Energieeffizienz: Energiefresser entlarven 

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Wollen Unternehmen wettbewerbsfähig bleiben, müssen sie ihre Produktion effizient auslegen – auch, was den Energie- und Ressourcenverbrauch angeht. Wo die Stellschrauben sind, an denen sich zu drehen lohnt, analysieren Forscher am Fraunhofer IFF. von Marc Kujath

Wollen Unternehmen wettbewerbsfähig bleiben, müssen sie ihre Produktion effizient auslegen – auch, was den Energie- und Ressourcenverbrauch angeht. Wo die Stellschrauben sind, an denen sich zu drehen lohnt, analysieren Forscher am Fraunhofer IFF. von Marc Kujath

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Die Zeiten sind nicht sonderlich rosig für Betriebe und Unternehmen: Billigprodukte aus Asien drängen auf den Markt und erhöhen den Preisdruck für heimische Firmen. Steigende Energie- und Wasserpreise tun ihr Übriges, um die Situation zu verschärfen – sie gehören mittlerweile zu den größten Preistreibern in der deutschen Industrie.
Für die Unternehmen heißt das: Wenn sie weiterhin wettbewerbsfähig sein wollen, müssen sie ihre Produktion so effizient wie möglich auslegen, also die Ressourcen bestmöglich einsetzen. Eine solche Energieeffizienz bringt gleich zwei Vorteile mit sich: zum einen niedrigere Betriebskosten, zum anderen (Teil-)Befreiungen von der Umlage für den Ausbau der erneuerbaren Energien (EEG).
Können Unternehmen nachweisen, dass sie den Energieverbrauch drosseln und damit der ISO 50001 genügen, sinkt die Umlage – gestaffelt nach dem Gesamtverbrauch elektrischer Energie – von hundert Prozent auf einen Bruchteil (kleiner 10 Prozent) des sonst fälligen Betrages in Höhe von 6,24 Cent je Kilowattstunde.

Fahrplan zur Effizienz

Wie eine solche energieoptimierte Produktion für die jeweiligen Betriebe aussehen kann und welche Lösungen helfen – das untersuchen Wissenschaftler im Fraunhofer-Innovationscluster ER-WIN, kurz für „Intelligente, energie- und ressourceneffiziente regionale Wertschöpfungsketten in der Industrie“.
Unter Federführung des Fraunhofer IFF arbeiten zahlreiche Entwicklungs- und Wirtschaftspartner Hand in Hand und bieten produzierenden Unternehmen entsprechende Hilfestellungen an.

Fragen stellen

Bei der Zielstellung, Energie effektiv einzusparen, sehen sich Betriebe und Unternehmen zahlreichen Fragen gegenüber: Welche Maschinen sind meine „Energiefresser“? Wie lässt sich aufwandsarm geeignete Messtechnik installieren? Wie soll die dann entstehende Datenflut (Big Data) geeignet ausgewertet und aufgearbeitet werden, um daraus verlässliche Aussagen und Entscheidungen ableiten zu können? An welchen Anlagen sind technologische Verbesserungen sinnvoll und welche Möglichkeiten gibt es, überflüssige Reststoffe und Energie zu verwerten? Und nicht zuletzt: Wie energieflexibel muss ein Unternehmen sein, um die Produktion besser den Schwankungen der Energieverfügbarkeit und -preise anzupassen? Welchen Nutzen kann es daraus ziehen? So kann es beispielsweise rentabel sein, energieintensive Maschinen vor allem dann laufen zu lassen, wenn der Strom günstig ist – also beispielsweise nachts oder in Abhängigkeit vom dynamischen Preis der Leipziger Strombörse.
Dass diese Zielstellung nicht ganz trivial ist, zeigen die Bemühungen der Forscher, die verschiedenen Rahmenbedingungen in einem mathematischen Modell abzubilden und zu optimieren. Denn die Prozesssicherheit der Produktion oder hohe Nachtzuschläge für das Personal wirken gegebenenfalls kontraproduktiv oder gelten als K.o.-Kriterien.

