Steigende Energiepreise und ein zunehmendes Bewusstsein für ökologische Fertigungsprozesse und Nachhaltigkeit in der massivholzverarbeitenden Industrie führen dazu, dass bei Beschaffung neuer Produktionsanlagen deren Energieeffizienz mehr und mehr in den Fokus gerät. In Keilzinkenanlagen werden Massivhölzer automatisch in Längsrichtung zu einem definierten Strang verbunden. Dazu werden die einzelnen Hölzer durch die Anlage transportiert, spanend bearbeitet, mit Klebstoff versehen und miteinander verbunden. Der so entstandene Strang wird anschließend verpresst und schließlich auf das gewünschte Maß abgelängt. An diesem Gesamtprozess ist eine große Anzahl von Energieverbrauchern beteiligt und es werden verschiedene Energieformen eingesetzt. Neben der elektrischen Energie wird vor allem Druckluft verwendet. Zur Entsorgung der anfallenden Holzspäne muss der Anlagenbetreiber aber auch eine entsprechende Absauganlage bereitstellen, die wiederum einen beträchtlichen Energieverbraucher darstellt.
Im Rahmen dieser Masterarbeit sind konkrete Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen zu entwickeln. Der Student Christen Matthies soll anhand einer typischen Anlagenkonfiguration einer Kurzholzanlage den Energieverbrauch gesamtheitlich systematisch erfassen und analysieren. Aus den Untersuchungsergebnissen sollen Ansätze zur Steigerung der Anlagen-Energieeffizienz entwickelt und deren Potenzial untersucht werden. Dabei dürfen bestehende Systeme und Baugruppen durchaus in Frage gestellt werden. Die Produktionsleistung der Anlage darf sich durch die vorgeschlagenen Änderungen jedoch nicht verringern.
Im weiteren Verlauf der Arbeit sollen die Maßnahmen mit dem größten Potenzial herausgearbeitet und in einer Handlungsempfehlung konkretisiert werden.
Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Energieeffizienz o Herausforderung des 21. Jahrhunderts
