Der energieoptimierte Betrieb -

Einsparpotenziale im produzierenden Gewerbe

IHK Koblenz

Energieeffizienz im produzierenden Unternehmen

29. November 2005

Dr.-Ing. Harald Bradke

75

80

85

90

95

100

105

110

115

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

1991

=10

0

Total finalIndustryTransportResidential-Tertiary

Energy Efficiency Index, Germany

- 18 %

- 18 %

- 44 %

+/- 0 %

0,320,340,34

0,350,350,34

0,370,360,38

0,380,380,39

0,270,270,28

0,270,28

0,300,310,31

0,320,320,33

0,250,260,26

0,260,260,25

0,26 0,26 0,26

0,28

0,050,060,060,060,070,080,080,080,070,080,080,09

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

1991 1993 1995 1997 1999 2001

toe / t Crude steelPulp, paperGlassCement

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

51 befragte Betriebe aus der Gießereiindustrie

Ene

rgie

kost

en-U

msa

tzza

hl (

%)

Betriebswerte

Mittelwert

Mittelwert der Besten

Energieeffizienz-Potenziale von 20 Betrieben, binnen vier Jahren realisierbar Beispiel Hohenlohe im Jahre 2003

Folie 7Pla

tzh

alt

er

für

Date

inam

en

Energiespar-Potenzial der Betriebsstätten im Modell Hohenlohe

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

kurzfristiges Potenzial mittelfristiges Potenzial

Energiespar-Potenzial in % des Verbrauchs mittlere Potenziale in drei Energieintensitätsgruppen

Betriebe mit geringer Energieintensität

Betriebe mit hoher Energieintensität

Betriebe mit mittlerer Energieintensität

Hauptursachen für unnötig hohen Energieverbrauch in den Betrieben

Energieverbrauch

schlechte Betriebsführung

schlechte Auslastung oder Dimensionierungmangelhafte Planung, veraltete Technikwirtschaftlich in bestehendem Werk

wirtschaftlich möglich auf der grünen Wiese

Einsparmöglichkeiten bei Antrieben

MaßnahmenEinspar-potenzial

Systeminstallation oder Erneuerungenergieeffiziente Motoren (EEM) 2-8 %korrekte Dimensionierung 1-3 %energieeffiziente Motorreparatur 0,5-2%Antriebe mit veränderlicher Drehzahl 10-50 %Getriebe/Untersetzungsgetriebe hoher Effizienz 2-10 %Qualität der Stromversorgung 0,5-3 %Systembetrieb und WartungSchmierung, Einstellung und Feinabstimmung 1-5 %

Verbesserter Wirkungsgrad bei hocheffizienten Motoren

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

1,1 kW 5,5 kW 11 kW 90 kW

Energieeffiziente Motoren

Standardmotoren

+ 8,7%+ 8,7%

+ 1,2%+ 1,2%

Kostenein-sparung

11 kW 69 €/a 90 kW 266 €/a

Je kleiner die Leistung, desto schlechter der Wirkungsgrad

und desto größer die Einsparpotentiale

Absolut können auch kleine Verbesserungen bei größeren Leistungen zu beachtenswerten Einsparungen führen

81%

14%5%

Energiekosten

Investitionskosten

Wartungskosten

Lebenszykluskosten von motorisch betriebenen Systemen

Beispiel Druckluftkompressor

Leistung 110 kW

Lebensdauer 15 a

Betriebsstunden 4000 h/a

Energiepreis 6 ct/kWh

Viele Maßnahmen sind hochrentabel, weil die Energiekosten 80 bis 95 % der Lebenszykluskosten ausmachen.

Kosteneinsparpotential (Beispiel: 45 kW Motor)

Betriebsstunden [h/a] 2000 4000 8000 Jährliche Energiekosten [EURO]

4451 8901 17802 Standard Motor Mittlerer Wirkungsgrad: 91% Preis: 1350 Euro Jährliche Energiekosten /

Preis 3,3 6,6 13,2

Jährliche Energiekosten [EURO]

4309 8617 17234 Hoch Effizienz Motor, HEM Mittlerer Wirkungsgrad: 94% Preis: 1690 Euro Jährliche Energiekosten /

Preis 2,5 5,0 10,0

Preisdifferenz 340 Euro (ca. 25 %) Differenz der jährlichen Energiekosten 142 284 568 Einfache Amortisationszeit (HEM vs. Standard) 2,4 1,2 0,6

Energieeinsparmaßnahme Anwend-

barkeit %

Effizienz-

gewinn (%)

Gesamt-

Potenzial

(%)

