Wolfgang A. Mayer (Hrsg.) FORETA. Ergebnisse des Forschungsverbundes. Energieeffiziente Technologien und Anwendungen

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1 Wolfgang A. Mayer (Hrsg.) FORETA Ergebnisse des Forschungsverbundes Energieeffiziente Technologien und Anwendungen

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3 FORETA Ergebnisse des Forschungsverbundes

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5 Wolfgang A. Mayer (Hrsg.) FORETA Ergebnisse des Forschungsverbundes Energieeffiziente Technologien und Anwendungen Verlag Attenkofer

6 FORETA Ergebnisse des Forschungsverbundes FORETA Ergebnisse des Forschungsverbundes FORETA Ergebnisse Energieeffiziente des Forschungsverbundes Technologien und Anwendungen Energieeffiziente Technologien und Anwendungen Energieeffiziente Technologien und Anwendungen Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. Mayer ISBN Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. Mayer Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. Mayer ISBN Nr (vom Verlag erfragen) ISBN Nr (vom Verlag erfragen) Copyright: Copyright: Verlag: Verlag: Redaktion: Redaktion: Druck: Druck: Lehrstuhl für Rohstoff- und Energietechnologie, Lehrstuhl für Rohstoff- und Energietechnologie, Technische Universität München, 2013 Technische Universität München, 2013 Alle Rechte vorbehalten Alle Rechte vorbehalten Verlag Attenkofer, Straubing Verlag Attenkofer, Straubing Dipl.-Ing. (FH) Michael M. Becker, Dipl.-Ing. (FH) Michael M. Becker, Dipl.-Psych. Harriet Goschy Dipl.-Psych. Harriet Goschy Lehrstuhl für Rohstoff- und Energietechnologie Lehrstuhl für Rohstoff- und Energietechnologie Technische Universität München Technische Universität München Petersgasse 18, Straubing Petersgasse 18, Straubing Cl. Attenkofer sche Buch- und Kunstdruckerei, Straubing Cl. Attenkofer sche Buch- und Kunstdruckerei, Straubing Rechte, insbesondere der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Titel dieses Rechte, insbesondere der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Titel dieses Buches darf ohne die Genehmigung des Lehrstuhls für Rohstoff- und Energietechnologie, der Buches darf ohne die Genehmigung des Lehrstuhls für Rohstoff- und Energietechnologie, der Technischen Universität München in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikrofilm oder Technischen Universität München in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Warenzeichen: Wenn Namen, die in der Bundesrepublik Deutschland als Warenzeichen Warenzeichen: Wenn Namen, die in der Bundesrepublik Deutschland als Warenzeichen eingetragen sind, in diesem Buch ohne besondere Kennzeichnung wiedergegeben werden, so eingetragen sind, in diesem Buch ohne besondere Kennzeichnung wiedergegeben werden, so berechtigt die fehlende Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass der Name nicht geschützt ist berechtigt die fehlende Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass der Name nicht geschützt ist und von jedermann verwendet werden darf. und von jedermann verwendet werden darf.

7 III Vorwort Im Jahr 2007 hat die Bayerische Staatsregierung das Klimaprogramm Bayern 2020 beschlossen, welches die Anstrengungen auf internationaler und nationaler Ebene gezielt ergänzt und verstärkt, um dem Klimawandel und seinen Folgen noch wirksamer vorzubeugen. Im Rahmen des Klimaprogramms Bayern 2020 wurden drei interdisziplinäre Forschungsverbünde, darunter der Forschungsverbund Energieeffiziente Technologien und Anwendungen, kurz FORETA, eingerichtet. In Bayerischen Forschungsverbünden arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen Hochschulen und zum Teil aus Unternehmen fachübergreifend zusammen, um komplexe Fragestellungen in zukunftsrelevanten Bereichen zu beantworten. Durch die Kooperation im Verbund wird eine Bündelung und Vernetzung der bayernweit bestehenden Kompetenzen erreicht. FORETA hatte sich zum Ziel gesetzt, grundlegende Lösungsansätze zu untersuchen und zu entwickeln. Mittels dieser Ansätze sollten für exemplarische Anwendungen in Unternehmen die Effizienz der Energiebereitstellung und -nutzung erheblich gesteigert und somit der Energiebedarf nachhaltig gesenkt werden. Der Forschungsverbund FORETA hat vom 1. September 2009 bis zum 31. Dezember 2012 über drei Jahre intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet. In 11 Teilprojekten untersuchte der Verbund zusammen mit 44 Wirtschaftspartnern beispielhafte Anwendungen für die Effizienz der Bereitstellung, Nutzung und Speicherung von Energie in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU). Die beteiligten Universitäten und Hochschulen für angewandte Wissenschaften sowie ihre Wirtschaftspartner geben mit der Erstellung dieses Abschlussberichtes einen Überblick über die Ergebnisse ihrer Arbeiten. Dank gilt dem Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst für die Unterstützung, den Gutachtern und den Bayerischen Staatsministerien für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie sowie für Umwelt und Gesundheit für die fachlich wertvollen Ratschläge.

