Umweltwirtschaft NRW
Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen
Größter Teilmarkt der Umweltwirtschaft in Nordrhein-Westfalen

Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft

Die Produkte, Technologien, Verfahren und Dienstleistungen dieses Teilmarkts dienen dem nachhaltigen und effizienten Umgang mit Ressourcen. Neben dem Einsatz von umweltfreundlichen Materialien in innovativen, materialeffizienten Produktionsprozessen umfasst der Teilmarkt auch die Rückgewinnung eingesetzter Wertstoffe sowie die sach- und umweltgerechte Behandlung von Abfällen.

Der Teilmarkt gliedert sich in fünf Marktsegmente. Das Marktsegment Nachwachsende Rohstoffe und umweltfreundliche Materialien umfasst die Herstellung von biotischen Rohstoffen und von Materialien mit vergleichsweise geringem Umweltschadpotenzial, die als erneuerbare Alternative zu erdölbasierten oder mineralischen Produkten verwendet werden können. Dazu gehören beispielsweise Naturfasern, Bio-Schmierstoffe, Bio-Werkstoffe und Bio-Baustoffe wie Dämm- und Leichtbauplatten einschließlich der zugehörigen Verbundstoffe. Biotische Rohstoffe können dann als umweltfreundliche Materialien angesehen werden, wenn durch ihren Einsatz z. B. begrenzt verfügbare mineralische oder fossile Ressourcen geschont werden und nach dem Ende ihrer Nutzung eine vergleichsweise umweltverträgliche Beseitigung oder Rückgewinnung möglich ist.

Materialeffiziente Produktionsprozesse und Technologien sowie Stoffstrommanagement verringern die Einsatzmengen von Rohstoffen und Betriebsmitteln. Ressourcenschonende, abfallarme Produktionsverfahren zeichnen sich häufig durch den Einsatz alternativer Werkstoffe aus. Weitere Maßnahmen sind v. a. die Anwendung innovativer Prozessteuerung, Regeltechnik, Sensorik und Software, die Kreislaufführung von Betriebsmitteln sowie die Reduzierung des Bedarfs an Schmiermitteln, Verschleißteilen und Zusatzstoffen. Auch ein Produktdesign, das auf Langlebigkeit und Recyclingfähigkeit ausgelegt ist, trägt zur Materialeffizienz bei.

Erwerbstätige und Umsätze im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft

Das Marktsegment Abfallsammlung und –behandlung deckt Dienstleistungen und die Infrastruktur für Sammlung und Transport ab. Teilweise bereits getrennt nach bestimmten Stoffgruppen, werden diese, sofern sie nicht recyclingfähig sind, anschließend umweltverträglich beseitigt.

Die Rückgewinnung der enthaltenen Wertstoffe ist Gegenstand des Marktsegments Stoffliche und energetische Verwertung. Es umfasst die Sortierung bzw. Trennung von Abfällen zur Rückgewinnung darin enthaltener Wertstoffe und die Herstellung von Recyclingmaterialien wie z. B. Papier.

Die für die Umsetzung der Prozesse und Verfahren zur Abfallbehandlung, -aufbereitung und -verwertung erforderlichen Einrichtungen bzw. Technologien wie z. B. Sortieranlagen, Abfallfördereinrichtungen, Anlagen zur Demontage oder zur Altpapierbearbeitung und Anlagen zur Abfallverbrennung bilden das Marktsegment Anlagentechnik für die Abfallwirtschaft.

Das Wertschöpfungssystem des Teilmarktes ist bestimmt durch ein heterogenes Set an Unternehmen aus der Chemiebranche, der Landwirtschaft, der Abfallwirtschaft und dem Maschinenbau. Zwischen den einzelnen Marktsegmenten bestehen erhebliche Zusammenhänge bei der Wertschöpfung, die im Wesentlichen entlang eines stofflichen Kreislaufs stattfindet.

Wertschöpfungssystem
Wertschöpfungssystem des Teilmarkts Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft
Innovationen
Eine Wortwolke mit aktuellen Begriffen aus Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft, im Mittelpunkt stehen Innovative Werkstoffe, Prozessoptimierung und weitere

Eine innovative Kreislaufwirtschaft im Sinne der EU-Strategie Circular Economy dient langfristig der Ressourcenschonung. Sie bietet Lösungen an, um Abfälle zu vermeiden und Materialkreisläufe zu schließen, Lebenszyklen von Rohstoffen durch diverse Methoden und Verfahren zu verlängern sowie Materialien so zu kombinieren, dass sie neben einer bestmöglichen Nutzungseigenschaft zugleich auch gute Verwertungseigenschaften zeigen und so insgesamt nachhaltiger sind. Hierfür bedarf es innovativer Produkte und Dienstleistungen, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette in Nordrhein-Westfalen zu entwickeln sind.

