Energieeffizienz in Produktionsprozessen

24. November 2010, Hanns-Seidel-Stiftung, München

Nachbericht

Energieeffizienz senkt Emissionen, spart Kosten, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit

Innovationen aus der Elektronik leisten großen Beitrag für mehr Energieeffizienz

Forum in München mit Teilnehmern aus Deutschland, Österreich, Schweiz und Russland

Beim Frühjahrsgipfel 2007 in Lissabon einigten sich die Staats- und Regierungschefs der Europäischen Union auf das Ziel einer Senkung des Energieverbrauchs in Höhe von 20 Prozent bis 2020. Zur Erreichung der europäischen Klimaschutzziele spielt die Steigerung der Energieeffizienz somit eine Schlüsselrolle. Eine effiziente und sparsame Nutzung von Energie senkt aber auch die Produktionskosten und verbessert so die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.

Die Elektronik als Querschnittstechnologie bildet in Verbindung mit Innovationen im Anlagenbau und in der Prozesstechnik eine wichtige Basis für mehr Energieeffizienz in Produktionsanlagen, aber auch in peripheren Systemen, z.B. durch die Nutzung intelligenter Elektronik und vernetzter Steuerungs- und Regelungstechnik. Maßgebend für eine erfolgreiche und kosteneffiziente Entwicklung derartiger innovativer Anlagen und Prozessführungen ist eine möglichst frühzeitige Zusammenarbeit in der gesamten Wertschöpfungskette, wie Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ in seiner thematischen Einführung zum Kooperationsforum „Energieeffizienz in Produktionsprozessen" am 24. November 2010 in München aufzeigte.

Als Schwerpunkte dieses Forums wurden strategische Planungsansätze zur Identifizierung von Energieeinsparpotenzialen erläutert und erfolgreiche Best-Practice-Beispiele aus verschiedenen Bereichen der industriellen Produktion präsentiert. Das Kooperationsforum wurde von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerks BAIKEM und des Clusters Energietechnik ausgerichtet - gemeinsam mit den Partnern ZVEI Bayern, Fraunhofer IISB, InfraSerV Gendorf, European Center for Power Electronics (ECPE) sowie unter Einbindung der Bayerischen Cluster Leistungselektronik und Mechatronik & Automation.
Über 120 Experten und 15 Aussteller aus Deutschland, Österreich, Schweiz und der Russischen Föderation kamen in München zusammen, um zielgerichtet neue Innovationsansätze zu diskutieren und weiter voranzutreiben.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Laut einer Studie des BMWi von 2008 über den Endenergieverbrauch in Deutschland aufgeteilt in die Sektoren „Industrie", „Gewerbe, Handel und Dienstleistung" sowie „private Haushalte" sind Industrie und produzierendes Gewerbe die größten Energieverbraucher. Durch die stetig steigenden Energiekosten rücken technische Innovationen zur Steigerung der Energieeffizienz in Produktionsprozessen mehr und mehr in den Fokus der Unternehmen. Wie aber können Energieeffizienzmaßnahmen in Unternehmen strategisch geplant und realisiert werden?

Identifizierung von Einsparpotenzialen

Es gibt keine Standardlösung, um die Energieeffizienz im eigenen Unternehmen zu steigern, vielmehr ist eine individuelle Analyse notwendig. Die Basis für eine erfolgreiche Suche von Energieeinsparpotenzialen in Produktionsprozessen ist eine Stoff- und Energiebilanz, so Dr. Hans-Hubert Hildenbrand (Bild links), Business Unit Leiter Engineering bei der InfraSerV Gendorf, Burgkirchen, in seinem umfassenden Übersichtsvortrag über Grundlagen und Methodiken für strategische Planungsansätze.
Ein Energieaudit besteht aus mehreren Stufen. Zunächst müssen Verfahren und Prozesse und die Basisdaten der Anlagen und deren Komponenten bekannt sein, wobei u. a. die Stimmigkeit mit Verbrauchsmesswerten der Anlagen zu klären ist. Diese Daten sind Grundlage für detaillierte Verbrauchsanalysen von verschiedenen Betriebszuständen der Anlagen. Anschließend werden über Simulationen und Prozessanalysen Einsparkonzepte erstellt und entsprechend ihrer Wirtschaftlichkeit bewertet. Auf dieser Grundlage wird ein Maßnahmenkatalog mit Investitionsvorschlägen ausgearbeitet, priorisiert und schließlich realisiert. Dafür können Unternehmen die Kompetenzen externer Berater nutzen. Denn erst auf der Basis von klaren Kosten-Nutzen-Rechnungen empfiehlt sich die Umsetzung der Maßnahmen. Aus eigener Projekterfahrung schätzt Dr. Hans-Hubert Hildenbrand das jährliche Einsparpotenzial für die Energiekosten typischerweise auf 7 Prozent bis 12 Prozent.

