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Branchenabhängiger Energieverbrauch des verarbeitenden Gewerbes

<p>Alle Wirtschaftsbereiche zusammen verbrauchen fast drei Viertel der in Deutschland benötigten Primärenergie. Der Anteil des verarbeitenden Gewerbes am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche lag 2022 bei rund 46 Prozent. Der Energiebedarf dieses Gewerbes blieb im Zeitraum 2010 bis 2022 etwa konstant, der spezifische Energieverbrauch pro Tonne Stahl, Glas oder Chemikalien ging aber zurück.</p><p>Der Energiebedarf Deutschlands</p><p>Der gesamte Primärenergiebedarf Deutschlands betrug im Jahr 2022 nach dem Inländerkonzept rund 11.854 Petajoule (PJ). Dabei wird der Verbrauch inländischer Wirtschaftseinheiten in der übrigen Welt in die Berechnung des Gesamtverbrauchs einbezogen, während der Verbrauch gebietsfremder Einheiten im Inland unberücksichtigt bleibt. Die privaten Haushalte in Deutschland verbrauchten rund 30 % der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠. Die Wirtschaft mit ihren vielen Produktionsbereichen benötigte die übrigen 70 %. Zu diesen Bereichen zählen das Herstellen von Waren, das Versorgen mit Energie und der Warentransport. All diese Produktionsbereiche verbrauchten im Jahr 2022 zusammen mehr als 8.170 PJ Primärenergie (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch 2022 (Inländerkonzept)“).</p><p>Zur Begriffsklärung: Mit der Präposition „primär“ betonen Fachleute, dass der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergiegewinnung-importe">“Primär“-Energiebedarf</a> sowohl den realen Energiebedarf bei Energieverbrauchern erfasst als auch die Energieverluste, die bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie entstehen. Und diese Verluste sind hoch: Mehr als ein Drittel aller Primärenergie geht bei der Bereitstellung und beim Transport von Energie verloren <a href="https://www.destatis.de/GPStatistik/receive/DEMonografie_monografie_00003790">(Statistisches Bundesamt 2006)</a>.</p><p>Der Energiebedarf des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Firmen, die Waren herstellen, werden als „verarbeitendes Gewerbe“ bezeichnet. Sie hatten von allen Produktionsbereichen im Jahr 2022 mit circa 3.768 PJ den größten Primärenergiebedarf. Das ist ein Anteil von rund 46 % am Energieverbrauch aller Produktionsbereiche. Der nächstgrößte Energieverbraucher war die Energieversorgung mit 1.594 PJ (oder 19,5 % Anteil am ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠), gefolgt vom Verkehr mit 1.121 PJ (oder 13,7 % Anteil am Primärenergieverbrauch) (siehe Abb. „Anteil wirtschaftlicher Aktivitäten am Primärenergieverbrauch aller Produktionsbereiche 2022“).</p><p>Primärenergienutzung des verarbeitenden Gewerbes</p><p>Die Primärenergienutzung innerhalb des verarbeitenden Gewerbes verteilt sich auf verschiedene Produktionssektoren (siehe Abb. „Anteile der Sektoren am ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ des verarbeitenden Gewerbes 2022“). Ein wichtiger Sektor ist dabei die Chemieindustrie. Sie benötigte im Jahr 2022 mit rund 1.592 PJ von allen Sektoren am meisten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠ zur Herstellung ihrer Erzeugnisse. Das ist ein Anteil von 42,3 % am Energieverbrauch im ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=verarbeitenden_Gewerbe#alphabar">verarbeitenden Gewerbe</a>⁠. Weitere wichtige Energienutzer sind die Metallindustrie mit einem Anteil von 14,7 % sowie die Hersteller von Glas, Glaswaren, Keramik, verarbeiteten Steinen und Erden mit 7,3 % am Energieverbrauch im verarbeitenden Gewerbe.</p><p>Die Energie wird Unternehmen dabei als elektrischer Strom, als Wärme (etwa als Dampf oder Thermoöl) sowie direkt in Form von Brennstoffen (wie Erdgas, Kohle oder ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Biomasse#alphabar">Biomasse</a>⁠) zur Verfügung gestellt.</p><p>Gleichbleibender Primärenergieverbrauch</p><p>Seit dem Jahr 2010 blieb der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergieverbrauch#alphabar">Primärenergieverbrauch</a>⁠ in fast allen Produktionssektoren relativ konstant (siehe Abb. „Primärenergieverbrauch ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“).</p><p>Gesunkene und gestiegene Primärenergieintensität </p><p>Die Primärenergieintensität beschreibt, wie viel ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Primrenergie#alphabar">Primärenergie</a>⁠ bezogen auf die erzielte Bruttowertschöpfung eines Produktionsbereichs oder Wirtschaftszweigs verbraucht wird. Die Entwicklung dieser Energieintensität über mehrere Jahre kann einen Hinweis darauf geben, ob in einem Wirtschaftszweig energieeffizient gearbeitet wird.</p><p>Die Primärenergieintensität einzelner Wirtschaftszweige entwickelte sich im Zeitraum 2010 bis 2021 unterschiedlich (siehe Abb. „Primärenergieintensität ausgewählter Sektoren des verarbeitenden Gewerbes“):</p><p>Begrenzte Aussagekraft der Primärenergieintensität</p><p>Schwankende Preise für Rohstoffe und Produkte sowie andere äußere Wirtschaftsfaktoren oder ggf. auch die Auswirkungen der weltweiten Corona-Pandemie beeinflussen zwar die Bruttowertschöpfung, nicht aber die Energieeffizienz eines Prozesses. Die Primärenergieintensität eignet sich daher nur eingeschränkt, um die Entwicklung der Energieeffizienz in den jeweiligen Herstellungsprozessen zu beschreiben. Dies ist unter anderem deutlich bei den Kokerei- und Mineralölerzeugnissen zu sehen.</p>