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9 V Vorwort Inhaltsverzeichnis... III A Autorinnen und Autoren... IX Einleitung XV A. Energieeffizienzsteigerung im Gartenbau unter Glas in Bayern... A-1 A.1. Projektbeschreibung... A-1 A.1.1. Empirische Untersuchung... A-2 A.1.2. Technische Untersuchung... A-2 A.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... A-3 A.2.1. Darstellung der Energiesysteme anhand eines Modellbetriebs... A-3 A.2.2. Ergebnisse der empirischen Untersuchungen... A-7 A.2.3. Ergebnisse der technischen Untersuchungen... A-17 Literaturverzeichnis... A-24 B. Energieoptimierung von Nichtwohnraumgebäuden am Beispiel des Gewerbeparks Schäferheide in Alzenau... B-1 B.1. Projektbeschreibung... B-1 B.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... B-2 B.2.1. Vorortaufnahme... B-2 B.2.2. Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise und eines Analysetools zur Bewertung von Nichtwohnraumgebäuden... B-4 B.2.3. Anwendungsbeispiel Kindertagesstätte... B-16 B.2.4. Anwendungsbeispiel Gartenamt... B-19 B.2.5. Anwendungsbeispiel Gewächshäuser... B-25 C. Rationeller Energieeinsatz in der aluminiumverarbeitenden Industrie. Abwärmenutzung und verbesserte Isolierung von Transportbehältern für flüssiges Aluminium... C-1 C.1. Projektbeschreibung... C-1 C.1.1. Abwärmenutzung... C-4 C.1.2. Flüssigaluminiumtransport... C-4 C.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... C-5 C.2.1. Prozessanalyse der Schmelzöfen... C-5 C.2.2. Energiepotentialanalyse des Abgaswärmestroms... C-7 C.2.3. Methodik zur Einführung effizienzsteigernder Maßnahmen... C-10 C.2.4. Prozessexterne Maßnahmen... C-11 C.2.5. Prozessinterne Maßnahmen... C-12 C.2.6. Flüssigaluminium... C-15 C.2.7. Zusammenfassung und Ausblick... C-22 Literaturverzeichnis... C-24 B C D E F G H I J K

10 VI Inhaltsverzeichnis A B C D E F G H I J D. Produktionsbasiertes Energiemanagement für die Lebensmittelindustrie (ProBasEnMan)... D-1 D.1. Projektbeschreibung... D-1 D.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... D-3 D.2.1. Dokumentation der Referenzbetriebe und Standardisierung der Datenerfassung... D-3 D.2.2. Beschreibung des Optimierungs- und Einsparpotentials... D-6 D.2.3. Entwicklung einer Systemkomponentenbibliothek lebensmittelverfahrenstechnischer Prozesse zur Abbildung in einem Simulationsmodell... D-8 D.2.4. Entwicklung und Anwendung des Optimierungstools... D-10 Literaturverzeichnis... D-23 E. Solare Wärme in der bayerischen Lebensmittelindustrie: Exemplarischer Einsatz von solarthermischen Systemen in einer Brauerei und einer Molkerei... E-1 E.1. Projektbeschreibung... E-1 E.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... E-2 E.2.1. Energiebilanzen, Prozessanalyse und Struktur der Wärmeversorgung... E-2 E.2.2. Niedertemperaturige Wärmeversorgung... E-5 E.2.3. Energieeffizienzmaßnahmen und Wärmerückgewinnung... E-5 E.2.4. Konzeptentwicklung solarthermisch unterstützte Wärmeversorgung... E-7 E.2.5. Modellierung und Simulation... E-9 E.2.6. Simulation mit Parametervariation... E-11 E.2.7. Integriertes Energieversorgungskonzept NT-Wärmenetz Zott... E-12 E.2.8. Wirtschaftlichkeitsanalyse... E-13 E.2.9. Reduktionspotenziale Primärenergie und Treibhausgasemissionen... E-14 E.2.10 Methodik zur Realisierung effizienter Wärmeversorgungskonzepte... E-14 E Anwendungspotenziale solarthermischer Energie... E-15 Literaturverzeichnis... E-18 F. Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen im Gewerbe... F-1 F.1. Projektbeschreibung... F-1 F.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... F-2 F.2.1. Energiebedarfsanalyse nach Branchen... F-2 F.2.2. Synthese typischer Bedarfsgänge am Beispiel eines Bürogebäudes... F-2 F.2.3. Auswahl des Versuchsobjektes... F-3 F.2.4. Ergebnisse des Feldtests... F-5 F.2.5. Modellierung und Simulationsergebnisse... F-17 F.2.6. Prüfstandsuntersuchung... F-23 F.2.7. Potenzialabschätzung... F-27 F.2.8. Fazit... F-31 Literaturverzeichnis... F-33 K

