Energiekostenreduzierung durch betriebliches Energiemanagement1

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1 1 Ekkehard Tönsing2 Soll ein neues Auto für die Familie gekauft werden, muss unter vielen verschiedenen Modellen ausgewählt werden. Gewisse Ansprüche werden an das Auto gestellt, u. a. Größe, Leistung oder Preis. Selbstverständlich achtet man auch auf den Kraftstoffverbrauch, um ein möglichst kostengünstiges Auto zu erwerben. Doch man verlässt sich nicht nur auf die Herstellerangaben, sondern kontrolliert auch im Alltag beim Tanken den aktuellen spezifischen Verbrauch. Sollte der zu hoch liegen, ist wahrscheinlich der Motor falsch eingestellt. Spätestens dann ist es wieder Zeit für eine Wartung. Ein analoges Verhalten ist auch in einem Produktionsbetrieb wünschenswert, nicht nur aus Kostengesichtspunkten, auch dem Umweltimage des Unternehmens zuliebe. Energiemanagement Im Mittelpunkt jedes produzierenden Betriebes steht der Produktionsprozess (Abbildung 1). Dieser ist unter produktionstechnischen Gesichtspunkten und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu optimieren. Bei der wirtschaftlichen Optimierung spielen die Energiekosten eine oft unterschätzte Rolle, da sie als fixe oder quasi fixe Kosten betrachtet werden. In jedem Betrieb gibt es jedoch Schwachstellen, die unnötige Energiemehrverbräuche verursachen und die durch Energiemanagement beseitigt werden können. Als Denkanstoß seien hier einige typische Mängel genannt: eine am tatsächlichen Bedarf vorbei geplante Anlage ein verpasster Zeitpunkt einer wirtschaftlichen und energiesparenden Neuinvestition eine mangelhafte Information der Verantwortlichen über Verbrauch und Kosten des Energieeinsatzes 1 Die Erstellung dieses Fachartikels wurde vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg im Rahmen der Initiative "Energie effizient nutzen Schwerpunkt Strom" finanziell gefördert. 2 Fraunhofer Institut Systemtechnik und Innovationsforschung, Karlsruhe

2 2 eine fehlende Information und Motivation von Betriebspersonal ein nicht erkannter Defekt, der zu Mehrverbrauch führt ein nicht ausgeschöpftes Potential zur Kostensenkung bei Leistungspreisen leitungsgebundener Energieträger über den Bedarf hinausgehende Betriebszeiten von energietechnischen Anlagen Abbildung 1: Optimierung des Produktionsprozesses Produktionstechnische Optimierung Produktionsprozeß Wirtschaftliche Optimierung Energiewirtschaftliche Optimierung 1. Optimierung der Bezugsstruktur 2. Organisatorische Maßnahmen 3. Investive Maßnahmen Quelle: Friesenecker 1993, eigene Darstellung Auf den ersten Blick erscheint ein Energiemanagement aus den folgenden Gründen schwierig und kompliziert [RAVEL 1993a]: Energie tritt im Betrieb in den verschiedensten Erscheinungsformen auf und durchläuft diesen in sich ständig wandelnder Form. Die einzelnen Energieflüsse beeinflussen sich gegenseitig, so dass immer der gesamte Zusammenhang im Auge behalten werden muss. Die Energieversorgung eines Betriebes ist oft über Jahrzehnte gewachsen. Das Verfolgen und die Analyse der einzelnen Energieflüsse werden hierdurch erheblich erschwert. Neben dem Verbrauch an Energie ist häufig auch die Leistung ein wichtiges Beurteilungskriterium.

