Energieeffiziente Produktion Die Summe der Maßnahmen macht s. Dr.-Ing. Peter Heidemeyer Dr.- Ing. Karsten Kretschmer 2. Juli 2014

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1 Energieeffiziente Produktion Die Summe der Maßnahmen macht s Dr.-Ing. Peter Heidemeyer Dr.- Ing. Karsten Kretschmer 2. Juli 2014

2 Die energieeffiziente Kunststoff- Fabrik 2

3 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Einfache Maßnahmen Zusammenfassung 3

4 Aktivitäten 4

5 Das SKZ Zahlen und Fakten Mitglieder: >300 Firmen, Institute, Behörden 300 Mitarbeiter (davon 85 in FuE) Umsatz: 27,8 Mio. EUR (2013) (davon ca. 7,0 Mio EUR in FuE) Hauptsitz in Würzburg 8 Ausbildungsstätten weltweit 3 FuE Standorte in Deutschland Hauptsitz Ausbildungsstätten FuE Standorte 5

6 Arbeitsgebiete der Forschung und Entwicklung Dispersionstechnologien Material- entwicklung Compoundieren/ Extrudieren Composite Forschung Spritzgießen Messtechnik Fügen Nachhaltigkeit Bauteileigenschaften 6

7 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Maßnahmen Zusammenfassung 7

8 Die besten Absichten Konjunkturtrendumfrage Energieeffizienz ist wichtig/sehr wichtig 99% Einführung eines Energiemanagements ist geplant 83% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Stand Q1 2014; Quelle: bessere_konjunkturerwartungen hoehere_rohstoffpreise_und_steigende_energiekosten_5350.html 8

9 Energieverbrauchsmessung (SKZ-Umfrage) 6 % 16 % 26 % 43 % Unbekannt Einmalig Jährlich Monatlich Täglich Kontinuierlich 9 % 9

10 Energiemanagement nach ISO Kontinuierliche Verbesserung Management- Review Energiepolitik Energieplanung Einführung und Umsetzung Plan Do Check Act Überwachung, Messung und Analyse Interne Auditierung des EnMS Kontrolle Nichtkonformitäten, Korrekturen, Korrekturund Vorbeugungsmaßnahmen 10

11 Einsparung durch intelligentes Design 11

12 Verbesserungen durch optimierte Materialien High flow and BNT leads to savings Case Study: 1 cavity mould 60 l container with shot weight 1410 g Processing Migration speed Organoleptic Demoulding Flowability 12% productivity 28,8 /ton cost 13 kg CO2 emissions/ton savings * Average energy cost : 0,11 /kwh ** Machine cost : 25 /h and labour cost : 5 /h *** CO 2 emissions from fossil fuels consumed for electricity, combined heat and power and main activity heat plants divided by the output of electricity CO 2 emision/kwhr Energy produced ( global avg according IEA 2010 report): 504g CO 2 /kwh (source: 12 Quelle: Borealis

13 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Maßnahmen Zusammenfassung 13

14 Erfassungsrate von Kennzahlen (SKZ-Umfrage) 15 % 15 % 8 % 8 % Kontinuierlich Monatlich Vierteljährlich Jährlich Einmalig 54 % 14

15 Energieoptimierte Produktionsplanung Messen Maschinen- und produktspezifische Erfassung aller Prozess- und Energiedaten Berechnen Berechnung des Energieverbrauchs für jede Produkt/Maschine/Losgröße-Kombination Kennzahlen Datenbank mit Kennzahlen zu jeder bekannten Kombination Effizienz Auswahl der effizientesten Maschine bei gegebenem Produkt und gegebener Losgröße 15

16 Herausforderung Maschinenanbindung 16

17 Hardwarevielfalt in der Automatisierung Produktionsmaschinen Extruder (Coperion, Leistritz, Entex, Extricom...) Spritzgießmaschinen (Arburg, Engel, Battenfeld...) Schmelzepumpen (Kreyenborg, Witte, Automatik...) Mischer (Henschel, Mixaco...) Granulatoren (Automatik, Scheer...) Messgeräte (Göttfert, Dr. Collin...)... Messtechnik für Prozessmedien Kühlwasser (Bürkert, Endress&Hauser,...) Druckluft (Flexim, Festo, Sonotec...)... Energiemesstechnik Leistungsmessung (Beckhoff, Siemens, Janitza...) Quelle: Quelle: 17

18 Lösung der Schnittstellenproblematik 18

19 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Maßnahmen Zusammenfassung 19