1.2 Grecon Dimter Holzoptimierung Nord GmbH & Co. KG
2 Vorgehensweise
3 Grundlagen
3.1 Energieanwendungen
3.2 Energieformen
3.3 Effizienz und Effektivität
3.4 Energieeffizienz
3.5 Energiesparen
3.6 Energieverbrauch in der deutschen Volkswirtschaft
3.6.1 Energieverbrauch in Deutschland
3.6.2 Energiesparpotenzial in Deutschland
3.7 Energieverbrauch im deutschen Maschineno und Anlagenbau ...
3.7.1 Status quo
3.7.2 Energiesparpotenziale
3.7.3 Handlungsfelder und Forschungsbedarfe
3.8 Handlungsansätze zur Energieeffizienzsteigerung von
Produktionsmaschinen
3.9 Projekte aus der industriellen Praxis
3.10 Dynamische Amortisationsrechnung
3.11 Ausgewählte Einzelmaßnahmen zur Steigerung der
Energieeffizienz
3.11.1 Blindstromkompensation
3.11.2 Energieeffiziente Motoren
3.11.3 Druckluftanwendungen
3.11.4 Bedarfsgerechte Leistungsanpassung von Ventilatoren.
3.12 Hochgeschwindigkeitszerspanung
3.12.1 Definition
3.12.2 Spanungsgrößen
3.12.3 Energieeinsatz
3.12.4 Wärmeabfuhr
4 Aufnahme des bestehenden Anlagenzustands
4.1 Auswahl der Anlagenkonfiguration
4.2 Kurzbeschreibung der Keilzinkenanlage
4.3 Systemanalyse
4.3.1 Systemabgrenzung
4.3.2 Qualitative Analyse der Energieanwendungen
4.3.3 Quantitative Analyse der Energieanwendungen
4.3.3.1 Elektrische Energie
4.3.3.2 Druckluftenergie
4.3.3.3 Absaugung
4.3.3.4 Beleuchtung, Informationso, Kommunikationsund Steuerungstechnik
5 Energetische Einzelmaßnahmen für elektrische Antriebe
5.1 Blindleistungskompensation
5.2 Einsatz energieeffizienter Antriebe
5.3 Einsatz von Antrieben am Umrichter
5.4 Sternschaltung der Werkzeugantriebe im Leerlauf
5.5 Umrichterbetrieb der Werkzeugantriebe
5.5.1 Drehzahlreduzierung zwischen Bearbeitungsvorgängen
5.5.2 Drehzahlreduzierung während Wartezeiten
5.5.3 Umrichterbedingte Blindleistungskompensation
6 Energetische Einzelmaßnahmen für pneumatische Anwendungen..
6.1 Korrekte Anforderungen an Druckluftanlage
6.1.1 Volumenstrom
6.1.2 Relativdruck
6.2 Integrierte Leckageerkennung
6.3 Trennung vom Druckluftnetz bei Nichtbetrieb
6.4 Senkung der Druckverluste
6.4.1 Ausreichende Dimensionierung des Leitungsnetzes
6.4.2 Anforderungsgerechte Konfiguration der
Wartungseinheit
6.5 Verringerung vom Arbeitsdruck des nichtproduktiven Hubs
7 Energetische Einzelmaßnahmen für hydraulische Anwendungen
7.1 Einordnung des bestehenden Hydrauliksystems
7.2 Einsatz energieeffizienter Pumpe
7.3 Konstantpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb
8 Energetische Einzelmaßnahmen für Absaugungsanlagen
8.1 Senkung der Druckverluste im Leitungssystem
8.1.1 Absaugkasten
8.1.2 Leitungsnetz
8.2 Bedarfsgerechte Leistungsanpassung
9 Technologieübergreifende Maßnahmen
9.1 Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung
9.2 Substitution des Energieträgers Druckluft
10 Handlungsempfehlungen
10.1 Blindleistungskompensation
10.2 Einsatz energieeffizienter Antriebe
10.3 Sternschaltung der Werkzeugantriebe im Leerlauf
10.4 Umrichterbetrieb der Werkzeugantriebe
10.4.1 Drehzahlreduzierung zwischen Bearbeitungsvorgängen
10.4.2 Drehzahlreduzierung während Wartezeiten
10.5 Kompensation der Blindleistung
10.6 Senkung der Druckverluste
10.6.1 Ausreichende Dimensionierung des Leitungsnetzes
10.6.2 Anforderungsgerechte Konfiguration der
Wartungseinheit
10.7 Verringerung vom Arbeitsdruck des nichtproduktiven Hubs
10.8 Konstantpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb
10.9 Senkung der Druckverluste im Leitungssystem und
Bedarfsgerechte Leistungsanpassung
10.10 Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung
10.11 Substitution des Energieträgers Druckluft
11 Zusammenfassung
12 Anhang
12.1 Literaturverzeichnis
12.2 Eidesstattliche Erklärung
12.3 Verteilung elektrischer und pneumatischer Verbraucher
12.4 Nennwirkungsgrade der Elektromotoren
12.5 Druckverluste in Leitungssegmenten
12.6 Energiebedarf für den Antrieb des Keilzinkenfräswerkzeugs
12.7 Energiebedarf für den Antrieb des Keilzinkenfräswerkzeugs bei
ungesteuertem Abbremsen
12.8 Energiekostenersparnis bei ungesteuertem Abbremsen
12.9 Energiebedarf der Drehzahlreduzierung während Wartezeiten.
12.10 Spezifischer Leistungsbedarf für die Drucklufterzeugung
12.11 Investitionsrechnung für Maßnahme: Einsatz energieeffizienter
Antriebe
12.12 Investitionsrechnung für Maßnahme: Drehzahlreduzierung
zwischen Bearbeitungsvorgängen
12.13 Investitionsrechnung für Maßnahme: Drehzahlreduzierung
während Wartezeiten
12.14 Investitionsrechnung für Maßnahme: Kompensation der
Blindleistung
12.15 Investitionsrechnung für Maßnahme: Verringerung vom
Arbeitsdruck des nichtproduktiven Hubs
12.16 Ventilator Typ HDo40o3000 B3
12.17 Investitionsrechnung für Maßnahme: Substitution des
Energieträgers Druckluft
12.18 Glossar
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1.1 Keilzinkenanlage Combipact (Grecon Dimter Holzoptimierung
Nord GmbH & Co.KG (Alfeld) 2009, S. 2)
Abbildung 2.1 Zeitplan Masterarbeit
Abbildung 3.1 Begriffe der Energieanwendung (Müller et al. 2009, S. 4)
Abbildung 3.2 Energieumwandlungskette und Energiebilanz in Deutschland
(Pehnt 2010, S. 22)
Abbildung 3.3 Energiesparen und Energieeffizienz (Pehnt 2010, S. 4)
Abbildung 3.4 Aufteilung des Endenergiebedarfs auf Verbrauchssektoren
(rechts) und Bedarfsarten (links) in Deutschland 2007 (Forschungsstelle für
Energiewirtschaft e. V. (München))
Abbildung 3.5 Co2oVermeidungspotenziale in Deutschland im Jahr 2015, summiert über alle Sektoren, durchschnittliche Energiesparkosten (dicke Linie) und Co2oVermeidungskosten (dünne Linie) im Vergleich zu den Kosten bei ohnehin durchzuführenden Maßnahmen, unter Berücksichtigung der eingesparten Energiesystemkosten (netto), aus gesamtwirtschaftlicher Sicht (Barthel et al. 2006, S. 15)
Abbildung 3.6 Durchschnittliche Mehrkosten netto gegenüber ohnehin
durchzuführenden Maßnahmen aus Kundensicht im Jahr 2015, summiert
über alle Sektoren (Barthel et al. 2006, S. 16)
Abbildung 3.7 Ranking der relativen technologiebasierten
Endenergieeinsparungen nach Industriebranchen zwischen 1995 und
(Seefeldt et al. 2009, S. 43)
Abbildung 3.8 Handlungsansätze zur Steigerung der Energieeffizienz in
Produktionsanlagen (Müller et al. 2009, S. 123)
Abbildung 3.9 Leistungszeigerdiagramm (ZVEI o Zentralverband Elektrotechniko
und Elektronikindustrie e. V. (Frankfurt am Main) 2008, S. 4)
Abbildung 3.10 Kennlinien eines 11okWoDrehstromoAsynchronmotors (Rudolph
und Wagner 2008, S. 198)
Abbildung 3.11 Gegenüberstellung alte und neue Energieeffizienzklassen; orange gestrichelte Linie: EFF1, blau gestrichelte Linie: EFF2 (Volz 2010,
S. 6)
Abbildung 3.12 Anlageno und Ventilatorkennlinie (Deutsche EnergieoAgentur GmbH (dena) (Berlin) 2010b, S. 24)
Abbildung 3.13 Drehzahlregelung eines Ventilators (Deutsche EnergieoAgentur
GmbH (dena) (Berlin) 2010b, S. 26)
Abbildung 3.14 Charakteristika bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung
(Reucher und Sölter 2011, S. 1)
Abbildung 3.15 Schnitto und Vorschubkraft in Abhängigkeit von der
Schnittgeschwindigkeit (Tönshoff und Hollmann 2005, S. 29)
Abbildung 3.16 Wärmeabfuhr durch Werkzeug, Werkstück und Span bei
zunehmender Schnittgeschwindigkeit (Paucksch et al. 2008, S. 427)
Abbildung 4.1 Anlagenlayout der Keilzinkenanlage Combipact
Abbildung 4.2 Bilanzierung der Stoffo und Energieströme einer
Keilzinkenanlage
Abbildung 4.3 Verteilung der installierten elektrischen Nennleistung auf
Anlagenteile und Aktuatoren
Abbildung 4.4 Verteilung des DruckluftoVolumenstroms auf Anlagenteile und
pneumatische Funktionen
Abbildung 5.1 Verlauf der Leistungsaufnahme der spanenden
Werkzeugantriebe im Betrieb
Abbildung 5.2 Amortisationsdauer energieeffizienter Motoren für die spanenden
Werkzeugantriebe in Abhängigkeit von der jährlichen Betriebsdauer
Abbildung 5.3 Energiekostenersparnis in Abhängigkeit von der
Produktionsleistung und Betriebsstundenzahl
Abbildung 5.4 Wirkleistungsaufnahme des Werkzeugantriebs in Abhängigkeit
von der Leerlaufdrehzahl
Abbildung 5.5 Wirkleistungsaufnahme des Werkzeugantriebs bei
Produktionsleistung von 5 Takten pro Minute
Abbildung 5.6 Zeitanteile am Bearbeitungsprozess in Abhängigkeit von der
Produktionsleistung
Abbildung 5.7 Energiekostenersparnis in Abhängigkeit von der
Produktionsleistung und Betriebsstundenzahl
Abbildung 5.8 Amortisationsdauer in Abhängigkeit von der Produktionsleistung
und Betriebsstundenzahl
Abbildung 5.9 Amortisationsdauer in Abhängigkeit von der Produktionsleistung und Betriebsstundenzahl bei ungesteuertem Abbremsen des Antriebs
Abbildung 5.10 Energiekostenersparnis abhängig von der Leerlaufdauer und
Anzahl der Wartephasen
Abbildung 5.11 Blindenergiekostenersparnis abhängig von der Leerlaufdauer
und Produktionsleistung
Abbildung 6.1 Durchflusssensor SFAM (Festo AG & Co. KG (Esslingen)
2011)
Abbildung 6.2 Amortisationsdauer des zusätzlichen Durchflusssensors in
Abhängigkeit von jährlicher Betriebsdauer und Leckagedurchmesser
Abbildung 6.3 Wartungseinheit, bestehend aus Filter, Kondensatabscheider,
Druckregler und Öler (Bosch Rexroth AG (Lohr am Main) 2011, S. 1)
Abbildung 6.4 Anordnung eines Reglers im Verbund mit zwei Zylindern zur
Druckluftreduzierung im nichtproduktiven Hub (Lau 2008, S. 1o33)
Abbildung 6.5 Amortisationsdauer des zusätzlichen Druckregelventils in
Abhängigkeit von der Betriebsdauer und Anwendung
Abbildung 7.1 Kreislauf mit eingeprägtem Differenzdruck,
Maximaldruckregelung und Verstellpumpe (Matthies und Renius 2008,
S. 227)
Abbildung 7.2 Verlustleistung bei System mit eingeprägter Druckdifferenz
(Matthies und Renius 2008, S. 228)
Abbildung 7.3 Funktionsprinzip des drehzahlvariablen Pumpenantriebs
(Bosch Rexroth AG (Lohr am Main))
Abbildung 8.1 Saugkasten mit starken Querschnittsänderungen und Angabe der prozentualen Querschnittsflächen sowie dem Strompfad (qualitativ)..
Abbildung 8.2 Saugkasten mit verminderten Querschnittsänderungen und Angabe der prozentualen Querschnittsflächen sowie dem Strompfad
(qualitativ)
Abbildung 8.3 Vorschlag für Saugkasten mit annähernd konstanter
Querschnittsfläche und geringer Umlenkung des Volumentroms
Abbildung 8.4 Layout des ursprünglichen Leitungsnetzes der