3 3 Der hauptsächliche Grund für ein fehlendes Energiemanagement ist die verbreitete Ansicht, dass die Gesamtaufwendungen für die Energieplanung und für die Kontrolle der Energiekosten und des Energieeinsatzes höher als die eingesparten Energiekosten sind. Dass dies häufig nicht richtig ist, zeigen zahlreiche Erfahrungen. Als Richtwert gilt, dass betriebliches Energiemanagement mindestens 5 10 % der Energiekosten reduziert. Erfassung und Analyse des Energieverbrauches Wie geht man aber vor, um die Energiekosten zu reduzieren? Der erste und wichtigste Schritt ist die Erfassung des Energieverbrauchs. Zu dieser Verbrauchserfassung gehört auch die Zuordnung zu den einzelnen Energieträgern und Anwendungen. Wichtige Daten liegen auch ohne eine teure Messung vor. Der Elektrizitäts- und der Gasverbrauch können aus den Zählerständen oder aus den Rechnungen des Elektrizitäts- bzw. des Gaswerks entnommen werden, der Ölverbrauch wird anhand der Einkaufsstatistik und der Lagerveränderung bestimmt. Doch die absoluten Verbrauchsdaten haben nur eine geringe Aussagekraft. Sinnvoller sind spezifische Kennwerte, bezogen auf charakteristische Leistungen des Betriebes, z. B. Produktionsausstoß in Mengen oder Stückzahlen, Umsatz in Geldwerten bzw. Anzahl der Mitarbeiter. Ein zeitlicher Verlauf der Kennwerte und ein eventueller Vergleich mit Durchschnittswerten der gleichen Branche oder von Herstellerangaben offenbaren eigene Schwachstellen und den Handlungsbedarf. Wichtige Hinweise, die bei der Energieanalyse in mittelständischen Unternehmen beachtet werden sollten, liefert u. a. eine Broschüre des Landesgewerbeamtes Baden-Württemberg [LGA 1989]. Wie sehen jedoch die Handlungsoptionen aus? Bevor eine neue Anlage angeschafft wird, werden zuerst sicherlich Maßnahmen ohne bzw. mit nur geringen Investitionskosten ergriffen. An erster Stelle müssen organisatorische Maßnahmen wie eine regelmäßige Wartung der Anlagen genannt werden, die eigentlich selbstverständlich sein sollte. Diese Maßnahmen verursachen kaum zusätzliche Kosten und bieten häufig ein sehr großes Potential. Dazu gehören auch Maßnahmen zur Reduktion der Strombezugskosten wie z. B. Lastmanagement und Blindstromkompensation. Lastmanagement Bei Gewerbe- und Industrieanlagen mit Leistungsinanspruchnahme von über 25 kw wird der Bereitstellungspreis nach gemessener Leistung (mittlere Leistung einer Messzeitperiode: in der Regel 1/4 Stunde) gebildet3 [Fessel 1990]. Da die höchste gemessene Leistung in der Ablesezeit herausgezogen wird, bestimmen Lastspitzen den Leistungspreis. 3 In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass die Preisregelungen der einzelnen EVU in der Bundesrepublik nicht einheitlich sind. Es ist zu empfehlen, sich mit dem örtlichen EVU hierüber in Verbindung zu setzen.

4 4 Eine Linearisierung des Verbrauchs, d. h. ein Abbau von Lastspitzen, ist durch die in Abbildung 2 dargestellten Maßnahmen möglich. Wenn eine zeitliche Verschiebung der Arbeitsprozesse vorgenommen wird (z. B. durch organisatorische Maßnahmen oder durch Einsatz entsprechender Geräte wie Maximumwächter oder Schaltuhren), können Leistungsspitzen vermieden werden. Häufig werden EDV-unterstützte Energiemanagementsysteme für ein Lastmanagement vorgeschlagen, doch für kleine und mittelständische Unternehmen ist eine detaillierte Analyse notwendig, um die Rentabilität zu prüfen. Abbildung 2: Maßnahmen zur Vermeidung von Lastspitzen Gleichzeitiger - teilweise zufälliger- Betrieb mehrerer Verbraucher Lastspitzen Vermeidung von Lastspitzen durch langfristige Planung des Betriebsablaufes Verlagerung von Produktionsprozessen in Zeiten mit geringer Leistungsaufnahme automatische Lastkontrollsysteme Quelle: Friesenecker 1993, eigene Darstellung Blindstromkompensation In der Regel wird bei Betrieben (Sondervertragskunden) auch die Blindarbeit gemessen und in Rechnung gestellt., wenn z. B. im Monatsmittel ein vorgegebener Leistungsfaktor (cos ϕ) unterschritten wird. Blindarbeit entsteht im wesentlichen bei Anwendungen von Elektromotoren, z. B. zum Antrieb von Förderanlagen, Textilmaschinen, Pumpen und Lüftungen. Bei vielen Stromabnahmeverträgen ist ein Mindestleistungsfaktor von cos ϕ = 0,9 induktiv festgelegt. Wird dieser Leistungsfaktor unterschritten, so wird der Blindstrom-Mehrverbrauch vom EVU berechnet. Blindstrom-Einsparmöglichkeiten, die ohne Investitionsmaßnahmen auskommen, können sich ergeben durch [Just 1990]: gute Anpassung der Motor-Nennleistung an die Arbeitslast (Leistung der Arbeitsmaschine), evtl. Ersatz überdimensionierter Motoren,

