Ressourceneffiziente Produktnutzung

ENERGETISCHE OPTIMIERUNG VON KRAFTMASCHINEN

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Kraftmaschinen (z. B. Motoren, Verdichtern oder Pumpen) stellt die klassischste Form zur Steigerung der nutzungsbedingten Ressourceneffizienz dar. Die Bandbreite technologischer Handlungsoptionen reicht hierbei von Optimierungen kritischer Steuerungsparameter (z. B. Ventilschließzeiten) mit geringem Einfluss auf das Gesamtsystem bis hin zu tiefgreifenden Technologiesprüngen, welche auch strategische und organisatorische Veränderungen im Unternehmen implizieren (z. B. Wechsel von Verbrennungskraftmaschinen auf Elektroantriebe).

Unabhängig vom Wirkungsgrad lautet die Frage, wie die für den Antrieb der Kraftmaschine notwendige Energie bereitgestellt wird. Hierbei bietet vor allem die Nutzung biobasierter Kraftstoffe oder die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien ein wesentliches Potenzial, um nichterneuerbare Rohstoffmengen zu reduzieren, Emissionen zu verringern sowie Kosten einzusparen. Um diese Vorteile zu überprüfen, ist jedoch eine vergleichende Lebenswegbetrachtung zur konventionellen Form der Energieversorgung notwendig (siehe z. B. [2]) .

Letztlich kann bereits die richtige Dimensionierung der Antriebe eine wichtige Maßnahme zur Senkung des Energie- und Rohstoffbedarfs in der Produktions- und Nutzungsphase darstellen. So können z. B. Verbrennungsmotoren durch Aufladung kleiner ausgelegt werden (Downsizing), ohne dabei an Leistung einzubüßen [3]. Darüber hinaus ist es wichtig, Antriebe immer entsprechend ihrem effizientesten Betriebspunkt auszulegen. Über- oder Unterdimensionierung sollte hier unbedingt vermieden werden [4].

-> Beispiel

Wirkungsgradsteigerung durch Abluftnutzung

Pneumatische Antriebe werden in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik eingesetzt, in denen kurze Reaktionszeiten und große Kräfte eine Voraussetzung für reibungslose Produktionsvorgänge darstellen. Problematisch ist jedoch der geringe Wirkungsgrad bei der Drucklufterzeugung im Vergleich zu Elektromotoren (Verluste zwischen 50 und 80 %). An der RWTH Aachen wurde daher eine neue Lösung entwickelt, die es erlaubt, Abluft von abluftgedrosselten Antrieben in einem geschlossenen Kreislauf zu führen. In einem prototypischen Aufbau konnten dabei Reduktionen der Verdichterverluste von bis zu 32 % nachgewiesen werden [5].

VERRINGERUNG DES ENERGIEBEDARFS DURCH LEICHTBAU UND VERBESSERUNG DER AERODYNAMIK

Neben der Optimierung des Wirkungsgrades ist es auch sinnvoll, eine Verringerung der vom System benötigten Energie zur Funktionserfüllung anzustreben. Die hier vorliegenden Potenziale setzen sich in Abhängigkeit der betrachteten Produktgruppe unterschiedlich zusammen. Für bewegte Teile gilt hier eine Reduzierung der Masse als wesentliche Strategie. Das Prinzip Leichtbau kann dabei entweder durch eine Optimierung der Geometrie (z. B. durch Orientierung am Kraftfluss) oder durch die Materialauswahl umgesetzt werden. Während eine Optimierung der Geometrie zumeist auch zu Ressourceneinsparungen in der Herstellung des Produktes führt, ist bei der Materialauswahl zu beachten, dass nicht zu hohe Ressourcenaufwände in der Materialherstellung und Probleme im Recycling entstehen.