Wasserverdampfer in der Kältetechnik, Teilvorhaben: Splash-Verdampfung und Simulation

Modellierung der Latentwärmespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien zum Einsatz in der solaren Trocknungstechnik

Obwohl in den letzten Jahren vermehrt auf dem Gebiet der Latentwärmespeicherung und deren Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen geforscht wird, liegen bislang kaum Arbeiten über die Implementierung dieser Speichertechnik in Solartrocknungsanlagen für landwirtschaftliche Produkte vor. Durch die Realisierung einer solchen Speicherung der stark fluktuierenden Solarstrahlung würde eine weitere Erschließung der Solarenergienutzung für die landwirtschaftliche Trocknungstechnik ermöglicht. Latentwärmespeicher können die unvermeidlichen Tag/Nacht-Unterschiede der Trocknungstemperaturen reduzieren, die aus Sicht einer gleichmäßigen Prozessführung unerwünscht sind und in der Regel negative Auswirkungen auf die Produktqualität haben. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll modelliert werden, wie sich ein mit Latentwärmespeicher ausgestatteter Solartrockner im Vergleich zu einem konventionellen System verhält, welches nur aus einem Luftkollektor und einer Trocknereinheit besteht. Eine Simulationsrechnung erlaubt dabei die Bestimmung des Einflusses der verschiedensten Designparameter auf die Gesamtsystemleistung.Es werden dazu zunächst numerische Modelle für die Hauptsystemkomponenten Luftkollektor, Latentwärmespeicher und Trockner in Simulationsprogramme in einer MATLAB Umgebung implementiert. Mit diesen können anschließend parametrische Studien der unterschiedlichen Konfigurationen durchgeführt werden und deren Kenndaten etwa hinsichtlich der erwarteten Trocknungsdauer, des spezifischen Energiebedarfs, des solaren Deckungsgrades und der Produktqualität verglichen werden. Die erwarteten Forschungsergebnisse und die zu entwickelnden Simulationsprogramme ermöglichen eine wesentliche Erweiterung des Wissensstandes zur Nutzung von Solarenergie in der landwirtschaftlichen Trocknungstechnik und bilden zudem die Grundlage der technischen und ökonomischen Bewertung von Latentwärmespeichern bei Trocknungsprozessen.

