizienten Gebäude liegt ein Innovationsschwerpunkt auf der effizienten Heiztechnik. Vor dem Hintergrund des hohen Energieaufwands, der für Heizen und Brauchwasser erforderlich ist, bestehen in diesem Bereich wesentliche Einsparpotenziale. Ein Fokus vieler Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen liegt auf Wärmepumpen. Wärmepumpen nutzen die verfügbare Wärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Luft. Diese wird anschließend in Wärme umgewandelt. Für den Betrieb der Wärmepumpe kann, z. B. über die Kopplung mit einer Photovoltaik-Anlage, regenerativ erzeugte elektrische Energie genutzt werden. Über Wärmepumpen als teilweise flexible Verbraucher ist der Power-to-Heat-Ansatz besonders effizient realisierbar. Dieses Konzept sieht vor, im Rahmen des Lastmanagements Strom aus Erneuerbaren Energien als Wärme zu nutzen oder zu speichern, wenn die Stromproduktion – beispielsweise wegen starken Windaufkommens – gerade hoch, die Nachfrage aber gering ist.

Bei einem Blockheizkraftwerk wird das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im Gebäudebereich genutzt. Über einen Motor wird ein Generator angetrieben, der Strom produziert. Die dabei zusätzlich anfallende Wärme wird über einen Wärmetauscher abgeführt und zum Heizen genutzt. Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen arbeiten u. a. an der aktuellen Generation von Nano- und Mikro-Blockheizkraftwerken, bei denen z. B. eine Brennstoffzelle Strom und Wärme aus Wasserstoffgas erzeugt. Mit BlueGEN wurde eines der ersten marktfähigen (Bio-)Erdgas-Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke in Nordrhein-Westfalen entwickelt. Passende Energie-Contracting-Modelle ebnen zudem den Marktzugang für innovative Heizlösungen. Energieversorgungs- oder auch Handwerksunternehmen übernehmen dabei gegen laufende Gebühren die Anschaffungs- und Unterhaltungskosten für effizientere Heizungsanlagen, wobei Immobilieneigentümer bzw. Mieter von den Einsparungen profitieren können.

Ein anderes Thema in der Gebäudetechnik ist die weitere Optimierung der Klima- und Lüftungstechnik. Zukunftsweisende Technologien in diesem Bereich befassen sich aktuell vorrangig mit der Nutzung Erneuerbarer Energien. Beispiele dafür sind die solare Klimatisierung oder geothermische Klimasysteme. Aber auch die Kühlung über Wassersysteme, die Verdunstungskühlung und die Wärmerückgewinnung bleiben zentrale Themen.

Bei der Beleuchtung ist die LED-Technik in der Marktpräsens bereits weit fortgeschritten, die technologischen Weiterentwicklungen sind jedoch vielfältig. Neben gängigen LED-Retrofit-Lampen, die in die Fassungen bestehender Leuchten passen, entwickeln Spezialanbieter aus Nordrhein-Westfalen integrierte Beleuchtungssysteme bis hin zu LED-Flächenleuchten, die z. B. als leuchtende Decke oder Wand eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sich durch den Einsatz von Lichtmanagementsystemen weitere Energieeffizienzpotenziale heben. So können Bewegungsmelder und Sensoren dabei helfen, die Regelung des Beleuchtungsniveaus in Abhängigkeit von Tageslicht und Nutzerverhalten zu optimieren. Über die Beleuchtung hinaus werden unter dem Stichwort Gebäudeautomatisierung alle Einrichtungen zusammengefasst, die Anlagen und Elemente der Gebäudetechnik steuern, regeln,erfassen und überwachen. Innovative Systeme – im Wohngebäudebereich auch Smart Home genannt – stellen sich automatisch auf die vorgegebenen Ziele der Nutzer und z. B. sich verändernde Wetterbedingungen ein, so dass im Normalfall manuelle Eingriffe nicht mehr nötig sind. Technische Einrichtungen (Beleuchtung, Heizung/Kühlung, Belüftung, Befeuchtung, Jalousien) sowie äußere Einflussfaktoren (Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Nutzung, Benutzereinwirkung) interagieren dabei wechselseitig und führen zu deutlichen Energieeinsparungen.

Nicht zuletzt ist im Gebäudebereich die Energiemessung und intelligente Steuerung als Innovationsthema von Bedeutung. Diesbezügliche Entwicklungen stehen ganz im Zeichen der Digitalisierung. Smart Meter erfassen detailliert den Energieverbrauch und die Nutzungsdauer einzelner Verbrauchsgeräte in Gebäuden und tauschen die Daten mittels Informations- und Kommunikationstechnologien in Echtzeit mit Energieversorgungsunternehmen und eigenen Energieversorgungseinheiten (z. B. einer mit einem Batteriespeicher gekoppelten PV-Anlage auf em eigenen Dach) aus. Gebäude werden somit Teil eines intelligenten Stromnetzes. So können von Energieversorgungsunternehmen, je nach Höhe des aktuellen Stromangebots und der Nachfrage, unterschiedliche Verbraucher- und Einspeisetarife angeboten werden. Durch die intelligente Regelung von flexiblen Verbrauchern können im Netz dadurch Last- und Spitzenzeiten ausgeglichen werden. Aktuelle Innovationsaktivitäten beziehen sich nicht nur auf die intelligenten Zähler selbst, sondern insbesondere auch auf passfähige Verbrauchergeräte und die Entwicklung darauf aufbauender Regelungssysteme.