11 Inhaltsverzeichnis VII G. Regenerativ betriebene, innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage (InnoKKK) G-1 G.1. Projektbeschreibung... G-1 G.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... G-2 G.2.1. Beschreibung der Versuchsanlage... G-2 G.2.2. Systemgrenzen und Energiebilanz... G-6 G.2.3. Regelungsoptimierung... G-8 G.2.4. Untersuchung der Rückkühler... G-9 G.2.5. Untersuchung des Wärmequellenverhältnisses... G-18 G.2.6. Wirtschaftlichkeit... G-22 Literaturverzeichnis... G-26 H. Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Integration von Latentwärmespeichern... H-1 H.1. Projektbeschreibung... H-1 H.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... H-3 H.2.1. Eingriffsmöglichkeiten und untersuchte Maßnahmen... H-3 H.2.2. Versuchsstand... H-4 H.2.3. Latente thermische Speicher... H-6 H.2.4. Modell des Wärmepumpenheizungssystems... H-7 H.2.5. Bewertung der Energieeffizienz der untersuchten Maßnahmen... H-9 H.2.6. Abgleich der Versuchsanlagen und Validierung der Modelle... H-10 H.2.7. Experimentelle Parametervariation für Fußbodenheizung mit kleinen Speichern... H-11 H.2.8. Numerische Parametervariation für Fußbodenheizung mit kleinen Speichern... H-13 H.2.9. Numerische Parametervariation für große Speicher... H-15 H Energieeffizienzsteigerung und Reduktion des Kohlendioxidausstoßes... H-17 H Übertragung der Ergebnisse... H-18 H Latente thermische Speicher im Kältekreis der Wärmepumpe... H-19 Literaturverzeichnis... H-21 I. Thermische Wasser-Langzeitspeicher in kleiner Baugröße... I-1 I.1. Projektbeschreibung... I-1 I.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... I-2 I.2.1. Grobspezifikation... I-2 I.2.2. Laborversuchsstand... I-9 I.2.3. Grobspezifikation und Konzept Behältnis... I-12 I.2.4. Beladeeinrichtung... I-14 I.2.5. Charakterisierung der Speicherhülle... I-15 I.2.6. Aufbaukonzept Pilotspeicher... I-19 I.2.7. Aufbau Pilotspeicher und Messtechnik... I-21 I.2.8. Inbetriebnahme Pilotspeicher und Monitoring... I-24 I.2.9. Optimierung... I-26 I Ganzheitliche Studie... I-27 I Alternative, neue technische Konzepte... I-32 Literaturverzeichnis... I-34 A B C D E F G H I J K

12 VIII Inhaltsverzeichnis A B C D E F J. Entwicklung von Speichermaterialien für die Wärme-/Kälteerzeugung durch Wärmetransformationsprozesse... J-1 J.1. Projektbeschreibung... J-1 J.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... J-2 J.2.1. Untersuchung der Adsorptionsmaterialien... J-2 J.2.2. Anbindung der Adsorbentien an wärmeleitende Schichten... J-9 J.2.3. Energetische Betrachtungen... J-15 Literaturverzeichnis... J-17 K. Mobile Wärmespeicherung zur Abwärmenutzung... K-1 K.1. Projektbeschreibung... K-1 K.2. Ergebnisse des Forschungsprojekts... K-3 K.2.1. Langzeitbetrieb und Optimierung PCM-Pilotspeicher... K-3 K.2.2. Mobile Wärmespeicherung durch Zeolithe im direktem Abgaskontakt... K-15 K.2.3. Mobile Wärmespeicherung durch Phasenwechselmaterialien... K-22 Literaturverzeichnis... K-26 Anschriften der Projektpartner... i Abbildungsverzeichnis... i Tabellenverzeichnis... ix G H I J K

