Für den Erfolg von Energie-Einsparmaßnahmen entscheidend ist, dass sie im Kontext eines umfassenden Energiemanagements erfolgen. Dazu braucht es vollständige Transparenz über den gesamten Energie-Einsatz über alle Medien (Strom, Druckluft, Dampf, Kälte und Wärme) hinweg und zwar von der Erzeugung über die Verteilung bis hin zum Verbraucher. Erst dieser Überblick ermöglicht dem Anwender, Stärken und Schwächen seines Unternehmens hinsichtlich der Energieeffizienz zu beurteilen, Synergien zwischen den Medien aufzudecken und fundiert Prioritäten für einzuleitende Maßnahmen festzulegen.

Aufgrund des großen Potenzials stehen viele Betriebe derzeit vor der Aufgabe, Investitionen zur Steigerung der Energieeffizienz durchzuführen. Oft fehlen jedoch die Erfahrung und daher das Vertrauen in den Erfolg solcher Maßnahmen, zumal die an eine Maßnahme geknüpften Ziele und Anfor­derungen sehr vielfältig sein können. Priorisiert wird jedoch meist die Wirtschaftlichkeit einer Investition. Dabei steht häufig eine umfassende und belastbare Kalkulation einem Konzept gegenüber, wie der Erfolg der Investition überprüft werden kann. Hier ist es wichtig, dass Transparenz und Verbindlichkeit im Fokus stehen. Mittels gängiger Kennzahlen lassen sich Alltagssituationen wie Druckluft-Leckagen, Wärmeverluste oder der Nachweis von falschen Berechnungen einfach auf das eigene Unternehmen übertragen. Wurden Einsparpotenziale im Unternehmen aufgedeckt und bewertet, stellt sich die Frage: Wie sieht die Umsetzung von Maßnahmen aus?

Druckluft: Mehrere Hunder Leckagen beseitigt

Ein Triebwerkshersteller in Bayern entwickelt, fertigt und betreut zivile und militärische Flugzeugturbinen aller Leistungsklassen sowie stationäre Gasturbinen. Am Hauptstandort in München wird die Druckluftversorgung und -verteilung im Outsourcing betrieben; das bedeutet, der Dienstleister rechnet nach der abgenommenen Druckluftmenge ab. Demzufolge besteht ein großes Interesse an der Beseitigung von Leckagen im Druckluftsystem.

Am Standort München decken Turbokompressoren die Grundlast ab, drehzahlgeregelte Schraubenverdichter übernehmen die Spitzenlast. Die Druckluft wird zentral erzeugt, aufbereitet und über ein unterirdisches Netz auf dem Werksgelände verteilt. An dieses zentrale Netz sind die verschiedenen Produktionsgebäude angebunden. Bei der Inbetriebnahme eines neuen Druckluftsystems ist die Anzahl von Leckagen sehr gering. Durch die produktionsbedingte permanente mechanische Be- und Entlastungen steigt der Druckluftverlust durch Leckagen stetig. Aufgrund dieser Tatsache entschied man sich, mit Unterstützung von Endress+Hauser eine Lokalisierung, Quantifizierung und Eliminierung der Leckagen durchzuführen.

Leckagen können überall im Netz auftreten: An Leitungsanschlüssen, Ablassventilen, Filtern, Druckreglern, Ventilen, Schnellkupplungen und Schläuchen. Entscheidend für eine effektive Beseitigung ist eine fundierte Beurteilung der Leckage-Anfälligkeit aller Komponenten. Mithilfe von Ultraschall-Messgeräten ließen sich Leckagen noch über Distanzen von bis zu sechs Metern  lokalisieren. Auf diese Weise wurden mehrere hundert Leckagen identifiziert.

Ein Verpackungsmittelhersteller erfasst den Energiegehalt im Kondensat mittels Durchfluss- und Temperaturmessung, um die Effizienzsteigerung bei der Dampferzeugung nachzuweisen und die Amortisationszeit der Investition zu ermitteln.