20 Energiemessung: Das Equipment zählt! Energieverbrauchsmessung ZES Zimmer LMG 450 Messung im laufenden Betrieb Unter 2 % Messfehler Messung von Strömen bis A Durchflussmessung Flexim Fluxus G601 Messung von Flüssigkeiten und Gase Fehler bei Standardkalibrierung < 2 % 20

21 Energiemessung: Wo sind die größten Potenziale? Energieverbrauchsanalyse am Beispiel Compoundieren Dosierung (0,36 kw) 1 % Temperiergerät (0,89 kw) 4 % Strangabsaugung + Granulator (1,57 kw) 7 % Side-Feeder (0,14 kw) 1 % Vakuumpumpe (1,96 kw) 8 % Heizung (2,94 kw) 13 % Antrieb (15,5 kw) 66 % Betriebspunkt - M = 80 %, n = 600 min -1, m = 67 kg/h - 40 Gew.-% Ruß, Rußtyp ELFTEX Gew.-% Gleitmittel - Ruß über Side-Feeder Antrieb und Heizung verursachen ca. 80 % des Energieverbrauchs Vakuumpumpe, Side-Feeder, Temperiergerät, Dosierung, Granulator und Strangabsaugung sind nahezu betriebspunktunabhängige Verbraucher 21

22 Materialenthalpie: Weniger geht nicht Enthalpieerhöhung von Kunststoffen = theoretische Untergrenze des Energieverbrauchs im Prozess Kann mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) gemessen werden Enthalpie in kwh/kg 0,25 dh in kwh/kg 0,2 0,15 0,1 PP Copo HDPE PP Homo LLDPE ABS 0, Temperatur in C 22

23 Benchmarking: Die Suche nach Best-Practice Ziel Standortbestimmung / Wettbewerbsvergleich verschiedener Technologien Vergleich des Energieverbrauchs: von Maschinen oder Prozessen verschiedener Hersteller, einer Maschine vor und nach der Energieoptimierung Voraussetzung für Benchmarks: Definierte Qualitätskriterien und Prozessparameter Vergleichbarkeit der Verfahren und Prozesse 23

24 Benchmarking: Die Suche nach Best-Practice Beispiele aus dem SKZ: Rohrextrusion rpet- Aufbereitung Antriebskonzepte für Extrusionsmaschinen Ergebnisse eines Benchmarkings: Ranking von Maschinen / Technologien Einordnung im Wettbewerb für die Hersteller Aufdecken von Optimierungspotentialen Scope min. Ergebnis Prozess xy Scope max. 0,092 kwh/kg 0,163 kwh/kg 0,28 kwh/kg 24

25 ExtruDrive Bewertung von Extrusionsantrieben Ökonomische und Ökologische Bewertung unterschiedlicher Antriebskonzepte: Antriebskonzepte Gleichstromnebenschlussmotor + Thyristorsteller + Getriebe Quelle: Wikipedia Drehstrom Synchronmotor + Frequenzumrichter + Getriebe Quelle: Faurndau Drehstrom Asynchronmotor + Frequenzumrichter + Getriebe Quelle: Baumüller Torque Motor + Frequenzumrichter ohne Getriebe Quelle: Oswald Knödler CMG Antrieb (Motor + Getriebe) + Frequenzumrichter Quelle: Knödler 25

26 ExtruDrive Bewertung von Extrusionsantrieben Ergebnis: Praxistool zur Auswahl und Bewertung von Extrusionsantrieben Eingabe: Extrusionsbetriebspunkte (M,n) Betriebsstunden Strompreis Ausgabe: Auswahl des Antriebs mit dem für den eingegebenen Anwendungsfall optimalen Wirkungsgrad aus der Datenbank Lebenszykluskosten im Detail und Amortisationsrechnung im Vergleich zum günstigeren Antrieb Umweltindikatoren und Ökoeffizienz-Portfolio 26

27 ExtruDrive Bewertung von Extrusionsantrieben Ergebnis: Ökoeffizienzbewertung der Antriebskonzepte Randbedingungen: Drehmoment: 3000 Nm Drehzahl: 80 1/min Anteil im Betrieb: 60 % Betriebsstunden: 6500 h Anlagenlaufzeit: 20 Jahre Strompreis: 0,15 /kwh Wirkungsgrade: Frequenzumrichter 97 % Getriebe 96 % 27

28 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Maßnahmen Zusammenfassung 28

