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Energieeffizienz

Wärmelecks und Stromfresser im Visier

| Autor / Redakteur: Nikolaus Fecht* / Andrea Gillhuber

Zusammenspiel aller Komponenten verbessern

Sie soll das Zusammenspiel aller Komponenten und Systeme einer Fabrik – von der Werkzeugmaschine bis hin zur Gebäudeausrüstung und -hülle – ganzheitlich verbessern, um so den gesamten Energieverbrauch zu senken. Auf der Fläche eines typischen Hallenhandballfelds (rund 800 Quadratmeter) gibt es außer einem Lernfeld für Studenten und Mitarbeiter aus der Industrie einen Maschinenpark mit Werkzeug- und Reinigungsmaschinen sowie einen Härteofen – ein Umfeld, in dem Komponenten für Pumpen (exakt: Steuerscheiben für Hydraulikaxialkolbenpumpen) entstehen: Die ETA-Fabrik umfasst alle Stufen der industriellen Fertigung, vom Roh- bis zum Fertigteil.

Die Produktion der Pumpenkomponenten ist jedoch nur Mittel zum Zweck, denn hier werden unter den realen Bedingungen einer Metallbearbeitung neue Konzepte zum Energiesparen entwickelt. „Zum bisherigen Stand der Technik zählt, dass einzelne Komponenten für sich unter die Lupe genommen werden“, sagt Institutsleiter Abele. „Wir wollen mit Maschinenbauern, Bauingenieuren und Architekten disziplinübergreifend Maschinenkomponenten, Produktionsmaschinen, Prozesskette, technische Gebäudeausrüstung und -hülle aus dem Blickwinkel Energieeffizienz analysieren und optimieren.“

Neben der Weiterentwicklung von Fertigungsverfahren geht es dabei um das Zusammenwirken des Fabrikgebäudes und seiner technischen Ausstattung mit dem Maschinenpark. Der rote technische Faden ist die mehrfache Vernetzung der einzelnen Bausteine der Fabrik: Ein Wärmenetz verbindet über Wasserrohre die Maschinen untereinander und mit der Gebäudehülle. Die mit sehr kleinen Rohren durchzogene Fassade reagiert auf die Temperaturen der Außenwelt und passt sich an sie an, in dem sie entweder das Wasser in den Rohren kühlt oder erhitzt. Unterstützung erhält sie beim Erhitzen der Halle über das Wärmenetz von der Abwärme der Maschinen, die aber auch andere Anlagen wie der Härteofen nutzen. „Üblicherweise wird das zum Kühlen der Antriebselemente der Maschine eingesetzte Wasser ständig wieder gekühlt“, sagt Abele. „Das ist Energieverschwendung in Reinkultur. Wir kühlen nun nicht mehr den gesamten Wasservorrat, sondern erhitzen ihn sogar noch etwas auf 80 Grad Celsius – zum Beispiel für die nachfolgende Reinigungsanlage für die Metallteile.“ Zum Kühlen der Antriebselemente nutzen die Maschinen stattdessen kaltes Wasser aus der Wasserleitung.

Die ETA-Fabrik besitzt außerdem ein Datennetzwerk, das alle Bereiche miteinander verknüpft. „Wir kombinieren das Regeln des Energieverbrauchs mit Industrie 4.0“, betont der Darmstädter Wissenschaftler. „Auf diese Weise lassen sich die erfassten und aufbereiteten Daten, Stichwort Big Data, zum Optimieren des Energieverbrauchs nutzen.“

ETA-Fabrik ist internationales Vorbild

Doch nicht nur in Deutschland stößt die neue Form, den Energieverbrauch mit Hilfe einer Forschungsfabrik zu senken, auf Interesse. So berät der Wirtschaftsingenieur Martin Beck, Gruppenleiter Umweltgerechte Produktion an der ETA-Fabrik, ein Unternehmen beim Aufbau einer energieeffizienten Maschinenfabrik in Singapur. Aber auch kleinen und mittleren Firmen aus Deutschland macht der Experte Mut, sich bei der ETA-Fabrik oder bei bereits bestehenden energieeffizienten Fabriken beraten zu lassen.

„Es lohnt sich besonders für Mittelständler, die in der Regel keine eigene Energieeffizienz-Abteilung besitzen“, sagt Beck. „Die Energiekosten machen rund 3 bis 5 Prozent der Gesamtkosten aus, von denen wir durch gezielte, ganzheitliche, oft staatlich geförderte Beratung 10 bis zu 40 Prozent einsparen können.“ Die Ausgaben für die so genannten energieintensiven Unternehmen in Deutschland (EID) sind dabei laut ihrem Verband in Bonn besonders hoch: Sie geben jedes Jahr über 5 Prozent ihres Umsatzes (rund 17 Mrd. Euro) für Energie aus.

Die ETA-Fabrik dient darüber hinaus – so ein PTW-Newsletter – als „Großforschungsgerät“ für ehrgeizige Projekte. Dazu zählt das aktuell mit 30 Mio. Euro staatlich geförderte Kopernikus-Projekt „SynErgie – Synchronisierte und energieadaptive Produktionstechnik zur flexiblen Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine fluktuierende Energieversorgung“. An dem Projekt beteiligten sich rund 100 Partner u.a. aus Industrie, Forschung und Gesellschaft (z.B. IG Metall, Bund Naturschutz BN). Die Zielrichtung nennt Projektleiter Abele, der auch Präsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) ist: „Wir vernetzen Windrad und Solarmodul mit der Produktionsmaschine.“ Alternative Energien wie Wind und Sonne produzieren meist entweder zu wenig oder zu viel Energie.

Ergänzendes zum Thema
 
BMBF-Forschungsinitiative Kopernikus
 
Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)

„Wir wollen die produzierenden Betriebe so flexibilisieren, dass sie selbst auf dieses schwankende Energieangebot reagieren können“, sagt PTW-Oberingenieur Stefan Seifermann. Ein wichtiges Unterfangen, betrug doch der Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland 2015 bereits 31 Prozent des Bruttostromverbrauchs.

SynErgie startet zunächst mit sieben energieintensiven Branchen, zu denen auch der Maschinen- und Anlagenbau zählt. Die Anschlussleistung der einzelnen Betriebsmittel ist in dieser Branche zwar wesentlich kleiner, dafür kommen hier sehr viel mehr Maschinen und Anlagen als in anderen Industriezweigen zum Einsatz. Das Interesse aus dieser Branche ist groß, wie ein Blick auf die Teilnehmer zeigt: Unter Leitung von Prof. Matthias Putz vom Fraunhofer IWU aus Chemnitz arbeiten Firmen wie Bosch, Festo, Handtmann, Hirschvogel Automotive, Siemens und VW Sachsen zusammen.

Mittel zum Anpassungszweck sind hochdynamische Regelungsplattformen, die das schwankende Energieangebot berücksichtigen und dementsprechend die Energieverteilung zwischen Industrieprozessen wie Reinigen, Härten oder Metallbearbeitung regeln. Abele: „Nur wenn Unternehmen wissen, wann gerade sehr viel oder sehr wenig Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird und die Börse das durch niedrige Strompreise signalisiert, können sie darauf reagieren.“

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