© Endress+Hauser

Im zweiten Schritt erfolgte deren Quantifizierung. Konkret wurden alle Fehlstellen lückenlos dokumentiert, hinsichtlich der Druckluftverluste bewertet und besondere Schwachstellen identifiziert. In die transparente Quantifizierung eingeflossen sind unter anderem die Anzahl und Größe der Leckagen, Strompreis, spezifische Leistungsaufnahme und Betriebsstunden der Druckluftanlage. Im Anschluss daran folgten Verbesserungsvorschläge zu den eingesetzten Armaturen, Kupplungen und Materialien sowie ein priorisierter Maßnahmenkatalog. Der Fokus lag hier auf der technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit: Große und einfach zu beseitigende Leckagen wurden priorisiert behandelt.

Erst im Anschluss daran begann die systematische Behebung der anderen Leckagen anhand des Fehler-Protokolls. In Verbindung mit dem optimierten Materialeinsatz zum Beispiel bei Dichtungen und Kupplungen verbesserten sich die Standzeiten der Verbindungsstellen; sie liegen heute im Bereich von drei bis sieben Jahren. Bereits mehrere Hundert Leckagen konnten so beseitigt werden. Durch diese Maßnahmen, deren Amortisationszeit bei annähernd einem Jahr liegt, spart das Unternehmen jährlich einen Betrag im mittleren fünfstelligen Bereich. Darüber hinaus wird die Druckluft-Erzeugerstation entlastet und die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Durch die regelmäßige Kontrolle erreicht das Unternehmen eine kontinuierliche Verminderung der Druckluft-Leckagen und verfolgt durch die Energie-Einsparung im gleichen Zuge ein wesentliches Unternehmensziel: den Schutz der Umwelt.

Energie-Einsparung: Nachweis auf Knopfdruck

Hohes Optimierungspotenzial steckt daneben in der Wärme-Erzeugung, konkret in der Dampferzeugung mit einem Großraumwasserkessel. Die Firma Hans Kolb Wellpappe in Memmingen entwickelt und produziert Verpackungen für die Pharma-Industrie, für die Getränke-Ab­füllung und für Spielwaren. Um die Effizienz des Dampfkessels für das Niederdruck-Kondensat-System am Produktionsstandort Memmingen zu steigern, wurde von einem Energieberater vorgeschlagen, die Brennkammer des Kessels mit einer zusätzlichen Keramikverkleidung zu isolieren. Diese würde den Energieverlust durch Abstrahlung verringern und somit den Wirkungsgrad der Anlage zwischen 3 und 5 % steigern.

Eine nachhaltige Senkung der Energiekosten wird nur durch wiederholte Effizienzsteigerungsmaßnahmen erreicht.

© Endress+Hauser

Um für diese Investition den Nachweis führen zu können, musste ein Monitoring-System installiert werden, das den Wirkungsgrad des Dampfkessels vor und nach der Installation des Keramikmantels berechnet und visualisiert. Diese Effizienzüberwachung wurde mit dem Bildschirmschreiber Memograph M realisiert, für den es ein optionales Energiepaket gibt. Für die umfangreichen Berechnungen wird zuerst die Energie im erzeugten Dampf und die dem Kessel über die Kondensat-Rückführung zugeführte Energie ermittelt. Beides wird anschließend mit der zur Dampferzeugung notwendigen Heizenergie ins Verhältnis gesetzt.

Neben dem Bildschirmschreiber sind ein Wirbelzähler-Durchflussmessgerät, ein Druckmessgerät und eine Temperatursonde in der Dampfleitung notwendig. Der Energiegehalt des Kondensats lässt sich mit einer magnetisch induktiven Durchflussmessung sowie einer weiteren Temperaturmessstelle ermitteln. Das Betriebsvolumen der Erdgasleitung steht über einen vorhandenen Betriebsvolumenzähler zur Verfügung, dessen Zähl­impulse im Memograph M ausgewertet werden. Zur Kompensation des Betriebsvolumens ist in der Gasleitung eine weitere Druck- und Temperaturmessung notwendig. Der intelligente Datenlogger berechnet in drei voneinander unabhängigen Anwendungen die Energie-Inhalte im Dampf, Kondensat und Erdgas. Diese Ergebnisse werden in einem weiteren Mathematik-Kanal des Datenloggers zur Berechnung der direkten Boiler-Effizienz verwendet und aufgezeichnet. Die Auswertung der Daten ist direkt vor Ort am Display und zentral am PC möglich.

