Energiewertstrom. Der Weg zur energieeffizienten Fabrik. Dr. Klaus Erlach. Energie-Wertstrom. Folie 1

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1 Energiewertstrom Der Weg zur energieeffizienten Fabrik Folie 1

2 Ziele der Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion Erreichen ökonomischer Ziele (Kosteneinsparung zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit) Erreichen ökologischer Ziele (Umweltschutz) Umsetzung umweltrechtlicher Vorgaben (z.b. Emissionsrechte, Privilegierter Strombezug nach EEG) Grundlage zur strategischen Verankerung des Themas»Energieeffizienz«in der Unternehmenskultur (Attraktivität des Unternehmens und gesellschaftliche Akzeptanz) Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit durch Nachhaltigkeit Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Akzeptanz Umweltverträglichkeit Folie 2

3 Vorgehensweise bei der -Methode Energiewertstrom - analyse Aufnahme der Energieverbraucher mit den Verbrauchswerten Ermittlung des Energieeinsparpotenzials Energiewertstrom - design Gestaltung eines Soll- Konzepts anhand von Richtlinien Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen Realisation Umsetzung des Soll- Konzepts mit technischen und organisatorischen Maßnahmen Grundlage der Energiewertstrommethode: Steigerung der Energieeffizienz gewinnt aufgrund steigender Energiepreise zunehmend an Bedeutung Übertragung der Prinzipien der Wertstrommethode auf die Energieeffizienz (Vermeidung von Verschwendungen, Analyse der Energieflüsse, Untersuchung auf Shop-Floor-Ebene usw.) Erweiterung und gezielte Ausrichtung auf die bei der Produktionsoptimierung durch Wertstromdesign erzielbaren Energieeinsparungen (z.b. Prozesskettenverkürzung, Minimierung von Transportwegen usw.) Folie 3

4 Die Wertstromanalyse zeigt den kompletten Produktionsablauf im Ist-Zustand und weist Verbesserungspotentiale aus Lean Tools Lieferant Informationsfluss Kunde Prozess Praxisbeispiel: Fertigung und Montage Bus-Ölfilter Materialfluss Prozess Durchführung: Erstellung einer Momentaufnahme vom Shop Floor und im Office Ergebnis: Verständnis des aktuellen Produktionsablaufes in der Fabrik Transparente Darstellung des kompletten Produktionsablaufes mit allen wichtigen Kenndaten Ausweisung von Verbesserungspotentialen: Flussgrad und Kapazitätsabstimmung Folie 4

5 Die Gestaltungsrichtlinien des Wertstromdesigns dienen der systematischen und zielführenden Konzeption eines Ideal-Zustands Produktionsfluß -----> Segment 1 Segment 2 Segment i Supply Chain klarer Informationsfluß neu parametrierter Prozeß erfüllter Kundenwunsch Kapazitative Abstimmung der Produktionsprozesse Flussorientierte Neugestaltung der Produktion bestandsreduzierter Materialfluß Durchführung: Anwendung der zehn Gestaltungsrichtlinien des Wertstromdesigns zur Beseitigung von Verschwendung Verwendung einer klaren und einfachen Symbolik Ergebnis: Ideales Soll-Konzept Abgestimmte Produktion mit eindeutigem Einsteuerungspunkt, selbstregelnder logistischer Verknüpfung der Produktionsprozesse sowie intelligenter Auftragsfreigabe Folie 5

6 Energiewertstrom- Analyse Effiziente Ermittlung von Energieverbräuchen in der Produktion Folie 6

7 Ziele der Energiewertstrom-Analyse Systematische Vorgehensweise zur ganzheitlichen Erfassung, Bewertung und Optimierung des produktionsprozessbezogenen Energieeinsatzes Erfassung aller im Produktionsprozess relevanten Energieverbrauchsarten (z.b. Strom, Gas, Druckluft usw.) Identifikation der wesentlichen Energieverbraucher:»Energiefresser«Schaffung von Transparenz bzgl. des produktionsablaufbezogenen Energieverbrauchs Übersichtliche und leicht nachvollziehbare Darstellung der Energieverbräuche in den Einzelprozessen Kennzahlenbildung zur Effizienzbewertung Grundlage für die Optimierung des Energieeinsatzes Abschätzung der Energieeinsparpotentiale Folie 7

