Methoden zur Senkung des Energieverbrauchs in Unternehmen

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1 Methoden zur Senkung des Energieverbrauchs in Unternehmen DENA Experten-Workshop 16. Oktober 2012 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert 1 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

2 Inhalt 1. Warum Energieeffizienz? 2. Messen?! 3. Technische Ansatzpunkte für Energieeffizienz 4. Beispiele 2 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

3 Strompreis ,592 3 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

4 Strompreis , , Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

5 Strompreis , ,280 auch 2013 Beginn der 3. Emissionshandelsperiode Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

6 Strompreis und Netze 2008 Quelle: Quaschning, HTW 6 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

7 Strompreis und Netze 2020 Quelle: Quaschning, HTW 7 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

8 Netze Quelle: Wetter.de 8 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

9 Quelle: EEX 9 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

10 10 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

12 Energieeffizienz Material (Rohstoffe, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe, Unfertige Erzeugnisse) Energienutzung Gebäude und Gebäudehülle Gebäude und Gebäudehülle (incl. Technische Gebäudeausrüstung) Hilfsprozesse (Logistik, Lager, Verpackung) Produktionsprozesse Produkte (Fertige Erzeugnisse) Energieträger (Strom, Öl, Gas,...) Energieumwandlung Energie- Verteilung Betriebstechnik/ Versorgungstechnik Nutzenergie Abwärme Abwasser Abluft Abfall 12 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

13 Energieeffizienz Material (Rohstoffe, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe, Unfertige Erzeugnisse) Energienutzung Gebäude und Gebäudehülle Hilfsprozesse Produkte (Fertige Erzeugnisse) Produktionsprozesse Druckluftanlage Energieträger (Strom, Öl, Gas,...) Energieumwandlung Energie- Verteilung Strom Licht Druckluft Warmwasser Dampf Dampfkessel Wasser Abwärme Abwasser Abluft Abfall Strom Luft Kühlluft Gas Wasser 13 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

14 Energieflußbild BRD 2008 in Petajoule Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 14 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

15 Endenergieverbrauch Sektoren nach Anwendungsbereichen Schätzen Sie, wie hoch die Anteile folgender Anwendungsbereiche am Energieverbrauch für Haushalte sind: Beleuchtung % Mechanische Energie % Sonstige Prozesswärme % Warmwasser % Raumwärme % 15 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

16 Endenergieverbrauch Sektoren nach Anwendungsbereichen Haushalte mechanische Energie 10% sonstige Prozesswärme 5% Beleuchtung 2% Warmwasser 12% Raumwärme 71% Quelle: Destatis 16 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

17 Endenergieverbrauch Sektoren nach Anwendungsbereichen Haushalte Industrie mechanische Energie 10% sonstige Prozesswärme 5% Beleuchtung 2% Mechanische Energie 25% Warmwasser 12% Raumwärme 71% Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) Beleuchtung 8% sonstige Prozesswärme 71% Verkehr Beleuchtung 0% Beleuchtung 2% Raumwärme 1% Warmwasser 1% Raumwärme 0% mechanische Energie 26% Raumwärme 39% mechanische Energie 100% sonstige Prozesswärme 18% Warmwasser 9% Quelle: Destatis 17 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

18 Der französische Bauingenieur Charles Joseph Minard veröffentlichte 1861 eine Grafik zu den Verlusten der französischen Armee während Napoleons Russlandfeldzug, die Carte figurative des pertes successives en hommes de l'armée Française dans la campagne de Russie Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

19 Captain Matthew Henry Phineas Riall Sankey ( ) 19 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

20 Energiebilanzen: Sankey Diagramm Material Gebäude und Gebäudehülle Energienutzung Hilfsprozesse Produkte Produktionsprozesse Energieumwandlung Energie- Verteilung Druckluftanlage Energieträger Strom Licht Druckluft Warmwasser Dampf Dampfkessel Wasser Abwärme Abwasser Abluft Abfall Strom Luft Kühlluft Gas Wasser 20 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

