Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse

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1 Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse Zielsetzung, Durchführung, Methodik, Kennzahlen Auftraggeber: Bearbeiter: München, im April 1999 Forschungsstelle für Energiewirtschaft Am Blütenanger München Tel.: (089) Fax: (089) Internet: UBA G. Layer (FfE) F. Matula (FfE) A. Saller (FfE) R. Rahn (GUT)

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3 1. UBA-FB Berichtsnummer Titel des Berichts Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse 5. Autoren, Namen, Vornamen Günther Layer (FfE) Dipl.-Ing. Frank Matula (FfE) Dipl.-Ing. Alexander Saller (FfE) Dipl.-Ing. Rüdiger Rahn (GUT) 6. Durchführende Institutionen (Name, Anschrift) FfE Forschungsstelle für Energiewirtschft Am Blütenanger 71, München GUT Gebäude- und Umwelttechnik Ingenieurgesellschaft mbh Brahestr. 8, Leipzig 7. Fördernde Institution (Name, Anschrift) Umweltbundesamt Bismarkplatz 1, Berlin 8. Abschlußdatum Veröffentlichungsdatum 10. UFOPLAN-Nr. 11. Seitenzahl Literaturangaben Tabellen und Diagramme Abbildungen Zusätzliche Angaben 16. Kurzfassung Eine wichtige Grundvoraussetzung zur Beurteilung energieintensiver Anlagen bzw. Herstellungsverfahren und die nachfolgende Quantifizierung möglicher Energieeinsparungen bzw. Umweltentlastungen sind Kenntnisse über den produktbezogenen spezifischen Energieeinsatz. Häufig sind jedoch auf Betriebs und Branchenebene solche Kenntnisse unzureichend vorhanden und vor allem keine Vergleichszahlen verfügbar, so daß viele Möglichkeiten für einen rationelleren Energieeinsatz nicht erkannt werden. In diesem Forschungsvorhaben wird eine Methodik zur Ermittlung spezifischer Energiekennzahlen erarbeitet. Die Ermittlung und Dokumentation von Kennzahlen zum spezifischen Energieverbrauch dient folgenden Zwekken: Beurteilung der energetischen Effizienz von Anlagen und Herstellungsverfahren Bewertung des Ressourcenaufwands und der Emissionen Erkennen von Potentialen zur Senkung von Energieverbrauch und Emissionen durch Vergleich mit ähnlichen Anlagen bzw. Prozessen im eigenen oder in anderen Unternehmen Basisdaten für Energienutzungskonzepte, die innerhalb des Unternehmens eine Aufschlüsselung bis auf Prozeßebene zulassen und Ansatzpunkte für anlagen- und prozeßbezogene Kostenreduzierungen geben. Basisdaten für eine ganzheitliche Bilanzierung von Produkten (KEA, Öko-Bilanz, Lebenszyklusanalyse) und für ein Energie- und Umweltmanagement im Betrieb (Öko-Audit). Es kann immer nur Bereiche für Energiekennzahlen geben, da die betriebstechnischen und wirtschaftlichen Einflußfaktoren bei verschiedenen Anlagen sehr variabel sein können. Eine Verallgemeinerung ist nur dann sinnvoll, wenn die wichtigsten Einflußfaktoren übereinstimmen und bei der Ermittlung der Kennwerte entsprechend berücksichtigt werden. Wegen der Vielzahl an Einflußfaktoren sind die ermittelten Energiekennzahlen und Emissionen daher nicht zur Festlegung von Grenzwerten als Vorgabe von Behörden für Genehmigungsverfahren und Überwachung verwendbar. 17. Schlagwörter Energiekennzahlen, Bilanzraum, Einflußfaktoren, Auslastung, Milch und Milchprodukte, Körnertrocknung, Grünfuttertrocknung, Zuckerherstellung, Bierherstellung, Malzherstellung, Papier- und Zellstoffherstellung, Glasherstellung, Feinkeramik, Ziegelherstellung, Zementherstellung, Kalksandsteinherstellung, NE-Metalle, Gießereierzeugnisse, Eisen- und Stahlerzeugung 18. Preis

