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Eine gut geplante und effizient betriebene Technische Gebäudeausrüstung (TGA) kann Unternehmen erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen. Um das volle Potenzial der TGA auszuschöpfen, ist eine vollumfängliche Analyse aller bestehenden Systeme mit den dazugehörigen Verbrauchswerten unerlässlich. Auf der Grundlage der Analyseergebnisse lassen sich anschließend gezielte Optimierungsmaßnahmen entwickeln. Das Vorgehen kann in die drei Teilschritte Bestandsaufnahme, Bedarfsanalyse und die Entwicklung von Optimierungsmaßnahmen differenziert werden.* VDI Zentrum Ressourceneffizienz (2019): Effiziente Gebäudeinfrastruktur (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
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Der Begriff TGA umfasst alle technischen Anlagen und Systeme, die in Produktionsstätten vorhanden sind, um den Betrieb und die Nutzung zu ermöglichen.
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Um den hohen Anforderungen an die Beleuchtungsstärke gerecht zu werden, werden in vielen Bereichen von Produktions- und Lagerstätten energieintensive Beleuchtungssysteme eingesetzt.
Die Stromkosten für diese Beleuchtungssysteme werden jedoch oft von anderen Energiekosten aus enegieintensiven Fertigungsprozessen überschattet, obwohl sie ein erhebliches Einsparpotenzial bieten.
Die Kombination moderner Beleuchtungstechnologien mit smarten Steuerungssystemen ermöglicht es Unternehmen, nicht nur energieeffizienter zu produzieren, sondern gleichzeitig die Arbeitsplatzumgebung und somit die tägliche Arbeit der Mitarbeitenden zu verbessern.* co2online (2023a): Energiesparlampe oder LED (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
Bei der Auswahl der richtigen Beleuchtungssysteme müssen insbesondere in Produktionsstätten mehrere Anforderungen beachtet werden.
Die Lebensdauer von Leuchten sollte bei der Auswahl neuer Beleuchtungssysteme berücksichtigt werden. LEDs bieten durch ihre längere Lebensdauer und ihren geringeren Wartungsaufwand deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln. Vor allem in Produktionsstätten, in denen Leuchten oft schwer zugänglich angebracht sind, sollte der Wartungsaufwand nicht unterschätzt werden.
Die Zuordnung von Leuchtmitteln zu Energieklassen ermöglicht bei der Auswahl energieeffizienter Beleuchtung eine Orientierung. Ein geringer Energiebedarf führt zu einer Senkung der Stromkosten und trägt zur langfristigen Kostenersparnis bei. Aus diesem Grund sollte die Leistung von Leuchtmitteln bestmöglich an den jeweiligen Bedarf angepasst sein.
Aufgrund der großen Flächen, der damit verbundenen hohen Lichtstärkeanforderungen und der oft nur temporären Anwesenheiten von Mitarbeitenden in bestimmten Bereichen kann besonders in Bürogebäuden, Lagerhallen und Produktionshallen der Energieverbrauch durch den Einsatz von Bewegungssensoren und intelligenten Steuerungssystemen deutlich gesenkt werden.
Bei der Planung von Gebäuden sollte zudem die optimale Nutzung von Tageslicht berücksichtigt werden. Durch die intelligente Regelung von Rollläden und Jalousien kann das natürliche Licht maximiert und der Bedarf an künstlicher Beleuchtung minimiert werden. Zudem bieten die Verdunkelungen im Sommer Schutz vor Überhitzung und führen somit zu einer Reduzierung der Energiekosten für die Kühlung des Gebäudes.
Beleuchtungssysteme in Produktionsstätten müssen den spezifischen Bedingungen wie Verschmutzung, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen standhalten.
Um eine angenehme und produktive Arbeitsumgebung zu schaffen, muss die Ausleuchtung der Arbeitsplätze optimal gestaltet sein. Eine gleichmäßige und blendfreie Beleuchtung reduziert die Belastung der Augen und steigert die Konzentrationsfähigkeit der Mitarbeitenden. Die Beleuchtungsstärke an Arbeitsplätzen sollte den geltenden Normen und Richtlinien entsprechen.* VDI Zentrum Ressourceneffizienz (2019): Prozesskette - Produktionsinfrastruktur (online) (abgerufen am: 09.07.2024).