8 Methoden und Werkzeuge zur Datenermittlung Ermittlung aufgrund vorhandener, stationärer Messgeräte: Fest installierte Messzähler (z.b. Durchflussmesser, Stromzähler usw.) Mobile Messungen: Mobile Aufnahme von Energieverbrauchswerten (z.b. Messzangen zur Strommessung) Berücksichtigung verschiedener Betriebszustände (Stand-by, Volllast usw.) Daten aus bereits durchgeführten Energieeffizienzmaßnahmen: Innerbetriebliche durchgeführte Analysen Externe Referenzwerte (z.b. von Anlagenherstellern) Energieflussdiagramme usw. Zuordnung aufgrund von Rechnungen: Aufteilung des Gesamtverbrauchs anhand von Energiekosten-Abrechnungen Zuteilung aufgrund von Anschlussleistung, Erfahrungswissen usw. Folie 8

9 Energieeffizienz-Kennzahlen ermöglichen die Bewertung der Produktionsprozesse hinsichtlich ihres Energieverbrauchs Gründe für die Berechnung von Kennzahlen: Ermöglichen die quantitative und qualitative Bewertung der Produktionsprozesse Schaffen den Vergleich zu Referenzwerten gemäß Stand der Technik und zu anderen Unternehmen derselben Branche (Benchmarking) Ermöglichen die Bewertung der Energieeffizienzentwicklung über einen Zeitraum hinweg Energieeffizienz-Kennzahlen im Energiewertstrom Energieintensität Effizienzgrad Folie 9

10 Energieeffizienz-Kennzahlen ermöglichen die Bewertung der Produktionsprozesse hinsichtlich ihres Energieverbrauchs Gründe für die Berechnung von Kennzahlen: Ermöglichen die quantitative und qualitative Bewertung der Produktionsprozesse Schaffen den Vergleich zu Referenzwerten gemäß Stand der Technik und zu anderen Unternehmen derselben Branche (Benchmarking) Ermöglichen die Bewertung der Energieeffizienzentwicklung über einen Zeitraum hinweg Energieeffizienz-Kennzahlen im Energiewertstrom-Ansatz Energieintensität Effizienzgrad Energieintensität bzgl. ein Betriebsmittel Energieverbrauch pro Tag = Effizienzgrad = Stückzahl pro Tag Referenzwert gemessener Energieverbrauch Folie 10

11 Energiewertstrom-Darstellung (Ausschnitt) - Ergänzung der Datenkästen und der Zeitlinie um Kennzahlen zum Energieverbrauch Praxisbeispiel: En Plasta AG Folie 11

12 Energiewertstrom- Design Richtlinien zur Gestaltung energieoptimaler Produktionsprozesse Folie 12

13 Die acht Gestaltungsrichtlinien des Energiewertstromdesigns - Vorgehensmodell für die Konzeption des Soll-Zustands 1. Ausrichtung auf den optimalen Betriebspunkt 2. Reduktion des Energiebedarfs im Normalbetrieb 3. Minimierung der An- und Abschaltverluste 4. Minimierung des Verbrauchs im Stand-by-Betrieb 5. Mehrfachnutzung des Energieeinsatzes 6. Ausgleich zwischen den Energieverbräuchen 7. Energieoptimale Abarbeitungsreihenfolge am Energiefresser 8. Synchronisation von Energiebereitstellung und Energieverbrauch Folie 13