13 IX Autorinnen und Autoren A ANDERS, BORIS, Dipl.-Ing. (FH) Hochschule Kempten BECKER, MICHAEL M., Dipl.-Ing. (FH) Hochschule Kempten BINDER, SAMIR, Dipl.-Ing. Fraunhofer UMSICHT BOCHTLER, ULRICH, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Aschaffenburg ulrich.bochtler@h-ab.de BÖNIG, JOCHEN, M.Eng. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm BRANDMAYR, SEBASTIAN, Dr. Technische Hochschule Ingolstadt BRAUN, JOST, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Kempten jost.braun@fh-kempten.de BRÜGGEMANN, DIETER, Prof. Dr.-Ing. Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse, Universität Bayreuth brueggemann@uni-bayreuth.de Daschner, Robert, Dipl.-Ing. Fraunhofer UMSICHT DECKERT, MARCO, M.Eng. Fraunhofer UMSICHT DENTEL, ARNO, M.Eng. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Kap. G Kap. G Einleitung Kap. B Kap. I Kap. E Kap. G Kap. H Einleitung Kap. K Kap. C B C D E F G H I J K

14 X Autorinnen und Autoren A B C D E F G H I J K FAULSTICH, MARTIN, Prof. Dr.-Ing. (ehemals: Lehrstuhl für Rohstoff- und Energietechnologie, Technische Universität München) CUTEC Institut martin.faulstich@cutec.de FRANKE, SVEN, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, Technische Universität München FUCHS, BENJAMIN, M.Eng. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm HAMACHER, THOMAS, Prof. Dr. rer. nat. Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik, Technische Universität München thomas.hamacher@tum.de HERTEL, MANUEL, Dipl.-Volkswirt Hochschule Weihenstephan-Triesdorf HIEBLER, STEFAN, Dr. Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. - ZAE Bayern hiebler@muc.zae-bayern.de HINZE, MORITZ, M.Sc. Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg HOFBECK, KLAUS, Prof. Dr. rer. nat. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm klaus.hofbeck@ohm-hochschule.de HÖFLER, JOSEF, Dipl.-Math. Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, Technische Universität München HÖRNER, EUGEN, M.Eng., Dipl.-Ing. (FH) Hochschule Aschaffenburg IZADIN, ALI QUIMAZ, Ph.D. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Kap. K Kap. D Kap. I Kap. F Kap. A Kap. K Kap. J Kap. I Kap. D Kap. B Kap. I

15 Autorinnen und Autoren XI KUHNT, ANDREAS, Dipl.-Chem. Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg LAMPERT, PAUL, Dipl.-Ing. Hochschule Weihenstephan-Triesdorf LANGOWSKI, HORST-CHRISTIAN, Prof. Dr. rer. nat. Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, Technische Universität München LIPP, JOSEF, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik, Technische Universität München MENRAD, KLAUS, Prof. Dr. Hochschule Weihenstephan-Triesdorf MÜLLER, HOLGER, Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Technische Hochschule Ingolstadt PATEL, TEJASKUMAR, M.Sc. Hochschule Kempten PETERMEIER, HANNES, Dr.-Ing. Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, Technische Universität München PRÖBSTLE, GÜNTHER, Prof. Dr. Hochschule Ansbach RINGLEB, ANSGAR, Dipl.-Ing. (FH) Hochschule Ansbach RÖSLER, FABIAN, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse, Universität Bayreuth Kap. J Kap. A Kap. D Kap. F Kap. A Kap. E Kap. G Kap. D Kap. C Kap. C Kap. H A B C D E F G H I J K

16 XII Autorinnen und Autoren A B C D E F G H I J K SÄNGER, FLORIAN, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik, Technische Universität München SAUER, VALENTIN, Dipl.-Ing. Hochschule Weihenstephan-Triesdorf SCHLÜTER, WOLFGANG, Prof. Dr. Hochschule Ansbach wschlueter@hs-ansbach.de SCHNEIDER, DIETRICH, Dipl.-Ing. Päd. Hochschule Ansbach SCHWIEGER, WILHELM, Prof. Dr. Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg schwieger@rzmail.uni-erlangen.de SELVAM, THANGARAJ, Dr. Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg SICKENBERGER, BETTINA, Dipl.-Ing. (FH) Architektin Hochschule Aschaffenburg SPLIETHOFF, HARTMUT, Prof. Dr.-Ing. Lehrstuhl für Energiesysteme, Technische Universität München spliethoff@tum.de STEPHAN, WOLFRAM, Prof. Dr. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm wolfram.stephan@ohm-hochschule.de STURM, KORBINIAN, Dipl.-Ing. (FH) Hochschule Kempten TRINKL, CHRISTOPH, Dr. Technische Hochschule Ingolstadt Kap. F Kap. A Kap. C Kap. C Kap. J Kap. J Kap. B Kap. K Kap. C Kap. G Kap. E