5 5 Leerlaufen von Motoren vermeiden (vielleicht ist es hier sinnvoll, den Motor in Zeiten schwacher Belastung bis zu 50 % der Belastung in Stern und bei Belastung größer 50 % im Dreieck zu schalten), Einbau von Transformatoren mit geringen Leerlaufverlusten. Sollten diese Maßnahmen keinen Erfolg haben, müssen Kompensations-Kompensatoren verwendet werden. Sie können sowohl nahe dem einzelnen Verbraucher (Einzelkompensation), der Verbrauchergruppe (Gruppenkompensation) als auch zentral (Zentralkompensation) aufgestellt sein. Schaltgeräte, die zum Schalten der Kondensatoren eingesetzt werden, müssen hohe Einschaltströme bewältigen können. Installation einer neuen Anlage, Maschine oder eines Energiewandlers Beim Ausbau oder bei der Neuanschaffung von Anlagen ist eine detaillierte Analyse im Rahmen eines Energiekonzeptes (Abbildung 3) angezeigt. Die Auslegung der ersatzbedürftigen Anlage oder Maschine liefert Anhaltspunkte für die Neuauslegung. Bei neuen Anlagen muss das Schwergewicht auf der Planung liegen. Ein Vergleich von möglichen Varianten der Anlage mit unterschiedlichen Energieverbräuchen ist i. a. dringend zu empfehlen. Beispiel: Lüfterantrieb In einer lufttechnischen Anlage zur Absaugung von Luft mit einem Staubgehalt von 0,5 g/m 3 und einer Temperatur von 85 C ist ein Volumenstrom von m 3 /h bei einer Gesamtdruckerhöhung von 3825 Pa erforderlich. Für die Volumenstromregelung werden die Varianten Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter Drosselregelung mit Drosselklappe und Stellantrieb miteinander verglichen. Tabelle 1: Kostenvergleichsbetrachtung für einen Lüfterantrieb Einheit Drehzahlregelung Drosselregelung Leistung kw 16,8 41,1 Betriebskosten - Betriebsdauer h/a Strombedarf kwh/a Stromkosten 1) DM/a Investitionskosten 2) DM ) Arbeitspreis 0,20 DM/kWh, Leistungspreis 300 DM/kW 2) gerundete Werte Quelle: RAVEL 1993b, eigene Berechnungen