Praxisbeispiel

Diese und ähnliche Fragen stellten sich auch die Mitarbeiter der MTU Reman Technologies GmbH. In dem Technologiezentrum für die Aufarbeitung von Diesel- und Gasmotoren und -systemen der Marken MTU und MTU Onsite Energie werden Verfahren und Prozesse zur Aufarbeitung von Komponenten und Motoren entwickelt. In dem Prozess, der als Remanufacturing bezeichnet wird, werden die gebrauchten Motoren der Kunden zurückgenommen und nach standardisierten Verfahren demontiert, wiederaufgearbeitet und fit gemacht für ein weiteres Motorenleben. Das bietet den Kunden kostengünstige Alternativen und schont zudem wertvolle Ressourcen.
Die MTU Reman Technologies GmbH ist dabei ein Vorreiter, wenn es um energieeffiziente und CO2-reduzierte Produktion geht. „Wir wollten gerne ein Screening machen, das uns aufzeigt, wo die meiste Energie verbraucht wird“, berichtet Martin Altrock, der sich bei der MTU Reman Technologies als Instandhaltungs- und Energiemanager um die Energieeffizienz kümmert. „Mit Hilfe der Analyse wollten wir überprüfen, ob wir auf dem richtigen Weg sind – oder ob es noch Senken gibt, die wir gar nicht im Blick haben. Unter anderem hatten wir geplant, Zähler zu installieren, waren uns jedoch nicht sicher, wo wir diese am besten anbringen.“

Energiefresser finden

Doch womit fangen die Forscher des Fraunhofer IFF an, wenn sie einen großen Betrieb wie die MTU Reman Technologies GmbH auf „Energiefresser“ durchforsten? Nach einer grundlegenden Bestandsaufnahme untersuchten sie in einem ersten Schritt, welche der Anlagen wie viel Strom verbrauchen.
Ausgerüstet mit mobilen Messgeräten gingen die Wissenschaftler in die Produktionshallen und nahmen etwa 30 bis 40 Maschinen genauer unter die Lupe und clusterten 10 bis 12 Maschinengruppen. Als Ergebnis bekamen sie einen zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs: Aus diesem Lastgang konnten sie ablesen, wie lange die Maschinen unter welcher Leistung laufen, wann sie umgerüstet werden – also einen Werkzeug- oder Werkstückwechsel erfahren – und wie diese Rüstzeiten beim Stromverbrauch ins Gewicht fallen.
Aus den Informationen erstellen die Forscher ein Energieportfolio. Benötigt eine Maschine beispielsweise viel Strom und läuft sie lange, handelt es sich um eine kritische Anlage. Ist eine solche Anlage dagegen nur geringe Zeit in Betrieb, fällt der Stromverbrauch trotz hoher Leistung nicht so stark ins Gewicht. Vertiefende Untersuchungen versprechen dann weniger Potenzial für Verbesserungen.
Bei der MTU Reman Technologies GmbH entlarvten die Wissenschaftler einige Großwäschen als besondere Energiefresser: Sie werden mit elektrischem Strom beheizt, um sich in der Wachstums­phase des Unternehmens die notwendige Flexibilität für sich ändernde Layouts zu erhalten. Ein weiterer Knackpunkt: An vielen Maschinen wird Druckluft verwendet, sei es als Treibmittel, zur Versorgung der Werkzeuge oder zum großflächigen Sandstrahlen der Reman-Komponenten. Druckluft allerdings gilt wegen der kaum vermeidbaren Leckagen im Versorgungssystem jedoch als teuerste Energieform.
Die generelle Reduktion des Verbrauchs verspricht deshalb neben der Steigerung des nutzbaren Anteils (üblich sind etwa 10 bis 15 Prozent) und der Abstimmung der Kompressoren-Betriebsweisen erhebliches Potenzial zur Effizienzsteigerung. In Summe zeigte sich Martin Altrock von diesen Ergebnissen überrascht: „Zwar hatten wir die Drucklufterzeugung bereits im Fokus und die Kompressoren als größtes Übel identifiziert, den Anteil im Vergleich zu den eigentlichen Produktionsmaschinen allerdings so nicht erwartet.“ Die Hauptverbraucher im Produktionsprozess, die die Wissenschaftler vom IFF identifiziert haben, hatte das Unternehmen in diesem Ausmaß ebenso nicht im Fokus. Das Augenmerk lag eher auf den großen Verarbeitungszentren, die allerdings gar nicht per se zu den großen Energieverbrauchern zählen.
„Die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFF hat unsere Sichtweise geschärft und die Bewertungsgrundlage für unsere nächsten Schritte gelegt“, kommentiert Altrock.

