Vermindern des Energieverbrauchs

Teil 1 >  Ressourceneffizienz, Anwendungsbereich, Grenzen
Teil 2 >  Wege der Umsetzung und Beispiele

OPTIMIERUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS EINER PRODUKTIONSMASCHINE

Auf Maschinenebene kann der Energieverbrauch insbesondere durch die Auswahl effizienter Maschinen und optimierter Steuerung im Betrieb adressiert werden [1, S. 592 f.].

Verbrauchsarme Maschinen sind durch verbrauchsarme Komponenten (z. B. energieeffiziente Linearmotoren) und systemische Innovationen (z. B. bedarfsgerechte Kühlung einer Werkzeugmaschine) gekennzeichnet. Ein besonderes Potenzial ergibt sich hier zusätzlich durch die Rückgewinnung von Energie im Maschinenbetrieb. So existieren bereits Beispiele, in denen die Abwärme einer Maschine in Strom umgewandelt und damit wieder für den Betrieb nutzbar gemacht wurde (z. B. im Fall von Laserbearbeitung [3]).

Ein weiteres Potenzial liegt auch in der Organisation der Peripherie. So können z. B. Aggregate zur Drucklufterzeugung entweder dezentral in der Maschine verbaut oder zentral für alle Maschinen der Fertigungseinrichtung bereitgestellt werden. Da der Druck bei einer zentralen Bereitstellung generell über längere Wege aufrechterhalten werden muss und zusätzlich das Risiko von Leckagen wesentlich größer ist, empfehlen Studien eine lokale Drucklufterzeugung auf Maschinenebene [4].

Neben den bereitgestellten Features sollten bei der Maschinenauswahl insbesondere die Passgenauigkeit für den verfolgten Zweck und die Dimensionierung der Maschine für den Anwendungsfall beachtet werden. Eine Über- oder Unterdimensionierung der Maschine führt zu einer Nutzung jenseits des effizientesten Betriebspunktes, wodurch signifikante Mehrverbräuche zu erwarten sind [1, S. 594].

Auch im Betrieb der Maschine lassen sich noch vielfältige Energieeinsparungen erzielen. Hierbei spielt insbesondere die Maschinensteuerung eine große Rolle. So können z. B. erhebliche Potenziale durch Vorsehung von Stand-by-Modi in Phasen des Leerlaufs einer Maschine gewonnen werden. Hierbei werden nicht benötigte Aggregate der Peripherie, wie z. B. die Kühlschmiermittelversorgung, zeitweise abgeschaltet. In einigen Fällen kann allerdings auch eine kontinuierliche und gleichmäßige Auslastung der Maschine ein sinnvollerer Hebel sein, um Energie zu sparen (z. B. bei temperaturintensiven Prozessen, welche Energie zum Aufheizen benötigen). Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass die Einstellung der Prozessparameter einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch ausüben kann. Beispielsweise ist es möglich, den Energieverbrauch bei der Fräs- und Bohrbearbeitung durch Erhöhung der Schnitttiefe, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit zu senken, wenn dadurch die Bearbeitungszeit insgesamt verringert wird. Hierbei muss natürlich ein Optimum in Verbindung mit verstärktem Werkzeugverschleiß und der Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Werkstücks gefunden werden [5]. Andere Optionen der Verringerung des Energieverbrauchs sind beispielsweise lastgeführte Maschinensteuerungen sowie die Optimierung von Bewegungsabläufen der Maschinen.

-> Beispiel

Gesenkschmiedehammer mit Linearantrieb

Die Firma RUD-SCHÖTTLER Umformtechnik & Systemlieferant GmbH fertigt unter anderem Lasthaken, Spezialbauteile und Armaturen für die chemische Industrie. Sie verwendet für die Umformung von Stahl und anderen metallischen Werkstoffen einen linearen Gesenkschmiedehammer anstatt des weit verbreiteten Hydraulikhammers. Mit dem Gesenkschmiedehammer ist es möglich, Bauteile präziser herzustellen, so dass ein geringerer Ausschuss produziert wird. Der Hammer fällt darüber hinaus nur so oft auf das Schmiedeteil, bis die gewünschte Form erreicht ist. Mit einem klassischen Hydraulikhammer ist eine derartig genaue Steuerung nicht möglich. Zudem ist für den Antrieb des elektrischen Gesenkschmiedehammers kein zusätzliches Öl notwendig. Durch flexible Geschwindigkeits- und Kraftsteuerung sind der Energiebedarf um bis zu 25 % und der Materialverbrauch um bis zu 10 % geringer als bei der Verwendung eines Hydraulikhammers [6].

OPTIMIERUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS EINES PRODUKTIONSPROZESSES

Bei der Auswahl von Produktionsprozessen erfolgt zumeist eine integrierte Betrachtung verschiedener Maschinenverbünde hinsichtlich Qualität und Zeit der Bearbeitung sowie Energie- und Materialaufwand. Bei der Berücksichtigung des Energiebedarfs kann eine Berechnung des kumulierten Energieaufwandes und darauf aufbauend ein Vergleich verschiedener Alternativen sinnvoll sein [7]. Hierbei erfolgt eine Verrechnung aller im Prozess benötigten Energieformen (z. B. Strom, Wärme oder Druckluft) zu einem einzelnen Indikator. Alternativ wird auch eine Exergieanalyse als zielführend erachtet. Hierbei werden zusätzlich Verluste des tatsächlich nutzbaren Anteils der Energie (Exergie) bestimmt, die an verschiedenen Stellen des Prozesses auftreten [1, S. 595].

Über eine rein bilanzielle Sicht auf den Prozess bietet es sich an zu überprüfen, inwiefern sich energetische Prozess-Inputs und -Outputs besser miteinander verknüpfen lassen. Hieraus lassen sich unter Umständen Nutzungskaskaden ableiten, die eine Weiternutzung von Energie ermöglichen, die in einem Prozess ungenutzt als Nebenprodukt anfällt. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung thermischer Abwärme eines Hochofens für die Wärmebehandlung von Stahlbauteilen in einem späteren Prozessschritt.

-> Beispiel

Vergleich spanende Fertigung gegenüber Laserauftragsschweißen

Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts E3 Produktion erfolgte ein Vergleich der Ressourceneffizienz von zwei Prozessketten zur Herstellung der Komponenten eines Spritzgusswerkzeuges. Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung über eine Fräsbearbeitung "aus dem Vollen" besteht die Möglichkeit, Bauteile hohl zu gestalten und mit einem additiven Verfahren (Laser Metal Deposition [LMD]) herzustellen. Hierdurch verbessert sich die Materialausnutzung um fast 50 % und das Bauteil ist bis zu 300 Gramm leichter. Die hier angestrebten Kosteneinsparungen durch die Materialreduktion werden in diesem Fall allerdings durch den insgesamt teureren und energieintensiveren LMD-Prozess überkompensiert. Die Zeit für die Herstellung steigt um ca. 30 %, während der Energiebedarf sogar dreimal so hoch wie im Falle konventioneller Zerspanung ausfiel [8]. In diesem Fall ergibt sich für beide Herstellungsalternativen also ein Zielkonflikt zwischen Energie- und Materialeffizienz.

OPTIMIERUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS EINER FABRIK

Eine Optimierung des Energieverbrauchs auf Ebene der Fabrik betrifft die Gesamtheit aller Produktionsanlagen in Verbindung mit der technischen Gebäudeausstattung und Logistik. Ein wesentlicher Fokus besteht hier auch in der Abstimmung manchmal widersprüchlicher Ziele zwischen Produktion und Energiemanagement (z. B. die zeitliche Bündelung von Produktionsaufträgen, um einen wichtigen Auftrag zu erfüllen gegenüber der Vermeidung von Lastspitzen).

Aus Sicht eines energieeffizienten Produktionsablaufes innerhalb der Fabrik spielt insbesondere die Produktionsplanung eine große Rolle. In der Planung wird entschieden, welche Maschinen wann genutzt werden, um das Produktionsprogramm umzusetzen. Zentrales Ziel ist hierbei eine zu allen Zeitpunkten ausgelastete Produktion mit entsprechendem Durchsatz bei gleichzeitiger Vermeidung von Engpässen bzw. Überproduktion. Aus Sicht des Energiebedarfs ergeben sich jedoch weitere Nebenziele. So sollte der Leerlauf von Maschinen verringert werden, um den passiven Stromverbrauch zu senken. Darüber hinaus sind Spitzen im Stromverbrauch zu vermeiden, da diese zumeist die Berechnung des Strompreises beeinflussen. Bei flexiblen Schichtsystemen kann außerdem noch eine flexible Anpassung der Produktion an den Strompreis eine Rolle spielen. Hieraus ergibt sich ein kompliziertes Optimierungsproblem, welches durch Simulation entsprechend aufgelöst werden kann [1, S. 598 f.].