Energieeffiziente Produktionsprozesse und Technologien

Die Digitalisierung treibt die aktuelle Entwicklung einer energieeffizienteren Produktion voran. Der Themenkomplex Industrie 4.0 subsumiert verschiedene Ansätze zur Optimierung industrieller Prozesse. Indem die verschiedensten mechanischen und elektronischen Komponenten darin mit Hilfe der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) umfassend verknüpft werden, soll die Produktion nicht nur interaktiv und flexibler, sondern auch effizienter werden.

In der Automatisierungstechnik besteht der nächste Entwicklungsschritt darin, computergestützte Prozesse über offene, globale Netze umfassend zu verknüpfen. Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen treiben auch in diesem Feld Innovationen voran, z. B. im regionalen BMBF-Spitzencluster „it’s OWL“. Zentrale Elemente der Technologie sind u. a. die Echtzeit-Überwachung einzelner Prozessschritte (Condition Monitoring) und vorausschauende Wartungsprozesse (Predictive Maintenance).

Insgesamt wird eine höhere Integration der einzelnen Prozessschritte angestrebt. Die vernetzten Systeme setzen dabei neue Möglichkeiten in der Prozesssteuerung frei. Im Gegensatz zu analogen bzw. binären Prozesssteuerungssystemen, die auf Basis definierter Eingangs- und Ausgangsgrößen operieren, eröffnen vernetzte Systeme umfangreichere Steuerungsmöglichkeiten. Die umfangreiche Vernetzung von Produktionsanlagen, Hintergrundprozessen und Fertigungskomponenten bildet, gekoppelt mit intelligenter Prozessleit- und Regelungstechnik sowie effizienten Intralogistiksystemen, die Grundlage für ein möglichst effektives Zusammenspiel entlang der gesamten Prozesskette.

Darüber hinaus bieten aber auch „analoge“ Effizienzsteigerungen in der Antriebs- und Verfahrenstechnologie oder der Rückumwandlung nicht genutzter Energien Innovationspotenziale.

Ein wichtiger Markt für Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen ist beispielsweise die Weiterentwicklung von effizienten Pneumatiksystemen. Hintergrund: Die in den Produktionsstätten herkömmlicherweise zum Einsatz kommenden Druckluftsysteme für Werkzeuge, Düsen, Förderanlagen etc. sind häufig nicht optimal ausgerichtet und verursachen besonders hohe Energieverluste. Die aktuelle Technologieforschung konzentriert sich daher u. a. auf die Verringerung von Reibung durch neue Materialien, die Miniaturisierung, effektivere Dichtungskonzepte (beispielsweise intelligente Dichtungen, die sich den veränderten Arbeitsbedingungen anpassen) und optimierte Geometrien (z. B. Rohrquerschnitte und -verlegung).

Ein weiteres Technologiefeld, in dem Innovationen erhebliche Einsparpotenziale freisetzen, ist das der effizienten Pumpsysteme. Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen zählen hier zu den globalen Spitzenreitern. Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung besteht in der Optimierung des Gesamtsystems durch variable Drücke und Fördermengen. Integrierte Frequenzumformer beispielsweise erlauben eine angepasste Drehzahlregelung, eine präzise Abstimmung von Laufrad und Pumpengehäuse ermöglicht hohe hydraulische Wirkungsgrade.

Internationalisierung
Die wichtigsten internationalen Absatzmärkte für den Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung

Das mit Abstand größte globale Importvolumen im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung entfällt mit 15 Mrd. Euro auf die Vereinigten Staaten (Abbildung oben). Auf Rang 2 und 3 folgen China (9 Mrd. Euro) und Japan (5 Mrd. Euro).

Durch eine kräftige Entwicklung im Teilmarkt sticht insbesondere der indische Markt hervor (+20,4 % p. a. zwischen 2010 und 2015), gefolgt von Irland (+17 % p. a.) und Chile (+16,6 % p. a.). Auch Japan (+14,5 % p. a.), die Vereinigten Staaten (+14 % p. a.) und Litauen (+14 % p. a.) weisen sehr hohe Wachstumsraten auf. China ist unter den Top-8 nicht vertreten, nimmt jedoch mit 9 Mrd. Euro den zweiten Rang in Bezug auf das Importvolumen ein.

