Die deutsche Industrie könnte ein Viertel ihres Energieverbrauchs sparen, wenn sie vorhandene Effizienztechnologien konsequent anwenden würde. Während bei den Industriemanagern das Umdenken beginnt, arbeiten Wissenschaftler schon an der Vision von der ressourceneffizienten Fabrik. 12/2009



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Es sind unscheinbare Kästen, die in den Dachgeschossen der Fertigungshallen von Volkswagen Sachsen an riesigen Blechcontainern hängen. Unscheinbare Kästen mit einem großen Energiespar-Effekt: In ihnen arbeiten Frequenzumrichter, die dafür sorgen, dass die Motoren der Be- und Entlüftungtechnik in den Containern mit einer optimalen Drehzahl arbeiten. „Wir sparen dadurch im ganzen Werk 13 Millionen Kilowattstunden pro Jahr“, berichtet Horst Döhler, Leiter der Abteilung Werktechnik im Zwickauer VW-Werk. „Das entspricht 7.000 Tonnen CO2.“ Die Investition für die Frequenzumrichter war nach nicht einmal einem Jahr durch eingesparte Stromkosten wieder verdient. Das ist so überzeugend, dass ein anderes europäisches VW-Werk diese Lösung inzwischen übernehmen will. Erleichtert wird dies dadurch, dass die Werke des Konzerns in Europa nach einheitlichen Standards ausgerüstet sind. Und durch einen regelmäßigen Informationsaustausch: Im Konzern-Arbeitskreis Energie, den Döhler leitet, ist Energieeffizienz zu einem Hauptthema geworden.


Wenn VW bisher Gebäude- und Fertigungstechnik für seine Werke einkaufte, achtete der Autobauer vor allem auf Funktionalität, Produktivität und Investitionskosten. Dann konnten die Werktechniker daran arbeiten, die einmal installierte Technik für einen möglichst energieeffizienten Betrieb zu optimieren. Künftig will VW einen Schritt weiter gehen: „Wir nehmen Einfluss auf den Energieverbrauch der Maschinen und Anlagen, die für uns gebaut werden“, erklärt der Zwickauer Planungsleiter Reiner Tunger. „Die Energieeffizienz wird zu einem Wettbewerbsfaktor bei der Auswahl unserer Lieferanten.“ Sein besonderes Interesse gilt Maschinen mit vernetzter Messtechnik, mit der sich der aktuelle Energieverbrauch zentral verfolgen und auswerten lässt.

 

Tunger hält eine solche Umstellung aus Kostengründen nur für möglich, wenn sie schrittweise erfolgt. Vorerst sieht er noch keinen Anlass, neue Maschinen und Anlagen für das Zwickauer VW-Werk zu bestellen, wo die VW-Modelle Golf und Passat gebaut werden. Die für das kommende Jahr geplante Umrüstung vorhandener Fertigungsanlagen kann der hauseigene Werkzeugbau aus eigener Kraft bewältigen. Döhler rechnet immerhin damit, dass dann mehrere Elektromotoren gegen neue, effizientere Aggregate getauscht werden. Dafür gibt es seit 2008 einen europaweiten Konzernstandard: Elektromotoren, die in neue Anlagen eingebaut oder bei der Instandhaltung ausgetauscht werden, müssen der Effizienzklasse I entsprechen. Der höhere Preis gegenüber herkömmlichen Motoren rentiert sich bereits nach 1,3 Jahren durch den geringeren Stromverbrauch. Neue und umgerüstete Maschinen und Anlagen sollen außerdem Hauptschalter erhalten, die mit Messtechnik ausgerüstet sind. Mit dieser Messtechnik kann das Unternehmen den Energieverbrauch im zeitlichen Verlauf und im Kontext der Produktion erfassen und bewerten. Dadurch lässt sich zum Beispiel ein unnötiger Stromverbrauch im Stand-by-Betrieb erkennen und vermeiden.