ECS4DRES, Verbundprojekt: Elektroniksysteme für resiliente flexible Energienetze mit erneuerbaren Energieerzeugern - ECS4DRES

Solarthermische Raumluftentfeuchtung in Wasserwerken und anderen Anwendungen, Teilvorhaben: Solarthermie

Beim Forschungsvorhaben Solarthermische Raumluftentfeuchtung in Wasserwerken und anderen Anwendungen (dx-Wasser) handelt es sich um ein Verbundvorhaben der Universität Kassel, Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik als Koordinatorin in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Munters GmbH und Enertracting GmbH. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Strombedarf von Luftentfeuchtungsanlagen mit Sorptionsrotoren durch die Einbindung von thermischen Solaranlagen zur Beheizung der Regenerationsluft deutlich zu reduzieren. Im Forschungsvorhabens erfolgt eine Bestandsaufnahme des Istzustandes von Wasserwerken in Deutschland. Im Zuge dessen sollen Energieeffizienzmaßnahmen bzgl. Betrieb und Regelung von Luftentfeuchtungsanlagen entwickelt und anschließend bewertet werden. Im Rahmen von Langzeitmessungen werden mehrere Gebäude von Wasserversorgern messtechnisch untersucht. Die Einbindung solarthermischer Wärme zur Regeneration von Sorptionsrotoren wird umfassend im Labor des Fachgebiets analysiert. Hierzu werden Sorptionsrotoren der Munters GmbH in eine teils bestehende Messumgebung integriert. Im Vorhaben sollen zwei Testanlagen an unterschiedlichen Standorten (Hochbehälter und eine Gasdruckregelanlage) geplant, errichtet und vermessen werden. Um das System abbilden zu können, wird zuerst ein Modell eines Sorptionsrotors in der Simulationsumgebung Dymola aufgebaut und mit den Messdaten validiert. Anschließend wird ein Systemmodel in TRNSYS bestehend aus Sorptionsrotor, Wärmeübertrager, Nachheizregister und thermischer Solaranlage erstellt. Dieses wird ebenfalls mit den Messergebnissen validiert. Durch das Modell soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Anwendungen gewährleistet sein. Zusätzlich dient das Modell zur Entwicklung eines Vor-Auslegungstools für die Dimensionierung von solarthermisch beheizten Sorptionsrotoren. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden in einem Leitfaden zusammengefasst und der interessierten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Solarthermische Raumluftentfeuchtung in Wasserwerken und anderen Anwendungen

Beim Forschungsvorhaben Solarthermische Raumluftentfeuchtung in Wasserwerken und anderen Anwendungen (dx-Wasser) handelt es sich um ein Verbundvorhaben der Universität Kassel, Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik als Koordinatorin in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Munters GmbH und Enertracting GmbH. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Strombedarf von Luftentfeuchtungsanlagen mit Sorptionsrotoren durch die Einbindung von thermischen Solaranlagen zur Beheizung der Regenerationsluft deutlich zu reduzieren. Im Forschungsvorhabens erfolgt eine Bestandsaufnahme des Istzustandes von Wasserwerken in Deutschland. Im Zuge dessen sollen Energieeffizienzmaßnahmen bzgl. Betrieb und Regelung von Luftentfeuchtungsanlagen entwickelt und anschließend bewertet werden. Im Rahmen von Langzeitmessungen werden mehrere Gebäude von Wasserversorgern messtechnisch untersucht. Die Einbindung solarthermischer Wärme zur Regeneration von Sorptionsrotoren wird umfassend im Labor des Fachgebiets analysiert. Hierzu werden Sorptionsrotoren der Munters GmbH in eine teils bestehende Messumgebung integriert. Im Vorhaben sollen zwei Testanlagen an unterschiedlichen Standorten (Hochbehälter und eine Gasdruckregelanlage) geplant, errichtet und vermessen werden. Um das System abbilden zu können, wird zuerst ein Modell eines Sorptionsrotors in der Simulationsumgebung Dymola aufgebaut und mit den Messdaten validiert. Anschließend wird ein Systemmodel in TRNSYS bestehend aus Sorptionsrotor, Wärmeübertrager, Nachheizregister und thermischer Solaranlage erstellt. Dieses wird ebenfalls mit den Messergebnissen validiert. Durch das Modell soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Anwendungen gewährleistet sein. Zusätzlich dient das Modell zur Entwicklung eines Vor-Auslegungstools für die Dimensionierung von solarthermisch beheizten Sorptionsrotoren. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden in einem Leitfaden zusammengefasst und der interessierten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung eines Heißdrahtförderers sowie Sensordatenmanagement