29 Verbesserungen durch optimierte Antriebe Vollelektrische SG Maschine ist effizienter Case Study: Shot weight : 160 g 2 cavity mould Hydraulic Speed 380/80 Savings All electric EM2440/380T Material Block MFR 45 Block MFR 45 Total energy 74,951 kwh/h 30,515 kwh/h Specific Energy 0,792 kwh/kg 0,4639 kwh/kg 0,323 kwh/kg Cycle time 6,1 sec 6,1 sec Energy cost /ton* 51 /ton Production cost / ton** CO 2 emission savings*** 234 kg CO 2 /ton Quelle: Borealis/ Engel * Average energy cost : 0,11 /kwh ** Machine cost : 25 /h and labour cost : 5 /h *** CO 2 emissions from fossil fuels consumed for electricity, combined heat and power and main activity heat plants divided by the output of electricity CO 2 emision/kwhr Energy produced ( global avg according IEA 2010 report): 504g CO 2 /kwh (source: 29

30 Heizen mit dem Kompressor Recycling von ca. 100 t PET Flaschen pro Tag (Sortieren, Mahlen, Waschen, Trocknen) Betriebssichere Druckluftversorgung durch drei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzkühlung (94% der Antriebsenergie in Wärme (Öl/ 72%; Druckluft/ 13%) Wärmerückgewinnung durch integrierte Wärmetauscher Speicherung der Wärme in Wasserpuffern (80 o C, 6000 l) Einspeisung in das Heizsystem nach Bedarf Einsparung Heizenergie bis zu 73% / /a Wartungskosten über /a niedriger Gesamteinsparung ca /a Quelle: Kunststoffe 6/2014 S. 84 ff 30

31 Effizienzsteigerung durch BHKW am SKZ Installation eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) Leistungsdaten: 70 kw elektrisch und 115 kw thermisch Vollständiger Verbrauch der erzeugten elektrischen Energie durch die Grundlast im SKZ Verbrauch der thermischen Energie über mindestens h/a für Gebäudebeheizung + Trocknung feuchter Luft zur Laborraum-Klimatisierung Inbetriebnahme in KW 21/ , Vertragsart: Contracting Bisher produzierte Strommenge: ca kwh Wärmemenge bisher: ca kwh Gesamtwirkungsgrad: ca. 75% BHKW Viessmann 31

32 Erfahrungen aus Energieaudits Allgemeine Tipps: Energieeinkauf (ct/kwh; Spitzenlast-Berechnungsmodalitäten) Beschaffung: Lebensdauerbetrachtung mit Energie- und Wartungskosten Granulattrockung: z. B. PET: Ist: 0,17 kwh/kg..möglich: 0,10 kwh/kg Spitzenlast reduzieren (Info an Mitarbeiter; Ampel; Spitzenlastmanagement) Hallenbeleuchtung (Amortisation oft < ein Jahr; heller und angenehmer) Pumpen (Lebenszykluskosten: Anschaffung 5 %; Wartung 10 %; Energie 85 %) Wärmerückgewinnung Kühl- und Temperiertemperaturen (Kühl- und Heizkreisläufe) kritisch hinterfragen Druckluft Druckluftbesen teuer und laut und Dreck ist nicht weg Druckluftniveau: Senkung um 1 bar: 7 % Energiekosteneinsparung Leckagen: 1 mm Loch kostet ca. 600 /a 2 mm Loch kostet ca.??? /a 32

33 Agenda SKZ Das Kunststoff-Zentrum Energieeffizienz Steigerung durch Energiemonitoring Bewertung durch Benchmarking Maßnahmen Zusammenfassung 33

34 Zusammenfassung Das Thema Energie- und Ressourceneffizienz ist von hoher Bedeutung Durch geeignetes Monitoring können versteckte Potenziale aufgedeckt werden Eine Zertifizierung nach ISO systematisiert diesen Vorgang (außerdem kann ein Teil der EEG-Umlage ggf. zurückgewonnen werden) Der neutrale Vergleich der eigenen Produktion mit der ähnlicher Betriebe ermöglicht die realistische Bewertung von Einsparpotenzialen Es stehen schon heute viele Möglichkeiten zur Verfügung, den Energieverbrauch signifikant zu reduzieren (ROI u.u. << 1a) 34

35 Ausblick Das SKZ plant die Errichtung einer Modellfabrik Fokus auf die energieeffiziente Produktion in der Kunststoffindustrie Wesentlich dabei: Innovative Gebäudekonzepte, um eine maximale Energieeffizienz des Gebäudes zu erreichen Quelle: Arburg Innovative Kombination von verfügbaren Konzepten/Verfahren, um Teile mit einem minimalen Einsatz von Ressourcen zu produzieren Quelle: SKZ 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Peter Heidemeyer SKZ - KFE ggmbh Friedrich- Bergius-Ring Würzburg Tel P.Heidemeyer@skz.de