 

Die deutsche Industrie verbraucht jährlich insgesamt 5 640 Petajoule Energie. Das sind 40 Prozent des nationalen Primärenergie-Verbrauchs, heißt es in der Studie „Energieeffizienz in der Produktion“ die von mehreren Fraunhofer-Instituten für das Bundes-Forschungsministerium erstellt wurde. Zwar ist die Energieintensität des produzierenden Gewerbes in den Jahren von 1995 bis 2005 schon um fünf Prozent auf 11 Megajoule je Euro Wertschöpfung gesunken. Die Möglichkeiten zum Energiesparen sind allerdings noch viel größer, ergaben Befragungen von 450 Industriemanagern. „Dabei wurde eingeschätzt, dass mittelfristig, das heißt in einem Zeitraum von 5 Jahren, 25 bis 30 Prozent Energieeinsparungen insbesondere auf Basis von Effizienztechnologien möglich sind“, berichtet Andreas Sterzing, geschäftsführender Oberingenieur des Fraunhofer IWU Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, das die Studie koordiniert hatte.

 


Paradigmenwechsel

 

Um dieses Sparpotenzial zu erschließen, halten die Wissenschaftler einen Paradigmenwechsel bei den Entscheidungsträgern für notwendig: „An die Stelle von maximalem Gewinn aus minimalem Kapital muss maximaler Gewinn aus minimalen Ressourcen treten“, heißt es in der Studie. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Denn die Untersuchung zeigte auch, dass die Energiekosten bei Investitionsentscheidungen bisher nur für 12 Prozent der Befragten eine wichtige Rolle gespielt haben. Mehr als die Hälfte maßen ihnen wenig oder gar keine Bedeutung zu. Möglicherweise beginnt derzeit allerdings ein Umdenken bei vielen Managern: In den vergangenen Monaten erhielt das IWU zunehmend Anfragen von Industrieunternehmen, die die Ressourcen- und Energieeffizienz in den Produktionsprozessen verbessern und erneuerbare Energien nutzen wollen. „Der Anspruch geht hierbei bis hin zur Gewährleistung einer gewissen Energieautarkie, um über einen bestimmten Zeitraum von örtlichen Energieversorgern unabhängig zu sein“, berichtet Sterzing. „Im Fokus steht in erster Linie die Kostensenkung, aber auch das wachsende Bewusstsein begrenzter Ressourcen spielt inzwischen eine wesentliche Rolle.“

 

Als besonders gut geeignet für Energiesparprojekte gelten so genannte Querschnittstechniken, die zur Bereitstellung von Wärme, mechanischer Energie und Licht dienen und überall gleich ablaufen. Erfolgreiche Projekte lassen sich deshalb hier gut von einer Branche auf andere übertragen. Wie es in der Studie „Potenziale und volkswirtschaftliche Effekte einer ambitionierten Energieeffizienz-Strategie für Deutschland“ des Bundes-Umweltministeriums heißt, decken sie 65 Prozent des gesamten industriellen Endenergie-Verbrauchs ab. Vor allem durch effizientere Motoranwendungen lässt sich viel Energie sparen: Optimierte Systeme für Druckluft, Pumpen, Ventilatoren und Kältekompression können den jährlichen Endenergieverbrauch der deutschen Industrie bis zum Jahr 2020 um 101 Petajoule senken. Durch den Einsatz effizienter Technik bei Beleuchtung, Wärmeerzeugung, Trockung und Industrieöfen sind weitere 111 Petajoule Einsparung möglich. Zusammen entspricht dies immerhin neun Prozent des gesamten Endenergie-Verbrauchs in der deutschen Industrie von 2007.