Unterdruckanwendung mit Darstellung des Leitungsverlaufs, Angaben zur
relativen Querschnittsfläche und zum Leitungsdurchmesser
Abbildung 8.5 Layout des überarbeiteten Leitungsnetzes der
Unterdruckanwendung
Abbildung 8.6 Unterdruckanwendung als geschlossener Kreislauf nach (Kiel
2007, S. 450)
Abbildung 9.1 spezifischer Leistungsbedarf beim Keilzinkenfräsen beim Einsatz verschiedener Werkzeuge in Abhängigkeit von der
Vorschubgeschwindigkeit (Thomschke 2007, S. 90)
Abbildung 9.2 Amortisationsdauer des elektromotorischen Antriebslösung abhängig von der Betriebsstundenzahl und Berücksichtigung der Entwicklungskosten
Abbildung 12.1 Nennleistung elektrischer Antriebe mit Angabe des Anlagenteils
Abbildung 12.2 Volumenstrom pneumatischer Antriebe mit Angabe der pneumatischen Funktion
Abbildung 12.3 Energiebedarf für den Antrieb des Keilzinkenfräswerkzeugs in Abhängigkeit von der Produktionsleistung der Keilzinkenfräse sowie der Leerlaufdrehzahl der Werkzeugspindel
Abbildung 12.4 Energiebedarf für den Antrieb des Keilzinkenfräswerkzeugs in Abhängigkeit von der Produktionsleistung der Keilzinkenfräse ohne Reduzierung der Leerlaufdrehzahl der Werkzeugspindel sowie mit ungesteuerter Bremsung
Abbildung 12.5 Energiekostenersparnis in Abhängigkeit von der Produktionsleistung und Betriebsstundenzahl
Abbildung 12.6 Energieaufnahme bei verschiedenen Leerlaufdrehzahlen in
Abhängigkeit von der Leerlaufzeit
Abbildung 12.7 Spezifischer Leistungsbedarf über dem Verdichtungsenddruck (Weiß 2008, S. 13)
Abbildung 12.8 Amortisationsdauer in Abhängigkeit von der Häufigkeit der Produktionsunterbrechungen, Dauer der Wartezeit von 30 Sekunden ... 118 Abbildung 12.9
Abbildung 12.9 Amortisationsdauer in Abhängigkeit von der Produktionsgeschwindigkeit, Leerlaufdrehzahl und Betriebsstundenzahl
Abbildung 12.10 Ventilatorkennlinie
Abbildung 12.11 Wirkungsgrado und Leistungskennlinie
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3.1 Gegenüberstellung der neuen IEoEffizienzklassen mit der Klassifizierung nach CEMEP (EFFoKlassen) (Volz 2010, S. 5)
Tabelle 4.1 Ausrüstungsliste mit Angaben zu elektrischen Verbrauchern
Tabelle 4.2 Ausrüstungsliste mit Angaben zu Druckluftverbrauchern
Tabelle 4.3 Zusammensetzung des Absaugvolumens
Tabelle 5.1 verschiedene Leistungsfaktoren und jeweilige installierte Nennleistung
Tabelle 5.2 Häufigkeitsverteilung der Elektromotoren nach Nennleistung und Wirkungsgradklassen
Tabelle 5.3 Leistungsaufnahme der Werkzeugantriebe in Sterno und Dreieckschaltung
Tabelle 5.4 Wirko Scheino und Blindleistung bei Umrichtero und Netzbetrieb des Fräswerkzeugantriebs
Tabelle 6.1 Verlustleistung und okosten bei Arbeitspreis von 0,12 EUR/kWh und 7 Bar Überdruck
Tabelle 6.2 erhöhte Druckverluste in Leitungsabschnitten (WE = Wartungseinheit)
Tabelle 12.1 Wirkungsgrade der Elektromotoren
Tabelle 12.2 Druckverluste in Leitungssegmenten der Fräse 1
Tabelle 12.3 Druckverluste in Leitungssegmenten der Fräse 2
Tabelle 12.4 Druckverluste der Leitungssegmente der Übergabe
Tabelle 12.5 Druckverluste in Leitungssegmenten der Presse
Tabelle 12.7 Randbedingungen für Amortisationsrechnung
Tabelle 12.8 Amortisationsrechnung Kapitalwertmethode, Vorritzer und Zerspaner
Tabelle 12.9 Amortisationsrechnung Kapitalwertmethode, Keilzinkenfräser .. 116 Tabelle 12.10 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 2000 Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.11 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 4000 Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.12 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 8000 Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.13 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 2000 Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.14 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 2000 Betriebsstunden jährlich, 4800 1/min
Tabelle 12.15 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 2000 Betriebsstunden jährlich, 2400 1/min
Tabelle 12.16 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 4000 Betriebsstunden jährlich, 4800 1/min
Tabelle 12.17 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 4000 Betriebsstunden jährlich, 2400 1/min
Tabelle 12.18 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 8000 Betriebsstunden jährlich, 4800 1/min
Tabelle 12.19 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode, 8000 Betriebsstunden jährlich, 2400 1/min
Tabelle 12.20 Randbedingungen für Amortisationsrechnung, Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.21 Randbedingungen für Amortisationsrechnung, Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.22 Randbedingungen für Amortisationsrechnung, Betriebsstunden jährlich
Tabelle 12.23 Datenblatt
Tabelle 12.24 Randbedingungen für Investitionsrechnung nach Kapitalwertmethode
Tabelle 12.25 Amortisationsrechnung Kapitalwertmethode
Tabelle 12.26 Normzustände von Gasen
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aufgabenstellung
Steigende Energiepreise und ein zunehmendes Bewusstsein für ökologische Fertigungsprozesse und Nachhaltigkeit in der massivholzverarbeitenden Industrie führen dazu, dass bei Beschaffung neuer Produktionsanlagen deren Energieeffizienz mehr und mehr in den Fokus gerät.
In Keilzinkenanlagen werden Massivhölzer automatisch in Längsrichtung zu einem definierten Strang verbunden. Dazu werden die einzelnen Hölzer durch die Anlage transportiert, spanend bearbeitet, mit Klebstoff versehen und miteinander verbunden. Der so entstandene Strang wird anschließend verpresst und schließlich auf das gewünschte Maß abgelängt.
An diesem Gesamtprozess ist eine große Anzahl von Energieverbrauchern beteiligt und es werden verschiedene Energieformen eingesetzt. Neben der elektrischen Energie wird vor allem Druckluft verwendet. Zur Entsorgung der anfallenden Holzspäne muss der Anlagenbetreiber aber auch eine entsprechende Absauganlage bereitstellen, die wiederum einen beträchtlichen Energieverbraucher darstellt.
Im Rahmen dieser Masterarbeit sind konkrete Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen zu entwickeln.
Der Student Christen Matthies soll anhand einer typischen Anlagenkonfiguration einer Kurzholzanlage den Energieverbrauch gesamtheitlich systematisch erfassen und analysieren. Aus den Untersuchungsergebnissen sollen Ansätze zur Steigerung der AnlagenoEnergieeffizienz entwickelt und deren Potenzial untersucht werden. Dabei dürfen bestehende Systeme und Baugruppen durchaus in Frage gestellt werden. Die Produktionsleistung der Anlage darf sich durch die vorgeschlagenen Änderungen jedoch nicht verringern.
Im weiteren Verlauf der Arbeit sollen die Maßnahmen mit dem größten Potenzial herausgearbeitet und in einer Handlungsempfehlung konkretisiert werden.
1 Einleitung
1.1 Energieeffizienz o Herausforderung des 21. Jahrhunderts
Die steigenden Energiepreise der vergangenen Jahre haben sowohl Privatpersonen als auch die Industrie alarmiert. Sowohl bei den Bürgern als auch den produzierenden Unternehmen hat dieser Preisanstieg zu einer hohen Sensibilität und einer intensiven Beschäftigung mit dem Thema Energie geführt (Müller et al. 2009, S. 1). Dabei rückt die Notwendigkeit eines effizienteren Umgangs mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen stärker in den Fokus von Wirtschaft, Forschung und Politik (Reimund et al. 2008, S. 1). Ein verantwortungsvoller Umgang mit den natürlichen Ressourcen und der Schutz der natürlichen Umwelt sind mittlerweile weltweit als wichtige Entwicklungsziele akzeptiert.
Die Notwendigkeit der Energieeffizienz schlägt sich auch in entsprechenden politischen Zielen nieder. Die Europäische Kommission verabschiedete im Jahr 2006 den Aktionsplan Energieeffizienz mit dem Ziel einer Energieeinsparung von 20 % gegenüber dem derzeitigen Trend. Auch Deutschland strebt eine Verdopplung der Energieeffizienz bis zum Jahr 2020 gegenüber 1990 an (Pehnt 2010, S. v).
Die Richtlinie 2006/32/EG Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen (EDLRL) verlangt, dass zwischen 2008 und 2016 Energieeinsparungen von 9 Prozent im Vergleich zum durchschnittlichen Endenergieverbrauch der Jahre 2001 bis 2005 nachzuweisen sind (Europäisches Parlament (Straßburg) 2006, S. 69). Adressaten dieser Regelung sind sowohl die Energieverteiler und olieferanten auf der Anbieterseite als auch deren Kunden auf der Nachfrageseite. Die EUoRichtlinie Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden 2002/91/EG stellt verbindliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden und betrachtet dabei die Gesamtheit der Einflüsse, die durch Heizung, Lüftung, Gebäudegröße und viele weitere Faktoren auf die Energiebilanz wirkt (Müller et al. 2009, S. 18o19).
Die Energieeffizienz der produzierenden Wirtschaft ist davon in der Regel nur in der Produktionsperipherie betroffen (z. B. KraftoWärmeoAnlagen, Gebäudeenergieeffizienz). Auf der Ebene der Maschinen und Anlagen bestehen keine unmittelbaren Verpflichtungen, jedoch unterliegt die deutsche Industrie nach § 5 (1) Nr. 4 des BundesoImmissionsschutzgesetzes (BImSchG) als Betreiber von Anlagen seit langem der Grundpflicht, schädliche Emissionen in die Umwelt o unter anderem Abgase, Abwärme aus energetischen Prozessen o zu vermeiden und Energie sparsam und effizient zu verwenden. Maßstab für die Erfüllung dieser Pflicht ist, dass die betrieblichen Anlagen dem Stand der Technik [1] entsprechen (Müller et al. 2009, S. 20).
1.2 Grecon Dimter Holzoptimierung Nord GmbH & Co. KG
Der Maschinenbau begann im Jahr 1920 mit der Produktion von Schuhleistenkopierdrehbänken. Die Firma Sauter aus Zaisenhausen wurde 1978 übernommen und damit die Keilzinkeno, Kappsägeno und Verleimpressentechnologie nach Alfeld verlagert. Von da an wurden vermehrt Maschinen für die Holzbearbeitung entwickelt, produziert und verkauft. Nachdem die Weinig Gruppe 1998 60 % des Maschinenbausektors der FagusoGreCon Greten GmbH & Co. KG übernahm, wurde daraufhin das Joint Venture Grecon Dimter Holzoptimierung Nord GmbH (Grecon) gegründet (Michael Weinig AG (Tauberbischofsheim) 2011).