Neuanlagen oder Ersatzinvestitionen

Verbesserte Antriebe (hocheffiziente Motoren, HEM) 25 2 0,5

Verbesserte Antriebe (drehzahlvariable Antriebe, ASD) 25 15 3,8

Technische Optimierung des Kompressors 30 7 2,1

Einsatz effizienter und übergeordneter Steuerungen 20 12 2.4

Wärmerückgewinnung für Nutzung in anderen Funktionen 20 20 4,0

Verbesserte Druckluftaufbereitung,

Kühlung, Trocknung, Filterung10 5 0,5

Gesamtanlagenauslegung inkl. Mehrdruckanlagen 50 9 4,5

Verminderung der Druckverluste im Verteilsystem 50 3 1,5

Optimierung von Druckluftgeräten 5 40 2,0

Anlagenbetrieb und Instandhaltung

Verminderung der Leckageverluste 80 20 16,0

Häufigerer Filterwechsel 40 2 0,8

Summe 32,9

Beispiel Druckluft: Mehr als 30% Effizienz zu interner Verzinsung von 30-40%

Folie 13Pla

tzh

alt

er

für

Date

inam

en

Leckageverluste

Luftverlust

(bei 6 bar)

mm l/s kW EURO1

1 1,2 0,3 268

3 11,1 3,1 2.777

5 30,9 8,3 7.435

10 123,8 33,0 29.561

Lochdurch-

messerEnergieverlust

1) Annahme:8760 h/a, Strompreis: 0,10 cent/kWh

Im letzten Drittel derDruckluftverteilung

entstehen die meistenLeckagen

Leckagen erkennen durch - Geräuschentwicklung - Leckspray - Ultraschall

Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Einsparpotential

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000 100000

Stromverbrauch für die Drucklufterzeugung [MWh/a]

Erm

itte

ltes E

insp

arp

ote

nti

al

Quelle: Fraunhofer ISI, Karlsruhe, November 2003

Energieverschwendung bei PumpenF

örd

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Dru

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Volumenstrom

Arbeitskennlinie Drosselung

Effizienz

Leistung

Eff

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nz

Lei

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ruck

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g

Volumenstrom

Arbeitskennlinie Drosselung

Effizienz

Leistung

Eff

izie

nz

Lei

stu

ng

Pumpen arbeiten häufig abseits des Bestpunktes aufgrund

Überdimensionierung bei der Auslegung Änderungen gegenüber

Auslegungsbedingungen Variation im Förderstrom Deutlich Abnahme der Effizienz

Alterung:

Verschlechterung der Effizienz um 10 bis 15 % bei schlechter Wartung

Pumpensysteme – mehr als nur eine Pumpe

Standardmo to rEffi zienz = 90%

A nsch lussEffi zienz = 98%

Dro sselEffi zienz = 66% Ro hrnetz

Effi zienz = 69%

Energie-Input 100

Energie-Input 43

drehzah lvariab ler A ntriebEffi zienz = 96%

hocheffi zienter M o to rEffi zienz = 95%

A nsch lussEffi zienz = 99%

PumpeEffi zienz = 77%

verbesserte PumpeEffi zienz = 88%

Ro hrnetz m itgeringerer Reibung

Effi zienz = 90%

Energie-O utput 31

Energie-O utput 31

Ko nventio nelles Pum pensystemG esam teffi zienz = 31%

Energieeffi zientes Pum pensystemG esam teffi zienz = 72%

Einsparmöglichkeiten bei Pumpensystemen

Maßnahme Energie-einspar-

potential Sys-tem (EEP)i

Marktdurch-dringung

(MDD)i

Wirkungsgrad-faktor

(1 - EEP*MDD)i

Drehzahlregelung 70 % 20 % 86,0 %

Betriebszeiten 10 % 15 % 98,5 %

HEM 4 % 40 % 98,4 %

Systemauslegung 15 % 4 % 99,4 %

Reduzierte Druckverlus-te im Leitungssystem

8 % 15 % 98,8 %

Energie Einsparpotential 18,1 %

Maßnahme Einsparpotential

[%-Punkte]

Reduzierung Oberflächenrauhigkeiten 10 %

Reduzierung interner Leckströme (Spaltverluste) 6 %

Geometrieoptimierung von Laufrädern 3%

Pumpe

Pumpensystem

Einsparmöglichkeiten und Zusatzkosten bei Ventilatoren

Ventilatoren Typ Einsparpotenzial [%] Zusatzkosten [%]

Propeller- oder Schraubenlüfter 15-20 2-12

Axial-Rohrventilator 2-10 4-10

Strahlventilatoren 4-8 5-7

Radial Ventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln

5-15 7-10

Radial Ventilatoren mit geraden Schaufeln 10 6-10

Radial Ventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln

2-5 8-12

Sonstige Ventilatoren 5-10 8-10

Energieeinsparung in Ventilatorensystemen

Quelle: LfU, Stuttgart, 2002

Einsparmöglichkeiten bei VentilatorsystemenMaßnahme Energieeinspar-

potential Sys-tem (EEP)i

Marktdurch-dringung

(MDD)i

Wirkungsgrad-faktor

(1 - EEP*MDD)i Regelungssystem und Nachfragesteuerung 30 % 20 % 94,0 %

Hocheffizienzmotoren (HEM) 5 % 20 % 99,0 %

Richtige Motor Dimensionierung 15 % 5 % 99,3 %

Optimierte Kraftübertragung 8 % 60 % 95,2 %

Optimierte Kanäle 15 % 30 % 95,5 %

Sonstige Maßnahmen 12 % 15 % 98,2 %

Energie Einsparpotential 17,5 %

SEC (GJ/t) as a function of production (company: 36921-0004): Cement

0

1

2

3

4

5

6

0 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 700.000

Monthly production in tonnes

SE

C in

GJ

/t

monthly SEC, (GJ/t)