 

Eine sehr weit verbreitete Querschnittstechnik in Industrieunternehmen ist Druckluft, die in pneumatischen Anlagen und Werkzeugen eine wachsende Rolle spielt. Wie die Deutsche Energieagentur dena ermittelt hat, sind bundesweit 62.000 Druckluftanlagen in verschiedenen Produktionsbereichen installiert und verbrauchen jährlich 14 Milliarden Kilowattstunden Strom. Nach Ansicht der dena können bei Druckluftanlagen zwischen fünf und fünfzig Prozent der eingesetzten Energie eingespart werden, die dafür nötigen Investitionen würden sich in weniger als zwei Jahren auszahlen. In der öffentlich zugänglichen Projektdatenbank der dena-Initiative „Energie-Effizienz“ finden sich überwiegend Beispiele für Kleinunternehmen wie die Brauerei Haus Cramer in Paderborn – ein sehr überzeugendes Beispiel. Die Brauerei investierte einmalig 62.500 Euro, um ihr Druckluftsystem zu modernisieren, spart nun jährlich 55.000 Euro Energiekosten und vermeidet 300 Tonnen CO2-Ausstoß.

 

Ein konzernweites Energiemanagement hat Evonik Industries entwickelt. Der Technologiekonzern setzt einen eigens entwickelten Fragebogen ein, der erste Hinweise auf mögliche Energiespar-Potentiale an den einzelnen Standorten liefert. Auf dieser Grundlage werden interdisziplinare Expertenteams gebildet, die alle Energieprozesse analysieren und Optimierungsvorschläge entwickeln. Bisher wurden auf diese Weise 26 der 109 Produktionsstandorte des Geschäftsfeldes Chemie von Evonik untersucht und Einsparpotenziale zwischen 4 und 25 Prozent der jährlichen Energiekosten aufgedeckt. Besonders erfolgreich war offenbar die Optimierung einer Nachverbrennungs-Anlage am Produktionsstandort Münchsmünster. Sie verbrennt die Abluft einer Produktionsanlage mit Hilfe einer Erdgasflamme. Mit der dabei gewonnenen Energie werden Druckluft, Kälte und Heizdampf erzeugt. Evonik investierte 500.000 Euro, um diese Anlage gründlich zu modernisieren. Dadurch sank der jährliche Erdgas-Verbrauch um 72 Prozent, der CO2-Ausstoß ging um 9.300 Tonnen pro Jahr zurück. Und die Investition war in nicht einmal einem Jahr durch eingesparte Energiekosten bezahlt.

 

Zu einem sparsamen Energieeinsatz in Produktionsanlagen können auch Hochleistungs-Werkstoffe wie Keramiken beitragen. Der Einsatz langlebiger, verschleißfester Schlüsselkomponenten verkürzt und vermeidet Stillstands-Zeiten, die durch Wartung und Instandsetzung entstehen. Damit trägt er wesentlich zu energieeffizienten Fertigungsabläufen bei.

 

So hat die FCT Ingenieurkeramik Rauenstein aus Thüringen keramische Führungs- und Kaliberwalz-Rollen für ein Edelstahlwerk entwickelt. Sie halten wesentlich länger als die bisher verwendeten Stahlrollen. Bisher waren diese Rollen nach 40 Tonnen gewalztem Edelstahldraht teilweise verschlissen und mussten gewechselt werden. „Der Inspektionsintervall konnte inzwischen auf über 600 Tonnen ausgeweitet werden“, berichtet FCT-Geschäftsführer Karl Berroth. Diese höhere Standzeit sorgt nicht nur für eine höhere Produktivität, sondern auch für Energieeinsparungen. Denn wenn das Drahtwalzwerk dreimal in einer Schicht für 15 Minuten still stand, weil die Rollen gewechselt wurden, musste die Technik trotzdem weiter beheizt und gekühlt werden. Jetzt kann sie immerhin zwei bis drei Schichten durchlaufen. Die Mehrkosten für den Einsatz der keramischen Kaliber- und Führungsrollen machen sich damit laut Berroth bereits nach wenigen Schichten bezahlt. Die Referenz im Edelstahlwerk hat FCT schon zu einem Folgeauftrag im Hamburger Werk des Baustahldraht-Herstellers Arcelor-Mittal verholfen. „Bei diesem Massen-Drahthersteller ist der ökonomische Nutzen noch viel größer“, erklärt der FCT-Geschäftsführer.

 

 

Hemmnisse

 

Solche Energiesparprojekte könnten in der Industrie noch öfter umgesetzt werden, wenn sie nicht auf eine Reihe von Hemmnissen stoßen würden. In einer Studie des BMWi Bundes-Wirtschaftsministeriums werden Informationsdefizite und die Finanzierung als Hauptursachen genannt. So haben größere Unternehmen oft einen Energiebeauftragten im Einsatz und die rationelle Energieverwendung systematisiert. Kleineren Unternehmen dagegen fehlt oftmals das nötige Fachwissen. Viele kennen das Einspar-Potenzial nicht oder unterschätzen es. So sind sich beispielsweise die wenigsten Besteller bewusst, dass die so genannten Life-Cycle-Costs eines größeren Elektromotors zum überwiegenden Teil durch die Elektrizitätskosten bestimmt werden und nur wenig durch die Anschaffungskosten des Motors oder dessen Steuerung selbst. Als noch gewichtiger werden in der BMWi-Studie die Finanzierungshemmnisse genannt. Denn Energiespar-Investitionen stehen immer in Konkurrenz zu anderen Investitionen, welche lukrativer sind oder mehr im Kerngeschäft des Unternehmens liegen.

 

All diese Hindernisse für bereits bekannte Energiesparmethoden halten die Wissenschaftler am Chemnitzer IWU nicht davon ab, schon an deutlich radikaleren Effizienztechnologien zu forschen. So haben sie erkannt, dass die bisher üblichen spanenden Fertigungsverfahren für Getriebeteile wie Drehen und Fräsen einen hohen Material- und Energieaufwand erfordern. Langfristig könnte ein „überragendes Potenzial für eine bessere Energieeffizienz in der Metallbearbeitung“ erschlossen werden, wenn diese spanenden Fertigungsverfahren durch effektivere Kaltumform-Verfahren ersetzt werden könnten, heißt es in der Fraunhofer-Studie.

 

Eines dieser Kaltumform-Verfahren ist das Kaltwalzen so genannter Laufverzahnungen für Getriebe, an dem Udo Hellfritzsch arbeitet, Gruppenleiter Verzahnungstechnologie im IWU. Es sieht fast aus wie Zauberkunst, wenn er die bisher entwickelte Technologie demonstriert: In einer Profilwalzmaschine spannt der Wissenschaftler einen glatten, glänzenden Stahlrohling zwischen zwei gezahnte Walzrollen. Auf Knopfdruck beginnen die Walzrollen zu rotieren, drücken von zwei Seiten ihre Zähne in den Rohling und drehen ihn mit. 20 Sekunden später geben sie den Rohling wieder frei, der jetzt selber Zähne hat und nach einer Feinbearbeitung als Laufzahnrad in einem PKW-Getriebe eingesetzt werden kann.

 

Das so geformte Zahnrad ist nicht nur stabiler als ein auf herkömmliche Weise hergestelltes Teil, das seine Form durch die Zerspanung des Metalls erhält. Hellfritzsch zufolge können auch bis zu einem Drittel des Materials und bis zur Hälfte der Herstellungszeit eingespart werden. Wo weniger Stahl und Maschinenzeit gebraucht wird, sinkt natürlich auch der Energieeinsatz. „Wir rechnen bei serienmäßig hergestellten Zahnrädern mit Energieeinsparungen von 15 bis 20 Prozent“, schätzt der Wissenschaftler. Im gesamten Herstellungsprozess, der auch die Fertigung des Rohlings einschließt, dürfte der Spareffekt sogar noch größer sein. Noch arbeiten Hellfritzsch und seine Mitarbeiter daran, die Technologie zu verbessern. Mit den ersten serienmäßig kalt gewalzten Laufzahnrädern rechnet er in vier bis fünf Jahren.

 

Kurzfristig können auch herkömmliche Werkzeugmaschinen noch deutlich effizienter als bisher betrieben werden, geht aus der IWU-Studie außerdem hervor. Danach brauchen Werkzeugmaschinen in der Grundlast viermal so viel Strom, wie für die direkte Bearbeitung des Materials nötig ist. Die tatsächliche Arbeit am Material verrichten sie nicht einmal in der Hälfte ihrer Betriebszeit. Um den damit verbundenen Energieverbrauch zu verringern, empfehlen die Wissenschaftler, die Grundlasten der Maschinen zu senken und und Spitzenlasten zu vermeiden. Dies wäre durch steuerungsgeregelte Motoren und eine zeitweilige Abschaltung der Systeme möglich. Erste Ansätze dafür gibt es dafür bereits bei deutschen Herstellern von Werkzeugmaschinen. Auf der Branchenmesse EMO in Mailand zeigten sie im Oktober energieeffiziente Motoren, die über eine Energierückspeisung verfügen, Lösungen für das bedarfsgerechte An- und Abschalten einzelner Maschinenkomponenten und für ein systematisches Monitoring des Energieverbrauchs.

 

 

Forschungsfabrik

 

Das Fraunhofer IWU will solche Ansätze konsequent weiterverfolgen. Derzeit arbeitet das Institut daran, sich zu einer „Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion“ weiter entwickeln. Dort sollen in den kommenden Jahren Fertigungsanlagen und -technologien für den Antriebsstrang (Powertrain) und für den Karosseriebau von Kraftfahrzeugen erprobt werden, die mit besonders wenig Material- und Energieeinsatz auskommen. So wollen die Chemnitzer Wissenschaftler in der Montage bisher übliche Schweißverfahren durch mechanische Fügeoperationen wie Clinchen und Nieten ersetzen. „Mit diesen alternativen Verfahren können vergleichbare Verbindungsfestigkeiten bei einem reduzierten Energieeinsatz realisiert werden“, erklärt Sterzing.

 

Die Fertigungsanlagen der Forschungsfabrik sollen mit einem Total Energy Management überwacht werden, um Verlustenergien aufspüren und einer geeigneten Wiederverwendung zuzuführen. Verbleibende Energieverluste könnten mit erneuerbaren Energiequellen ausgeglichen werden, um den CO2-Ausstoß zu senken. Ein wichtiger Teil der Forschungsfabrik ist das „Exzellenzzentrum Automobilproduktion“, das IWU gemeinsam mit Volkswagen gegründet hat. Auf mehr Energieeffizienz ist auch die vom IWU betreute Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ ausgerichtet. Hier hat sich VW mit 50 produktionstechnischen Ausrüstern und Zulieferern zusammengeschlossen. Das Ziel ist, den Energieeinsatz für die Herstellung und Lackierung einer Automobil-Karosserie um bis zu 50 Prozent zu reduzieren.

 

Schon jetzt nimmt Deutschland bei der Entwicklung von Energieeffizienz-Technologien im weltweiten Vergleich gemeinsam mit den USA und Japan eine Spitzenstellung ein. Das geht aus einer Studie des Bundesumweltamtes hervor. Im zukunftsträchtigen Welthandel mit Energieeffizienz-Gütern liegt Deutschland sogar mit einem Anteil von 18 Prozent deutlich vor den USA, Italien und Japan. Unterstützt werden die deutschen Unternehmen bei der Erschließung des Weltmarktes mit der „Exportinitiative Energieeffizienz“, die vom BMWi organisiert wird. Sie bietet Informationsveranstaltungen zu einzelnen Auslandsmärkten und Geschäftsreisen an. Die Initiative organisiert sogar Einkäuferreisen für ausländische Unternehmen, deren Manager die deutschen Hersteller von Energieeffizienz-Technik im eigenen Werk besuchen.

 




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