Wer heutzutage die Technik und das Knowohow zum Keilzinken benötigt, kommt an Grecon nicht vorbei. Die innovativen Keilzinkenanlagen werden weltweit sowohl in der industriellen Fertigung im DreioSchichtoBetrieb als auch in Handwerksbetrieben eingesetzt. Zusammen mit der Weinig AG in Tauberbischofsheim ist Grecon weltweit führender Hersteller von Maschinen und Systemen für die Massivholzverarbeitung und Holzoptimierung. Im Keilzinkenbereich hält Grecon einen Weltmarktanteil von ca. 40 %. Die Weinig Gruppe verbuchte im Jahr 2008 einen Umsatz von rund 340 Mio. Euro, davon entfielen allein 33 Mio. Euro auf den Keilzinkenbereich. Insgesamt sind weltweit ca. 2.200 Mitarbeiter beschäftigt, davon 140 bei Grecon in Alfeld (Michael Weinig AG (Tauberbischofsheim) 2009, S. 4). Grecon verkaufte im Jahr 2008 insgesamt 76 Keilzinkenanlagen. Einige der größten Abnehmer sind unter anderem die Zulieferer von IKEA und Hornbach.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1.1 Keilzinkenanlage Combipact (Grecon Dimter Holzoptimierung Nord GmbH & Co.KG (Alfeld) 2009, S. 2)
2 Vorgehensweise
Im Rahmen einer Recherche wird ermittelt, welche Zugänge zu energieeffizienzsteigernden Maßnahmen im Maschineno und Anlagenbau bereits eingesetzt werden. Geprüft wird, inwieweit auf Ergebnissen und Erfahrungen aus ähnlichen Projekten in der industriellen Praxis aufgebaut werden kann. Zu Beginn der optimierung steht eine Analyse des IstoZustandes, dabei werden alle relevanten Daten der Anlage erfasst. Dazu gehören:
- grundsätzliche Anlagendaten und
- erfasste Energieanwendungen; zu denen im Einzelnen zählen:
- elektromechanische Antriebe,
- Druckluft,
- Absaugung,
- Beleuchtung sowie
- Informationso, Kommunikationso und Steuerungstechnik.
Die nicht verfügbaren oder schlecht abschätzbaren Daten werden im nächsten Schritt durch Messungen ermittelt. Alle weiteren nicht vorhandenen Daten müssen aus Literaturangaben ermittelt oder mit Erfahrungswerten geschätzt werden.
Auf der Basis der gesammelten Daten werden die Energieflüsse der Keilzinkenanlage und die Anteile einzelner Verbrauchergruppen am Energieverbrauch ermittelt. Auf dieser Basis wird die energetische optimierung vorgenommen.
Um das Potenzial der optimierungsmaßnahmen auszuloten, werden die Einzelmaßnahmen unter ökonomischen Gesichtspunkten beleuchtet. Auf dieser Grundlage werden konkrete Handlungsempfehlungen zur energetischen optimierung der Keilzinkenanlage gegeben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Um Arbeitsumfang und zeitliche Abläufe zu erkennen, wird die geplante Durchführung der Masterarbeit mit Hilfe eines Projektstrukturplans dargestellt. Die Einteilung der Gesamtaufgabe in einzelne Arbeitspakete und ihrer zugehörigen Termine soll ein strukturiertes Vorgehen erleichtern. Abweichungen vom Terminplan können so leicht erkannt und Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Den Projektstrukturplan mit dem zeitlichen Ablauf sowie den gebildeten Arbeitspaketen zeigt Abbildung 2.1.
3 Grundlagen
3.1 Energieanwendungen
Jeder Energiebedarf wird durch bestimmte Ziele, Wünsche oder Bedürfnisse eines Nutzers verursacht. Dabei können die Anwendungen gruppiert werden (Rudolph und Wagner 2008, S. 3o4), (Müller et al. 2009, S. 22):
- Raumkonditionierung umfasst das Schaffen von Bedingungen in Räumen, die Behaglichkeitskriterien wie z. B. Raumtemperatur und Luftfeuchte genügen; sie umfasst sowohl die Raumheizung als auch die Klimatisierung.
- Technologische Prozesse führen gewünschte Änderungen an Stoffen und Werkstücken herbei bzw. halten einen definierten Zustand aufrecht; verbunden sind diese Prozesse mit der Zuo oder Abfuhr von Prozessenergie. Je nach Art der Prozessenergie lassen sich die Prozesse unterscheiden in
- Wärmeprozesse und Kälteprozesse (thermische Prozesse), o Arbeitsprozesse (mechanische Prozesse) sowie o elektrotechnische Prozesse (Galvanik und Elektrolyse).
- Transport ist das Befördern von Personen und Gütern zwischen zwei orten.
- Beleuchtung ist das Schaffen günstiger Lichtverhältnisse durch das Erhöhen von Beleuchtungsstärken zur Förderung der Leistungsfähigkeit sowie der Vermeidung von Arbeitsunfällen.
- Information und Kommunikation ist das Abfassen, Gestalten, Übertragen und Empfangen von immateriellen Botschaften.
Die Befriedigung dieser Bedürfnisse kann als Energiedienstleitung aufgefasst werden, da ein Energieeinsatz notwendig ist. Die wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge sind in Abbildung 3.1 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.1 Begriffe der Energieanwendung (Müller et al. 2009, S. 4)
Als Nutzenergie wird diejenige Energieform bezeichnet, die unmittelbar die Energiedienstleistung bewirkt. Dabei unterscheiden sich die folgenden Nutzenergieformen:
- Arbeit (auch als Kraft oder mechanische Energie bezeichnet),
- Wärme (auch Kälte als umgekehrter Wärmestrom gehört dazu),
- Licht,
- Nutzelektrizität und
- Schall.
Die für eine bestimmte Energiedienstleistung erforderliche Menge an Nutzenergie wird als Nutzenergiebedarf, bei technologischen Prozessen auch als Aktivenergiebedarf bezeichnet. Da die Nutzenergie üblicherweise nicht direkt verfügbar ist, muss sie mit Hilfe eines Energiewandlers durch einen Betreiber zum Zeitpunkt und am ort des Bedarfs umgewandelt werden. Ein Beispiel für einen technologischen Prozess als Energieanwendung ist der Betrieb einer Drehmaschine (Energiewandler) zur Erzeugung von Arbeit (Nutzenergieform) durch einen Maschinenbediener (Betreiber). Die Energiedienstleistung ist hier das entstehende Werkstück.
Für die Bereitstellung der benötigten Nutzenergie muss dem Energiewandler eine ausreichende Menge der geeigneten Energie bereitgestellt werden. Wird diese Energie von einem Verbraucher aus dem energiewirtschaftlichen Versorgungssystem bezogen, spricht man von Endenergie (vgl. Abschnitt 3.2).
3.2 Energieformen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Energienutzer beziehen Endenergie in unterschiedlicher Form, darunter Elektrizität, Erdgas, Diesel und Fernwärme. Jede dieser Energieformen durchläuft dabei eine Umwandlungskette; sie beginnt bei der Rohstoffgewinnung und oaufbereitung aus der Natur und durchläuft verschiedene Umwandlungsstufen und den Transport bis zur Auslieferung an den Verbraucher. In diesem Zusammenhang wichtige Begriffe und die Umwandlungskette zeigt Abbildung 3.2.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.2 Energieumwandlungskette und Energiebilanz in Deutschland (Pehnt 2010, S. 22)
Energieträger sind alle Quellen und Stoffe, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist. Unterschieden wird zwischen primären und sekundären Energieträgern.
Primärenergie ist der Energieinhalt der natürlich vorkommenden Energieträger, solche sind z. B. die solare Einstrahlung, Windo und Wasserkraft, die fossilen Energieträger, Kernenergie und Erdwärme. Die wichtigsten Primärenergieträger in Deutschland sind die fossilen Energieträger Mineralöl mit einem Anteil von 35 % am Primärenergieverbrauch, gefolgt von Erdgas (22 %), Steinkohle (12 %) und Braunkohle (11 %).
Die erneuerbaren Energien tragen mittlerweile einen Anteil von 9 % am deutschen Primärenergieverbrauch (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Berlin) 2011).
Die Primärenergie wird durch verlustbehaftete Umwandlungsprozesse in Sekundärenergieträger umgewandelt. Sekundärenergieträger sind zum Beispiel Elektroenergie, Benzin, Diesel und Heizöl.
Endenergie ist der Energieinhalt, der dem Nutzer zur Verfügung gestellt wird. In ihrer Form gleicht die Endenergie der Sekundärenergie. Energiekosten werden üblicherweise anhand der Endenergie berechnet (Müller et al. 2009, S. 72o74).
3.3 Effizienz und Effektivität
Effizienz leitet sich vom lateinischen ,efficiere‘ ab und lässt sich mit zu Stande kommen, bewirken, durchsetzen, eine Tat ausführen, fertig bringen oder hervor bringen übersetzen. Die Übersetzungen machen deutlich, dass es bei Effizienz um einen Prozess des Zustandekommens, um eine erzielte Wirkung geht. Neben der Wirkung erfordert Effizienz ein angemessenes Verhältnis zwischen eingesetzten Mitteln und Wirkung.