„Wir gehen Contra-Innovative Wege" ergänzte Andreas Reiser, Senior Consultant des Beratungsunternehmens SIT - Systematic Inventive Thinking aus München, der aufzeigte, wie auch mit unkonventionellen Ansätzen die Energieeffizienz in industriellen Produktionsprozessen verbessert werden kann. Jeder noch so etablierte Prozess wird dabei grundsätzlich hinterfragt. Er belegte dies anhand von Beispielen erfolgreicher Maßnahmen aus unterschiedlichen Branchen - wie Automotive, Logistik, Automatisierung und der chemischen Industrie.

Mehr Energieeffizienz durch Optimierung der Produktionsprozesse und -anlagen

Zahlreiche Potenziale für die Verbesserung der Energieeffizienz bieten die Optimierung von Produktionsprozessen und die Senkung des Primärenergiebedarfs bei Produktionsanlagen. Dies wurde anschaulich an repräsentativen Beispielen von Unternehmen dargestellt, die sich bereits intensiv mit dem Thema beschäftigen.

Dr. Herbert Maier, Head of Global Competence Center Energy & Utilities bei der Clariant International Ltd in Muttenz, Schweiz, erläuterte mit detaillierten Betrachtungen von Fertigungsabläufen in der chemischen Industrie die energieeffiziente Verbesserung von Produktionsanlagen und -prozessen. Mit dem Projekt Energy2010 wurde als strategisches Unternehmensziel die Einsparung von 10 Prozent der Energiekosten gesetzt. Im Rahmen des Projektes wurde eine konzernübergreifende Know-how Datenbank für Komponenten und Prozesse erstellt. Mit Weiterbildungsmaßnahmen und der Anzeige von Energiedaten an Bildschirmen bei Produkktionsanlagen wurde auch das Betriebspersonal für dieses Thema sensibilisiert. „Ein großes Einsparpotenzial liegt in der Veränderung von Betriebsbedingungen und dem Verhalten der Mitarbeiter". so Dr. Herbert Maier. Er erläuterte am Beispiel einer veränderten Wärmezufuhr einer Sprühtrocknungsanlage Einsparungen von mehreren 100.000 Euro jährlich bei einer Amortisationszeit der Investition von 0,3 Jahren. Bis 2012 will Clariant das Energiemanagementsystem global in allen Bereichen implementiert haben

Auch Dr. Richard Öchsner, Leiter der Gruppe Fertigungssteuerung und Produktivität am Fraunhofer IISB in Erlangen, zeigte Potenziale zur Energieeinsparung mit einer ganzheitlichen Betrachtung kompletter Fertigungsabläufe – am Beispiel der Halbleiterfertigung. Auch die Halbleiterindustrie hat sich als strategisches Ziel eine Energieeinsparung von 5 Prozent jährlich gesetzt. Derzeit ist der Energieverbrauch noch nahezu unabhängig von der Auslastung der Anlage. Dr. Richard Öchsner sieht hier großes Potenzial für innovative Lösungen aus der Regelungstechnik, die eine Kopplung zwischen Geräten, Gerätekomponenten und der Prozesssteuerung ermöglichen. Diese vorrausschauende Steuerung der Anlage führt zu einer Senkung des Primärenergieverbrauchs im Wartezustand.