Bauteil nicht gleich Bauteil

Doch nicht nur der „klassische Blick“ auf die Maschinen bietet viel Potenzial, wenn es um das Energiesparen geht. Auch bei den einzelnen Bauteilen des aufzubereitenden Motors lohnt sich eine genaue Analyse. Die Forscher bezeichnen diesen Fokus als „energetische Produktdifferenzierung“. Die teilweise bis zu mehr als 1.000 Komponenten, aus denen der Motor besteht, werden bei MTU Reman gereinigt und aufgearbeitet, um dann – quasi wie neu – ihre Aufgabe wieder zu übernehmen. Soll die Energie, die dabei verbraucht wird, reduziert werden, ist es sinnvoll, die einzelnen Prozessschritte getrennt voneinander zu betrachten und ihre Performance zu bewerten. Denn die Unterschiede sind groß: Während die meisten Bauteile sich recht energieschonend aufbereiten lassen, sind andere wahre „Vielfraße“. Bekannt war, dass beispielsweise die Aufarbeitung von Kurbelgehäusen und -wellen, Ölwannen und Zylinderköpfen energieintensiv ist. Doch dass diese ressourcenintensiven Bauteile gut 70 Prozent des Stromverbrauchs im Prozess ausmachen, überraschte die Beteiligten. Aufgrund des qualitätssteigernden Ultraschallreinigens des Ladeluftkühlers folgt dieses Bauteil mit weiteren, stolzen 10 Prozent am Gesamtverbrauch. Die übrigen Teile des Motors verbrauchen die restlichen Prozente der elektrischen Energie. Ein Bruchteil, der im ersten Schritt vernachlässigt werden kann.
Analysieren die Forscher die Bauteile hinsichtlich ihres Energieverbrauchs, sprechen sie von einer energetischen ABC-Analyse, die durch die Zusammenführung von Energiemesswerten und Produktionsprogramm ermöglicht wird.
Weitere Elemente im ER-WIN-Methoden- und Werkzeugkasten sind Lastganganalysen, Sankey-Diagramme und Wertstromanalysen, die allesamt zum Einsatz kamen, da auf Basis des einzig vorliegenden Gesamtenergiebezugs (Energieabrechnung) eine komplexe Verbrauchsstruktur der Fabrik zugeordnet werden musste. Für die MTU Reman Technologies GmbH lässt sich zusammenfassen, dass 45 Prozent des Stromverbrauchs in die Produktion fließen, 25 Prozent in die anschließende, umfangreiche Prüfung des frischmontierten Motors und die restlichen 30 Prozent in die Infrastruktur, also Gebäude, Beleuchtung und Büros.

Maßnahmen ableiten

Mit den Ergebnissen der Methode erarbeiten die Forscher eine Reihe Handlungsempfehlungen: Wie könnte man die energieintensiven Bauteile effizienter aufarbeiten? Bieten sich die ermittelten Prozess- und Lastparameter als spätere Qualitätsindikatoren an? Wie kann man mit festinstallierter Messtechnik künftig verlässliche Daten für einen Verbesserungs-Benchmark erfassen? Ist die Prozesskette der Wiederaufarbeitung hinreichend energieeffizient gestaltet oder gibt es stille Reserven im Ablauf?
Auch bei den Maschinen sind Ansatzpunkte ersichtlich: Wie lässt sich beispielsweise ihre Auslastung erhöhen? Lassen sich Aggregate und Versorgungskomponenten mitunter in Ruhezeiten über intelligente Logiken der speicherprogrammierbaren Steuerungstechnik (SPS) bedarfsgerecht zu- und abschalten? Wie können ebendiese Rüstzeiten verkürzt beziehungsweise gar in Gänze verhindert werden? Denn obwohl die Maschinen in den Rüstzeiten nicht im eigentlichen Sinne genutzt werden, benötigen sie womöglich ähnlich viel Energie wie im laufenden Betrieb.
An den komplexen Bearbeitungszentren der Produktion wurde dieser Fall beispielsweise diagnostiziert. Doch im Zweifel begründet das lange und aufwändige Rüsten außerdem erhöhte Durchlaufzeiten, weshalb die Magdeburger Wissenschaftler mit logistischem Schwerpunkt hier Reserven in der Gesamtleistung der Fabrik sehen. Denn lange Durchlaufzeiten und erhöhte Bestände bedeuten nicht zuletzt gebundenes Kapital. So versprechen weitere Detailstudien der identifizierten energetischen Schwerpunkte im Prozess Verbesserungen organisatorischer Natur, die weitreichende und teure Investitionen erübrigen.
„Wir sind sehr zufrieden – und überrascht, wie detailliert und übersichtlich das Ganze aufgearbeitet wurde. Mit dieser Analyse können wir Maßnahmen punktgenau ableiten“, erläutert Altrock. „Über die Zusammenarbeit hat sich zudem herauskristallisiert, dass wir mit den Ergebnissen den Großteil der Anforderungen der ISO-50001-Zertifizierung nachweisen können.“ Die Studie des Fraunhofer IFF gab Sicherheit im erfolgreich absolvierten Auditierungs- und Zertifizierungsprozess und hat nicht zuletzt den unternehmensinternen Aufwand begrenzt.jbi

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marc Kujath ist wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg.

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