Effizienz ist von Effektivität abzugrenzen: Während Effektivität allgemein das Verhältnis von erreichtem zu definiertem Ziel unter Einsatz aller Mittel bezeichnet, ist für die Effizienz ein möglichst geringer Mitteleinsatz relevant. Effektivität beschreibt die Wirksamkeit, Effizienz die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.
„Damit ist die Effektivität im Gegensatz zur eher operativ ausgerichteten Effizienz strategisch orientiert und stellt darauf ab ,die richtigen Dinge zu tun‘. Bei der Effizienz geht es hingegen darum ,die Dinge richtig zu tun‘“ (Rausch 2008, S. 47). Effizienz als Maß für einen optimalen Mitteleinsatz setzt somit den umfassenderen Begriff der Effektivität als Maß für die Zielerreichung voraus. Effizienz beschreibt in der Regel das Verhältnis zwischen einer wie auch immer definierten Inputgröße und einer outputgröße (Pehnt 2010, S. 1o2).
3.4 Energieeffizienz
Dieses allgemeine Verständnis der Effizienz ist auf energetische Betrachtungen übertragbar. Energieeffizienz heißt, einen gewünschten Nutzen (Energiedienstleistung) unter Einsatz von möglichst wenig Energie zu erzielen oder aus einem bestimmten Aufwand (Energieeinsatz) einen möglichst großen Nutzen zu ziehen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dieses Verständnis von Energieeffizienz entspricht auch der Auffassung der Europäischen Union in der sogenannten Energiedienstleistungsrichtlinie, in der Energieeffizienz als „das Verhältnis von Ertrag an Leistung, Dienstleistungen, Waren oder Energie zu Energieeinsatz“ definiert ist (Europäisches Parlament (Straßburg) 2006, S. L 114/67).
Beim Aufwand richtet sich die Betrachtung häufig auf die verbrauchte Endenergie, selten auf die Nutzenergie. Werden hingegen Kosten betrachtet, so können über den Energieeinsatz hinaus auch andere Aufwandsformen berücksichtigt werden, z. B. die Investitionskosten für einen effizienteren Energiewandler.
Beim Nutzen steht die Erfüllung der betreffenden Energiedienstleistung im Fokus. Kennzeichnende Bezugsgrößen für Energiedienstleistungen können eine zurückgelegte Wegstrecke oder die Massen bzw. Stückzahlen der in einer Produktionsanlage gefertigten Güter sein. Falls eine einzige Kenngröße zur Quantifizierung unzureichend ist, müssen die Randbedingungen in die Betrachtung mit einbezogen werden (Rudolph und Wagner 2008, S. 11o12).
3.5 Energiesparen
Unter den Begriff Energiesparen fallen alle Maßnahmen, die zur Verringerung des Endenergieverbrauchs für eine bestimmte Energieanwendung führen. Genaugenommen ist die Steigerung der Energieeffizienz eine Teilmenge des Energiesparens. Energiesparen beinhaltet zusätzlich auch den teilweisen oder vollständigen Verzicht von Energiedienstleistungen. Beispiele dafür sind die Reduktion der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs oder eine niedrigere Bearbeitungsgeschwindigkeit einer Drehmaschine. Solche Maßnahmen, die direkt auf das Einsparen von Energie abzielen, lassen sich in folgender Weise klassifizieren (Rudolph und Wagner 2008, S. 13):
- Reduktion der Energiedienstleistung,
- Reduktion des spezifischen Nutzenergiebedarfs,
- Vermeidung unnötigen Verbrauchs,
- Erhöhung der Wirkungso bzw. Nutzungsgrade von Energiewandlern,
- Energierückgewinnung,
- Nutzung von Umweltwärme bzw. regenerativen Energiequellen.
Die durchlaufenen Umwandlungsstufen der Energie vom Erzeuger zum Endkunden sowie die Verortung der erläuterten Begriffe zu den jeweiligen Energieformen zeigt Abbildung 3.3.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.3 Energiesparen und Energieeffizienz (Pehnt 2010, S. 4)
3.6 Energieverbrauch in der deutschen Volkswirtschaft
3.6.1 Energieverbrauch in Deutschland
Klassifiziert werden die Endenergieverbraucher in die Verbrauchssektoren
- Industrie,
- Verkehr,
- Haushalte sowie
- Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD).
Der Verbrauchssektor Industrie umfasst den Bergbau und die Gewinnung von Steinen und Erden sowie das Verarbeitende Gewerbe. Entsprechend den internationalen Gewohnheiten gehört auch das produzierende Handwerk dazu, insofern eine Beschäftigtenzahl von 20 erreicht ist.
Zum Sektor Verkehr gehört die Gesamtheit aller Transportleistungen mit mobilem Energiewandler, deren Endenergieverbrauch im Inland stattfindet. Darunter fallen die Teilsektoren Schieneno, Straßeno und Luftverkehr sowie die Küsteno und Binnenschifffahrt.
Der Sektor Haushalt umfasst sämtliche Privathaushalte.
Dem Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistungen gehören militärische Dienststellen, Anstaltshaushalte, öffentliche Einrichtungen, Wasserwerke, produzierende Gewerbeo und Handwerksbetriebe mit weniger als 20 Beschäftigten, Wäschereien, chemische Reinigungen, Bauhauptgewerbe, Handelsunternehmen, Geschäftsgebäude und Räume gewerblicher und landwirtschaftlicher Art (Rudolph und Wagner 2008, S. 7o9) .
Die Verteilung des Endenergieverbrauchs sowohl nach Verbrauchssektoren als auch nach Bedarfsarten zeigt Abbildung 3.4.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.4 Aufteilung des Endenergiebedarfs auf Verbrauchssektoren (rechts) und Bedarfsarten (links) in Deutschland 2007 (Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (München))
Den Hauptanteil am Endenergiebedarf verursacht die Deckung mechanischer Energie, bestimmt durch den Verkehrssektor mit über 70 %. Die Verbrauchssektoren Raumheizwärme sowie Prozesswärme liegen auf einem niedrigeren, etwa gleich hohen Niveau. Die Raumheizwärme wird durch den Sektor Haushalte, die Prozesswärme durch den Sektor Industrie mit jeweils beinahe 70 % dominiert. Von untergeordneter Bedeutung sind die Bedarfsarten Beleuchtung und Information & Kommunikation.
In den Säulendiagrammen ist der Endenergiebedarf nach Sektoren dargestellt. Deutlich erkennbar ist der hohe Bedarf an mechanischer Energie im Verkehrssektor. Innerhalb des Sektors Industrie dominiert der Bedarf an Prozesswärme, gefolgt von mechanischer Energie. Die Raumheizwärme dominiert im Sektor Haushalte den Bedarf. Den verbrauchsintensivsten Einzelsektor bildet der Verkehr, gefolgt von der Industrie und den Privathaushalten.
3.6.2 Energiesparpotenzial in Deutschland
Trotz unterschiedlicher Annahmen, Datengrundlagen und Detailergebnisse belegen verschiedenste Studien, dass in Deutschland Endenergieeinsparungen von etwa 30 % gegenüber dem Trend mit aktuell verfügbaren Technologien und Lösungsansätzen innerhalb der kommenden 20 Jahre wirtschaftlich umsetzbar sind (Barthel et al. 2006), (Schmid et al. 2003) und (Seefeldt et al. 2007).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zur Erreichung dieser Einsparung müssten lediglich bei regulär vorgesehenen Sanierungen sowie beim Ersatz alter Anlagen und Geräte jeweils eine effiziente, wirtschaftliche Lösung gewählt werden. Hinzu kommen weitere Energiesparpotenziale durch Verbesserung von Kraftwerkwirkungsgraden und die Nutzung der KraftoWärmeoKopplung (Pehnt 2010, S. 40). Eine Übersicht über das Potenzial von 69 verschiedenen energiesparenden Techniken und Technologien aus gesamtwirtschaftlicher Sicht zeigt Abbildung 3.5.