Energieeinsparungen durch Reduktion der Verluste bei Infrastruktur und Komponenten

Neben der Senkung des Primärenergiebedarfs bei Produktionsanlagen und der Optimierung ganzheitlicher Produktionsprozesse, existieren in Industrie und produzierendem Gewerbe weitere Potenziale für Energieeffizienzmaßnahmen, um Verluste in der Infrastruktur und in Komponenten zu reduzieren. In mehreren Vorträgen wurden Ansätze und Denkanstöße vermittelt, welche den Blick für Energieeffizienzpotenziale schärfen und als Grundlage zur weiteren Vertiefung dienen können - aus den Bereichen Klimatechnik, Prozesswärme, Druckluft und elektrische Antriebe.

Am Beispiel einer kryogenen Luftzerlegungsanlage zeigte Dr. Markus Weikl, Projektleiter R&D in der Engineering Division bei der Linde AG in Pullach, einen erfolgreichen Engineering-Ansatz für eine effizientere Prozesstechnik. Mit der Reduzierung des Prozessdruckes wird im ersten Schritt zwar eine geringere Sauerstoff-Reinheit erzielt, die aber durch eine nachgeschaltete, innovative Gasreinigung über eine Keramikmembran wieder ausgeglichen wird. Für den Gesamtprozess ergibt sich dabei ein wesentliches Energieeinsparpotenzial. Mit weiteren technischen Innovationen, wie der Integration eines Kaskadentauschers oder einer dreidimensionalen Temperaturüberwachung in Glasfasertechnologie soll die Sauerstoffgewinnung hinsichtlich des Durchsatzes und Energieverbrauchs weiter optimiert werden.

Dr. Kai Bär, Geschäftsführer der adphos Innovative Technologies GmbH, Bruckmühl, präsentierte mit der NIR-Technologie eine Neuentwicklung für thermische Prozesse, die im Rahmen der Verleihung des Bayerischen Energiepreises 2010 einen Anerkennungspreis erhielt. Derzeitige Heißluft- und Heißgasanlagen (Öfen) sind gekennzeichnet durch einen großen Platzbedarf, vielen Anlagenkomponenten im thermischen Prozessteil und nach Standby Zeiten sowohl durch eine lange Anlaufzeit und eine geringe Prozessqualität. Oft bestimmt dieser Teilbereich auch die gesamte Anlagengeschwindigkeit. Typische Anwendungen sind z.B. Pulverbeschichtungen, Beheizungen von PET-Preforms für Kunststoffflaschen oder Heißverformungen von Kunststoffprodukten. Produktionsanlagen mit NIR-Heizmodulen brauchen alternativ weniger Platz, sind schneller regelbar sowie thermisch schonender am Bauteil und damit energieeffizienter im Betrieb.

Eine weitere, energieeffiziente Beheizungslösung wurde von Dr. Jochen Volkert, Geschäftsführer der promeos GmbH, mit dem Porenbrenner vorgestellt, ein Gasbrenner, der wie ein IR-Strahler wirkt. „Wir machen aus einem Feuerzeug eine IR-Taschenlampe" umschrieb er anschaulich die Funktionsweise. Die Porenbrenner können in Geometrie und Leistung an den Prozess angepasst werden und ermöglichen eine gleichmäßigere Aufheizung. Zudem können die Energiekosten gegenüber klassischen Gasbrennern bei höherer Prozessqualität und höherer Prozessgeschwindigkeit deutlich gesenkt werden. Typische Anwendungen liegen in der Aufheizung von Gussformen in der Metallindustrie, in der Gummibeschichtung von Textilien oder als Folienschrumpftunnel in der Verpackungsindustrie.

