Energieeffizienz in der Industrie

518 Pages·2017·10.36 MB·German

by  Markus Blesl

Markus Blesl
Alois Kessler
Energieeffizienz
in der Industrie
2. Auflage
Energieeffizienz in der Industrie
Markus Blesl • Alois Kessler
Energieeffizienz in der
Industrie
2. Auflage
Markus Blesl Alois Kessler
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Forschung und Entwicklung
Energieanwendung EnBW Energie Baden-Württemberg AG
Universität Stuttgart Karlsruhe, Deutschland
Stuttgart, Deutschland
ISBN 978-3-662-55998-7 ISBN 978-3-662-55999-4 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55999-4
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Geleitwort
Das Thema Energieeffizienz ist eine der zentralen Herausforderungen sowohl für die euro-
päische als auch die deutsche Energiepolitik. Vor dem Hintergrund unserer Klimaschutz-
ziele, aber auch angesichts begrenzter Ressourcen und potenziell weiter steigender
Energiepreise muss der sparsame Umgang mit Energie eine unserer Prioritäten sein.
Energieeffizienz bietet die Möglichkeit, Win-Win-Win-Situationen zu schaffen: die
Wettbewerbsfähigkeit von Regionen und Unternehmen wird gesteigert, Verbraucher wer-
den von Energiekosten entlastet, die Umwelt wird geschont. Auch die Einführung erneu-
erbarer Energien wird durch eine erhöhte Energieeffizienz deutlich befördert.
Vor diesem Hintergrund gehört das europäische Ziel, 20 % Energie bis zum Jahr 2020
einzusparen, zu den Kernthemen der europäischen Energiepolitik. Mit der neuen europä-
ischen Energieeffizienz-Richtlinie gibt die EU nun den Rahmen für die Entwicklung von
Energieeffizienzdienstleistungen und der systematischen Erschließung von Energieeffizi-
enzpotenzialen im Industriesektor vor. Außerdem wird damit ein weiterer Anreiz für die
Entwicklung innovativer und energiesparender Technologien gesetzt.
In Deutschland nutzen Industrie und der Sektor „Gewerbe-Handel-Dienstleistungen“
etwa 43 % der bereitgestellten Endenergie. Es ist daher wichtig, dass Energieeinsparungen
gerade auch hier ansetzen. Energieeffizienz ist in der Industrie oftmals keine Selbstver-
ständlichkeit, trotz der hiermit verbundenen Kostenersparnisse.
Ich freue mich, dass hiermit eine praxisorientierte und umfassende Betrachtung zahl-
reicher „Querschnittstechnologien“ sowie besonders energieintensiver Branchen vorliegt.
Günther H. Oettinger
EU-Kommissar für Energie von Feb. 2010 bis Sept. 2014
V
Vorwort der Autoren zur 1. Auflage
In der Diskussion um den sparsamen Umgang mit Energie werden von den Beteiligten
häufig mangelde Informationen als großes Hemmnis hervorgehoben. Dieser Mangel hat
uns zur Abhilfe motiviert. In der langjährigen beruflichen Praxis und besonders bei der
Arbeit an diesem Buch hat sich dann gezeigt, dass es in vielen Bereichen bereits zahlrei-
che Untersuchungen, Anleitungen oder Konzepte gibt und gerade in jüngster Zeit neue
Studienergebnisse erscheinen. Die Schwierigkeit in der schnelllebigen betrieblichen Pra-
xis besteht darin, bei den vielfältig vorhandenen Informationen den Überblick zu behalten,
die „richtigen“ Informationen auszuwählen und zu einem individuellen und tragfähigen
Energieeffizienz-Konzept zu vereinen. Das vorliegende Buch richtet sich daher vorwie-
gend an Praktiker und soll einen kompakten Einstieg in das vielfältige Themenfeld der
industriellen Energieeffizienz und zur Konzeptfindung ermöglichen. Sicher werden aber
auch Studierende einschlägiger Fachrichtungen von diesem Buch profizieren. Trotz inten-
siver Arbeit ist das vorliegende Buch weder perfekt noch vollständig – beides war weder
beabsichtigt noch leistbar. Die Zukunft wird zeigen, wo Bedarf für Aktualisierungen und
Erweiterungen besteht, denen wir uns beruflich ohnehin kontinuierlich widmen.
Das Buch ist aus und neben unserer beruflichen Arbeit entstanden. Ohne die Unterstüt-
zung, Hilfe und Zuarbeit zahlreicher Kolleginnen und Kollegen ist ein solches Werk nicht
möglich. Daher gilt unser Dank allen, die zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben.
Herrn Prof. Dr. Alfred Voß sowie Herrn Prof. Dr. Wolfram Münch danken wir besonders
für die Gewährung mancher beruflicher Freiräume und die ideelle Unterstützung und
Ermutigung. Den Kollegen Martin Brodbeck, Jean-Christian Brunke, Florian Conradi,
Marcus Dörr, Thomas Frank, Markus Hornberger, Marlies Hummel, Ralf Kuder, Thomas
Wagner und Sylvia Wahren danken wir für ihre wertvolle Hilfe. Frau Iryna Salamatina und
Frau Ana Guitu danken wir für die handwerkliche Unterstützung bei der Erstellung des
Manuskriptes. Nicht zuletzt gilt unser Dank besonders auch unseren Familien für das ent-
gegengebrachte Verständnis.
Januar 2013 Markus Blesl
Alois Kessler
VII
Vorwort der Autoren zu 2. Auflage
An der grundsätzlichen Absicht des Buches hat sich nichts geändert. Gleichwohl ist die
Zeit nicht stehen geblieben. Neue Erkenntnisse haben zu einer methodischen Erweiterung
sowie zu einer kompletten inhaltlichen Überarbeitung des Buches geführt.
Zwischen den Basistechnologien (bspw. Beleuchtung) einerseits und den Branchenpro-
zessen (bspw. Chloralkalielektrolyse) andererseits wurde eine neue Klasse von sog. Quer-
schnittsprozessen erkannt, die auf Basistechnologien aufbauen und trotzdem in vielen
Branchen verbreitet sind wie bspw. die Galvanik, Trocknungsprozesse oder die Kältebe-
reitstellung. Die möglichst detaillierte Angabe spezifischer Einsparkosten zu den einzel-
nen Energieeffizienz-Maßnahmen sowie die Erweiterung um zahlreiche Beispiele und
Checklisten verbessert hoffentlich den praktischen Nutzen des Buches. Das Kapitel über
einzelne energieintensive Branchen wurde um eine Betrachtung der Kunststoff verarbei-
tenden Industrie erweitert.
Unser Dank gilt besonders Hr. Raphael Vering und Jean-Christian Brunke für ihre
inhaltliche Diskussion und fachlichen Anmerkungen. Frau Agnieszka Drynda danken wir