Als NettooEinsparkosten sind die Mehrkosten der jeweiligen Technik abzüglich der langfristig vermeidbaren Systemkosten für die Bereitstellung von elektrischer Energie bzw. Wärmeenergieträgern zu verstehen. Die Mehrkosten pro
eingesparter Kilowattstunde werden dabei aus den Mehrkosten der energieeffizienteren Technologie gegenüber den Kosten der Standardtechnologie gerechnet. Deren Kosten fallen ohnehin an und dürfen daher der Energieeffizienzmaßnahme nicht angerechnet werden. Maßnahmen mit negativen Kosten sind also wirtschaftlich. Selbst der Durchschnittswert über alle Maßnahmen stellt noch eine gesamtwirtschaftliche Einsparung dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Energieeinsparkosten aus Kundensicht sind in Abbildung 3.6 dargestellt. Unter Kunden werden in der Studie alle Endenergieverbraucher aus den Verbrauchssektoren betrachtet. Abgesehen von einigen leichten Verschiebungen ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei der gesamtwirtschaftlichen Betrachtung. Das heißt, dass sich die gesamtwirtschaftlich rentablen Maßnahmen in der Regel auch aus Kundensicht lohnen. Steigende Energiepreise führen zu einer erhöhten Rentabilität der Maßnahmen (Barthel et al. 2006, S. 13o14).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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Abbildung 3.6 Durchschnittliche Mehrkosten netto gegenüber ohnehin durchzuführenden Maßnahmen aus Kundensicht im Jahr 2015, summiert über alle Sektoren (Barthel et al. 2006, S. 16)
3.7 Energieverbrauch im deutschen Maschineno und Anlagenbau
3.7.1 Status quo
Die Industrie beansprucht etwa ein Viertel des Endenergieverbrauchs und ist damit nach dem Verkehr der zweitgrößte Verbrauchssektor (vgl. Abbildung 3.4). Der Maschineno und Anlagenbau verursacht 3 % des gesamten industriellen Energieverbrauchs. Dabei sank der Endenergieverbrauch zwischen 1995 und 2006 um 5,6 %. Ein Trend ist der sich verschiebende Anteil einzelner Energieträger. So sank zwischen 1995 und 2006 der Brennstoffbedarf im Maschinenbau um 8 %, während der Verbrauch an elektrischer Energie im gleichen Zeitraum um 20 % anstieg (Seefeldt et al. 2009, S. 34).
Verantwortlich dafür sind der verstärkte Ausbau von Produktionsverfahren auf Basis von elektrischer Energie sowie der zunehmende Automatisierungsgrad.
In Abbildung 3.7 sind die relativen Endenergieeinsparungen von 1995 bis 2006 dargestellt. Der Maschinenbau konnte im Betrachtungszeitraum Einsparungen von 6,5 % erzielen. Die Entwicklung zeigt, dass Energieeinsparungen in der Investitionsgüterindustrie nicht mehr so leicht realisierbar sind wie in der Grundstoffindustrie. Es muss berücksichtigt werden, dass eine zunehmende Prozessautomatisierung vorrangig zu höherer Produktionsgenauigkeit, Prozessgeschwindigkeit und Produktionsflexibilität führen soll und erst sekundär zur Einsparung von Material und Energie. Hochwertige CNCoMaschinen oder Industrieroboter zum Beispiel erfüllen all diese Anforderungen. Ihr Einsatz führt in vielen Fällen auch zur Einsparung von Material und Prozesswärme, bedingt aber einen höheren Verbrauch an elektrischer Energie (Seefeldt et al. 2009, S. 34o43).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.7 Ranking der relativen technologiebasierten Endenergieeinsparungen nach Industriebranchen zwischen 1995 und 2006 (Seefeldt et al. 2009, S. 43)
Trotz der relativ geringen Endenergieeinsparungen in der Branche des Maschinenbaus darf seine tragende Rolle als Treiber der Energieeffizienz nicht unterschätzt werden. 55 % aller Investitionen der Industrie in neue Ausrüstungen und Anlagen sind Erzeugnisse des Maschinenbaus. Der Maschineno und Anlagenbau ist mit Abstand der wichtigste Lieferant von Investitionsgütern für alle Industriezweige. In dieser herausgehobenen Position kommt der Branche eine tragende Funktion bei der Systemintegration und Systeminnovation entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu. Der Maschineno und Anlagenbau wird dadurch zum bedeutendsten Innovationstreiber für Energieeffizienz in der Industrie (Seefeldt et al. 2009, S. 48o50).
3.7.2 Energiesparpotenziale
"In der gesamten industriellen Produktion sind mittelfristige Energieeinsparungen von 25 bis 30 Prozent möglich" (Reimund et al. 2008, S. 12). Damit liegt das Einsparpotenzial im Maschineno und Anlagenbau auf etwa dem gleichen wie das gesamtwirtschaftliche Niveau (vgl. Abschnitt 3.6.2).
Eine Umfrage unter Unternehmen des produzierenden Gewerbes kommt zu einem ähnlichen Ergebnis. Insgesamt schätzen die befragten Betriebe die Einsparpotenziale in ihrer Produktion auf 15 % ein. Ein weiteres Ergebnis der Studie ist, dass die größten Einsparpotenziale aus Unternehmenssicht in den Branchen Fahrzeugbau, Elektroindustrie, Ernährungso und Tabakgewerbe sowie im Maschinenbau bestehen (Schröter et al. 2009, S. 2o4).
Desweiteren erhebt die Umfrage, welche effizienzsteigernden Maßnahmen in welchem Umfang bereits zum Einsatz kommen und wo weitere Potenziale vorhanden sind. Sechs Technologien wurden untersucht, die auf den Großteil der industriellen Branchen anwendbar sind (Schröter et al. 2009, S. 5o7):
- Elektromotoren mit elektronischer Regelung können den Energieverbrauch der Antriebe von Pumpen, Verdichtern und Ventilatoren gegenüber dem ungeregelten Betrieb um etwa ein Viertel verringern. Der Einsatz rentiert sich aufgrund des hohen Eigenverbrauchs der Regelung nur bei Anlagen mit überwiegendem Teillastbetrieb. Bereits 48 % der Betriebe nutzen diese Technik. Von den betrachteten sechs Maßnahmen ist sie damit am weitesten verbreitet.
oRückgewinnung von Prozesso und Bewegungsenergie ist eine weitere Maßnahme. Anwendungen sind etwa die Wärmegewinnung aus Abluft oder die Rückspeisung von Energie aus Bremsvorgängen. 32 % der Unternehmen benutzen bereits derartige Technologien, wobei der Maschinenbau (22 %) sowie das Holzgewerbe (22 %) seltener von diesen Maßnahmen Gebrauch machen.
oSteuerungskonzepte zur Abschaltung der Maschinen in Schwachlastzeiten können StandobyoVerluste, die je nach Nutzungsprofil bis zur Hälfte des Jahresstromverbrauchs verursachen, minimieren. Bei 27 % der Betriebe sind derartige Technologien im Einsatz.
oKraftoWärme(oKälte)oKopplungen werden im industriellen Bereich verwendet, um neben Strom auch Prozesso und Raumwärme zu erzeugen. Bei 15 % der Betriebe ist diese Technik bereits im Einsatz.
- Hocheffizienzpumpen werden bis jetzt erst in 10 % der Betriebe genutzt, obwohl ihr Einsatz sehr vielversprechend ist, da ein Viertel des industriellen Energieverbrauchs allein auf Pumpen entfällt. In besonders geringem Maß werden Hocheffizienzpumpen im Maschinenbau (5 %) sowie in der Medizino, Messo, Steuero und Regelungstechnik (6 %) eingesetzt.
oWärmearme Fügeverfahren stellen zwar keine Querschnittstechnologie dar, werden aber trotzdem untersucht. Technische Innovationen wie der Einsatz der Plasmao und Lasertechnik oder Nanotechnik ermöglichen ein stabiles und energieeffizientes Fügen von Bauteilen. Sie finden aber erst in 6 % der Betriebe Anwendung.
Übereinstimmend gibt die Mehrzahl der Betriebe an, die untersuchten Energieeffizienztechnologien noch nicht oder nicht erschöpfend einzusetzen. Selbst bei der von den meisten Betrieben schon eingesetzten Technologie der geregelten Antriebe besteht noch bei 87 % der Betriebe unerschlossenes Potenzial. Etwa die Hälfte der Betriebe gibt an, diese Technologie bisher nicht einzusetzen (Schröter et al. 2009, S. 8).
3.7.3 Handlungsfelder und Forschungsbedarfe
Eine vom FraunhoferoInstitut durchgeführte Studie über Energieeffizienz in der Produktion identifiziert dringenden Handlungso und Forschungsbedarf in den folgenden Forschungsfeldern, um die Einsparpotenziale auszuschöpfen (Reimund et al. 2008, S. 341o352).
- Energieo und Materialeffizienz durch Steigerung der Prozessstabilität
Als wichtigsten Faktor zur Ressourcenschonung identifiziert die Studie die Einsparung von Material sowie die Vermeidung von Materialverlusten. Beim Verlust von Material geht die in den Werkstoff eingebrachte Energie, die zur Gewinnung und Verarbeitung aufgewandt wurde, verloren. Die Realisierung einer „NulloAusschussoProduktion“ würde einen bedeutenden Beitrag zur Ressourcenschonung erbringen. Besonders hoch ist der Ausschuss bei Anlaufprozessen. Daher gilt es, Anlaufprozesse von Maschinen und Anlagen zu optimieren. Ein weiterer Aspekt ist das rechtzeitige Erkennen von Prozessabweichungen und die frühzeitige Reaktion darauf. Je nach Komplexität der Maschine und des Prozesses divergieren die Einsparpotenziale deutlich, ihre Summe ist jedoch ausgesprochen hoch. Außerdem wird der Einfluss von optimierten Wartungso und Instandhaltungszyklen auf die Prozesseffizienz als hoch angenommen.