17 Autorinnen und Autoren XIII TZSCHEUTSCHLER, PETER, Dr.-Ing. Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik, Technische Universität München WEGER, ANDREAS, M.Eng. Lehrstuhl für Energiesysteme, Technische Universität München ZÖRNER, WILFRIED, Prof. Dr.-Ing. Technische Hochschule Ingolstadt Kap. F Kap. K Kap. E A B C D E F G H I J K

18 XIV A B C D E F G H I J K

19 XV Samir Binder 1, Robert Daschner 1 Einleitung 1 Fraunhofer UMSICHT (ehemals ATZ Entwicklungszentrum bis ) A B In dem Forschungsverbund Energieeffiziente Technologien und Anwendungen (FORETA) erarbeiteten und entwickelten WissenschaftlerInnen zusammen mit kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) grundlegende Lösungsansätze, mit denen für exemplarische Anwendungen, vorwiegend in Unternehmen, die Effizienz der Energiebereitstellung und -nutzung erheblich gesteigert und somit der Energiebedarf nachhaltig gesenkt werden kann. FORETA gliederte sich in 11 thematisch eng verzahnte Teilprojekte. Sprecher des Verbundes war Prof.-Dr.-Ing. Martin Faulstich. Der Verbund war auf die Energieversorgung in Unternehmen fokussiert und besaß die folgenden drei Schwerpunkte. BEREITSTELLUNG Energiebereitstellung, insbesondere durch Kraft-Wärme- oder Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung EFFIZIENTE NUTZUNG Maßnahmen zur Effizienzsteigerung in Produktionsprozessen SPEICHERUNG Wärmespeichertechnologien und -systeme Diese Bereiche stellen die wesentlichen Stellschrauben dar, mit denen eine klimaschonende Energieversorgung realisiert werden kann. Die drei Schwerpunktthemen werden im Folgenden kurz vorgestellt. C D E F G H I Bereitstellung (Teilprojekte A bis D) Das zentrale Thema bei der klimaschonenden Energieerzeugung ist die Bereitstellung der Endenergie aus regenerativen Quellen. Besonders interessant sind in diesem Zusammenhang Biomasse und Solartechnik, da bei deren Nutzung Wärme und Strom gekoppelt zur Verfügung gestellt werden können. Dies steigert die Effizienz und senkt die Kosten. Steigende Strompreise stellen die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und die Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung (KWKK) immer mehr in den Fokus von Planungen, auch für die Energiebereitstellung in J K

20 XVI Einleitung A B C D E F G H I J K produzierenden Unternehmen. Dort ist der Einsatz von KWK oder KWKK besonders sinnvoll, da im Vergleich zu Wohngebäuden meist eine wesentlich kontinuierlichere Wärme- bzw. Kälteabnahme gewährleistet ist. In den letzten Jahren hat sich diese Technologie deutlich weiter entwickelt. Durch Kraft-Wärme- Kälte-Kopplung, die Kombination dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung mit Sorptionskältemaschinen, lässt sich der Nutzungsgrad bei gleichzeitigem Bedarf an Strom, Wärme und Kälte erheblich verbessern. Das Blockheizkraftwerk liefert Strom und Wärme mit einem Gesamtnutzungsgrad von rund 90 %. Eine Sorptionskältemaschine nutzt die vergleichsweise hoch temperierte Abwärme als Antriebsenergie und stellt seinerseits Wärme auf mittlerem Temperaturniveau sowie Kälte bereit. Effiziente Nutzung (Teilprojekte E bis G) Das derzeit erschließbare Potenzial der Energiebereitstellung aus regenerativen Quellen ist aus verschiedenen Gründen begrenzt. Daher kommt der effizienten Nutzung der Energie sei diese regenerativen oder fossilen Ursprungs große Bedeutung zu. Besonders in Industrie und Gewerbe bestehen noch beachtliche Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz, die oft durch kostengünstige und leicht umsetzbare Maßnahmen realisiert werden können. Im Rahmen dieses Schwerpunktthemas sollten in ausgewählten Branchen energetische Wirkzusammenhänge wissenschaftlich fundiert beschrieben und neue Wirkprinzipien, Bauweisen und Technologien zur Senkung des Primärenergiebedarfs und zur Erhöhung der Energieeffizienz entwickelt werden. Der Schwerpunkt umfasste auch Teilprojekte, die Analysewerkzeuge entwickeln, die Anwendung von Analysewerkzeugen in Teilbereichen untersuchen und in ausgewählten Branchen diese exemplarisch anwenden. Speicherung (Teilprojekte H bis K) Die Wärmespeicherung bildete den dritten Schwerpunkt im Forschungsverbund. Sowohl bei der Energiebereitstellung als auch bei der effizienten Energienutzung können Wärmespeicher eine Schlüsselrolle spielen. So können beispielsweise die Kraft-Wärme-Kopplung und Solarthermie nur funktionieren, wenn eine geeignete Wärmesenke vorhanden ist. Genau das ist aber aus saisonalen oder geographischen Gründen häufig nicht der Fall. Viele Kraftwerke werden beispielsweise zur reinen Stromerzeugung betrieben. Die entstehende Wärme kann oft nicht genutzt werden. Das führt zu Energieverlusten, die mehr als die Hälfte des Energiegehaltes der Brennstoffe betragen können. Wärmespeicherung umfasst ein weites und sehr vielschichtiges Feld. Es reicht vom Warmwasserspeicher, der in fast jeder Wohnung vorhanden ist, bis hin zu großen Langzeit-Wärmespeichern für niedere als auch hohe Temperaturen von fast C. Gerade bei industriellen Anwendungen und Technologien sind Wärmespeicher bislang nicht sehr weit verbreitet und besitzen zum Teil noch Pilotphasencharakter.