21 Gebäude und Gebäudehülle Hilfsprozesse 75% Nutzenergie Strom 10% Nutzenergie Druckluft 5% Verluste in Verbrauchern Produktionsprozesse 15% Druckverluste im System 10% Leckagen 5% Druckverluste Trockner und Filter 20% Wärmeverluste Isolierung 18% Verluste Warmwasserverteilung Druckluftverteilung Dampfverteilung Warmwasserverteilung 10% Antriebsverluste 45% Wirkungsgradverluste Drucklufterzeugung Dampfkessel 25% Abwärme Strom 50 kw 21 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert Gas 30 MW

22 Energiebilanzen Material (Rohstoffe, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe, Unfertige Erzeugnisse) Energienutzung Gebäude und Gebäudehülle Hilfsprozesse Produkte (Fertige Erzeugnisse) If you cannot Produktionsprozesse measure it Lord Kelvin Druckluftanlage Dampfkessel Energieträger (Strom, Öl, Gas,...) you cannot improve it Energieumwandlung Energie- Verteilung Strom Licht Druckluft Warmwasser Dampf Wasser Abwärme Abwasser Abluft Abfall Strom Luft Kühlluft Gas Wasser 22 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

23 Energiemanagement: VDI Richtlinie 4602 Energiemanagement ist die vorausschauende, organisierte und systematisierte Koordinierung von Beschaffung, Wandlung, Verteilung und Nutzung von Energie zur Deckung der Anforderungen unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Zielsetzungen. Material (Rohstoffe, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe, Unfertige Erzeugnisse) Energienutzung Gebäude und Gebäudehülle Hilfsprozesse Produkte (Fertige Erzeugnisse) Produktionsprozesse Energie- Verteilung Strom Licht Druckluft Warmwasser Dampf Wasser Abwärme Abwasser Abluft Abfall Druckluftanlage Energieträger (Strom, Öl, Gas,...) Energieumwandlung Dampfkessel Strom Luft Kühlluft Gas Wasser 23 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

24 Steuerungsebenen eines Betriebs Ebene 4: Unternehmensleitebene (Buchhaltung, Einkauf, SAP) Ebene 3: Betriebsleitebene Ebene 2: Prozessleitebene (PLS, SPS, Hand) Ebene 1: Feldebene Ebene 0: Prozess (Produktionsanlage) Produktionsgrobplanung, Bestellabwicklung, Controlling Produktionsfeinplanung, Lager- und Bestandsführung, Auftragsverfolgung, Prozess- und Betriebsdatenerfassung, KPI Ermittlung Störungserfassung und Analyse, Qualitäsdatenerfassung Bedienen und Beobachten, Steuern und Regeln, Rezeptverwaltung/ -ausführung E/A Signale (automatisiert) Mensch-Maschine Schnittstelle Apparate & Maschinen, Gebäude, Armaturen, Sensoren, Aktoren 24 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

25 Steuerungsebenen eines Betriebs Ebene 4: Unternehmensleitebene (Buchhaltung, Einkauf, SAP) Ebene 3: Betriebsleitebene Ebene 2: Prozessleitebene (PLS, SPS, Hand) Ebene 1: Feldebene Ebene 0: Prozess (Produktionsanlage) Energiekennzahlen: EnPIs! Produktionsgrobplanung, Bestellabwicklung, Controlling Produktionsfeinplanung, Lager- und Bestandsführung, Auftragsverfolgung, Prozess- und Betriebsdatenerfassung, KPI Ermittlung Störungserfassung und Analyse, Qualitäsdatenerfassung Bedienen und Beobachten, Steuern und Regeln, Rezeptverwaltung/ -ausführung E/A Signale (automatisiert) Mensch-Maschine Schnittstelle Apparate & Maschinen, Gebäude, Armaturen, Sensoren, Aktoren 25 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

26 Das Unternehmen in Markt Politik Politik Markt Gesetzeskonform agieren Beschaffungsmarkt- Forschung Investieren Emissionen Senken (Investieren) vs. Zertifikate kaufen Einspeisen Beschaffung/ Messen, Abrechnen Contracting 26 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