Als einen weiteren Anlagenaspekt erläuterte Dr. Andreas Czuja, Leiter der Niederlasssung Bayern der Kaeser Kompressoren GmbH in Coburg, die Optimierung von Druckluftsystemen. Eines der Hauptaugenmerke sollte auf der Dichtigkeit und Auslegung des Leitungssystems liegen. Ein Leck von einem bar•Liter/s erhöht z. B. die Kompressorleistung bereits um 6%, was auch die Prüfung von Altanlagen durchaus finanziell rechtfertigt. Neueste Anlagen umfassen u. a. energiesparende Druckluftstationen mit Wärmerückgewinnung, strömungsgünstig und leckagefrei verlegte Rohrleitungssysteme, und bei stark schwankenden Druckluftbedarf eine Drehzahlregelung der Kompressoren. Mit Simulationen wird die Anlage an die Bedarfe angepasst, um starke Schwankungen im Druckluftnetz, besonders bei Lastspitzen, zu vermeiden. Moderne Druckluftsysteme können zuverlässig eine optimale Druckluftqualität garantieren und sich, laut Dr. Andreas Czuja „in moderne Energiesparsysteme mit einer Energieersparnis von bis zu 55 Prozent und einer Reduktion der Wartungskosten von 75 Prozent verwandeln".

Doris Busse, Promotion Manager im Bereich Large Drives der Siemens AG aus Nürnberg und Wolf Heiser, Senior Account Manager für den Industry Sector der Siemens AG aus Frankfurt beleuchteten in ihrem Tandem-Vortrag aktuelle gesetzliche Änderungen und Energieeffizienzpotenziale für Antriebslösungen in der Prozessindustrie. Typischerweise erzeugt ein 7,5 kW Elektromotor Stromkosten von 8000 € pro Jahr. Laut Wolf Heiser sind „Energieeinsparungen von bis zu 70% pro Antrieb durch eine elektronische Drehzahlregelung von teillastbetriebenen Maschinen möglich". Weitere Energieeinsparungen werden automatisch durch neue Gesetze in der Europäischen Union folgen. Denn es wurden nicht nur neue Effizienzklassen für Asynchronmotoren in der Wirkungsgradnorm IEC 60034-30 definiert, sondern die zukünftigen Möglichkeiten des Vertriebs für Motoren aus schlechteren Effizienzklassen eingeschränkt. Diese, ab dem 16.6.2011 verpflichtenden, Regelungen sind im Detail nachzulesen unter: www.siemens.de/international-efficiency.

Elektroindustrie vereint mit Energie-Intelligenz Klimaschutz und Wirtschaftlichkeit

Dr. Peter Thelen, Geschäftsführer der ZVEI Landesstelle Bayern, belegte an Hand aktueller Wirtschaftsdaten, dass sich bei all diesen innovativen Lösungen zur Verbesserung der Energieeffizienz „Ökologie und Ökonomie nicht widersprechen müssen", denn die Elektroindustrie vereint mit Energie-Intelligenz Klimaschutz und Wirtschaftlichkeit. Energie-Intelligenz bezieht sich nach seinen Ausführungen sowohl auf Geräte in den Bereichen Beleuchtung, Kühltechnik oder elektrische Antriebe, auf Steuerungstechnologie in der Prozessautomatisierung und auf die Auslagerung energetischer Versorgungsaufgaben an einen spezialisierten externen Dienstleister. Mit einem Einsparpotenzial von mehr als 100 Milliarden Kilowattstunden allein in Deutschland tragen intelligente Lösungen aus diesen Bereichen der Elektronik nachvollziehbar zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Senkung der Energiekosten in Unternehmen bei.

Die vorgestellten Best-Practice Beispiele machen deutlich: Innovationen in Energieeffizienz für Produktionsprozesse rechnen sich und können zu Wettbewerbsvorteilen führen, was auch in den Diskussionen mehrfach betont wurde.

Jürgen Frickinger, Projektleiter BAIKEM bei der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg, fasste abschließend die Kernaussagen des Forums zusammen und gab einen Ausblick auf anstehende Kongresse und Foren des Jahres 2011 bis hin zum nächsten Kooperationsforum „Energieeffizienz 2011". Bayern Innovativ greift hier gerne die Anregung von Dr. Peter Thelen auf, der betonte „die Lösungen für Energieeffizienz sind da, die Überzeugung für die Umsetzung muss aber noch geleistet werden".