Sobald die Produktion läuft, können Informationen zum Energiebedarf durch Echtzeitmessung gesammelt werden (z. B. durch Integration mit Informationen aus einem Manufacturing Execution Systems (MES) [9]). Auf dieser Basis lassen sich auch Störungen im Produktionsablauf leichter erkennen. Die Vision von Industrie 4.0 verspricht in diesem Kontext Produktionsanlagen, die Information nicht nur automatisch an Leitstände zu übermitteln, sondern auch autonom Anpassungen des Produktionsablaufs vorzunehmen, um Fehler auszugleichen oder zu beseitigen. Hierbei wird gleichfalls die technische Gebäudeausstattung einbezogen, die ebenso automatisiert Schwankungen der Produktionsbedingungen, wie z. B. Luftfeuchte und Temperatur, ausgleicht und dabei selbst nur wenig Energie verbraucht. Innerhalb der Logistik werden vollautomatisierte Warenhäuser angestrebt, in denen Transportwege und Lagerbewegungen so effizient wie möglich durch Robotik umsetzbar sind [1, S. 598 f.].

-> Beispiel

Energieeffiziente Produktion einer Blechwarenfabrik

Die Blechwarenfabrik Limburg produziert chemisch-technische Verpackungen aus Metall. Im Rahmen der Planung und Umsetzung einer neuen Produktionshalle bot sich die Möglichkeit, Aspekte der Energie- und Materialeffizienz von Beginn an mit zu berücksichtigen. Die hier vorgesehenen Maßnahmen umfassen unter anderem drei Photovoltaikanlagen, welche über 1,1 MWp Leistung bereitstellen, ein innovatives Konzept zur Nutzung von Prozessabwärme für die Heizung und Kühlung verschiedener Gebäude- und Prozessbereiche sowie eine eigens entwickelte Portalstanze, mit der eine verbesserte Materialausnutzung erreichbar ist. Darüber hinaus wird hier ein neues Verfahren zur Oberflächenbeschichtung von Weißblech eingesetzt, wodurch die Nutzung energieintensiver Gasöfen entfällt. Der Einsatz eines Energiemanagementsystems lässt außerdem ein hohes Maß an Transparenz des Energieverbrauchs zu, wodurch eine kontinuierliche Verbesserung der Energienutzung ermöglicht wird. Für ihre Bemühungen ist die Blechwarenfabrik Limburg GmbH 2018 für besondere Energieeffizienzleistungen ausgezeichnet worden [10].

UNTERNEHMENSÜBERGREIFENDE ZUSAMMENARBEIT

Auch über die Grenzen einzelner Fabriken und Unternehmen hinaus bieten sich Potenziale, Energie einzusparen. In diesem Kontext stehen vor allem Nebenprodukte einer Produktion mit geringem ökonomischem Wert im Vordergrund, die bisher nicht oder kaum ausgenutzt wurden (z. B. Flugasche als Nebenprodukt in Kraftwerken). Diese können von anderen Unternehmen mitunter noch als Input für ihre Produktion verwendet werden (z. B. Nutzung von Flugasche bei der Zementproduktion). Das Konzept der "Industriellen Symbiose" geht über einen einfachen Stoffaustausch zwischen zwei Unternehmen hinaus und zielt darauf ab – in Analogie zur Natur der Ökosysteme –, verschiedenen Unternehmen durch ihren gegenseitigen Austausch von Stoff- und Energieströmen zu ihrem individuellen Vorteil zu verhelfen [1, S. 601]. Ein berühmtes Beispiel für eine existierende Symbiose aus mehreren Unternehmen ist der Kalundborg Eco-industrial Park in Dänemark [11].

-> Beispiel

Weiternutzung von Prozessabwärme einer Raffinerie für die Fernwärmeerzeugung

Für die Herstellung ihrer Produkte muss die Mineraloelraffinerie Oberrhein GmbH & Co. KG Rohöl in verschiedenen Prozessschritten aufheizen und wieder abkühlen. Bei dem Kühlvorgang wird Abwärme mit einer Temperatur bis zu 130 °C produziert. Diese ist in der Raffinerie allerdings nicht wirtschaftlich verwendbar. Durch eine Kooperation mit der Stadtwerke Karlsruhe GmbH ist es möglich, die Abwärme effizient zu nutzen, indem diese in das 190 km lange Fernwärmenetz eingespeist wird. Hierdurch ist der Primärenergiefaktor des Karlsruher Fernwärmenetzes nun auf 0,26 gesunken, wodurch jährlich bis zu 100.000 t CO2 vermieden werden können [12].

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