- Energieo und Materialeffizienz in mechanischen, thermischen und chemischen Fertigungsprozessen und osystemen
Die Studie empfiehlt eine Überarbeitung von Prozessen, die mit Materialzustandsänderung, Wärmebehandlung oder hohen Materialverlusten einhergehen. Anlagenseitig können durch Grundlastreduzierung und Spitzenlastvermeidung o etwa durch geregelte Antriebe oder partielle Systemabschaltung o hohe Einsparungen erzielt werden, während prozessseitig durch die Substitution von Prozessen Material eingespart und die Prozesskette verkürzt werden kann. Langfristig ist es Aufgabe der Forschung, materialo und energieintensive Prozesse zu substituieren oder sogar zu eliminieren.
- Geschlossene Ressourcenkreisläufe und Ressourcenvernetzung in Prozessketten und Systemen
Die Nutzung von Material und Energie in möglichst geschlossenen Ressourcenkreisläufen ist ein weiteres wichtiges Thema. In Zukunft werden Fragen der Energiebereitstellung, oübertragung, owandlung, orückgewinnung und ospeicherung näher an Maschinen und Prozesse gekoppelt werden müssen. Dabei ist die Betrachtung und Vernetzung über Prozessketten hinweg eminent wichtig.
- Verlustfreier Infrastrukturbetrieb von Produktionsanlagen und Fabriken
Für eine ganzheitliche Bewertung der Energieeffizienz ist es unerlässlich, neben den Fertigungstechnologien und Maschinen auch das Produktionsumfeld in die Betrachtungen mit einzubeziehen. Der Energieverbrauch von Gütern entlang einer Zulieferkette spielt bislang kaum eine Rolle. Aufgaben in diesem Bereich sind daher die Aufstellung und Verifizierung von „EnergyoSupplyoChain“oModellen und die Analyse ihrer Auswirkungen auf die Produktionsnetzwerke. Eine vernetzte Sichtweise zwischen den Versorgungssystemen und den Produktionssystemen existiert kaum. Um weitere Steigerungen der Energieeffizienz zu erzielen, muss ein ganzheitlicher und systematischer Ansatz zur Planung und optimierung der Versorgungssysteme und ostrukturen entwickelt werden. Ziel dabei ist es, ein ganzheitliches optimum zu erreichen.
- Methodenentwicklung für eine nachhaltige Energieo und Materialwirtschaft
Ein Problem ortet die Studie darin, dass viele Ressourcenverschwendungen zum heutigen Zeitpunkt nicht erfasst werden, weil sie entweder nicht lokalisierbar sind oder nicht gemessen werden. Deswegen ist es notwendig, den bisherigen Kennwertsystemen der Fabriko und Anlagenplanung Werkzeuge und Methoden hinzuzufügen, durch die die relevanten Größen bezüglich Energie und Material möglichst vollständig erfasst werden können. Erst dadurch wird eine Bewertung, Planung und optimierung sowohl in der Investitionso als auch in der Betriebsphase ermöglicht.
- Periphere Handlungsfelder
Neben den obigen Handlungsfeldern im Produktionsprozess und dessen direktem Umfeld stellen die Produktentwicklung und die Humanressourcen als eng verknüpfte und für den effizienten Umgang mit Ressourcen ebenfalls wichtige Aspekte dar. Bereits in der Produktentwicklung ist auf die Problematik der Energieo und Ressourceneffizienz zu achten. Um diese berücksichtigen zu können, ist die frühzeitige Kenntnis effizienter Produkto, Produktionso und Materialtechnologien essenziell. Bei den betrieblichen Akteuren sind vor allem Kompetenz, Wille und förderliche betriebliche Rahmenbedingungen ausschlaggebend.
3.8 Handlungsansätze zur Energieeffizienzsteigerung von Produktionsmaschinen
Entsprechend der Vielzahl von Produktionsprozessen und unterschiedlichen unternehmensspezifischen Produktionsbedingungen gibt es ein kaum überschaubares Spektrum von technischen, betrieblichen und organisatorischen Einzelmaßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz (Seefeldt et al. 2007, S. 12). Wie in Abschnitt 3.4 definiert, weist das System, welches bei definiertem output den geringsten Energieeinsatz benötigt, die höchste Energieeffizienz auf. Die Bestimmungsfaktoren der Energieeffizienz sind prozesso und anlagenspezifisch sowie von den eingesetzten Energieträgern abhängig. Eine allgemeingültige Identifikation konkreter Bestimmungsfaktoren ist nur schwer möglich. Die vorgestellten Handlungsansätze beruhen daher auf einem allgemeinen Modell der Energieumwandlung in Produktionsanlagen.
In Abbildung 3.8 ist ein allgemeines BlackoBoxoModell einer Produktionsanlage dargestellt. Auf der Eingabeseite werden der Energieeinsatz EEinsatz und die eingebrachten Werkstoffe betrachtet. Auf der Ausgabeseite stehen die fertigen Produkte und die Verlustenergie [2] EVeriust. Ein Teil der Verlustenergie kann als AnfalloEnergie [3] weitergenutzt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.8 Handlungsansätze zur Steigerung der Energieeffizienz in Produktionsanlagen (Müller et al. 2009, S. 123)
Innerhalb der Produktionsanlage ergeben sich folgende Handlungsansätze zur Steigerung der Energieeffizienz (Müller et al. 2009, S. 123):
- Substitution der eingesetzten Energieträger,
- Minderung des Bedarfs an Nutzenergie, z. B. durch
- energetisch optimierte Produktgestaltung, o energetisch optimierte Dimensionierung und o energiesparende Fahrweisen;
- Steigerung des Wirkungsgrades,
- Reduktion der Verlustenergie,
- Energierückgewinnung und
- Weiternutzung von Verlustenergie als AnfalloEnergie.
Die Handlungsansätze lassen sich sowohl für Neuo und Erweiterungsplanungen als auch für die Überplanung bestehender Anlagen nutzen.
3.9 Projekte aus der industriellen Praxis
Bis auf eine Diplomarbeit, die sich jedoch hauptsächlich um die energetischen Gesichtspunkte der Gebäudehülle einer Produktionseinrichtung befasst, können keine detaillierten Dokumentationen von Energieeffizienzoptimierungen an Produktionsmaschinen eruiert werden (Leobner 2010). Dies liegt zum Einen sicherlich an dem mangelnden Interesse von Unternehmen, ihre Produkte und Prozesse einer breiten Öffentlichkeit bekannt zu machen und damit gegebenenfalls Teile ihres KnowoHows preiszugeben. Zum anderen sind Produktionsmaschinen sehr spezifisch hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus, ihrer Funktionalitäten und des Einsatzes verschiedener Energieanwendungen. Eine einheitliche Vorgehensweise ist deshalb nicht praktikabel, sie muss immer maschinenspezifisch erfolgen.
Die Deutsche EnergieoAgentur bietet Einsicht in eine Reihe von abgeschlossenen Referenzobjekten, um konkrete Einsparmaßnahmen in Betrieben verschiedener Branchen in Industrie und Gewerbe aufzuzeigen (Deutsche EnergieAgentur GmbH (dena) (Berlin)). Einzelne Produktionsmaschinen befinden sich jedoch nicht darunter.
Neben den allgemein abzuleitenden Maßnahmen an Produktionsmaschinen, wie sie Abschnitt 3.7.2 und Abschnitt 3.8 zu entnehmen sind, veröffentlicht das Umweltbundesamt zur Umsetzung der IVUoRichtlinie der europäischen Union BVToMerkblätter (Beste verfügbare Techniken), um die Umweltauswirkungen von Industrieanlagen zu minimieren. Ein BVToMerkblatt für Produktionsmaschinen der Massivholzverarbeitung existiert bislang nicht, jedoch ein spezielles Merkblatt Energieeffizienz (European Commission, Joint Research Centre, Institute for Prospective Technological Studies (Seville) 2010). Neben den bereits genannten Quellen dient dieses Merkblatt im Folgenden als Checkliste zur Überprüfung der Keilzinkenanlage hinsichtlich ihrer Energieeffizienz.
3.10 Dynamische Amortisationsrechnung
Mithilfe der Investitionsrechnung kann die Vorteilhaftigkeit investitionspolitischer Maßnahmen geprüft und das im Hinblick auf die Zielsetzung des Unternehmens optimale Investitionsprogramm rechnerisch bestimmt werden. Das Ergebnis der Investitionsrechnung bildet eine wesentliche Grundlage der Investitionsentscheidung (Gabler Verlag 2011).