27 Ordnungsrecht (EnEV,...) Fördermaßnahmen Information/ Bildung Gebäudeausweis, Energielabel,...) Marktinstrumente Politik Markt Gesetzeskonform agieren Rohstoffhandel Beschaffungsmarkt- Forschung - Wertanalyse - Preisanalyse - Kostenanalyse - Make or Buy? - Lieferantenanalyse - Marktanalyse Netzbetreiber Investieren Beschaffung/ Messen, Abrechnen - Verbrauchsplanung, Lastmanagement -Grundlast/ - Spitzenlastpreise - Lieferantenwechsel - Smart Metering - Flexible Tarife Emissionen Senken (Investieren) vs. Zertifikate kaufen Einspeisen Contracting - Energielieferung - Energieeffizienz - Finance & Lease - Betriebsführung/ Technisches -Gebäudemanagement Meßstellenbetreiber Emissionshandel (EU-ETS) Strombörse (EEX) Lieferanten 27 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

29 Handlungsfelder: Produktionssteuerung Ebene 4: Unternehmensleitebene (Buchhaltung, Einkauf, SAP) Ebene 3: Betriebsleitebene Ebene 2: Prozessleitebene (PLS, SPS, Hand) Ebene 1: Feldebene Ebene 0: Prozess (Produktionsanlage) Produktionsgrobplanung, Bestellabwicklung, Controlling Produktionsfeinplanung, Lager- und Bestandsführung, Auftragsverfolgung, Prozess- und Betriebsdatenerfassung, KPI Ermittlung Störungserfassung und Analyse, Qualitätsdatenerfassung Bedienen und Beobachten, Steuern und Regeln, Rezeptverwaltung/ -ausführung E/A Signale (automatisiert) Mensch-Maschine Schnittstelle Apparate & Maschinen, Gebäude, Armaturen, Sensoren, Aktoren 29 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

30 Handlungsfelder: Ebenen der Optimierung Ebene 4: Unternehmensleitebene 4 Geschäfts- Prozesse optimieren Lastprofil, Lastmanagement, Energieeinkauf Ebene 3: Betriebsleitebene Produktions- Prozesse 3 optimieren Wärmeintegration, Abwärmenutzung, Betrieb von Hilfprozessen Handlungen Ebene 2: Prozessleitebene Optimieren 2 Informieren Ebene 1: Feldebene Motivieren KVP Ebene 0: Prozess Technische Systeme optimieren Anlagenbedienung: Abschalten bei Leerlauf,... Apparate & Maschinen: Effiziente Pumpen, Antriebe,... KVP = kontinuierlicher Verbesserungsprozess 30 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

31 Ebenen der Optimierung, Potenziale [PJ]/ Verbrauch [PJ] (Prognos Studie, Sektor Industrie) Alle Maßnahmen 352/2529 = 13,9% 4 Geschäftsprozesse: nicht bewertet Handlungen Ebene 2: Prozessleitebene Optimieren Informieren Ebene 1: Feldebene Motivieren KVP Ebene 0: Prozess Technische Systeme optimieren Energetische Optimierung Prozesse 3 108/ Anpassung an Tatsächl. Bedarf: Abschalten usw. 46/490 Produktions- Prozesse Ebene 3: Betriebsleitebene optimieren Geschäfts- Prozesse Ebene 4: Unternehmensleitebene optimieren Wirkungsgradverbesserung Arbeitsmaschinen 22/230 4/490 Optimierung Thermische Prozesse > 200 C 68/1101 Minimierung Verluste, Wartung 5/490 Optimierung Beleuchtung 20/35 5/65 Raumwärme: Wärmedämmung, W rückgewinnung 63/346 Σ 239 Σ 51 Σ 71 Vermeidung Ersatz von Wirkungsgradverbesserunierung Überdimension- Uneffizienten Rückgewinnung Motoren Getriebe mech. Energie 15/490 5/490 Von Antrieben 31 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

33 Energiemanagement, Lastmanagement Lastprofil als Zeitreihe Leistung [kw] Quelle: Videc 33 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

34 Energiemanagement, Lastmanagement Quelle: Videc 34 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

35 Energiemanagement, Lastmanagement Anzahl Werte ¼h-Leistung Quelle: Videc Leistung [kw] 35 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

36 Energiemanagement, Lastmanagement Anzahl Werte ¼h-Leistung Leistung [kw] Folie x Quelle: Videc 36 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