Durch die richtige Auswahl und Platzierung der Beleuchtung sind positive Effekte für das Arbeitsumfeld realisierbar. Neben der Förderung von Sicherheitsaspekten kann der Ermüdung entgegengewirkt sowie Motivation und Wohlbefinden gesteigert werden.
Glühlampen weisen aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades eine hohe Ineffizienz auf. Sie sind lediglich in der Lage, etwa 5 – 10 % der Energie in Licht umzuwandeln, während der Rest als Wärme abgegeben wird. Ihre Lebensdauer beträgt etwa 1.000 Stunden.
Halogenlampen sind etwas effizienter als Glühlampen, verbrauchen aber immer noch viel Energie und haben eine Lebensdauer von etwa 4.000 Stunden.
Energiesparlampen sind effizienter als Glühlampen, nutzen etwa 70 – 80 % weniger Energie und haben eine erwartbare Lebensdauer von etwa 10.000 Stunden, enthalten jedoch geringe Mengen an Quecksilber.
LED-Lampen sind die energieeffizientesten Leuchtmittel, verbrauchen bis zu 90 % weniger Energie als herkömmliche Glühlampen und haben eine Lebensdauer von bis zu 25.000 Stunden.* co2online (2023b): Energiesparlampe oder LED: Vergleich & Tipps (online) (abgerufen am: 09.07.2024).
Effiziente Lüftungssysteme sind in Produktionsumgebungen von großer Bedeutung. Um ein gesundes und angenehmes Raumklima zu gewährleisten, müssen die kontinuierliche Frischluftzufuhr sowie die Abfuhr verbrauchter Luft sorgfältig geplant werden. Im Gegensatz zu Wohngebäuden entsteht in Produktionsstätten häufig eine erhebliche Menge an belasteter Abluft aus den Fertigungsprozessen. Um die Umweltbelastung durch diese Abluft so gering wie möglich zu halten, werden Produktionsstätten in der Regel mit speziellen Lüftungsanlagen ausgestattet.
Moderne Lüftungsanlagen sind darauf ausgelegt, die erforderliche Frischluft energieeffizient bereitzustellen und gleichzeitig die Lüftungswärmeverluste zu minimieren. Durch Wärmerückgewinnungssysteme wird die frische Außenluft vor dem Eintritt in das Gebäude mithilfe der Abluft aus dem beheizten Gebäude vorgewärmt. Die richtige Auslegung und Regelung der raumlufttechnischen Anlage (RLT-Anlage) sind entscheidend für deren effizienten Einsatz. Teile aus Bestandsanlagen, wie Ventilatoren und Elektromotoren, können durch energieeffiziente Komponenten ersetzt werden, um die Gesamtleistung weiter zu verbessern.* co2online (2014): Lüftungskonzept erstellen: Alle Infos auf einen Blick (online) (abgerufen am: 21.06.2024). Neben der Effizienz der Lüftungssysteme ist auf zugfreies Arbeitsumfeld zu achten.
Obwohl Luft überall kostenfrei zur Verfügung steht, ist sie als Energieträger sehr kostenintensiv. Die Kosten entstehen vor allem bei der Verdichtung der angesaugten Luft. Druckluftanlagen sind wesentliche Bestandteile fast aller Produktionsbetriebe, doch ihre Potenziale zur Energieeinsparung werden oft nicht vollständig ausgeschöpft. Eine regelmäßige Überprüfung und Optimierung der Druckluftsysteme können Energieverluste erheblich minimieren.
In der folgenden Abbildung werden verschiedene Schwachstellen und Optimierungsmaßnahmen in industriellen Druckluftsystemen dargestellt:* Deutsche Energie Agentur GmbH (2024): Energieeffizienz in kleinen und mittleren Unternehmen. (online) – Energiekosten senken. Wettbewerbsvorteile sichern. (abgerufen am: 27.11.2024).