4 1. UBA-FB Report No Report Title Determination of energy indicators for plants, manufacturing methods and products 5. Authors, Family Names, First Names Günther Layer (FfE) Dipl.-Ing. Frank Matula (FfE) Dipl.-Ing. Alexander Saller (FfE) Dipl.-Ing. Rüdiger Rahn (GUT) 6. Performing Organisation (Name, Address) FfE Forschungsstelle für Energiewirtschft Am Blütenanger 71, München GUT Gebäude- und Umwelttechnik Ingenieurgesellschaft mbh Brahestr. 8, Leipzig 7. Sponsoring Agency (Name, Address) Umweltbundesamt Bismarkplatz 1, Berlin 8. Report Date Publication Date 10. UFOPLAN - Ref. No. 11. No. of Pages No. of References No. of Tables, Diagramms No. of Figures Supplementary Notes 16. Abstract Achieving knowledge of the product-related specific use of energy is a most vital requirement for the assessment of energy-intensive plants and/or manufacturing methods as well as for the subsequent elaboration of figures relating to possible energy saving, or, respectively, to possible ways of protecting the environment. To many companies and business areas, however, such knowledge is not available, so that many opportunities to use energy more efficiently remain unseen. This research project deals with the development of a methodology for determining specific energy indicators. The determination and documentation of characteristic numbers relating to the specific energy consumption has the following aims: assessment of the energetic efficiency of plants and manufacturing methods, evaluation of resource expenditure and emissions, recognition of potentials for the reduction of energy consumption and emissions by comparison with similar plants and/or processes in the own or in other companies, basic data for plans concerning the use of energy that facilitate disclosures on process levels and give a starting-point as far as plant and process-related cost reductions are concerned, basic data for a balancing of accounts for products from all relevant points of view (cumulated energy consumption, life cycle analysis) and for the energy and environment management of a company (eco-audit). Specific energy indicators can only be applied to certain areas, since the operational and economic influences can vary for different plants. A generalisation is only recommend-able if the most important influence factors correspond and if they are taken into consideration when detecting the characteristic values. In view of the great variety of influencing factors, the energy indicators and emissions cannot be used for the determination of boundary values set by official authorities for approval procedures and surveillance. 17. Keywords energy indicators, Influencing Variables, balance area, Operating point of the plant, Milk and dairy products, grain drying, green fodder drying, sugar production, beer production, malt production, paper and cellulose production, glass production, fine ware, brick production, cement production, lime sand brick production, non-ferrous metals, casting products, iron and steel production 18. Price

5 Kurzfassung I Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse 1 Vorwort - Kurzfassung - Die Annahmen zur möglichen globalen Temperaturerhöhung durch eine weitere Steigerung der Emissionen von Treibhausgasen beeinflussen in erheblichem Maße die nationale und internationale Umweltpolitik. Die anthropogene Energienutzung ist die Hauptquelle für die klimarelevanten Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre. Die Bereitstellung von Nutzenergie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe hat seit Beginn der Industrialisierung weltweit exponentiell zugenommen, ein Ende dieser Entwicklung ist vorerst nicht abzusehen. Der sparsame und rationelle Umgang mit Energie ist ein sinnvoller Weg, den bestehenden Gefahren einer globalen Klimaveränderung entgegen zu wirken. Um einen Beitrag für die Identifikation des Energieeinsatzes in industriellen Prozessen im Interesse des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung zu leisten, hat das Umweltbundesamt im Rahmen des Umweltforschungsplanes die Forschungsstelle für Energiewirtschaft München in Zusammenarbeit mit der Gebäude- und Umwelttechnik Ingenieurgesellschaft mbh Leipzig beauftragt, eine Untersuchung zu Energiekennzahlen durchzuführen. Die Weiterentwicklung der rationellen Energienutzung in der Industrie spielt bei der Verminderung der CO2-Emissionen eine wesentliche Rolle. 2 Zielsetzung des Vorhabens Eine wichtige Grundvoraussetzung zur Beurteilung energieintensiver Anlagen bzw. Herstellungsverfahren und die nachfolgende Quantifizierung möglicher Energieeinsparungen bzw. Umweltentlastungen sind Kenntnisse über den produktbezogenen spezifischen Energieeinsatz. Häufig sind jedoch auf Betriebs und Branchenebene solche Kenntnisse unzureichend vorhanden und vor allem keine Vergleichszahlen verfügbar, so daß viele Möglichkeiten für einen rationelleren Energieeinsatz nicht erkannt werden. In diesem Forschungsvorhaben wird eine Methodik zur Ermittlung spezifischer Energiekennzahlen erarbeitet.

6 II Kurzfassung Die Ermittlung und Dokumentation von Kennzahlen zum spezifischen Energieverbrauch dient folgenden Zwecken: Beurteilung der energetischen Effizienz von Anlagen und Herstellungsverfahren Bewertung des Ressourcenaufwands und der Emissionen Erkennen von Potentialen zur Senkung von Energieverbrauch und Emissionen durch Vergleich mit ähnlichen Anlagen bzw. Prozessen im eigenen oder in anderen Unternehmen Basisdaten für Energienutzungskonzepte, die innerhalb des Unternehmens eine Aufschlüsselung bis auf Prozeßebene zulassen und Ansatzpunkte für anlagen- und prozeßbezogene Kostenreduzierungen geben. Basisdaten für eine ganzheitliche Bilanzierung von Produkten (KEA, Öko-Bilanz, Lebenszyklusanalyse) und für ein Energie- und Umweltmanagement im Betrieb (Öko-Audit). Es kann immer nur Bereiche für Energiekennzahlen geben, da die betriebstechnischen und _ wirtschaftlichen Einflußfaktoren bei verschiedenen Anlagen sehr variabel sein können. Eine Verallgemeinerung ist nur dann sinnvoll, wenn die wichtigsten Einflußfaktoren übereinstimmen und bei der Ermittlung der Kennwerte entsprechend berücksichtigt werden. Wegen der Vielzahl an Einflußfaktoren sind die ermittelten Energiekennzahlen und Emissionen daher nicht zur Festlegung von Grenzwerten als Vorgabe von Behörden für Genehmigungsverfahren und Überwachung verwendbar. 3 Methodik zur Ermittlung von Energiekennzahlen 3.1 Energiekennzahlen für Anlagen Energiekennzahlen für industrielle Produktionsanlagen geben an, welcher Energieeinsatz zur Herstellung einer festgelegten Fertigungsmenge in einer bestimmten Produktionsanlage bzw. nach einem bestimmten Fertigungsverfahren erforderlich ist. Dies setzt eine gleichzeitige Analyse der zugehörigen Stoffströme voraus. Im folgenden wird die Methodik beschrieben, nach der diese Kennzahlen in einheitlicher Form ermittelt und dargestellt werden sollen, um damit eine Grundlage für Vergleiche mit ähnlichen Anlagen und mit Vergleichskennzahlen zu schaffen Messungen des Energieverbrauchs in Betrieben Eine wirtschaftlich, energetisch und ökologisch optimierte Deckung des Energiebedarfs in Industrie und Gewerbe setzt Kenntnisse über die aktuelle Struktur der Energieumsetzung auf Prozeßebene voraus. Die in dieser Hinsicht verfügbaren Daten und Statistiken sind allerdings vielfach unzureichend detailliert. Mit der Erhebung energietechnisch relevanter Daten sowie deren Aufbereitung in tabellarischer oder grafischer Form wird die Informationsbasis zur Beurteilung der bisherigen und die Entscheidungsgrundlage für weitere Aktivitäten geschaffen. Nach einer örtlichen Bau- und Anlagenaufnahme sowie einer Sichtung der Energieverbrauchsabrechnungen, Planungsunterlagen und der relevanten anlagetechnischen

7 Kurzfassung III Geräte werden vorhandene Aufschreibungen bezüglich des Energieverbrauchs des Betriebes und einzelner Anlagen bzw. gruppen ausgewertet. Für die Ermittlung der hier beschriebenen Kennzahlen sind jedoch detailliertere Untersuchungen notwendig. Um von den gegebenen Daten auf den Zustand bzw. Energieverbrauch einzelner Anlagen oder Anlagenteile des Betriebes schließen zu können, sind meßtechnische Aufzeichnungen und gleichzeitige Beobachtung des Anlagenbetriebes eine Voraussetzung. Wird im Rahmen eines betrieblichen Energiemanagements eine Auswertung der Daten vorgenommen, muß sorgfältig geprüft werden, inwieweit die Datenqualität den gestellten Anforderungen gerecht wird. Grundsätzlich ist vor allem darauf zu achten, daß das Zahlenmaterial zu Energieverbrauch und Produktion, aus denen die spezifischen Verbrauchskennzahlen gebildet werden, nur die Prozeßschritte der betrachteten Fertigungslinie enthält Energiekennzahlen und deren Einflußgrößen Die Erfassung der Energieströme und der Stoffströme ist der erste wesentliche Schritt zu einer aussagekräftigen Anlagenbeschreibung. Dazu müssen die spezifischen Werte der in Bild 3-1 gezeigten Bilanzposten ermittelt werden: Strom Abgeführte Energien Wärme Emissionen Rohstoffe Halbzeuge Anlage Prozess Produkt Brennstoffe Koppelprodukte Zusatzstoffe Abfallstoffe Bild 3-1: Energie und Stoffströme eines Bilanzraumes Als Bezugsgröße dient im allgemeinen die volumetrische oder gravimetrische Einheit des Hauptproduktes oder alternativ eine andere geeignete funktionale Einheit, wie z.b. die Menge des zu verdampfenden Wassers in einem Trocknungsprozeß. Neben der Bilanzierung von Energie- und Stoffströmen sind weitere technische und betriebliche Informationen über die Anlage und den Anlagenbetrieb aufzunehmen. Einige der wichtigsten Einflußgrößen auf die Energiekennwerte gemäß Bild 3-2 werden im nachfolgenden Abschnitt beschrieben. Neben den festen Rahmenbedingungen, die durch die Anlage vorgegeben werden, sind bei der Kennzahlenermittlung in Betrieben vor allem die variablen Einflußgrößen zu

8 IV Kurzfassung beachten, welche den Betriebszustand wiedergeben, für den die Energiedaten gelten. Da die direkt gemessenen oder aus Aufzeichnungen entnommenen Werte nur für den Betriebszustand im Meßzeitraum gelten sollte bereits im Vorfeld der Messungen eine Festlegung der Randbedingungen erfolgen. Betriebsart Auslastung Bilanzraum Bilanzzeit Produktqualität Umwelt Jahreszeit Anlage Prozessablauf Art der Energieträger Anlagengröße Anlagenalter Betriebsweise Qualität der Rohstoffe Bild 3-2: Einflußgrößen und Randbedingungen für Energiekennzahlen Anlagengröße Die Anlagengröße bzw. die Nennkapazität bestimmt in der Regel den Gesamtenergieumsatz. Eine große Anlage hat gegenüber einer kleineren zwar einen höheren absoluten Energieverbrauch, jedoch sind die Verluste im Vergleich zum gesamten Energieverbrauch geringer, was zu einem besseren Wirkungsgrad bzw. Nutzungsgrad im Nennbetriebspunkt führt. Oft können Kennlinien angegeben werden, die die Abhängigkeit des spezifischen Energieverbrauchs über der Anlagengröße zeigen. Betriebspunkt der Anlage Der spezifische Energieverbrauch ist im allgemeinen von der Auslastung der Anlage abhängig. Der gesamte Energieverbrauch setzt sich häufig aus einem von den Verfahrensbedingungen, wie Temperaturen, Drehzahlen, Drücken, Geschwindigkeiten usw., unabhängigen Grund- oder Leerbedarf und einem von der abhängigen Teil zusammen. Bei der Erstellung von Kennlinien muß man sich bewußt sein, daß diese nur einen mittleren statistischen Zusammenhang zwischen Energiebedarf und Fertigung angeben können, da oft verschiedenartige Einflüsse zufallsbedingt zusammenwirken und es nicht gelingt, die einzelnen Parameter wahlweise konstant zu lassen. In der Praxis ergeben sich durch solche Zufallsschwankungen dauernd gewisse Veränderungen des Betriebszustandes, so daß man hier nur von quasistationären Zuständen ausgehen kann. Der tatsächliche Energieaufwand wird also immer mit einer gewissen Streubreite um die ermittelte Kennlinie schwanken.

9 Kurzfassung V In Bild 3-3 sind beispielhaft die energetischen Kennlinien eines Trockners dargestellt. Über der stündlichen Wasserverdampfungsmenge sind der Gesamtwärmebedarf und die wichtigsten Einzelkomponenten der Wärmebilanz, sowie der Verlauf des spezifischen Energieverbrauchs aufgetragen. Der Verlauf des spezifischen Verbrauchs stellt nur den im Mittel zu erwartenden statistischen Zusammenhang dar, um den die tatsächlichen Werte mehr oder minder schwanken können, die verdeutlicht das folgende Beispiel. Der im Bild eingetragene spezifische Verbrauch von 10,88 MJ/kg (w1, bei einer Wasserverdampfung von 40 kg/h) liegt um 1,47 MJ/kg unter dem zu erwartendem Wert, dagegen liegt bei einer Wasserverdampfung von 130 kg/h der gemessene spezifische Verbrauch von 6,27 MJ/kg um 0,84 MJ/kg über dem Erwartungswert. Trotz des naturgemäß hohen spezifischen Verbrauchs bei kleinem Durchsatz ist demnach die Anlage energetisch günstiger gefahren worden, als nach dem Durchschnitt (Kennlinie W) bei dieser Auslastung zu erwarten wäre. Damit wird klar, daß z.b. beim zwischenbetrieblichen Vergleich von gleichartigen Anlagen der spezifische Verbrauch alleine kein ausreichendes Kriterium bieten kann, wenn nicht der Kapazitätsausnutzungsgrad bekannt ist. 200 Theoret. Mindestenergieb. kw 100 Wärmebedarf P 0 Bild 3-3: Spezifischer Wärmeverbrauch eines Trockners Die Degression des spezifischen Energieverbrauchs mit steigender Fertigung wird bei modernen Anlagen und Maschinen immer ausgeprägter, weil die lastunabhängigen Anteile des Energiebedarfs durch steigende Mechanisierung und Automatisierung zunehmen. Dadurch kann es vorkommen, daß eine Verbesserung der betrieblichen Anlagenausrüstung zunächst mit einer Erhöhung des spezifischen Energieverbrauchs verbunden ist, wenn die Anlage im Teillastbetrieb fährt. Bilanzraum Um die Energie- und Stoffströme zu quantifizieren, ist zu Beginn einer Analyse die eindeutige Festlegung der Bilanzgrenzen erforderlich. Bei komplexeren Systemen erfordert die Abgrenzung einzelner Komponenten und deren Bilanzierung gute Sachkenntnisse. Die Abgrenzung wird nach verschiedenen Kriterien vorgenommen und sollte für jede Art von Fertigungsanlagen einheitlich definiert werden.

10 VI Kurzfassung Zu entscheiden ist jeweils, welche Prozeßschritte in das Verfahren mit aufgenommen werden, welche Hilfsantriebe und Zusatzaggregate zu berücksichtigen sind ggf. ob gekoppelte Verfahren zur Vereinfachung gemeinsam bewertet werden sollen. Ein Beispiel hierfür ist das gemeinsame Bilanzieren von Trockner und Brennraum bei der Ziegelherstellung (Bilanzraum B), da beide Prozesse über Abwärmenutzung eng verknüpft sind. Bild 3-4 zeigt für eine Fertigungsanlage drei Varianten von Bilanzräumen. Mitentscheidend für die Festlegung einer Variante sind die Ziele der energetischen Bilanzierung. Hilfsanlagen Bilanzraum A Bilanzraum B Vorheriger Prozessschritt Anlage Prozess Nachfolgender Prozessschritt Bilanzraum C Hilfsanlagen Bild 3-4: Festlegung von Bilanzgrenzen Darstellung Die beschriebenen Werte und Informationen werden in dieser Studie jeweils in einem Datenblatt zusammengestellt. Dieses ist als Formblatt gestaltet und so allgemein gehalten, daß es auf den Großteil der industriellen Anlagen anwendbar ist. Der Umfang ist so gewählt, daß die Übersichtlichkeit über die Vielzahl von Informationen erhalten bleibt. Beschreibungen und Zusatzinformationen werden als Text aufgeführt. Die Auflistung der Werte zu Energie- und Stoffbilanz wird tabellarisch vorgenommen. Für die graphische Darstellung von Anlagenschema, Energie- und Massenbilanz, Kennlinien und sonstige Diagramme, sind frei gestaltbare Flächen vorgesehen. Die aufgelisteten Werte, sowie die daraus ermittelten Energiekennwerte und die Bilanzen gelten in der Regel für einen konkreten Betriebspunkt. Zusätzlich können Kennlinien stationärer Betriebspunkte angegeben werden, die jeweils die Abhängigkeit der Kennzahlen von Einflußgrößen veranschaulichen. Dies gilt vor allem für den Einfluß der Auslastung auf den Energiebedarf. Bei Bilanzierung von mindestens zwei geeigneten Betriebszuständen (z.b. Leerbetrieb und Vollast) läßt sich eine energetische Kennlinie erstellen. Vereinfachend kann dabei meist eine lineare Abhängigkeit des Energieverbrauchs von der Auslastung angenommen werden. Bei

11 Kurzfassung VII unterschiedlichen Randbedingungen sind eine Vielzahl von Punkten aufzunehmen, nach denen eine Kennlinienschar erstellt werden kann. Hilfreiche Zusatzinformationen über die Anlage, Beschreibungen, Verweise auf andere Anlagen oder Datenblätter können ebenfalls beigefügt werden. Dazu gehören auch Angaben über Emissionen (energie- oder prozeßbedingt) von Anlagen und die Methoden der Abgasbehandlung (Filterarten, Entstickung oder Entschwefelung) auch wenn diese nicht dem Bilanzraum zugehören. 3.2 Vergleichskennzahlen für Anlagen und Verfahren Für eine Vielzahl von Produkten und Fertigungsanlagen können spezifische Energiekennzahlen aus Veröffentlichungen bzw. Fachliteratur entnommen werden. Dabei ist zu unterscheiden, ob die Kennwerte aus statistischen Aufzeichnungen stammen oder ob Messungen an Fertigungsanlagen, idealerweise mit neuesten Produktionsverfahren, zugrunde liegen. Beim Vergleich von Kennwerten mit denen aus eigenen Betriebsmessungen ist daher immer darauf zu achten, welche Technologie, Randbedingungen und Bilanzgrenzen zugrunde liegen. Allerdings sind solche notwendigen Zusatzinformationen in den Literaturstellen oft nicht vorhanden. Die Vergleichskennzahlen für Anlagen und Verfahren sollen jeweils für eine Gruppe genau definierter Anlagen einen Richtwert darstellen (Bild 3-5). Dieser repräsentiert soweit möglich den aktuellen und technisch machbaren Stand des Energie- und Stoffeinsatzes für die bezeichneten Anlagen bzw. Verfahren. Ist-Werte sind die in einem Betrieb ermittelten Energiekennzahlen, die dessen aktuellen Stand repräsentieren. Durch den Vergleich der betrieblichen Kennzahlen mit den Richtwerten kann eine Aussage über die Qualität der untersuchten Anlage getroffen werden. gleiches Verfahren, gleiches Produkt, gleiche Rahmenbedingungen betriebliche Energiekennzahl IST-WERT Vergleichs- Energiekennzahl RICHTWERT Vergleich der Kennzahlen Qualität der Anlage und Optimierungspotentiale Bild 3-5: Anwendung der Energiekennzahlen

12 VIII Kurzfassung Sind die Werte in etwa gleich, so kann man davon ausgehen, daß die Anlage dem aktuellen Stand der Technik entspricht bzw. daß die Anlage in geeigneter Weise betrieben wird, so wie es für die Vergleichskennzahlen vorausgesetzt wurde. Ein mögliches Optimierungspotential ist durch diesen Vergleich kaum darstellbar. Sind die Energiekennzahlen schlechter als die Vergleichswerte, zeigt dies eine entsprechend schlechtere Qualität oder Betriebsweise der Anlage. Die Ursachen sowie auch die Verbesserungsmöglichkeiten können durch einen detaillierten Vergleich aller verfügbaren Informationen herausgestellt werden. Sollten die betrieblichen Werte besser sein als die Vergleichswerte, so kann das nach einer Überprüfung der Plausibilität der vorliegenden Werte zu einer Überarbeitung und Aktualisierung der Vergleichskennzahlen führen. 4 Energieverbrauch in der Industrie Die Kennzahlen bereits existierender Veröffentlichungen beziehen sich überwiegend auf ganze Betriebe, Branchen oder Industriezweige. Der Jahresenergieverbrauch wird dabei meist auf jährliche Nettoproduktion oder Umsatz bezogen. Nachfolgend wird die Entwicklung des Endenergieverbrauchs der Industrie, die Energieträgerstruktur und die Aufteilung auf Energieanwendungen aufgezeigt. Anhand von Zahlen die gemeinsam von der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, des RWE-Energie AG, Essen und dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Kraftwerkstechnik (IFE) der TU München jährlich aufgrund von Hochrechnungen abgeschätzt werden ist in Bild 4-1 für das Jahr 1995 die Aufteilung des Endenergieverbrauchs nach Anwendungsarten dargestellt. Das Säulendiagramm zeigt, daß der Endenergieverbrauch der Industrie zu etwa zwei Dritteln der Prozeßwärmeerzeugung dient, für mechanische Energie wurden rund 19 % aufgewendet. Der Bedarf für Raumheizung betrug etwa 11 %, für Beleuchtung sowie für Information und Kommunikation wurde zusammen knapp 3 % benötigt. Bild 4-2 zeigt die Entwicklung des Energieverbrauchs für die Hauptgruppen der Industrie seit Der Rückgang um etwa 500 PJ seit 1970 auf heute PJ/a vollzog sich überwiegend in der Grundstoff- und Produktionsgüterindustrie. Begründet war dieser Rückgang vor allem in erheblichen Änderungen der Produktionspalette. Lediglich die Investitionsgüterindustrie verzeichnet einen leichten Zuwachs von ca. 8 %. Besonders gravierend ist der Einbruch des Energieverbrauchs in den neuen Bundesländern, die drastische Einschnitte und Umstruktuierungen zu bewältigen hat. In den alten Bundesländern vollzogen sich solche Änderungen schon früher und zeitlich gestreckt. Die Tendenz des Verbrauchs der letzten Jahre ist im ganzen Bundesgebiet ähnlich. Die industrielle Verbrauchsstruktur nach Energieträgern ist für die alten Bundesländer aus Bild 4-3 ersichtlich. Im Zeitraum seit 1970 hat sich der Anteil elektrischer Energie nahezu verdoppelt und betrug 1995 ca. 28 %. Ein etwas geringerer Zuwachs erfolgte bei Gas, das aber mit 38 % den größten Anteil hat. Der Einsatz flüssiger Brennstoffe ging gegenüber dem Höchststand Anfang der 70er Jaher um etwa drei Viertel zurück und hat heute noch einen Anteil von rund 13 %. Eine Aufteilung nach Energieträgern in den neuen Bundesländern konnte nicht erfolgen.

13 Kurzfassung IX Bild 4-1: Aufteilung des Endenergieverbrauchs auf Verbrauchersektoren und Bedarfsarten in Deutschland 1995 (alte und neue Bundesländer) Endenergieverbrauch PJ Jahr 1995 Neue Bundesländer Nahrungs- und Genußmittelgewerbe Verbrauchsgüter prod. Gewerbe Investitionsgüter prod.gewerbe Grundstoff- u. Produktionsgüter übriger Bergbau Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen; VDI/GET Jahrbuch 96 u. 97 Institut für Energetik Bild 4-2: Entwicklung des industriellen Endenergieverbrauchs in Deutschland

14 X Kurzfassung PJ Feste Brennstoffe Gase Fernwärme Flüssige Brennstoffe Strom Bild 4-3: Entwicklung der Energieträgerstruktur der Industrie in Deutschland (alte Bundesländer) 5 Kennzahlen Die nachfolgende Zusammenstellung gibt einen Überblick der im Bericht ausführlich behandelten industriellen Erzeugnissen bzw. Verfahren, für die Kennzahlen ermittelt wurden. Die in Kapitel 5 des Berichtes aufgeführten Kennzahlen entsprechen nach ihrer Ermittlung und Darstellung noch nicht den Energiekennzahlen wie sie in der Methodik beschrieben werden. Das betrifft vor allem die Detailtiefe, die Bilanzräume und die Einteilung in Anlagengruppen. Die Kennzahlen, die gemäß der geforderten Methodik und Darstellungsweise erstellt worden sind, befinden sich in einer Loseblattsammlung, die eine ständige Erweiterung und Aktualisierung ermöglicht. Die im Bericht aufgeführten Werte entsprechen dagegen Zahlen, wie sie zur Zeit überwiegend auch aus der Literatur entnommen werden können.