37 Energiemanagement, Lastmanagement Quelle: Videc 37 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

38 Energiemanagement, Lastmanagement Anzahl Werte ¼h-Leistung Pro kw 53,72 Euro netto Leistung [kw] Folie x Quelle: Videc 38 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

39 Motoreffizienz eta [%] IEC1 75 IEC P [kw] 39 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert IEC3

40 Motoreffizienz Wirkungsgrade von Antrieben: G M FC Getriebe (z.b. Riemen: 92-98%) Motoren (je nach Größe) Frequenzumrichter (~95%) 40 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

41 Motoreffizienz G M FC Getriebe (z.b. Riemen: 92-98%) Gesamtsystem betrachten! Mit Augenmaß! 41 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

42 Druckluft Industrie Mechanische Energie 25% sonstige Prozesswärme 71% Beleuchtung 2% Raumwärme 1% Warmwasser 1% 42 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

43 Druckluft Etwa 70% des Stromverbrauchs der Industrie entfallen auf Elektromotoren. Diese werden eingesetzt für sonstige Prozesswärme 71% Mechanische Energie 25% Beleuchtung 2% Raumwärme Warmwasser 1% 1% Druckluft 10% Kälte 14% Ventilatoren 14% Sonstiges (Mischen, Fördern,...) 32% Pumpen 30% 43 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

44 Kompressor Pufferbehälter Trockner Filter Kühlluft G M FC M P-47 Zuluft (1 bar abs) Heiße Kühlluft Druckluftnetzwerk Kondensat Kondensat Staub/ / Kondensat Schlechte Verrohrung mit Hindernissen 10x + 10x Leckage Verbraucher 1 Verbraucher 2 Verbraucher 2 44 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

45 100% Elektrische Energie 90% P-47 Zuluft (1 bar abs) Kühlluft Kompressor Pufferbehälter Trockner Filter Nutzbare Energie In Kompressor -90% Heiße Kühlluft Druckluftnetzwerk -45% Betrieb des Kompressors G M FC Abwärme bei ~ 80 C Kondensat Kondensat Staub/ / Kondensat Schlechte Verrohrung mit Hindernissen 10x + 10x -5% Verluste in Verbrauchern 5-10% Nutzbare Energie -10% Motor und Antrieb Leckage Verbraucher 1 Verbraucher 2 Verbraucher 2 M -5-10% Trockner und Filter -15% Druckverlust im System -10% Leckagen -x% Falsche Druckniveaus: hier nicht betrachtet 45 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

46 Druckluft, System und Komponenten Benchmarking für Druckluftsysteme (Source: 46 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

47 Druckluft, Verdichter 47 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

48 Druckluft, Verdichter 48 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

49 Druckluft: Druckniveaus Leistungsverhältnis [%] % Beispiel: (p2/p1) Bereitstellen von Druckluft mit 10 bar: p 2 /p 1 = 10, Energiebedarf = 100% Drosseln auf 5 bar, Energieäquivalent = 60% = Vernichten Vernichten von 40% der eingesetzten Energie 49 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

50 Druckluft: Puffer, Trockner, Filter 12,7 bar 6,2 bar Bereitstellen von Druckluft mit 12,7 bar: Energiebedarf = 100% Drosseln auf 6,2 bar (49% von 12,7, Energieäquivalent = 59% = Vernichten Vernichten von 41% der eingesetzten Energie 50 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

51 Zusammenfassung Energieeffizienz ist im Zusammenspiel mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien, der Netzstabilität und der Versorgungssicherheit zu betrachten Optimale Energieeffizienz ist nur in der Gesamtsicht des Unternehmens zu finden Ohne Transparenz der Geschäftsprozesse und der Produktionprozesse (Leistungskennzahlen, KPIs, EnPIs!) kann man nicht optimieren Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert Beuth Hochschule für Technik, Berlin Luxemburger Str. 10, D Berlin Dr. Bernd Bungert Ingenieurbüro Dr.-Ing. Bernd Bungert Die Verwendung aller Abbildungen darf nur zum persönlichen, privaten und nicht kommerziellen Gebrauch unter der Angabe der Quelle erfolgen 52 Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert