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Energiefresser entlarven

Verbrauchsanalyse

Energiefresser entlarven

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.

Bild: Dirk Mahler / Fraunhofer IFF

Die Zeiten sind nicht sonderlich rosig für viele hiesige Betriebe und Unternehmen: Billigprodukte aus Asien kommen auf den Markt und erhöhen den Preisdruck für deutsche Produzenten. Steigende Energie- und Wasserpreise tun ihr Übriges, um die Situation zu verschärfen – sie gehören mittlerweile zu den größten Preistreibern in der 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 mögliche Befreiungen von der Umlage für den Ausbau der Erneuerbaren Energien. Können Unternehmen nachweisen, dass sie den Energieverbrauch drosseln und damit den Anforderungen nach ISO 50001 entsprechen, sinkt die Umlage – gestaffelt nach dem Gesamtverbrauch elektrischer Energie – auf einen Bruchteil des sonst fälligen Betrages.

Optimieren, aber wie?

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. Denn bei der Zielstellung, Energie effektiv einzusparen, sehen sich Betriebe und Unternehmen zahlreichen Fragen gegenüber: Welche Maschinen sind die ‚Energiefresser‘? Wie lässt sich aufwandsarm geeignete Messtechnik installieren? Wie soll die dann entstehende Datenflut ausgewertet und aufgearbeitet werden, um daraus richtige 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 den Energiepreisen anzupassen?

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 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.

Aufarbeitung von Motoren

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. „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.“

Bei der MTU Reman Technologies GmbH werden die bis zu mehr als 1.000 Komponenten, aus denen ein Motor besteht, gereinigt und aufgearbeitet, um dann ihre Aufgabe für ein weiteres Motorenleben zu übernehmen. Bild: Dirk Mahler / Fraunhofer IFF

40 Maschinen untersucht

Auf der Suche nach den ‚Energiefressern‘ begannen die Forscher des Fraunhofer IFF nach einer grundlegenden Bestandsaufnahme mit der Evaluierung, welche der Anlagen wie viel Strom verbrauchen. Ausgerüstet mit mobilen Messgeräten gingen die Wissenschaftler in die Produktionshallen und nahmen 30 bis 40 Maschinen unter die Lupe und clusterten zehn 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 und wie diese Rüstzeiten beim Stromverbrauch ins Gewicht fallen. Aus den Informationen erstellten 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.

Im beschriebenen Fall entlarvten die Wissenschaftler einige Großwäschen als besondere Energiefresser: Sie werden mit elektrischem Strom beheizt und wurden angeschafft, weil sich das Unternehmen in der Wachstumsphase die notwendige Flexibilität für sich ändernde Layouts verschaffen wollte. 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 aufgrund der kaum vermeidbaren Leckagen im Versorgungssystem als teuerste Energieform. Die generelle Reduktion des Verbrauchs verspricht deshalb neben der Steigerung des nutzbaren Anteils – üblich sind zehn 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 hatten wir nicht im Fokus. Unser Augenmerk lag eher auf den großen Verarbeitungszentren, die allerdings gar nicht zu den großen Energieverbrauchern per se zählen.“

Bauteil ist 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 lohnte sich eine genaue Analyse häufig. Die Forscher bezeichnen diesen Fokus als ‚Energetische Produktdifferenzierung‘. Die teilweise bis zu mehr als 1.000 Komponenten, aus denen der Motor besteht, werden in dem Unternehmen gereinigt und aufgearbeitet, um dann ihre Aufgabe für ein weiteres Motorenleben 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‘. Erwartet energieintensiv fallen Kurbelgehäuse und -welle, Ölwanne und Zylinderköpfe ins Gewicht. Doch das diese ressourcenintensiven Bauteile gut 70 Prozent des Stromverbrauchs im Prozess ausmachen, war so nicht erwartet worden. Aufgrund des qualitätssteigernden Ultraschallreinigens des Ladeluftkühler folgt dieses Bauteil mit weiteren zehn Prozent am Gesamtverbrauch. Die übrigen Teile des Motors verbrauchen die restlichen Prozente der elektrischen Energie, ein Bruchteil, der im ersten Schritt vernachlässigt werden kann.

Ausgerüstet mit mobilen Messgeräten nahmen die Fraunhofer Wissenschaftler 30 bis 40 Maschinen genauer unter die Lupe. Als Ergebnis bekamen sie einen zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs. So entstand ein Energieportfolio. Bild: Dirk Mahler / Fraunhofer IFF

Energetische ABC-Analyse

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 des ER-WIN-Methoden- und Werkzeugkastens sind Lastganganalysen, Sankey-Diagramme und Wertstromanalysen, die allesamt zum Einsatz kamen, da auf Basis des einzig vorliegenden Gesamtenergiebezugs eine komplexe Verbrauchsstruktur der Fabrik zugeordnet werden musste.

Beim untersuchten Unternehmen lässt sich zusammenfassen, dass 45 Prozent des Stromverbrauchs in die Produktion gehen, 25 Prozent die anschließende, umfangreiche Prüfung des frischmontierten Motors benötigt und die restlichen 30 Prozent in die Infrastruktur fließen, also Gebäude, Beleuchtung und Büros. Mit den Ergebnissen der Methodik erarbeiteten 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 zukünftig verlässliche Daten für ein 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 bedarfsgerecht zu- und abschalten? Wie können ebendiese Rüstzeiten verkürzt beziehungsweise komplett 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. Im Zweifel begründet das lange und aufwendige Rüsten außerdem erhöhte Durchlaufzeiten, weshalb die Magdeburger Wissenschaftler 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 Martin Altrock. „Über die Zusammenarbeit hat sich zudem herauskristallisiert, dass wir mit den Ergebnissen den Großteil der Anforderungen der ISO-50001-Zertifizierung nachweisen können.“ Mit Erfolg: Die Studie gab Sicherheit im erfolgreich absolvierten Auditierungs- und Zertifizierungsprozess und hat nicht zuletzt den unternehmensinternen Aufwand begrenzt.