Die Analyse zeigt, dass innovative, intelligente und nachhaltige Materialien und Werkstoffe im Marktsegment Nachwachsende Rohstoffe und umweltfreundliche Materialien als Schlüsseltechnologien und Enabler einer modernen Zirkulärwirtschaft zunehmend in der nordrhein-westfälischen Umweltwirtschaft in Erscheinung treten und einige Technologiebereiche bereits dominieren. Einerseits sind es somit innovative Materialkombinationen, die Anwendung finden. Andererseits werden aber auch klassische Recyclingthemen abgebildet, beispielsweise die Nahinfrarotspektroskopie, die dazu dient verschiedene Materialien in Anlagen zur Stoffstromtrennung zu identifizieren.

Die Grafik zeigt Innovationsschwerpunkte im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft
Die Legende zur Grafik Innnovationsschwerpunkte

Ressourcenwirtschaft

Die identifizierten Innovationsthemen der klassischen Kreislaufwirtschaft belegen einen Wandel hin zu einer Ressourcenwirtschaft, in der eine effiziente Kreislaufführung der Ressourcen angestrebt wird. Zunächst geht es dabei um das Management von Stoffströmen, verbunden mit der zentralen Herausforderung einer ökonomisch und ökologisch geprägten Energie- und Materialeffizienz.

Aus dem Bereich der Sortier- und Trenntechnik kommen klassischerweise technikorientierte Innovationsthemen. Die Infrarot-Technologie ist bereits am Markt etabliert, aber auch neue Methoden wie die laserinduzierte Spektroskopie oder beispielsweise Spectral Imaging Technologien zur Sortierung von schwarzen Kunststoffen werden gebraucht, um die formulierten Anforderungen in Bezug auf Effizienz technisch zu erfüllen. Zur Umsetzung dieser innovativen Trenn- und Sortierverfahren werden in den nordrhein-westfälischen Unternehmen ganz unterschiedliche Technologiewelten miteinander kombiniert: Analyseverfahren treffen auf optische Technologien und Maschinenbau.

Das Stoffstrom- und Entsorgungsmanagement wird dabei zunehmend auch über IT-Lösungen optimiert. In diesem Bereich sind nordrhein-westfälische Unternehmen ebenfalls aktiv. Im Bereich Abfallsammlung ist die Entwicklung von innovativen stationären und Unterflur-Abfallentsorgungssystemen von Bedeutung, sie spielt aber auf dem heimischen Entsorgungsmarkt der Kommunen in Nordrhein-Westfalen eine noch geringe Rolle. Die Entsorgungslandschaft der Niederlande zeigt hier ein ganz anders Bild, so dass das Exportpotenzial beispielsweise von Unterflurcontainern (teils mit Vakuumtechnik) Beachtung finden muss.
Das Recycling von klassischen Abfallströmen wie Papier und Glas ist weitgehend gelöst. Größere Herausforderungen bestehen nach wie vor im Bereich der technisch anspruchsvollen Leichtverpackungen. Dahingehend ergeben neue Verfahren für das Recycling von Verbundstoffen, von Anlagenbauteilen der Erneuerbaren Energien (beispielsweise Solarmodule) und von Leichtbaustoffen sowie die Rückgewinnung der z. B. in Elektrogeräten enthaltenen seltenen Erden neue Marktchancen. Das nachfolgend noch dargestellte Innovationsthema „Produktdesign“ gewinnt in diesem Zusammenhang zunehmend an Bedeutung. Das auch im Teilmarkt Wasserwirtschaft bedeutende Thema der Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlämmen ist ein überaus relevantes Innovationsthema (siehe auch Klärschlammbehandlung im Teilmarkt Wasserwirtschaft) der nächsten Jahre, da Phosphor ein essenziell wichtiger, aber endlicher Rohstoff für die Landwirtschaft und die Industrie ist und derzeit fast vollständig importiert werden muss. Auf der Basis bereits patentierter Verfahren wird in den F & E-Abteilungen nordrhein-westfälischer Unternehmen intensiv an weiteren innovativen Ansätzen der Rückgewinnung gearbeitet.

Nachwachsende Rohstoffe und umweltfreundliche Materialien

Im Marktsegment Nachwachsende Rohstoffe und umweltfreundliche Materialien zeigt der Teilmarkt einen Innovationsschwerpunkt. Neue und innovative Produkte und Dienstleistungen entstehen rund um die Frage, wie einerseits nachwachsende Rohstoffe auf neue Art vielfältiger verwendet und zu neuen Produkten verarbeitet werdenkönnen und andererseits wie neue Materialien nachhaltigere Produkte und Recyclingkreisläufe ermöglichen.