Mit der dynamischen Amortisationsrechnung wird der Zeitraum ermittelt, nach dem die aus der Investition resultierenden Rückflüsse dem Investor wieder verfügbar sind. Im Gegensatz zur statischen Amortisationsrechnung wird die Verzinsung mit berücksichtigt. Damit trägt dieses Investitionsrechenverfahren der zu erwartenden Verzinsung des Kapitals Rechnung. Sie ist bei mehrperioo diger Betrachtung von Investitionen und deren Zahlungsströmen sinnvoll. Die im Rahmen dieser Arbeit getätigten Amortisationsrechnungen werden auf der Basis der Kapitalwertmethode berechnet, wie sie im Folgenden vorgestellt wird.
Bei der Kapitalwertmethode werden sämtliche NettooEinzahlungen zukünftiger Perioden des Investitionsobjektes auf den heutigen Tag abgezinst. Als Zinssatz zur Abzinsung (dem Kalkulationszinsfuß) wird die Mindestverzinsungserwartung des Investors verwendet. Der Investor wird mindestens den Betrag erwirtschaften wollen, den er bei einer risikolosen Investition hätte erzielen können. Als Vergleichswert kann ein langfristiges, risikoloses Staatspapier gelten (Daum et al. 2010, S. 263o265).
Bei der Kapitalwertmethode werden die Auso und Einzahlungen der gegenwärtigen und zukünftigen Perioden ermittelt, diese werden mit dem Kalkulationszinsfuß des Investors abgezinst. Die abgezinsten Beträge zeigen die Barwerte aller zukünftigen Einzahlungen ET und aller zukünftigen Auszahlungen AT. Aus dem Saldo dieser beiden Barwerte ergibt sich der Kapitalwert der Investition. Ist der Kapitelwert gleich 0, wird sich die Investition genau mit dem erwarteten Zinssatz verzinsen. Dieser Zeitpunkt ist gleichzeitig die dynamische Amortisationsdauer.
Als Formel ausgedrückt ergibt sich der Kapitalwert zu (Daum et al. 2010, S 265):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
3.11 Ausgewählte Einzelmaßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz
Aus dem großen Repertoire vorhandener Werkzeuge und Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz werden im Folgenden kurz die theoretischen Grundlagen der Maßnahmen erläutert, die sich im Verlauf der weiteren Untersuchung als vorteilhaft eino und umsetzbar erwiesen haben oder deren Kontext als erklärungsbedürftig angesehen wird.
3.11.1 Blindstromkompensation
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Befinden sich induktive und kapazitive Verbraucher im Stromkreis, so können diese eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bewirken. Die Phasenverschiebung zwischen dem Spannungso und Stromzeiger wird mit dem Winkel φ ausgedrückt. Die Blindleistung bildet mit der Scheinleistung und der Wirkleistung im Zeigerdiagramm ein Leistungsdreieck, siehe Abbildung 3.9.
Abbildung 3.9 Leistungszeigerdiagramm (ZVEI o Zentralverband Elektrotechniko und Elektronikindustrie e. V. (Frankfurt am Main) 2008, S. 4)
Die Blindleistung ergibt sich aus Scheinleistung und Wirkleistung:
Q = V^2 + P2 (3.3)
Je nach Betriebszustand pendelt ein mehr oder minder großer Blindstrom zwischen Verbraucher und Versorger hin und her. Dieser Strom lässt sich zwar nicht für eine Wirkarbeit nutzen, er erfordert aber größere Leistungsquerschnitte, Generatoren und Transformatoren. Daher ist die Blindarbeit, wenn sie eine gewisse Größe übersteigt, dem Versorger bzw. Netzbetreiber zu vergüten (der zeit mit ca. 1 Cent/kVAh). Ein üblicher Maßstab für die Blindleistung Q ist der Leistungsfaktor cos^, der das Verhältnis von Wirkleistung P zur Scheinleistung S darstellt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.10 Kennlinien eines 11okWoDrehstromoAsynchronmotors (Rudolph und Wagner 2008, S. 198)
Ein cosφ größer 0,97 gilt als guter Wert, bei dem meist keine zusätzlichen Kosten für Blindarbeit anfallen (Müller et al. 2009, S. 87o88).
Der Leistungsfaktor elektrischer Maschinen ist wie andere Kenngrößen ebenfalls abhängig vom Belastungszustand. Mit abnehmendem Lastgrad (Quotient aus abgeforderter Leistung zu Nennleistung) sinkt der Leistungsfaktor ebenfalls. So liegt der Leistungsfaktor im lastfreien Zustand erheblich unter dem angegeben Nennwert und kann bis auf einen Bruchteil dessen absinken, siehe Abbildung 3.10.
Folgende Ansätze zur Blindstromkompensation können verfolgt werden (Müller et al. 2009, S. 166o167):
- Der Teillastbetrieb von induktiven Verbrauchern wie Motoren und Transformatoren ist zu vermeiden oder zu vermindern, da sich im Teillastbetrieb der Leistungsfaktor cos^ verschlechtert. Der Teillastbetrieb kann durch folgende Maßnahmen vermieden werden:
- Motoren, Transformatoren und andere induktive Anlagen nicht überdimensionieren, o längeren Leerlauf vermeiden sowie
- SternoDreieckoSchaltung beim Anlauf von DrehstromAsynchronmotoren nutzen.
- Blindleistung, die sich nicht nach oben genanntem Ansatz vermeiden lässt, kann durch den Einsatz von Kompensationsanlagen ausgeglichen werden. Kompensationsanlagen werden eingesetzt:
- an einzelnen Verbrauchern, - in einzelnen Stromkreisen oder o zentral an der Einspeisung des Betriebs.
Blindleistung kann auch durch das Erhöhen der Anschlussleistung reduziert werden. Die Wirtschaftlichkeit dieser Maßnahme ist aufgrund höherer Anschafo fungso und Betriebskosten für größer dimensionierte Schaltanlagen fraglich.
3.11.2 Energieeffiziente Motoren
Um Wirkungsgradunterschiede bei Motoren transparent zu machen, hat der europäische Verband der Hersteller elektrischer Antriebe CEMEP im Jahr 1998 eine freiwillige Selbstverpflichtung eingeführt. Darin enthalten ist eine freiwillige Selbstverpflichtung zur Kennzeichnungspflicht der Energieeffizienz, unterteilt in die Klassen EFF1, EFF2 und EFF3.
Die europäische Union definierte 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren die Energieeffizienzklassen IE1 bis IE4 für DrehstromNiederspannungsmotoren im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW. Diese Verordnung findet ihre Umsetzung in der neuen internationalen Norm IEC 60034o30:2008, diese wurde ohne Änderungen als europäische Norm EN 60034o30:2009 übernommen (ZVEI o Zentralverband Elektrotechniko und Elektronikindustrie e. V. (Frankfurt am Main) 2010, S. 4o6). In Tabelle 3.1 sind die Bezeichnungen der alten und neuen Effizienzklassen gegenübergestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3.1 Gegenüberstellung der neuen lEoEfflzlenzklassen mit der Klassifizierung nach CEMEP (EFFoKlassen) (Volz 2010, S. 5)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durch die Verabschiedung dieser Verordnung ergeben sich erstmalig in Europa verbindliche Regelungen für Motoren und den Einsatz von Frequenzumrichtern (ZVEI o Zentralverband Elektrotechniko und Elektronikindustrie e. V. (Frankfurt am Main) 2010, S. 8o10), (Europäisches Parlament (Straßburg) 2009). Folgende Effizienzklassen werden damit als gesetzlicher Mindeststandard vorgegeben:
- Leistungsklasse 0,75 - 375 kW: mindestens IE2 ab 16. Juni 2011,
- Leistungsklasse 7,5 - 375 kW: mindestens IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter ab 1. Januar 2015,
- Leistungsklasse 0,75 - 375 kW: mindestens IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter ab 1. Januar 2017.
Diese Vorgaben betreffen alle neu in Verkehr gebrachten sowie als Ersatz eingebauten StandardoDrehstromoAsynchronmotoren und Getriebemotoren, die in der Betriebsart Dauerbetrieb (S1) oder nahezu Dauerbetrieb (S3 mit Einschaltdauer von 80 % oder mehr) betrieben werden.
[...]
[1] "Stand der Technik [...] ist der Entwicklungsstand fortschrittlicher Produkte, Verfahren, Einrichtungen oder Betriebsweisen, der die praktische Eignung einer Maßnahme zur Begrenzung des Endenergieeinsatzes insgesamt als gesichert und wirtschaftlich bzw. in der Nähe der Wirtschaftlichkeit erscheinen lässt." (Seefeldt et al. 2007, S. 21)
[2] Verlustenergie ist der aus dem System austretende, nicht im Sinne des Prozesses genutzte Teil an zugeführter Energie (VDIoFachbereich Energiewandlung und oanwendung 2003, S. 14).
[3] Summe der Abwärme von Personen, elektrischen Betriebsmitteln, prozesswärmetechnischen Anlagen, Warmwasseranlagen etc., die zur Wärmebilanz eines Raumes beiträgt und nicht durch die Heizungsanlagen aufgebracht werden muss.
- Quote paper
- Christen Matthies (Author), 2011, Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/195333