6 6 Die Mehrkosten der Drehzahlregelung von ,- DM werden in weniger als einem Jahr durch die Verminderung der jährlichen Energiekosten um ,- DM kompensiert. Beispiel: Umwälzpumpe In einem Bürogebäude soll ein neues Rohrleitungsnetz zur Wärmeverteilung installiert werden. Die Anlage wurde für eine Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf im Nennbetriebspunkt von 20 C ausgelegt. Eine detaillierte Rohrleitungsnetzberechnung wurde für zwei Varianten mit verschiedenen Umwälzpumpen durchgeführt. Die Mehraufwendung der Variante 2 beträgt 550,- DM, aber sie spart jährlich 77,50 DM an Stromkosten ein. Die Nutzungsdauer einer Rohrleitung beträgt 40 Jahre, die Nutzungsdauer einer Umwälzpumpe 10 Jahre und die Nutzungsdauer eines Reglers 12 Jahre [VDI 2067]. Legt man einen Nominalzins von 7 % zugrunde, beträgt die jährliche Annuität (Rohrleitung: Annuitätsfaktor 7,50 % und Instandhaltungsfaktor 1 %, Umwälzpumpe: 14,24 % und 2 %, Regler: 12,59 % und 3 %) der Mehraufwendungen ca. 33,- DM, d. h. die Investition der Variante 2 ist wirtschaftlich. Tabelle 2: Kostenvergleichsbetrachtung 1) für eine Umwälzpumpe Einheit Variante 1 Variante 2 Investitionskosten 2) - Rohrleitungsnetz DM , ,- - Umwälzpumpe DM 1.200,- 750,- - Differenzdruckregler DM 1.500, gesamt DM , ,- Betriebskosten - Strombedarf der Umwälzpumpe kwh/a Stromkosten 3) DM/a 190,50 112,50 1) Kosten, die in beiden Varianten in gleicher Höhe auftreten, werden nicht aufgeführt 2) gerundete Werte 3) Arbeitspreis 0,30 DM/kWh Quelle: RAVEL 1992, eigene Berechnungen Häufig scheitern Sanierung oder Neuinstallation einer Anlage an den Rentabilitätsforderungen, wobei zu prüfen ist, ob wichtige Faktoren, wie z. B. verbesserte Arbeitsbedingungen, bessere Produktqualität oder induzierte Einsparungen in anschließenden Produktionsschritten berücksichtigt werden. Ein externer Energieberater kann dieses Problem oft eher erkennen, da er nicht "betriebsblind" ist. Ein besonderer Vorteil des Energieberaters ist, dass durch langjährige Beratertätigkeit in den verschiedensten Branchen ein sofortiger Vergleich für nahezu alle Abnahmestrukturen und alle Betriebsgrößen möglich ist. Außerdem wissen externe Energieberater häufig besser über den Umfang und die Effektivität der auf dem Markt angebotenen neuen Technologien und über das sinnvolle Vorgehen bei der Planung und Durchführung von Energiesparprogrammen Bescheid.

7 7 Abbildung 3: Analyse Istsituation (vorhandene Objekte) bzw. zukünftige Nutzung / Bedarf (bei Planungen) Ablaufschema eines Energiekonzeptes Erstellung eines Konzeptes Auswahl von Detailkonzepten anhand der Analyseergebnisse Bearbeitung der Detailkonzepte Berücksichtigung des Gesamtkonzeptes (Strategie) Umsetzung des Konzeptes z. B. etc. optimierte Nutzung vorhandener Anlagen Planung neuer und effektiver Anlagen Maßnahmen des baulichen Wärmeschutzes organisatorische Maßnahmen zur besseren Verbrauchstransparenz Schulung und Motivation des Betriebspersonals Fortlaufende Analyse Erfolgskontrolle Quelle: Der Energie-Berater 1994, eigene Darstellung Energiesparberatung An wen soll man sich aber wenden, wenn eine externe, herstellerneutrale Beratung als sinnvoll erscheint? Einige wesentliche Beratungsvermittlungsinstitutionen sind in der Tabelle 3 genannt; und dazu noch ein Hinweis, dass guter Rat nur halb so teuer als gedacht sein kann: Energieeinsparberatungen werden auch mit öffentlichen Geldern gefördert: Der Zuschuss beträgt 40 % der Beratungskosten; höchstens jedoch 3200,- DM je Beratung und maximal 6400,- DM pro Antragsteller innerhalb eines Zeitraums von fünf Jahren. Die Beratung muss dazu bis zum begonnen werden. Rechtlich selbständige Unternehmen aus den Bereichen der gewerblichen Wirtschaft (Umsatzgrenze 30 Mio. DM) und der wirtschaftsnahen Freien Berufe (Umsatzgrenze 2 Mio. DM) können förderungs-