So entstehen auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe moderne Biokleber, Biokunststoffe oder auch Biolacke sowie verschiedene biologisch abbaubare Materialien in Nordrhein-Westfalen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei den Bioreinigungsmitteln.

Insbesondere leistet jedoch die Materialforschung essentielle Beiträge für die Umweltwirtschaft Nordrhein-Westfalens. Denn der Wandel hin zur einer zirkulären Wirtschaft muss, neben dem konventionellen Recycling, vor allem die Materialen und deren Eigenschaften in den Fokus nehmen. Innovative Materialien, Werkstoffe und Oberflächen werden somit zum bestimmenden Innovationsthema der nordrhein-westfälischen Unternehmen. 40 % der in der Big-Data-Analyse benannten Themen betreffen Materialeigenschaften. Daneben treten zunehmend Technologien rund um das Thema intelligente Materialien oder auch Smart Materials in den Vordergrund. Diese lassen sich gezielt in ihren Eigenschaften beeinflussen oder reagieren selbstständig auf sich verändernde Umgebungsbedingungen. Beispiele sind etwa Formgedächtnislegierungen oder auch sogenannte elektro-/magneto-/optorheologische Materialien, die dank ihrer „mitdenkenden“ Eigenschaften in den verschiedensten Anwendungsbereichen Verwendung finden.

Ein weiterer Schwerpunkt Nordrhein-Westfalens liegt in der Erstellung innovativer Verbundstoffe. Materialkombinationen aus Metall, Kunststoff, Holz, Glas oder Keramik, die aufgrund ihrer Zusammensetzung bessere Nutzungseigenschaften aufweisen, sind genauso vertreten wie naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe oder auch Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC). Neben den Technologieentwicklern (Enablern) auf der Anbieterseite befinden sich in Nordrhein-Westfalen diverse Unternehmen auf der Nachfragerseite, deren Produktentwicklungen auf dem Einsatz der neuartigen Verbundstoffe beruhen. Die Herausforderung im Hinblick auf die Kreislaufwirtschaft wird darin bestehen, eine hochwertige Kreislaufführung dieser Werkstoffe zu erreichen. Denn: Wenn Materialien im Hinblick auf ihre Nutzung optimiert werden, steht dies nicht zwangsläufig im Einklang mit den Anforderungen einer effizienten Wiederverwertung. Erhebliche Probleme müssen gelöst werden, um diese Verbundstoffe in entsprechende Verwertungsprozesse integrieren zu können. Ein intelligentes Produktdesign ist somit notwendiger Ausgangspunkt jeder Kreislaufwirtschaft.

Ähnliche Herausforderungen hält der Trend zur Miniaturisierung, insbesondere in der Mess- und Sensortechnik bereit. Mikro- und Nanokapseln oder Piezoelektrika sind aktuelle Innovationsthemen. Und auch die Nanotechnologie mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist eine Querschnittstechnologie, die, neben ihren enormen Vorteilen in der Anwendung, mit Blick auf das Recycling auch hohe Ansprüche in Bezug auf die Kreislaufwirtschaft und damit entscheidende Fragen an die Forschung stellt.

Materialeffiziente Produktionsprozesse und Technologien

Im diesem Marktsegment sind Innovationen vor allem in der Produktionstechnik sowie in der Prozessoptimierung und -steuerung erkennbar. Ein zentraler technologischer Innovationsschwerpunkt sind materialeffiziente Produktionstechniken. Die Prozessoptimierung bzw. -steuerung ist im unternehmerischen Tagesgeschäft eine der wichtigsten Innovationsfaktoren. Die daraus hervorgehenden kontinuierlichen Effizienzsteigerungen führen zu nachhaltigen Ressourceneinsparungen, die die Wirtschaft in ihrer Wettbewerbsfähigkeit stärken.

Auch hier ist die digitale Steuerung und Sensorik zur Bereitstellung der notwendigen Informationen als Enabler-Technologien für die Entwicklungen von Produkten und Dienstleistungen prägend. Die Angebote der Unternehmen umfassen zunehmend Dienstleistungen einer vernetzten Produktion (Industrie 4.0) oder online-basierte Wartungstools zur langfristigen "Betreuung" der eigenen Produkte beim Kunden.
Mit der Weiterentwicklung der bionischen Verfahren und Prozesse besteht zudem ein stark wachsendes Technologiefeld mit großem Zukunftspotenzial. Die Einflussfaktoren (Substitution von Materialien) auf Produktentwicklung und Produktion sind erheblich und gehen einher mit einem hohen Potenzial zur Steigerung der Ressourceneffizienz.