Produktionsprozesse können mithilfe einer gut implementierten Digitalisierungsstrategie in vielen Fällen deutlich optimiert werden. Durch den Einbau von Sensorik oder die Verwendung von Analysemethoden können beispielsweise überflüssige Energie und Materialverbräuche aufgedeckt und durch geeignete Maßnahmen so weit wie möglich reduziert werden. Auf der anderen Seite kann ein hoher Digitalisierungsgrad auch zu einem größeren Energieverbrauch führen. Der steigende Energiebedarf für immer leistungsfähigere Server und Rechenleistungen, wie sie beispielsweise bei KI-Anwendungen erforderlich sind, führt zu immer höher werdenden CO2-Emissionen.* Dörnenburg, E. (2023): Den eigenen CO2-Fußabdruck erkennen und optimieren (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
Neben der Rechenleistung spielt der effiziente Umgang mit Hardware eine entscheidende Rolle für die Ressourceneffizienz in der Informationstechnologie. Hardwarekomponenten enthalten oft kritische Rohstoffe wie seltene Erden, deren Abbau und Verarbeitung erhebliche ökologische und soziale Auswirkungen nach sich ziehen. Daher ist es unerlässlich, diese Ressourcen so effizient wie möglich zu nutzen. Dies kann durch Maßnahmen wie die Verlängerung der Lebensdauer von Geräten, die Förderung von Reparatur und Wiederverwendung sowie das Recycling von Altgeräten erreicht werden.
Ein bewusster und nachhaltiger Umgang mit IT-Hardware trägt nicht nur zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs bei, sondern unterstützt auch eine verantwortungsvollere und umweltfreundlichere Digitalisierung.* Christian Lenoble (2021): Cloud-Services: Datenverkehr mit reichlich Energie (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
Durch energetische Optimierungen an der Gebäudehülle, die Nutzung von Abwärme und die Prozesskoppelung kann der Wärmeenergiebedarf erheblich reduziert werden. Um zusätzlich die Widerstandsfähigkeit gegenüber starken Energiepreissteigerungen zu erhöhen, ist es für Unternehmen wichtig, auch die Bereitstellung von Wärmeenergie durch moderne Technologien zu optimieren. Vor allem in Produktionsstätten mit großen Flächen sind effiziente Heizungsanlagen unerlässlich.
Die Effizienz eines Heizungssystems kann entweder durch Maßnahmen zur Heizungsoptimierung oder den Austausch einer Heizungsanlage durch ein effizienteres System gesteigert werden.
Zur Heizungsoptimierung können folgende Maßnahmen ergriffen werden:* Verbraucherzentrale Bundesverband e.V. (2024): Heizungsoptimierung | Verbraucherzentrale Energieberatung (online) (abgerufen am: 09.07.2024).
© © Eigene Darstellung in Anlehnung an Detmold, S. (03.12.2024): Fernwärmeerzeugung [online], 03.12.2024 [abgerufen am: 04.12.2024], verfügbar unter: https://www.stadtwerke-detmold.de/Fernwaerme/Erzeugung/
Bei der Bereitstellung von Wärmeenergie durch Fernwärme wird die Wärme in Form von Warmwasser über sogenannte Wärmenetze geliefert. Diese Netze bestehen aus meist unterirdisch verlegten, gut gedämmten Rohrsystemen, die eine zentrale Wärmeerzeugung mit zahlreichen Verbraucher*innen verbinden. Die Wärmeerzeugung erfolgt dabei nur zu einem geringen Teil aus industrieller Abwärme, während der Großteil noch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Biomasse oder Abfall gedeckt wird.
Neben den Fernwärmenetzen gibt es sogenannte Nahwärmenetze, die besonders in Industriegebieten und für einzelne Wohngebiete eingesetzt werden. Der Unterschied zur Fernwärme besteht darin, dass Nahwärmenetze auf kleinere, lokal begrenzte Gebiete fokussiert sind, während Fernwärmenetze größere städtische Bereiche abdecken.* Vaillant (2024): Fernwärme – Heizung und Warmwasser über Wärmenetze? (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
© © Eigene Darstellung in Anhlehnung an co2online (2024): Wärmepumpe: Kosten, Funktion & Förderung 2024 [online] [abgerufen am: 21.06.2024], verfügbar unter: https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/waermepumpe/
Wärmepumpen sind äußerst effiziente Anlagen zur Erzeugung von Wärmeenergie aus elektrischer Energie. Verschiedene Arten von Wärmepumpen nutzen unterschiedliche Wärmequellen, arbeiten jedoch nach demselben Prinzip. Die Wärmequellen unterscheiden sich in Luft, Erdreich und Grundwasser.