15 Kurzfassung XI Die angegebene Nummerierung und Klassifikation der Wirtschaftszweige (WZ93) entspricht der statistischen Systematik der Wirtschaftszweige der Europäischen Gemeinschaft. Milch und Milchprodukte WZ 15.5 Körnertrocknung WZ 15.7 Grünfuttertrocknung WZ 15.7 Zuckerherstellung WZ Bierherstellung WZ Malzherstellung WZ Papier- und Zellstoffherstellung WZ Glasherstellung WZ 26.1 Feinkeramik WZ 26.2 Ziegelherstellung WZ 26.4 Zementherstellung WZ 26.5 Kalksandsteinherstellung WZ NE-Metalle WZ 27.4 Gießereierzeugnisse WZ 27.5 Eisen- und Stahlerzeugung WZ 27.9 Für die untersuchten Branchen kann zusammenfassend gesagt werden, daß der spezifische Endenergieverbrauch von Anlagen und Verfahren, die dem momentanen Stand der Technik entsprechen, durch Weiterentwicklungen in naher Zukunft nicht deutlich gesenkt werden wird. Die eingesetzten Anlagen und Verfahren entsprechen meistens nicht dem Stand der Technik, so daß noch ein großes Einsparpotential besteht. Verbesserungen ergeben sich vereinzelt durch die Verwendung elektrischer Energie anstelle von Brennstoffen, durch veränderte Prozeßparameter (Temperaturen und Drücke), ermöglicht durch weiterentwickelte Werkstoffe, und durch konsequentere Abwärmerückgewinnung. Neuentwickelte Verfahren haben weniger eine Senkung des Energieverbrauchs zum Ziel, sondern sind bedingt durch erweiterte Umweltauflagen (NOx, Abwasser), Qualitätsanforderungen (Stahl), flexiblere Betriebsführung oder den Einsatz neuer Stoffe im Verfahren bzw. der Substitution von Stoffen (Kohlestaub statt Koks im Hochofen). Einsparpotentiale für die Betriebe bestehen aber nach wie vor in der Erneuerung veralteter Anlagen, in der Optimierung des Betriebsablaufes und der Erkennung und Behebung von Schwachstellen an Anlagen und im Betrieb.

16 XII Abridged Version Determination of energy indicators for plants, manufacturing methods and products - Abridged Version - 1 Preface National and international environment policies are to a great extent influenced by the assumption that the global temperature may rise due to a further increase in the emission of greenhouse gases. The anthropogenic use of energy is the main cause of relevant climatic changes in the composition of the atmosphere. The production of energy by way of burning fossil fuels has increased exponentially since the beginning of industrialisation - with no end of this development in sight for the moment. The economical and efficient use of energy is a sensible way of taking action against the present danger of a global climatic change. For the protection of the climate and of resources, the German Federal environment office has commissioned the Research Institute For Energy Economy (FFE) in Munich in collaboration with the Gebäude- und Umwelttechnik Ingenieurgesellschaft mbh in Leipzig to carry out a research concerning energy indicators within the framework of an environment research plan dealing with the identification of energy use in industrial processes. The further development of a rational exploitation of energy in the industry will play an essential role regarding the decrease of CO2 emissions. 2 Task of the Project Achieving knowledge of the product-related specific use of energy is a most vital requirement for the assessment of energy-intensive plants and/or manufacturing methods as well as for the subsequent elaboration of figures relating to possible energy saving, or, respectively, to possible ways of protecting the environment. To many companies and business areas, however, such knowledge is not available, so that many opportunities to use energy more efficiently remain unseen. This research project deals with the development of a methodology for determining specific energy indicators.

17 Abridged Version XIII The determination and documentation of characteristic numbers relating to the specific energy consumption has the following aims: assessment of the energetic efficiency of plants and manufacturing methods, evaluation of resource expenditure and emissions, recognition of potentials for the reduction of energy consumption and emissions by comparison with similar plants and/or processes in the own or in other companies, basic data for plans concerning the use of energy that facilitate disclosures on process levels and give a starting-point as far as plant and process-related cost reductions are concerned, basic data for a balancing of accounts for products from all relevant points of view (cumulated energy consumption, life cycle analysis) and for the energy and environment management of a company (eco-audit). Specific energy indicators can only be applied to certain areas, since the operational and economic influences can vary for different plants. A generalisation is only recommendable if the most important influence factors correspond and if they are taken into consideration when detecting the characteristic values. In view of the great variety of influencing factors, the energy indicators and emissions cannot be used for the determination of boundary values set by official authorities for approval procedures and surveillance. 3 Methodology for Determining Energy Indicators 3.1 Energy Indicators for production plants Characteristic energy indicators for industrial production plants show the amount and kind of energy required for the manufacture of a specific amount produced in a specific production plant and/or by use of a specific manufacturing method. At the same time, the related flow of materials needs to be analysed. In the following, the methodology is described according to which these characteristic numbers are determined and shown in a standardised way to create a basis for comparison with similar plants and comparative numbers Measuring of energy consumption in Companies A prerequisite for an optimum furnishing of the energy demands in industry and trade from an economic, energetic and ecological point of view is the knowledge of the current structure of the energy conversion on an operational level. The data and statistics available in this respect, however, are often insufficiently detailed. By detecting energetically relevant data as well as by processing them and presenting them in tabular and graphic form, the information basis for the assessment of previous and present activities is created as well as a basis for making decisions on further activities. After locally plotting the construction and the site as well as after inspecting the energy consumption accounts, planning documents and technical equipment of the plant, the records concerning the energy consumption of the company and of single plants and plant groups are evaluated.