21 Einleitung XVII Vernetzung der Teilprojekte Der Forschungsverbund traf sich, neben den Arbeitstreffen im Rahmen der Teilprojekte, als Gesamtverbund auf Projektleiterebene und zu den beiden Arbeitskreisen Wärmeverbundwirtschaft sowie Messen und Simulieren. Für die Schwerpunkte des Forschungsverbundes Effizienz und Speicher wurden zudem Workshops abgehalten, bei denen die Projektbearbeiter Möglichkeiten einer gemeinsamen Zusammenarbeit über FORETA hinaus erörtert haben. Über die gemeinsamen Treffen hinaus gab es zudem auch Verknüpfungen der einzelnen Teilprojekte zu Aspekten wie Datenaustausch, Erweiterung der eigenen Anwendung auf weitere Wirtschaftszweige oder Verifizierung eines Modells an Betrieben eines anderen Teilprojektes. Abb. 1 zeigt eine Übersicht. A B C D E F G Abb. 1: Übersicht der Vernetzung innerhalb der Teilprojekte Ergebnisse des Arbeitskreises Wärmeverbundwirtschaft Für eine übergreifende Ergebnisdarstellung befasste sich der Arbeitskreis Wärmeverbundwirtschaft mit einer verallgemeinerten Erfassung der Ergebnisse sowie der einheitlichen Darstellung der Energieeffizienzpotenziale. Dazu stand die Darstellung der Ausgangssituation und der energieoptimierten Variante in einem Sankey-Diagramm im Mittelpunkt der Betrachtungen. Durch die Normierung auf 100 % der Nutzenergie ist sehr übersichtlich der Energieeffizienzgewinn der einzelnen Teilprojekte ablesbar. Die Sankey-Diagramme werden in den einzelnen Teilprojekten vorgestellt, beispielhaft zeigt Abb. 2 das Diagramm aus Teilprojekt F (Einsatz von Mikro-KWK- Anlagen im Gewerbe). Eine Zusammenfassung der Ergebnisse zeigt Abb. 3. H I J K

22 XVIII Einleitung A B C D Abb. 2: Sankey-Diagramme des Teilprojektes F: Einsatz von Mikro-KWK-Anlagen im Gewerbe, nach (l.) und vor (r.) den Optimierungsansätzen E 350% Nutzenergie F G H I J K Energie, normiert auf Nutzenergie in [%], Effizienzsteigerung in [%] 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% TP A* TP B TP C TP D TP E TP F TP G TP H TP I* * TP K * Mittelwert einzelner Maßnahmen * * Deckung des Energiebedarfs durch PV Abb. 3: Zusammenfassung der Ergebnisse Energieeinsatz Ausgangslage Energieeinsatz nach Effizienzmaßnahme Effizienzgewinn Für den Forschungsverbund ergab sich der Mehrwert neben den derzeitigen, aber auch zukünftigen Kooperationsmöglichkeiten vor allem in den folgenden Punkten: Methodenvergleich und -harmonisierung Anwendung der Ergebnisse auf weitere Branchen Erfahrungsaustausch bei der Erfassung der betrieblichen Energieflüsse Der Aspekt des Methodenvergleichs und der Methodenharmonisierung bedarf einer näheren Erläuterung und wird im Folgenden dargestellt: Nach einer ersten Einschätzung der Energieeffizienzgewinne analysierte der Arbeitskreis weitere Aspekte, um Ausgangslage und Projektdurchführung systematisch zusammenzufassen. Dazu wurde eine bei Fraunhofer UMSICHT (in Teilprojekt K