Funktionsweise:
Wärmeaufnahme:
Verdichtung:
Wärmeabgabe:
Entspannung:
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine Anlage, die sowohl Strom als auch Wärme erzeugt. Die verwendete Methode wird ebenso als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet.
Dabei wird durch die Verbrennung eines Brennstoffs mechanische Energie gewonnen, die einen Generator antreibt und somit Strom produziert. Gleichzeitig wird die dabei entstehende Abwärme genutzt, um Heizwärme bereitzustellen.* BHKW-Infozentrum (2023): Was ist ein Blockheizkraftwerk? - Wissens-wertes über BHKW (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
© Eigene Darstellung auf Basis von BauNetz (2024d): Solarthermie | Gebäudetechnik | Erneuerbare Energien | Baunetz_Wissen [online]. BauNetz [abgerufen am: 28.08.2024], verfügbar unter: https://www.baunetzwissen.de/gebaeudetechnik/fachwissen/erneuerbare-energien/solarthermie-2452537
Solarthermie wird verwendet, um Sonnenstrahlung in Wärmeenergie umzuwandeln. Dabei absorbieren Sonnenkollektoren die einfallende Strahlung und leiten diese Energie an eine spezielle Wärmeträgerflüssigkeit weiter. Die erhitzte Flüssigkeit zirkuliert durch einen Wärmetauscher und überträgt die gewonnene Wärme auf das zu erwärmende Wasser.
Als Biomasse werden landwirtschaftliche Reststoffe, organische Materialien wie Holz, tierische Abfälle und Energiepflanzen wie Mais oder Miscanthus bezeichnet.
Biomasse kann auf verschiedene Arten zur Energiegewinnung eingesetzt werden, darunter:
Stromerzeugung: Zur Stromerzeugung wird Biomasse in Biomassekraftwerken verbrannt. Die dabei erzeugte Wärme erhitzt Wasser, wodurch Dampf entsteht. Dieser Dampf treibt eine Turbine an, die schließlich elektrischen Strom produziert.
Wärmeerzeugung: Zur Wärmeerzeugung für die Beheizung von Gebäuden und industriellen Prozessen kann Biomasse in Heizkesseln verbrannt werden. Die entstandene Wärme wird zur Wärmeverteilung an ein entsprechendes Medium übertragen.
Biokraftstoffe: Biomasse dient auch zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Bioethanol und Biodiesel. Diese werden aus Pflanzen wie Mais und Raps gewonnen und können fossile Kraftstoffe ersetzen.* Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (2022): Nutzen und Bedeutung der Bioenergie (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
Im vorherigen Abschnitt wurden bereits Technologien aufgeführt, die sowohl Wärme als auch elektrische Energie erzeugen können. Die Stromversorgung von Produktionsstätten erfolgt durch die Netzanbindung oder die Verwendung erneuerbarer Energien.
© Eigene Darstellung auf Basis von Viktor Wesselak, S. V. (2016): Photovoltaik – Wie Sonne zu Strom wird [online] [abgerufen am: 21.06.2024], verfügbar unter: https://books.google.de/books?hl=de&lr=&id=vpsqDAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR5&dq=photovoltaik&ots=PADLiVzRDS&sig=5g-IgvTucaUFmdIVoT3pdnfIXgs#v=onepage&q=photovoltaik&f=fals
Die Nutzung von Photovoltaikanlagen in Produktionsstätten bietet erhebliche Vorteile und Chancen zur Kostensenkung. Auf der einen Seite verfügen Produktionsstätten oft über große, beschattungsfreie und ungenutzte Dachflächen, die ideal für die einfache Installation von PV-Anlagen sind. Auf der anderen Seite kann die durch die Sonneneinstrahlung gewonnene elektrische Energie vielseitig vor Ort eingesetzt werden.
