Energieeffizienz in der Industrie

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1 Energieeffizienz in der Industrie Dipl.-Ing. Mark Junge Universität Kassel Umweltgerechte Produkte und Prozesse Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 1

2 Umweltgerechte Produkte und Prozesse Wir sehen Technik ganzheitlich vom Ursprung bis zum Ende Studium und Forschung bei upp verknüpfen Werkstoffkunde, Konstruktion und Produktion im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung der Lebenszyklen technischer Produkte und Prozesse. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Produktion und deren Energieversorgung unter rechtlichen, wirtschaftlichen, umweltlichen, technischen und sozialen Aspekten. Nur durch eine systemische und interdisziplinäre Vorgehensweise können die immer komplexeren Anforderungen zukünftig bewältigt werden. Dies gilt insbesondere auch für Deutschland im Hinblick auf seine globale Wettbewerbsfähigkeit Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 2

3 Neue Rahmenbedingungen für Industrie Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 3

4 Klimaeffiziente Prozesse Energieeffizienz = Teilmenge von Klimaeffizienz Klimaeffizienz Direkte Emissionen Indirekte Emissionen durch Energieverbrauch Energiewandlung Klimarelevante Gase (SF 6,FKW, N 2 O) Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 4

5 Möglichkeiten für klimaeffiziente Prozesse sind vielschichtig Auswahl klima- bzw. energieeffizienter Produktionsprozesse (Stanzen statt Lasern) Klima- bzw. energieeffiziente Energiewandlung und speicherung (Wärmerückgewinnung, KWK, Energiemix) Klima- bzw. energieeffiziente Produktionsanlagen und maschinen (Elektr. Spritzgussmaschine statt hydraulisch) Klima- bzw. energieeffizienter Betrieb der Produktion (Maschineneinstellung) Vermeidung von Stillstandsverlusten Klima- bzw. energieeffiziente Produktionssteuerung Klima- bzw. energieeffiziente Standortwahl (lokal, regional, global) Energiesparen Einsatz erneuerbarer Energieträger Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 5

6 3 Schritte auf dem Weg zur klimaeffizienten Fabrik.. Steigerung der Klimaeffizienz Emissionen, Wärme, Strom, mechan. Energie (Maschinen, Produktionssteuerung, Standort, Energiemix) Vermeidung von Energiespitzen durch intelligente vorausschauende Produktionssteuerung Implementierung erneuerbarer Energien (PV, Wind, Biomasse) Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 6

7 Vorgehensweise Energieeffizienz Aufnahme und Messung von Daten Analyse und Modellierung Simulation Identifikation von Schwachstellen Optimierung Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 7

8 Beispiel Pharmaindustrie Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 8

9 Verbrauchswerte während Produktion und Stillstand 140% 160% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Druckluft Gesamtdampf Dampf Gebäude Brauchwasser Abwasser Kühlwasser Kaltwasser Produktion Produktionsstillstand Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 9

10 Druckluftverbrauch bei Produktion und Stillstand 100% 25 m 3 / h 10 / Tag 90% 80% 450 m 3 / h 195 / Tag 70% 60% 120 m 3 / h 51 / Tag 57 m 3 / h 24 / Tag 46 m 3 / h 20 / Tag 50% 40% 30% 20% 70 m 3 / h 30 / Tag 10% 0% 4 bar Übergabe Netz 8 bar Übergabe Pharma (Pharmaluft) 8 bar Bauteil T Allgemein 8 bar Bauteil R+S 8 bar Bauteil P PM 50 8 bar Bauteil P PM 57 8 bar Bauteil P PM 58 Produktion Produktionsstillstand Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 10

11 Wirtschaftlichkeitsanalyse Änderung Lüftungstechnik Reinräume Variante 1 Umbau der Lüftungstechnik zur Nutzung der Außenluft zur Kühlung 50% Außenluft, 50% Umluftanteil Kosteneinsparung / Jahr Investitionskosten für Umbau ca Variante 2 Änderung der Mischkammersteuerung ohne Umbaumaßnahmen maximal 15 % Außenluftanteil bei vorhandenen Rohrquerschnitten Kosteneinsparung ca / Jahr Investitionskosten für geänderte Steuerung ca Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 11