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additiven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung eines energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmesserbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zugeführt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Bei EUTECT wird ein Heißdrahtfördersystem entwickelt, welches auf der einen Seite Feindrähte im Durchmesserbereich zwischen 50 µm und 100 µm prozesssicher fördern kann und auf der anderen Seite über eine Widerstandserwärmung verfügt, welche mit elektrischer Leistung von unter 7 W den Draht auf Temperaturen kurz unterhalb der Schmelztemperaturen erwärmen kann. Zusätzlich soll mit einer zu entwickelnden Kraftmesseinheit die mechanische Widerstandskraft auf den Draht während des Auftragschweißprozesses detektierbar sein.

Die Auswirkungen von Innentemperatur und kühlen Dächern auf die Ernährungssicherheit und das Verhalten gefährdeter Bevölkerungsgruppen im ländlichen Burkina Faso

Der Anstieg der globalen Temperaturen und extremer Hitze haben erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit und das sozioökonomische Wohlergehen von Menschen, wobei einkommensschwache Länder besonders betroffen sind. Ländliche Regionen in diesen Ländern sind besonders gefährdet, da sie weniger Anpassungsmöglichkeiten haben. Besonders benachteiligte Gruppen wie arme Menschen, Frauen, Kinder, ältere Menschen und Menschen mit gesundheitlichen Vorbelastungen sind häufig eingeschränkt im Zugang zu Ressourcen, Bildung und Gesundheitsversorgung, was ihre Anpassungsfähigkeit an extreme Hitze erheblich einschränkt. Da Menschen viel Zeit in Innenräumen verbringen, ist die Senkung der Innentemperaturen eine zentrale Anpassungsstrategie gegen Hitzestress, da sie dem Körper ermöglicht, sich von hoher Außentemperaturen zu erholen. Studien zeigen, dass niedrigere Innentemperaturen die Ernährungssicherheit, Gesundheit, das Sozialverhalten und die kognitive Leistung fördern. Energieintensive Maßnahmen wie Klimaanlagen erhöhen jedoch den Energiebedarf und Emissionen und sind in ressourcenarmen, ländlichen Gebieten im Globalen Süden oft nicht realisierbar. Passive Kühltechniken, wie kühle Dächer, bieten eine kostengünstige Möglichkeit zur Senkung der Innentemperatur und können Ernährungssicherheit, Gesundheit und Wohlstand verbessern. Die Auswirkungen dieser Technologien sind jedoch weitgehend unerforscht. Um diese Wissenslücke zu schließen, verwenden wir umfassende Haushalts- und Individualdaten aus einer geclusterten randomisierten Kontrollstudie (cRCT) und feinkörnige Daten zu Innen- und Außentemperaturen, die Kausalität identifizieren lassen. Aufbauend auf einem DFG-geförderten Forschungsprogramm zu öffentlicher Gesundheit soll unsere Studie empirische Belege für die kausalen Auswirkungen von Innentemperaturen und passiven Kühltechniken auf Ernährungssicherheit, innerfamiliäre Spannungen, Humankapitalentwicklung und psychische Gesundheit liefern. Diese Themen sind sowohl wissenschaftlich relevant als auch grundlegend für das unmittelbare und langfristige Wohlbefinden, insbesondere in Ländern mit niedrigem Einkommen. Da sie miteinander verknüpft sind und sich gegenseitig verstärken, sind sie für das Verständnis der breiteren Entwicklungs- und Gesundheitsergebnisse von wesentlicher Bedeutung. Zudem werden wir die potenziellen Mechanismen, die den Einflüssen der Innentemperatur und passiven Kühlstrategien auf das Wohlergehen und Verhalten von fünf gefährdeten Gruppen (arme Menschen, Frauen, Kinder, ältere Menschen und Menschen mit psychischen Erkrankungen) zugrunde liegen, identifizieren und prüfen. Dieser Ansatz ist nicht nur entscheidend für die Quantifizierung der verschiedenen Auswirkungen der Innentemperaturen auf gefährdete Gruppen, sondern liefert auch wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung gezielter Interventionen und Anpassungsstrategien im Kontext des Klimawandels.