8 8 fähige Beratungen nur von selbständigen Beratern oder Beratungsunternehmen durchführen lassen, die die für den Beratungsauftrag erforderlichen Fähigkeiten besitzen. Näheres erfährt der Leser bei den in der Tabelle genannten Institutionen oder über das Bundesamt für Wirtschaft (BAW; Eschborn. Auf der Internetseite des BAW findet sich auch die detaillierte Förderrichtlinie des Programms (http:// Tabelle 3: Energieberatungs- und -vermittlungsinstitutionen in Baden-Württemberg (Auswahl; Stand Oktober 1999) Beratungsstelle Ansprechpartner Name Telefon Landesgewerbeamt Baden-Württemberg Informationszentrum Energie Herr Bouse 0711/ (Fax -2649) Willi-Bleicher-Str Stuttgart Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg Herr Bunk 0721/ (Fax -20) Griesbachstr Karlsruhe Landesinnungsverband der elektrotechnischen Handwerke Baden-Württemberg Herr Mayerl 0711/ (Fax ) Voltastr Stuttgart VEA Bundesverband der Energie-Abnehmer e. V. Geschäftsstelle Wiesbaden Herr Wörsdörfer 0611/ (Fax -100) Kreuzberger Ring Wiesbaden Großabnehmerverband Energie Baden-Württemberg Herr Rudolf 0711/ Breitlingstr Stuttgart (Fax -99) RKW Baden-Württemberg, Rationalisierungs- Kuratorium der Deutschen Wirtschaft e. V. Herr Kowollik 0711/ (Fax -10) Königstr Stuttgart Ingenieurkammer Baden-Württemberg Energie- und Umweltberatung Herr Pfaus 0711/ (Fax -55) Zellerstr Stuttgart Örtliche Energieversorgungsunternehmen Industrie- und Handelskammern, örtliche Handwerkskammern Für einen finanziellen Anreiz zur Sanierung von Anlagen kommt das ERP-Energiesparprogramm in Frage: Antragsberechtigt sind Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft mit einem Jahresumsatz bis zu 1 Mrd. DM. Das Vorhaben muss geeignet sein, die Wettbewerbs- und Leistungsfähigkeit des Unternehmens zu steigern. Anträge, die vor Beginn des Vorhabens eingereicht werden müssen, sind auf einem Formblatt über die Hausbank an die Deutsche Ausgleichsbank zu richten. Die Förderung besteht aus einem zinsgünstigen Darlehen (ein jeweils am Markt angepasster Zinssatz von z. B. 5,25 % p.a., Auszahlung: 100 %, Laufzeit: 15 Jahre mit 2 tilgungsfreien Anlaufjahren (Stand ); aktuelle

9 9 Konditionen über den Faxabruf der DtA unter 0228/ oder die WEB-Seite der DtA Die maximale Förderung beträgt 0,5 Mio. EURO pro Vorhaben. Literatur Der Energie-Berater Handbuch für rationelle und umweltfreundliche Energienutzung unter Berücksichtigung der Nutzung erneuerbarer Energien. Herausgeber: Forum für Zukunftsenergien. Stand: November 1994 Dress, G.: Energieanalyse mit dem PC senkt Stromkosten. Der Elektromeister + deutsches Elektrohandwerk 20 (1989), S Fessel, E.: Konzepte zum Energiemanagement für Gewerbe- und Industriebetriebe. Elektrowärme international 48 (1990), S. A165 A176 Friesenecker, F.: Stromkostenoptimierung bei der Anwendung von Elektrowärme in Gießereien. Gießerei 80 (1993), S Just, W.: Blindstrom-Kompensation Eine Maßnahme zur Stromkosteneinsparung. Technik am Bau 12 (1990), S Landesgewerbeamt Baden-Württemberg Informationszentrum Energie: Energieanalyse in mittelständischen Unternehmen, 1989 Landesgewerbeamt Baden-Württemberg Informationszentrum Energie: Maßnahmen zur Energieeinsparung Fördermöglichkeiten, 1994 Ott, K. und H. Ruf: Konzept Energiekostenanalyse und -überwachung. Oberfläche + JOT 10 (1980), S RAVEL: Strom rationell nutzen RAVEL-Handbuch. Vdf Verlag der Fachvereine Zürich, 1992 RAVEL: Analyse des Energieverbrauchs. Herausgeber: Bundesamt für Konjunkturfragen, Bern, Schweiz, 1993a RAVEL: Elektrische Antriebe energieoptimal auslegen und betreiben. Herausgeber: Bundesamt für Konjunkturfragen, Bern, Schweiz, 1993b VDI: Berater und Sachverständige Energietechnik 1994/95. Herausgeber: VDI-Gesellschaft Energietechnik (VDI-GET), 1994 VDI 2067: Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen

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