Photovoltaikanlagen bestehen aus mehreren Solarmodulen mit Solarzellen. In den Solarzellen wird durch die Sonneneinstrahlung Gleichstrom erzeugt. Der erzeugte Gleichstrom wird anschließend durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Der somit erzeugte elektrische Strom kann direkt verwendet, gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden.* Viktor Wesselak, S. V. (2016): Photovoltaik – Wie Sonne zu Strom wird (online) (abgerufen am: 21.06.2024).
Die Stromversorgung einer Produktionsstätte lässt sich in zwei Hauptkomponenten unterteilen: die Erzeugerseite und die Verbraucherseite. Auf der Erzeugerseite stehen das Stromnetz und die zusätzlichen Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Auf der Verbraucherseite befinden sich die verschiedenen Verbrauchenden innerhalb der Produktionsstätte, die auf diese Energie angewiesen sind.
Eine der größten Herausforderungen bei der Integration erneuerbarer Energien auf der Erzeugerseite umfasst die wetterbedingt schwankende Energieerzeugung und die Tatsache, dass elektrische Energie sofort nach ihrer Erzeugung genutzt werden muss. Um dieses Problem zu lösen, können Batteriespeicher oder andere sogenannte Power-to-X-Lösungen eingesetzt werden. Ein solcher Speicher ermöglicht es, überschüssige Energie während Zeiten geringer Last auf der Verbraucherseite zu speichern und diese Energie bei Spitzenlasten wieder abzugeben. Dies sorgt für eine stabile und effiziente Energieversorgung innerhalb der Produktionsstätte.
Moderne Energiespeichersysteme sind essenziell für die effiziente Nutzung und Speicherung von erneuerbarer Energie. Neben diesen Speichersystemen können auch Technologien verwendet werden, die überschüssige Energie direkt in nutzbare Produkte umwandeln.* Caroline Möller, Andreas Pfeif, Martin Faulstich, Sandra Rosenberger (2017): Batteriespeicher in Industrie und Gewerbe (online). Ingenieure.de (abgerufen am: 21.06.2024).
Zur optimalen Abstimmung zwischen den energetischen Verbrauchern und den Energiequellen eines Unternehmens können sogenannte Energiemanagementsysteme (EnMS) gemäß DIN ISO 50001:2018 eingesetzt werden. Diese Systeme sind nach DIN ISO 50001:2018 folgendermaßen definiert:
Energiemanagementsysteme regeln die verschiedenen Energiequellen, die Energieumwandlung im Unternehmen, die Verteilung und die letztendliche Nutzung. Ein EnMS unterstützt das Unternehmen, indem es die Energieströme im Betrieb sowie die dazugehörigen Energieträger erfasst, analysiert und darauf aufbauend Optimierungspotenziale aufzeigt. So werden nicht nur Energieverbräuche transparent gemacht, sondern es können auch gezielt Maßnahmen zur Effizienzsteigerung identifiziert werden.
Durch die Kopplung verschiedener energetischer Sektoren können Unternehmen überschüssige Energie optimal nutzen und den Anteil erneuerbarer Energien in ihrer Energieversorgung steigern. Die flexible Handhabung ermöglicht die bedarfsgerechte Verwendung von Energie aus verschiedenen Sektoren.
Besteht beispielsweise ein hohes solares Energieangebot, das durch eine Photovoltaikanlage genutzt werden kann, kann durch eine gezielte Produktionsplanung erreicht werden, dass besonders energieintensive Fertigungsprozesse zu diesen Zeiten geplant werden. Alternativ kann die überschüssige Energie auch zwischengespeichert werden. Durch die Abstimmung von Energieangebot und ‑bedarf wird der Anteil der erneuerbaren Energien signifikant erhöht.* Barckhausen, A.; Becker, J.; Malodobry, P.; Harfst, N. und Nissen, U. (2020): Energiemanagementsysteme in der Praxis. 2. Auflage, Dessau-Roßlau (abgerufen am: 27.04.2023).