Beispielsweise eignen sich Faserverbundstoffe zur Gewichtsreduktion in der Nutzungsphase. Die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundstoffen ist jedoch sehr energieintensiv im Vergleich zu Stahl oder Aluminium. Darüber hinaus können Komponenten aus Faserverbundstoffen nur schlecht recycelt, repariert und wiederaufgearbeitet werden [6, S. 16]. Weiterhin kann Leichtbau auch kontraproduktiv wirken, wenn die Funktion des Produktes dadurch beeinträchtigt wird. Dies ist z. B. bei Werkzeugmaschinenaufbauten der Fall, bei denen das Gewicht dazu beiträgt, Schwingungen der Maschine zu verhindern und damit die Präzision der Fertigung mit zu beeinflussen.

Insbesondere bei Fahrzeugen kann als weiterer Stellhebel zur Reduktion der benötigten Energie in der Nutzung auch die Aerodynamik optimiert werden. Hierzu eignen sich insbesondere Methoden der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) als wesentlicher Bestandteil vieler Simulationstools.

-> Beispiel

Bionisches Design einer Flugzeugtrennwand

Ein Flugzeughersteller hat gemeinsam mit einem Architekturbüro eine Flugzeugtrennwand entwickelt, die auf bionischen Prinzipien beruht. Hierbei wurde als Grundlage für den strukturbildenden Optimierungsalgorithmus das Ausbreitungsverhalten eines Schleimpilzes (biologisches Vorbild) gewählt. Die hierdurch erzeugten diffizilen Strukturen wurden hinsichtlich des Gewichts und unter der Randbedingung angemessener statischer Belastungsfähigkeit (Durchbiegung) optimiert. Insgesamt konnten durch den Entwurf 45 % des Gewichts der Trennwand eingespart werden. Die Fertigung der Trennwand erfolgt mit additiven Verfahren [7].

ANTIZIPATION UND BEEINFLUSSUNG DES NUTZERVERHALTENS

Neben der technisch-physikalischen Auslegung spielen auch verhaltensbezogene Maßnahmen eine Rolle, welche die Interaktion des Nutzers mit dem Produkt in den Vordergrund rücken. Eine grundlegende Prämisse stellt hier die hinreichende Kennzeichnung einer ressourceneffizienten Betriebsweise für den Nutzer dar. Darüber hinaus sollten Fehlgebräuche, die einen erhöhten Ressourcenverbrauch bedingen (z. B. ausbleibende Abschaltung einer Kaffeemaschine nach Gebrauch), anhand von Nutzerstudien antizipiert werden. In einigen Fällen können hier bereits einfache Features wie Stand-by-Funktionen Abhilfe schaffen. In anderen Fällen hilft es unter Umständen, Ressourcenverbräuche transparent aufzuzeigen und Tipps für einen verbesserten Betrieb zu geben [8]. Ein Beispiel hierfür ist eine Darstellung der Treibhausgasemissionen im Cockpit eines Fahrzeugs, ggf. sogar mit Vergleichswerten. Diese Information fördert die Bewusstseinsbildung für den Ressourcenverbrauch und hilft dabei, den individuellen Fahrstil einzuschätzen und zu verbessern. Eine weitere häufig genutzte Option zur Minimierung des Ressourcenaufwandes besteht darin, umweltgerechte Betriebsmodi bereitzustellen, die Produktnutzern die Möglichkeit geben, den Ressourcenverbrauch in der Nutzung zu verringern (z. B. Eco-Modus einer Waschmaschine).

-> Beispiel

Smarte Visualisierung des Energieverbrauchs in Privathaushalten

An der Hochschule Luzern wird derzeit daran geforscht, wie in zukünftigen Generationen intelligenter Stromzähler der gesamte Stromverbrauch auf einzelne Geräte zurückgeführt werden kann. Mithilfe der Technologie "Non-Intrusive Appliance Load Monitoring" soll es möglich sein, die jeweiligen Verbraucher anhand ihrer spezifischen Signatur im Stromnetz zu erkennen. Auf Basis dieser erhöhten Transparenz können dann, ggf. durch geeignete Visualisierung, Verhaltensänderungen des Nutzers motiviert werden [9].

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