Internationalisierung
Die wichtigsten internationalen Absatzmärkte im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft

Den größten globalen Importbedarf im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft weist mit 23 Mrd. Euro China auf, gefolgt von den USA mit 14 Mrd. Euro (Abbildung oben). Erst mit Abstand folgen die Länder Indien und Südkorea (je 6 Mrd. Euro). Ausgesprochen kräftiges Wachstum verzeichnen insbesondere die kleineren Märkte (Litauen mit +14,1 % p. a., Irland mit +13,1 % p. a. und Estland mit +12,9 % p. a.). Indien besticht in diesem Teilmarkt sowohl durch den globalen Importbedarf (Rang 3) als auch einer ausgeprägten Importdynamik (Rang 6). Der größte Importmarkt China fällt in der Nachfragedynamik (+1 % p. a.) zurück.

Größe und Entwicklung der Absatzmärkte im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft
Die Grafik das globale Importvolumen sowie das NRW-Exportvolumen für ausgewählte Märkte

Nordrhein-Westfalen auf Nachbarländer fokussiert und lässt Wachstumspotenziale auf anderen Märkten ungenutzt

Die Exportstärke Nordrhein-Westfalens konzentriert sich fast vollständig auf europäische Nachbarstaaten. Ausnahmen sind China und USA auf Rang 3 und 4. Die nordrhein-westfälischen Exporte im Teilmarkt Materialien, Materialeffizienz und Ressourcenwirtschaft gehen hauptsächlich in die Niederlande (569 Mio. Euro) und nach Belgien (534 Mio. Euro). Mit großem Abstand folgen die global größten Importeure China (196 Mio. Euro) und USA (152 Mio. Euro). Indien ist trotz der großen Importnachfrage und der ausgeprägten Import-Wachstumsrate in diesem Teilmarkt nicht unter den Top-8-Exportländern Nordrhein-Westfalens vertreten. Hier wird das vorhandene Absatzpotenzial eines großen und wachsenden Absatzmarktes nicht optimal ausgeschöpft.

Auch in der kombinierten Betrachtung der Kriterien globales Importvolumen und Dynamik zeigt sich, dass China, die USA und Indien auf dem Weltmarkt eine herausragende Rolle spielen. Die mittlere Abbildung macht zudem deutlich, dass im Vergleich zu Belgien und den Niederlanden andere europäische Länder ein höheres globales Importvolumen und vor allem höhere Wachstumsraten vorweisen, jedoch verhältnismäßig gering von Nordrhein-Westfalen erschlossen sind. Hierzu gehören Italien, das Vereinigte Königreich,Frankreich und Spanien, aber auch die stark wachsenden Märkte Polen, Tschechien und Irland.

Im Folgenden wird ein näherer Blick auf fünf für Nordrhein-Westfalen besonders relevante Absatzmärkte geworfen: Die USA und China stechen aufgrund ihrer hohen Importnachfrage und Dynamik hervor. Die Niederlande und Belgien sind kleiner, aber im Teilmarkt für Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen die wichtigsten Absatzmärkte überhaupt. Indien spielt für Nordrhein-Westfalen derzeit noch keine wichtige Rolle, weist jedoch sowohl ein hohes Importvolumen als auch eine hohe Dynamik auf.

Starke Nachfragentwicklungen im Marktsegment Technik für die Abfallwirtschaft

Das Marktsegment Abfallbehandlung und -verwertung dominiert in den betrachteten Märkten sowohl die Importnachfrage als auch die Exporte Nordrhein-Westfalens. Jedoch ist die Entwicklung auf beiden Seiten (mit Ausnahme der Nachfrage in Indien und in den USA) rückläufig. Während die Exporte aus Nordrhein-Westfalen in die europäischen Nachbarstaaten Niederlande und Belgien stark auf dieses Marktsegment fixiert sind, zeigt sich im Export nach China und in die USA das Marktsegment Technik für die Abfallwirtschaft verhältnismäßig zum globalen Import dieser Länder stark ausgeprägt. Insbesondere in den USA können Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen den steigenden Bedarf in diesem Marktsegment erfolgreich adressieren (13 % p. a. Exportwachstum). Insgesamt könnte Nordrhein-Westfalen im Marktsegment Technik für die Abfallwirtschaft jedoch weitere Potenziale heben: Während global im Durchschnitt über alle Länder das Wachstum im Marktsegment bei 6 % p. a. liegt, steigen die Exportraten Nordrhein-Westfalens im Segment nur um 2 % p. a.

Im verhältnismäßig kleinen Marktsegment Materialeffiziente Produktionsprozesse und Technologien übertrifft Nordrhein-Westfalen dagegen mit überdurchschnittlich wachsender Exportdynamik (+11 % p. a.) die global wachsende Nachfrage (+6 % p. a.). Der in diesem Segment stark wachsende US-amerikanische Markt (+7 % p. a.) kann hingegen von Nordrhein-Westfalen noch stärker adressiert werden.

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