Technische Ansatzpunkt für Energieeffizienz in der Produktion. Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert Beuth Hochschule für Technik, Berlin

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1 Technische Ansatzpunkt für Energieeffizienz in der Produktion Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert Beuth Hochschule für Technik, Berlin

2 Inhalt 1) Warum Energieeffizienz? 2) Messen?! 3) Technische Ansatzpunkte für Energieeffizienz 4) Beispiele 2

3 Strompreisentwicklung : 3,592

4 Strompreis und Netze (2008) Quelle: Quaschning, HTW

5 Strompreis und Netze (2020) Quelle: Quaschning, HTW

6 Strompreis und Netze (Februar 2012)

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

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

12 Energieflußbild BRD 2008 in PJ Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

13 Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen Schätzen Sie, wie hoch die Anteile folgender Anwendungsbereiche am Energieverbrauch für Haushalte sind: Beleuchtung % Mechanische Energie % Sonstige Prozesswärme % Warmwasser % Raumwärme %

14 Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen mechanische Energie 10% sonstige Prozesswärme 5% Beleuchtung 2% Warmwasser 12% Raumwärme 71% Quelle: Destatis Haushalte

15 Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen Haushalte mechanische Energie 10% sonstige Prozesswärme 5% Beleuchtung 2% Industrie Mechanische Energie 25% Warmwasser 12% Raumwärme 71% Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Beleuchtung 8% (GHD) sonstige Prozesswärme 71% Verkehr Beleuchtung 0% Beleuchtung 2% Raumwärme 1% Warmwasser 1% Raumwärme 0% mechanische Energie 26% Raumwärme 39% mechanische Energie 100% sonstige Prozesswärme 18% Warmwasser 9% Quelle: Destatis

16 Verluste der französischen Armee auf dem Russlandfeldzug

17 Captain Matthew Henry Phineas Riall Sankey ( )

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

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

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

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

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

24 Steuerungsebenen eines Betriebs Ordnungsrecht (EnEV,...) Fördermaßnahmen Information/ Bildung Gebäudeausweis, Energielabel,...) Marktinstrumente Politik Markt Rohstoffhandel Gesetzeskonform agieren Beschaffungsmarkt- Forschung - Wertanalyse - Preisanalyse - Kostenanalyse - Make or Buy? - Lieferantenanalyse - Marktanalyse Netzbetreiber Investieren 4 Beschaffung/ Messen, Abrechnen - Verbrauchsplanung, Lastmanagement -Grundlast/ - Spitzenlastpreise - Lieferantenwechsel - Smart Metering - Flexible Tarife 3 2 Emissionen Senken (Investieren) vs. Zertifikate kaufen Einspeisen Contracting - Energielieferung - Energieeffizienz - Finance & Lease - Betriebsführung/ Technisches -Gebäudemanagement Meßstellenbetreiber Emissionshandel (EU-ETS) Strombörse (EEX) Lieferanten

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

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

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

30 Energiemanagement, Lastmanagement Mit freundlicher Genehmigung: Videc

31 Energiemanagement, Lastmanagement Mit freundlicher Genehmigung: Videc

32 Anzahl Werte ¼h-Leistung Energiemanagement, Lastmanagement Mit freundlicher Genehmigung: Videc Leistung [kw]

33 Anzahl Werte ¼h-Leistung Energiemanagement, Lastmanagement Mit freundlicher Genehmigung: Videc Leistung [kw]

34 Energiemanagement, Lastmanagement

35 Anzahl Werte ¼h-Leistung Energiemanagement, Lastmanagement Pro kw 53,72 Euro netto Mit freundlicher Genehmigung: Videc Leistung [kw]

36 eta [%] Effiziente Antriebe IEC1 75 IEC2 IEC P [kw]

37 Effiziente Antriebe Wirkungsgrade von Antrieben: G M FC Getriebe (z.b. Riemen: 92-98%) Motoren (je nach Größe) Frequenzumrichter (~95%)

38 Effiziente Antriebe G M FC Getriebe (z.b. Riemen: 92-98%) Gesamtsystem betrachten! Mit Augenmaß!

39 Energieverbrauch Industrie Industrie Mechanische Energie 25% sonstige Prozesswärme 71% Beleuchtung 2% Raumwärme 1% Warmwasser 1%

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

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

42 100% Elektrische Energie 90% P - 47 Zuluft ( 1 bar abs ) Kühlluft Kompressor Pufferbehälter Trockner Filter Nutzbare Energie In Kompressor Verbraucher 1-90% Heiße Kühlluft Druckluftnetzwerk -45% Betrieb des Kompressors G M FC Abwärme bei ~ 80 C Kondensat Kondensat Staub/ / Kondensat Schlechte Verrohrung mit Hindernissen 10 x + 10 x -5% Verluste in Verbrauchern 5-10% Nutzbare Energie -10% Motor und Antrieb Leckage Verbraucher 2 Verbraucher 2 M -5-10% Trockner und Filter -15% Druckverlust im System -10% Leckagen -x% Falsche Druckniveaus: hier nicht betrachtet

43 Benchmarking für Druckluftsysteme (Source:

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46 Druckluft: Druckniveau Leistungsverhältnis [%] % (p2/p1) Bereitstellen von Druckluft mit 10 bar: p 2 /p 1 = 10, Energiebedarf = 100% Drosseln auf 5 bar, Energieäquivalent = 60% = Vernichten von 40% der eingesetzten Energie

47 Druckluft: Druckniveau 12,7 bar 6,2 bar Bereitstellen von Druckluft mit 12,7 bar: Energiebedarf = 100% Drosseln auf 6,2 bar (49% von 12,7), Energieäquivalent = 59% = Vernichten von 41% der eingesetzten Energie

48 Zuammenfassung Energieeffizienz ist im Zusammenspiel mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien, der Netzstabilität und der Versorgungssicherheit zu betrachten Optimale Energieeffizienz ist nur in der Gesamtsicht des Unternehmens zu finden Ohne Transparenz der Geschäftsprozesse und der Produktionprozesse (Leistungskennzahlen, KPIs!) kann man nicht optimieren 48

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Bernd Bungert Beuth Hochschule für Technik, Berlin Luxemburger Str. 10, D Berlin Dr. Bernd Bungert Bachstelzenweg 1, D Berlin Ingenieurbüro Dr.-Ing. Bernd Bungert Die Verwendung aller Abbildungen darf nur zum persönlichen, privaten und nicht kommerziellen Gebrauch unter der Angabe der Quelle erfolgen