18 XIV Abridged Version For obtaining the characteristic numbers, however, more in-depth studies are necessary. To infer the state or, respectively, the energy consumption of the particular plants or part of the company's plants from the data given, recordings of measurements and a simultaneous observation of the plant during operation need to be carried out. When interpreting the data within the framework of corporate energy management, great care has to be taken as to whether the data quality meets the respective demands. In general, attention has to be paid to the fact that the numerical data concerning the energy consumption and production that lead to the calculation of the specific consumption indicators, may only include the process steps of the one product line in question Energy Indicators and their Influencing Variables The capturing of the energy flow and the material flow is the first essential step towards a substantive description of the plant. For obtaining such information, the specific values of the balance items as shown in Fig. 3-1 need to be detected: current released energies heat emissions raw materials semi-finished products plant process product fuels coupled products additives waste products Fig. 3-1: Energy and material flow of a balance area Usually, the volumetric and gravimetric unit of the main product or alternatively some other suitable functional unit, such as e.g. the amount of water to be evaporated in a drying process, is used as a reference quantity. Apart from the balancing of the flow of energy and material, further technical and process-related information about the plant and the operation of the plant needs to be collected. Some of the most important variables having influence on the energy indicators are described in the following paragraph in accordance with Fig Besides the constant basic conditions determined by the plant itself, most of all the variable influencing factors reflecting the operating states the energy data are relevant for need to be taken into consideration when detecting the indicators in companies. Since the values derived from direct measurements or from records are only valid for the operating state during the period in which the measurements were taken, the basic conditions should be determined prior to measuring.

19 Abridged Version XV kind of operation overall performance balance area balance period product quality environment season of year plant course of process kind of energy carrier size of plant age of plant operating method quality of raw materials Fig. 3-2: Influencing variables and basic conditions for energy indicators Size of plant The final energy consumption usually depends on the size of the plant or respectively the nominal capacity. A large plant has a higher absolute energy consumption than a smaller plant; the losses at a large plant, however, are smaller in comparison to the final energy consumption, which leads to a higher efficiency or a better utilisation ratio of operation at nominal rating. Characteristic curves showing the dependence of the specific energy consumption in relation to the size of the plant can often be given. Operating point of the plant The specific energy consumption usually depends on the utilisation ratio of a plant. The final energy consumption often consists of a basic or idle consumption, which is independent from process conditions, such as temperatures, rotary frequencies, pressures, speeds etc., and of a dependent part. When determining characteristic curves, one has to be aware of the fact that they can only indicate an average statistical relation between energy consumption and manufacturing, since several influences often act together coincidentally, and single parameters can never be kept constant by choice. In practical operation, such coincidental variations constantly lead to some changes of the operational state; therefore, one can only refer to quasi-stationary states. The actual expenditure of energy will consequently always vary around the detected characteristic line. Fig. 3-3 represents, as an example, the energetic characteristic curves of a dryer. The total heat consumption and the most important single components of the heat balance as well as the course of the specific energy consumption are entered in relation to the hourly amount of vaporised water. The course of the specific consumption only shows an average statistical relation that can be expected, whereas the actual values can vary more or less, as the following

20 XVI Abridged Version example illustrates. The specific consumption of MJ/kg (w1, with a water evaporation rate of 40 kg/h) is 1.47 MJ/kg lower than the expected value, whereas at an evaporation rate of 130 kg/h the measured specific consumption of 6.27 MJ/kg is 0.84 MJ/kg higher than the expected value. Despite the naturally high specific consumption at low operational capacity, the plant was therefore operated more efficient from an energetical point of view than one would expect judging from the average value (characteristic curve w) at this capacity. This clearly shows that e.g. an intercompany comparison of similar plants cannot be carried out by merely referring to the specific consumption as long as the degree of capacity used is not known. Fig. 3-3: Specific heat consumption of a dryer The degression of the specific energy consumption of modern plants and machines is constantly increasing, since capacity-independent portions of the energy consumption are on the rise due to increasing mechanisation and automation. A consequence of this development may be that an improvement of the company's plant equipment is at first connected with a rise in specific energy consumption if the plant does not operate to its full capacity. Balance area To quantify the energy and material flow, the balance margins need to be clearly determined at the beginning of the analysis. For complex systems, the delimitation of single components and their balancing require a profound subject knowledge. The delimitation is made according to various criteria and should therefore be defined in a standardised way for every kind of manufacturing plant. In each case it has to be decided which process steps are to be included in the procedure, which auxiliary drives and additional sets require consideration and, if necessary, whether coupled processes should be evaluated jointly for simplification. One example is the joint balancing of dryer and firing chamber in the field of brick manufacturing (balance area B), since both processes are closely related due to the utilisation of waste heat. Fig. 3-4 shows three variations of balance areas of a manufac-

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