Entwicklung und Erprobung eines effizienten CO2-Abscheidungsverfahrens auf der Basis wabenstrukturierter Adsorbentien

Die Abscheidung von Kohlendioxid (Carbon Capture) wird für viele energieintensive und schwer dekarbonisierbare Prozesse wesentlich sein, um zukünftige CO2-Ziele einhalten zu können. Es gibt unterschiedliche Verfahren zur CO2-Abscheidung, wobei die Aminwäsche (Absorption) am weitesten verbreitet ist und in großem Maßstab kommerziell eingesetzt wird. Den Vorteilen der hohen Beladungskapazität und Selektivität stehen bei diesem Verfahren die Nachteile eines hohen Energiebedarfs, hoher Investitionskosten und verfahrensbedingter Aminemissionen gegenüber. Eine äußerst attraktive Alternative stellen adsorptive Trennverfahren mit festen Adsorbentien dar, mit dem Potential für geringeren Energiebedarf, einer Vermeidung von Aminschlupf durch die feste Bindung an den Träger und sehr guter Skalierbarkeit des Verfahrens. Als Adsorbentien für die CO2-Abtrennung werden heute praktisch ausschließlich Granulate oder Pellets betrachtet, da keine Alternativen in großem Maßstab verfügbar sind. Zur Behandlung von sehr großen Volumenströmen sind strukturierte Packungen, z.B. Wabenkörper, aufgrund Ihres deutlich günstigeren Verhältnisses von Druckverlust zu spezifischer Oberfläche von wesentlichem Vorteil im Vergleich zu Festbettschüttungen. Strukturierte Adsorbentien zur CO2-Abtrennung sind derzeit nicht in industriellem Maßstab verfügbar. Die Entwicklung und Fertigung ist kapitalintensiv und erfordert sehr spezielles Know-how auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen auf aminfunktionalisierten Wabenkörpern basierenden Adsorptionsprozess zur effizienten Abscheidung von CO2 aus Prozess- oder Rauchgasen zu entwickeln und anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele zu demonstrieren.

Support for development of CDM projects in Thailand

The objective of the project is to support the client for successful development of CDM projects in the agro-industry sector in Thailand. Sector for CDM project development is agro-industry with focus on starch factories. Starch industry is highly energy intensive and produces significant amounts of wastewater. Furthermore, as part of the Cassava processing, pulp is separated as organic waste. The projects aim to introduce biogas generation from organic waste in starch production and decrease the factories dependence on fossil fuels. The supported CDM projects consist of two components: methane avoidance and fuel switch of electricity from the grid and fossil fuels to renewable energy. The technical solutions included the treatment of wastewater and pulp from starch industry for biogas production. The generated biogas will be used for electricity and heat generation. The development of the projects as CDM projects enables co-financing of the investment via the carbon sales. Services provided: The support consisted of 3 packages: Revision of the PDD for biogas from wastewater project: Technical revision of the Project Design Document as a '3rd party'; Assessment and revision of the 'additionality of the project and emission reduction calculations; Development of the PDD for the pulp to energy biogas projects: Development of a project design document (PDD) according to the regulations of the Kyoto protocol; Assessment and demonstration of the 'additionality of CDM projects which use pulp from starch factories for biogas generation; Preparation of the study about the pulp in the starch factories in Thailand: Development of the concept for the study; Determination of methodology, approach and stakeholders for the study development.

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