für die handwerkliche Unterstützung bei der Erstellung des Manuskriptes. Nicht zuletzt
gilt unser Dank besonders auch unseren Familien für ihr dauerhaftes Verständnis.
November 2017 Markus Blesl
Alois Kessler
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Grundlagen der Energieeffizienz .................................... 3
2.1 Rechtlicher Rahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Überlegungen zur Systematik der Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Allgemeine Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz . . . . 16
2.3 Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Technische Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Ökonomische Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Messtechnik stationär & mobil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3 Strombasierte Basistechnologien .................................... 53
3.1 Elektrische Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1.1 Transformatoren ................................ 53
3.1.1.2 Blindleistungskompensation ....................... 57
3.1.1.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung ............... 60
3.1.1.4 Kabeldimensionierung ........................... 61
3.1.2 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Elektrische Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2.1 Energieeffiziente Leuchtmittel und
Beleuchtungstechnik ............................. 70
3.2.2.2 Lichtmanagement ............................... 73
3.2.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Elektrische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.2 Die Wirtschaftlichkeit von Antriebssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
XI
XII Inhaltsverzeichnis
3.3.3 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3.1 Optimierung der Effizienz der E-Maschine ........... 83
3.3.3.2 Optimierung der Effizienz des Antriebssystems ........ 84
3.3.4 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4 Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.2.1 Korrekte Dimensionierung ........................ 91
3.4.2.2 Einsatz effizienter Ventilatoren ..................... 91
3.4.2.3 Drehzahlanpassung .............................. 92
3.4.2.4 Aufrechterhaltung der Leistung durch Instandhaltung .... 93
3.4.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5 Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.5.2.1 Dimensionierung der Pumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.5.2.2 Optimierung des Pumpensystems und der Regelung .... 100
3.5.2.3 Optimierung bestehender Pumpensysteme ............ 106
3.5.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6 Strombasierte Basistechnologien zur Wärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . 110
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 Brennstoffbasierte Basistechnologien ................................ 117
4.1 Wärmeerzeugung mittels Brennern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.1.2.1 Substitution eines Kaltluftbrenners durch einen
Warmluft-, Rekuperator- oder Regeneratorbrenner ..... 122
4.1.2.2 Substitution eines Regenerator-, Rekuperator-,
Warmluft- oder Kaltluftbrenners durch einen
Sauerstoffbrenner ............................... 123
4.1.2.3 Substitution eines Rekuperator- oder
Warmluftbrenners durch einen FLOX-Brenner ........ 124
4.1.2.4 Substitution eines Rekuperator- durch einen
Regeneratorbrenner .............................. 125
4.1.2.5 Weitere Maßnahmen ............................. 125
4.1.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2 Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung . . . . . 127
4.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2.2.1 Wartung und Reinigung .......................... 132
4.2.2.2 Einspeisung in Wärmenetze ....................... 133
Inhaltsverzeichnis XIII
4.2.2.3 Mobile Wärmespeicher ........................... 134
4.2.2.4 Nutzung von Abwasserwärme ..................... 135
4.2.2.5 Stromerzeugung aus Abwärme ..................... 136
4.2.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3 Wärme- und Kältedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.3.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5 Strombasierte Querschnittsprozesse ................................. 147
5.1 Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.1.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.1.2.1 Dimensionierung von Druckluftanlagen .............. 152
5.1.2.2 Einsatz drehzahlgeregelter Kompressorenantriebe ...... 154
5.1.2.3 Leckagen in Druckluftsystemen .................... 155
5.1.2.4 Wartung ....................................... 156
5.1.2.5 Abwärmenutzung aus Druckluftanlagen. . . . . . . . . . . . . . 156
5.1.2.6 Substitution von Druckluftanwendungen ............. 157
5.1.2.7 Organisatorische Maßnahmen ..................... 157
5.1.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2 Rechenzentren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2.2.1 Effizienter Einsatz effizienter IT-Hardware ........... 162
5.2.2.2 Effiziente Speicher und Datenhaltung ............... 162
5.2.2.3 Optimierung der Kühlung ......................... 163
5.2.2.4 Optimierung der Stromversorgung .................. 168
5.2.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.3 Galvanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.2 Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.3.2.1 Reduzierung der Spannungsverluste ................. 173
5.3.2.2 Optimierung der Luftführung ...................... 175
5.3.2.3 Prozessbeheizung ............................... 177
5.3.2.4 Prozesskühlung ................................. 178
5.3.2.5 Optimierung des Gleichrichters .................... 179
5.3.3 Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182