14 Richtlinie 1: Ausrichtung auf den optimalen Betriebspunkt Ziel: Die Betriebsmittel sind so auszulegen, dass der Produktionstakt mit minimaler Energieintensität dem Kundentakt entspricht Maßnahmen: Auslegung der Anlagen, so dass der energetisch optimale Produktionstakt mit dem Kundentakt übereinstimmt Anpassung der Produktionsanlagen an die tatsächlichen Leistungsanforderungen Betrieb der Anlagen in ihrem Leistungsoptimum Gezielte Überdimensionierungen als Sicherheitsreserven vermeiden Beispiele: Bei einem vorgegebenen Kundentakt von 10 Sek. sollte dieser Produktionstakt auch zu dem geringsten stückbezogenen Energieverbrauch führen Voraussetzungen: Energieverbrauch für die unterschiedlichen Produktionstakte ist für alle Produktvarianten bekannt Relativ konstante Produktionsmengen ohne zu starke Bedarfsschwankungen kwh Stck. Energieersparnis Teillast optimaler Betriebspunkt Energieintensität Produktionstakt Folie 14

15 Richtlinie 5: Mehrfachnutzung des Energieeinsatzes Ziel: Die eingesetzte Energie ist nach Möglichkeit mehrfach zu nutzen. Dies kann beim gleichen Prozess, bei einem anderen Prozess oder für produktionsexterne Verbrauche erfolgen und lässt sich entweder unmittelbar oder durch Wandlung realisieren. Maßnahmen: Nutzung von Abwärme und Wärmerückgewinnung Einsatz von Wärmespeichern bei diskontinuierlicher Erzeugung von Abwärme Einsatz von Wärmepumpen um bei niedrigen Temperaturen der Abwärme um ein höheres Wärmeniveau zu erreichen Wärmetauscher können eingesetzt werden um Wärme (Abwärme) eines Prozesses auf einen anderen Prozess zu übertragen Gekoppelte Energieerzeugung (z.b. Strom und Wärme) Rückgewinnung von Bremsenergie Beispiele: Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme) Energierückspeisung bei Hubantrieben von Hochregallagern (Rückwandlung potentieller und kinetischer Energie) Voraussetzungen: Energiebereitstellung und Energiebedarf müssen ggf. zeitlich und räumlich koppelbar sein Energieverbrauch Prozess 2 Energie- Rückgewinnung rückgewinnbarer Anteil Prozess 1 Energieersparnis Energieverbrauch Prozess 1 Energieverbrauch Prozess 2 Folie 15

16 Richtlinie 6: Ausgleich zwischen den Energieverbräuchen Ziel: Der Energieverbrauch einer Fabrik ist durch Ausgleich unterschiedlicher Energieverbrauchsspitzen zu vergleichmäßigen. Maßnahmen: zentrales Lastmanagement: dient zur Kontrolle und Steuerung des elektrischen Stromverbrauches und somit zur Minderung der Spitzenlast. Durch automatisches oder auch manuelles, kurzzeitiges Wegschalten von vorher genau definierten Verbrauchern kann das Lastverhalten optimiert werden. Ermittlung einer Prioritätsliste zur Abschaltung der Maschinen anhand von Kenndaten Installation eines zentralen, IT-unterstützten Lastmanagements Einbau von Maximumswächtern Versetzte Start- und Einschaltpunkte der Produktionsmaschinen Beispiele: Verwendung einer zentralen Steuerung bei Induktionsofen Leistung [kw] Voraussetzung: Durch Maschinenabschaltung darf Prozess nicht unterbrochen werden Qualität der Produkt darf durch Prozesseingriff nicht leiden Maschinen müssen abschaltbar sein Nötige IT- Infrastruktur muss vorhanden sein Produktionszyklus Prozess 3 Prozess 2 Prozess 1 Energieverbrauch Ausgleich zwischen den Energieverbräuchen Ersparnis Maximallast Zeit Folie 16

17 Energiewertstrom-Darstellung (Ausschnitt) Maßnahmen mit dem Schwerpunkt einer Reduktion des Energieverbrauchs En Plasta AG: Praxisbeispiel Maßnahmen im Kaizen-Blitz Folie 17

18 Weitere Informationen benötigt? Ansprechpartner am Fraunhofer IPA Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) Klaus Erlach: Wertstromdesign. Springer-Verlag, Berlin 2007 Folie 18