Linear (monthly SEC, (GJ/t))

SEC (GJ/t) as a function of production (company: 36921-0004): Cement

0

1

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0 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 700.000

Monthly production in tonnes

SE

C in

GJ

/t

monthly SEC, (GJ/t)

Linear (monthly SEC, (GJ/t))

Capacity use and SECCement company in Thailand

Capacity use and SECCement company in Thailand

2

76-95

45

67-84

60

0,1 0,3

53-66

1014 18

0

20

40

60

80

100

120

Ölla

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lam

pe (

1880

)

Gas

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(189

0)

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lam

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50 W

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(19

36)

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licht

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[Im

/W]

1 A

1 B

2 B, 3

Farbwieder-gabestufe:

Leuchtstofflampen 58 W, Stabform

Gerastert: Verbesserung durchelektronisches Vorschaltgerät

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

E-B

edar

f L

üft

un

g B

üro

Mögliche Energie-Einsparung im Jahr 2000:

40 bis 60 Millionen Fr.

pro Jahr, falls in der Schweiz ab sofort nach RAVEL-Standard saniert

wird.

SIA-Zielwert

Energieverbrauch

in MJ/m2 a

Art der NebenanlageEffizienz-potential

InterneVerzinsung

11 MW Luftverdichterstation 30 % 20 %

25 MW Wärme- und Dampferzeugung 35 % 25 %

4 MW Wärmerückgewinnung zur Vorerwär-mung von Glasrohstoffen und Altglas

40 % 18 %

90 kW Wasser-Zirkulationspumpen 25-35 % 20 %

75 kW Beleuchtung eines Lagers und einerProduktionshalle

20-30 % 15 %

100 kW Luftverdichteranlage (Ventile undSteuerung durch das Bedienpersonal)

25 % 20 %

1 MW Abwärmenutzung von Kunststoffher-stellungsmaschinen

40 % 18 %

1) einschließlich Planungskosten

Interne Verzinsung von Energieeinsparinvestitionen als Funktion vonAmortisationszeit und Lebensdauer

geforderte Amorti- Interne Verzinsung in % pro Jahr1)

Sationszeiten Anlagennutzungsdauer (Jahre)

Jahre 3 4 5 6 7 10 12 15

2 24% 35% 41% 45% 47% 49% 49,5% 50%

3 0% 13% 20% 25% 27% 31% 32% 33%

4 0% 8% 13% 17% 22% 23% 24%

5 0% 6% 10% 16% 17% 18,5%

6 unrentabel 0% 4% 10,5% 12,5% 14,5%

8 4,5% 7% 9%1) unterstellt wird eine kontinuierliche Energieeinsparung über die gesamte

Anlagennutzungsdauer

abgeschnittene rentable Investitionsmöglichkeiten

Productivity Benefits of Real Projects

Measured results of energy efficiency projects found many that have productivity benefits

Average Simple Payback Period

4.2

1.9

0

1

2

3

4

5

Excluding Including

Productivity Benefits

Pa

yb

ac

k P

eri

od

(y

ea

rs)

n = 52CADDET Database

118

130

150

4,2%

5,0%

6,0%

40

60

80

100

120

140

160

im Umweltschutz passiveBetriebe(n=513)

im Umweltschutz aktiveBetriebe(n=341)

Betriebe mit Umweltaudit

(n=84)

Wert

schöpfu

ng je M

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in T

DM

(Media

n)

3,0%

4,0%

5,0%

6,0%

Um

satz

rendit

e (M

edia

n)

Wertschöpfung je Mitarbeiter Umsatzrendite

Erhebung Innovationen in der Produktion 1999

Performance der Betriebe und Umwelt-schutzaktivitäten

Primärenergie-Einsparung durch

Recycling

Aluminium: rund 90 %

Stahl: rund 75 %

Papier: rund 40 %

Glas: rund 20 %

Folie 30Pla

tzh

alt

er

für

Date

inam

en

The weight of bottles

has been reduced by 45 %

during the last 40 years.

a further reduction by 30 %

is envisaged by manufacturing

ultra light polyethylene coated

bottles.

envi

ron

men

tal a

dva

nta

ge

presentsituation

rethink

redesign

refine, IPPC,Ecoefficiency

time

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Harald.Bradke@isi.fraunhofer.de