12 Einsparungen durch Änderungen Lüftungstechnik Einsparung in Jahre jährlicher Preisanstieg 10 % Ohne Umbau Mit Umbau Invest für Umbau Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 12

13 Übersicht Energieeinsparungen Parameteränderung Wasseraufbereitung; Änderungen Lüftungstechnik (Lüftungsrate); Reinigungsintervalle ändern; Druckluftleckagenreduzierung; Maschinentüren geschlossen halten; Einsatz von hocheffizienten Motoren; Einstellung Parameter Waschanlagen; Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 13

14 Beispiel kunststoffverarbeitende Industrie Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 14

15 Übersicht Treibhausgasemissionen Treibhausgasemissionen 3.000, ,0 Ist-Zustand [t CO2 / a] 2.000, ,0 Szenario 1.000,0 500,0 0,0 Spritzgießmaschinen Druckluft Lüftung und Heizung Granulattrocknung Werkzeugkühlung (MS + MF) Hydraulikkühlung (MS + MF) Beleuchtung Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 15

16 CO 2 -Einsparung zu den verschiedenen Zeitpunkten 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% Einsparung 10,00% 5,00% 0,00% Jahre Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 16

17 Hit-Liste CO 2 / Energie Reihenfolge Maßnahme Einsparung [t CO2/a] 1 SGM Werkzeugkühlung Lüftung und Heizung Beleuchtung 43 5 Hydraulikkühlung 29 6 Granulattrocknung Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 17

18 Hit-Liste Wirtschaftlichkeit Maßnahme Reihenfolge Investitionskosten [ ] Kosteneinsparung [ /a] CO2-Vermeidungskosten [ /t CO2] Amortisationszeit [a] 1 Lüftung und Heizung ,8 2 Beleuchtung ,3 3 Werkzeugkühlung ,3 4 Hydraulikkühlung ,9 5 Granulattrocknung ,5 6 SGM , Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 18

19 Beispiel Dezentrale Energieversorgung Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 19

20 Aktuelle Situation Energieversorgung fossile Energieträger Heizung Steuerung Wärme elektrische Energie Steuerung Kälte elektrische Energie elektrische Energie Kompressionskältemaschine Druckluftkompressor Steuerung Druckluft elektrische Energie Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 20

21 Dezentrale Energieversorgungseinheit BHKW Wärme erneuerbare Energieträger (z.b. Pflanzenöle) Druckluftkompressor Absorptionskälteanlage Kälte Druckluft Steuerung elektrische Energie Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 21

22 Beispiel Energieeffiziente Produktionssteuerung Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 22

23 Wechselwirkungen in der Produktion Abwärme Lüftung Heizung C Halle < C MAK Produkt A Produkt A Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 23

24 Simulationsebenen Parameter-/Reihenfolgeoptimierung OPTIS (z.b. Evolutionäre Algorithmen, Simulated Annealing) SIMFLEX/3D Ereignisse Temperatur, Energiebedarf Stoff- / Energiefluss Maschinen Wärmeabgabe, Emissionen Temperatur, Energiebedarf TRNSYS Materialflusssimulation Gebäudesimulation Materialflussmodell Maschinenmodell Gebäudemodell Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 24

25 Energieverbrauch und mittlerer Bestand (Stuttgart) Energieverbrauch [kwh] mittlerer Bestand [Stück] 0 Schlupfzeit Kürzeste Operationszeit Längste Operationszeit Energieoptimiert 0 Energieverbrauch HLK [kwh] Bestand [Stück] Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 25

26 Fazit Energieeffizienz ist Teilmenge von Klimaeffizienz Keine Standardlösung für alle Industriebereiche Nur erreichbar durch viele Einzelbausteine Detaillierte Analyse und Systemverständnis notwendig Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Mark Junge umweltgerechte produkte und prozesse 27