Die Exporte Nordrhein-Westfalens fokussieren sich auf die EU-Mitgliedsstaaten Niederlande (168 Mio. Euro), Frankreich (121 Mio. Euro) und Österreich (94 Mio. Euro). Erst auf Rang 4 (85 Mio. Euro) folgt mit den Vereinigten Staaten ein sehr dynamischer und der global größte Absatzmarkt. Auf Rang 7 steht der große, jedoch nicht durch Importdynamik gekennzeichnete Markt China. Japan ist trotz Größe (Rang 3) und hoher Dynamik (Rang 4) nicht in den Top-8 der Exportmärkte Nordrhein-Westfalens im Bereich Energieeffizienz und Energieeinsparung vertreten. Hier nutzt Nordrhein-Westfalen seine Exportchancen nicht optimal aus.

Größe und Entwicklung der Absatzmärkte im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung
Die Grafik das globale Importvolumen sowie das NRW-Exportvolumen für ausgewählte Märkte im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung

Nordrhein-Westfalen fokussiert nicht auf die dynamischsten Märkte

Werden die Kriterien globales Importvolumen und dynamische Entwicklung des globalen Importvolumens kombiniert, bestätigt sich die globale Bedeutung der Märkte Vereinigte Staaten, China und Japan im Teilmarkt Energieeffizienz und Energieeinsparung. Gleichzeitig fällt auf (mittlere Abbildung), dass sich viele der von Nordrhein-Westfalen stark bedienten Absatzmärkte (große Kugeln) im mittleren Bereich der Darstellung befinden, also jeweils nur eine durchschnittliche globale Importnachfrage und Wachstumsrate aufweisen. Auch der Größe und Dynamik der Märkte Vereinigte Staaten und Japan wird die Exportleistung Nordrhein-Westfalens nicht gerecht. Eine weitere interessante Gruppe bilden Kanada, Mexiko und Indien. Diese Länder weisen eine hohe Dynamik und globale Importnachfrage auf, werden jedoch in relativ geringem Umfang von Nordrhein-Westfalen bedient.

Auch für Unternehmen aus diesem Teilmarkt sind zum einen die beiden global größten und zugleich dynamischen Absatzmärkte USA und China vielversprechend. Der mit Nordrhein-Westfalen bereits gut vernetzte niederländische Absatzmarkt ist zwar insgesamt kleiner, entwickelt sich aber sehr dynamisch. Indien und Rumänien sind zwei (noch) vergleichsweise kleine Absatzmärkte, die jedoch ein hohes Wachstumstempo an den Tag legen.

Nordrhein-Westfalen im Export Energieeffizienter Produktionsprozesse und Technologien gut aufgestellt – Potenziale insbesondere im Segment Energieeffiziente Gebäude

Auffällig ist die sehr unterschiedliche Bedeutung der beiden Marktsegmente in den für Nordrhein-Westfalen wichtigsten Exportmärkten USA, China, Ungarn, Niederlande und Rumänien. Obwohl der internationale Importbedarf im Marktsegment Energieeffiziente Gebäude deutlich über dem des Marktsegments Energieeffiziente Produktionsprozesse und Technologien liegt, schöpft Nordrhein-Westfalen sein Exportpotenzial im Gebäudesektor noch nicht optimal aus. Künftige Exportstrategien sollten daher verstärkt auf dieses Segment abzielen.

Im Marktsegment Energieeffiziente Produktionsprozesse und Technologien verzeichnet Nordrhein-Westfalen hingegen überproportional hohe Exportvolumina. In vier der ausgewählten fünf Länder (USA, China, Ungarn und Rumänien) liefert Nordrhein-Westfalen in diesem Marktsegment deutlich mehr Produkte als im Gebäudemarkt.

Besonders interessant ist auch ein Blick auf die internationalen Wachstumsdynamiken der beiden Marktsegmente. Während sich in den USA und China der Importbedarf im Marktsegment Energieeffiziente Gebäude mit 16 % bzw. 10 % p. a. deutlich dynamischer entwickelt als im Marktsegment Energieeffiziente Produktionsprozesse- und Technologien (+11 % bzw. +3 % p. a.), wächst der Bedarf in Ungarn (+10 % p. a.), den Niederlanden (+7 % p. a.) und Rumänien (+9 % p. a.) im Marktsegment Energieeffiziente Produktionsprozesse- und Technologien deutlich schneller. In diesen Märkten gelingt es Nordrhein-Westfalen, die Entwicklungen mit seiner ausgeprägten Exportorientierung im Marktsegment Energieeffiziente Produktionsprozesse und Technologien zu adressieren. Beachtlich ist, dass Nordrhein-Westfalen in diesem Segment mit starken Wachstumsraten den mittelosteuropäischen Markt erobert (Ungarn +51 % p. a., Rumänien +45 % p. a.).

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