23 Einleitung XIX vertreten, ursprünglich ATZ Entwicklungszentrum, das am 1. Juli 2012 in die Fraunhofer Gesellschaft integriert wurde) in einem früheren Projekt entwickelte Methodik auf die einzelnen Teilprojekte angewandt. Eine Übersicht der erfassten Teilaspekte zeigt Abb. 4. A B C Abb. 4: Systematische Erfassung der Teilprojektaspekte Ausgangspunkt dieser Vorgehensweise war, in einem ersten Schritt die zumeist nicht zufriedenstellende Ist-Situation und daraus abgeleiteten Maßnahmen aufzunehmen. Aus diesen Ergebnissen erwartete man sich Aussagen über die strukturellen Handlungsmotivationen der Betriebe und die gewählten Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz. Letztendlich können die Ergebnisse dazu dienen, gezielter mit kleinen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der Energieeffizienz zusammenzuarbeiten. Es zeigte sich zum einen, dass sich die Motivationen aller Teilprojekte auf folgende Punkte zusammenfassen ließen Ungenutztes Abwärmepotential Ungleichmäßige Lastverteilung (Peaks) Keine ausreichenden Informationen über Energieflüsse Keine befriedigende Energiekonzepte vorhanden Geringer Einsatz regenerativer Energien Einsatz innovativer Technologien nur gering / noch nicht ausgereift Einsatz von bewährten Technologien im Großmaßstab im dezentralen Bereich noch nicht ausgereift In einem weiteren Schritt wurde untersucht, auf welchen Ebenen der Unternehmensprozesse die jeweiligen Effizienzmaßnahmen in die Struktur eingreifen. Zur Klassifikation wurden vier Stufen gewählt. Maßnahmen, die unmittelbar auf das Lastmanagement eines Unternehmens einwirken, oder in Abhängigkeit des offenen Energiemarktes stehen, wurden der Ebene»Geschäftsprozesse«zugeordnet. Auf»Produktionsprozesse«beziehen sich Maßnahmen wie eine optimierte Abwärmenutzung oder der Einsatz von Energiespeichern. Maßnahmen zur Optimierung beispielsweise von Anlagenbetriebsweisen wurden der Ebene»Handlungen«zugeordnet. Schließlich wurden Verbesserungen von Einzelkomponenten unter»technische Systeme«subsumiert. Durch diese Klassifizierung ist eine Übersicht möglich, welche Bandbreite die Teilprojekte in den jeweiligen Anwendungsfällen abdecken. In Relation mit den tatsächlich erreichten Effizienzgewinnen lassen sich so auch die richtigen Einstiegspunkte für künftige Projekte ableiten. Die Verteilung der Einzelmaßnahmen aufgeteilt auf die Klassifizierungsebenen zeigt Abb. 5. D E F G H I J K

24 XX Einleitung A B C D E F G H I J K Abb. 5: Verteilung der Einzelmaßnahmen aufgeteilt auf die Klassifizierungsebenen Für die Entwicklung der Vorgehenskonzepte zeigte sich bei allen Projekten wiederum eine einheitliche Vorgehensweise, die im Folgenden zusammengefasst ist Energieströme erfassen inkl. eigenen Messungen Energieströme bilanzieren Prozesse und Messdaten analysieren und bewerten Simulationen Auswahl geeigneter Technologien/Komponenten Durchführung von Versuchen am Teststand / Objekt Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem für zukünftige Energieeffizienzprojekte eine vereinheitlichte Systematik möglich ist. Beachtet werden sollte jedoch von Anfang an ein umfassender Optimierungsrahmen ausgehend von den Geschäftsprozessen bis hin zu einzelnen Aggregaten. Ergebnisse des Arbeitskreises Messen & Simulieren Ziel dieses Arbeitskreises waren der konstruktive Erfahrungsaustausch und mögliche Kooperationen der Teilprojekte beim Austausch von Messequipment sowie bei der gemeinsamen Erstellung von Simulationsmodellen. In einem ersten Schritt wurden sowohl die eingesetzten Messmittel als auch die angewandten Simulationstools zusammengetragen, in den Treffen vorgestellt und in einer tabellarischen Übersicht zusammengefasst (siehe Tab. 1). Auf dieser Grundlage konnten Stärken und Schwächen der eingesetzten Werkzeuge in gemeinsamen Diskussionen identifiziert werden. Die Simulationstools CARNOT, als eine OpenSource Toolbox als Erweiterung von Matlab Simulink, sowie TRNSYS, als ein dynamisches Simulationsprogramm für technische Systeme, wurden im Rahmen des Arbeitskreises vorgestellt und anhand von Beispielen erläutert. Besonders die von Teilprojekt E vorgestellte CARNOT Toolbox wurde von weiteren Teilprojekten aufgegriffen und in die Simulationen der jeweiligen Projekte integriert (TP D, F, G, H). Ebenso auf Initiative der

25 Einleitung XXI Hochschule Ingolstadt wurde die CARNOT Usergroup wiederbelebt, an der sich auch viele der Projektbearbeiter aus dem Forschungsverbund FORETA beteiligen. Das Simulationsprogramm TRNSYS wurde von Teilprojekt C anhand von konkreten Praxisbeispielen im Rahmen des Arbeitskreises vorgestellt. Auf dieser Grundlage wurde eine mögliche, gemeinsame Erstellung von Gebäudesimulationen der Teilprojekte B, D und E diskutiert, um eine Validierung ihrer spezifischen Modelle durchzuführen. Die Software LabView zur Datenaufzeichnung und Auswertung sowie die numerischen Tools zur Strömungssimulation Ansys CFX und OpenFoam wurden in einem weiteren Arbeitskreistreffen diskutiert. Tab. 1: Übersicht der in den jeweiligen Teilprojekten verwendeten Messmittel TP Messgröße Anz. Sensortyp A Temperatur/Luftfeuchte 36 Wisensys WS-DLTc, digitaler T-Sensor Temperatur 4 Wisensys WS-DLTa-p100 - PT100 Widerstandsthermometer CO 2 /Temperatur/Luftfeuchte 2 Wisensys WS-DLC Durchfluss / Wärmestrom 1 Flexim Fluxus F601 Ultraschalldurchflussmessgerät B Wärmestrahlung 1 Infrarot Temperatur 2 PT 100 Widerstandsthermometer Schallpegel 1 Elektret-Kondensator Messmikrofon Beleuchtungsstärke 2 Fotodiode Windgeschwindigkeit 1 Strömungssensor (Flügelrad Makro) Kohlendioxid 1 2-Kanal-Infrarot Absorptionsprinzip Feuchte 1 Kapazitiver Feuchtefühler Sauerstoff 1 Chemische Sonde Distanz 1 Laser elekt. Leistung 1 Strommesszangen Durchfluss / Wärmestrom 1 Clamp-On Ultraschalldurchflusssensoren C Temperatur 1 Thermoelement (Typ K) nach DIN IEC 584 Teil 1 Datenlogger 1 Analog-Digital-Wandler, Eurotherm Messdatentechnik Geschwindigkeit 1 Prandtl'sches Staurohr mit Differenzdruckmanometer D Temperatur 16 PT100 Widerstandsthermometer Volumenstrom (Fluxus F601 Energy ) 1 Clamp-On Ultraschalldurchflusssensoren elektr. Leistung 1 Stromzange Benning CM7 Volumenstrom; Massenstrom 1 magnetisch-induktiver Durchflussmessung mit Temperatursensor Prozessdaten Units 1 Prozessleitsystem ProLeit LiquiIT E Wärmemenge 1 Mobiler Ultraschall-Durchflusszähler Globalstrahlung Pyranometer Temperatur PT100 Widerstandsthermometer Volumenstrom Magnetisch-induktive Durchflussmessung F Temperatur 148 PT100 Widerstandsthermometer Volumenstrom 7 Magnetisch-induktive Durchflussmessung Volumenstrom 17 Elektronische Impulswasserzähler Volumenstrom 7 Elektronische Impulsgaszähler G Controller 1 NI CompactRIO crio-9074 Analog-Input-Modul 6 NI 9217 Analog-Output-Modul 1 NI 9264 Digital-Input-Modul 1 NI 9411 Temperatur 24 PT100 Widerstandsthermometer Volumenstrom 6 Hydrometer Sharky FS BR 473 A B C D E F G H I J K