Dabei belegten die Aufzeichnungen, dass die Keramikauskleidung den Wirkungsgrad erhöht. Darüber hinaus nutzen die Energiemanager des Unternehmens inzwischen die Effizienzüberwachung, um durch den Vergleich von erzeugter Dampfenergie mit den Produktionsdaten weitere Einsparmöglichkeiten zu eruieren. Feedback des Kunden Armin Sahliger, Leiter der Energie- und Umwelttechnik für die gesamte Kolb-Gruppe und in dieser Position auch verantwortlich für die Dampferzeugung im Werk Memmingen: „Die gesamte Lösung zeichnet sich durch ihre einfache Handhabung im Betrieb aus. Nun ist es uns möglich, die energiebezogenen Kenndaten auf Knopfdruck und zu jedem gewünschten Zeitpunkt zu ermitteln.“ Den hauptsächlichen Nutzen sieht Sahliger in folgenden Punkten:

• Automatische Überwachung der gesamten Dampferzeugung (etwa Wirkungsgrad, Temperatur des Kesselspeisewassers). So lässt sich eine höhere Verfügbarkeit der Anlage gewährleisten.
• Beim Produktionstest von Neuentwicklungen kann sehr einfach die notwendige Energie ermittelt werden, was wiederum die Preisgestaltung der neuen Produkte unterstützt.
• Kostenreduzierung durch Optimierung des Energiebezugs in der Produktion, um teure Lastspitzen bei der Gasabnahme zu vermeiden.
• Erhöhte Planungssicherheit für künftige Erweiterungen der Energie-Anlage, die sich nun bedarfsgerecht und damit kostenmindernd realisieren lässt.

Bedarfsgerecht dimensionieren zahlt sich aus

Ein Glas-Werk setzt Adsorptions-Kältemaschinen ein, die bereits etliche Jahre in Betrieb sind. Über die lange Betriebsdauer hatte sich die Menge an Abwärme erhöht und die ursprünglich installierte Anlage zur Wärmerückgewinnung konnte den Bedarf an Kaltwasser nicht mehr decken. Daher wurde eine Anpassung des kompletten Systems notwendig. Die Investitionskosten für zwei zusätzliche Kältemaschinen mit Rohrleitungen, Armaturen, Steuer- und Regelungstechnik betrugen 790 000 Euro. Verschiedene Faktoren reduzierten den gesamten Energieverbrauch des Werks:

• Verknüpfung von Wärme- und Kälte-Energie,
• bedarfsgerechte Dimensionierung,
• intelligente Steuer- und Regelungstechnik
• sowie der Einsatz frequenzgeregelter Antriebe für die Pumpen.

Die Überwachung der gesamten Dampferzeugung mittels Visualisierung vor Ort oder an einem PC erlaubt eine präzisere Berechnung der Herstellkosten einer Verpackung und bildet eine wichtige Grundlage für die Preiskalkulation.

© Endress+Hauser

Rund 15 Mio. kWh beträgt die jährliche Energie-Einsparung nach der Umrüstung, umgerechnet etwa 310.000 Euro. Damit amortisiert sich die Investition nach lediglich zweieinhalb Jahren. Neben den Investitionskosten wurden bei der Kalkulation die laufenden Betriebskosten betrachtet.

Gerade bei der Kälte-Erzeugung sind zahlreiche Anlagen in Betrieb, die nicht bedarfsgerecht ausgelegt sind und über die lange Betriebsdauer wertvolle Energie vergeuden. Als Alternative bieten sich Techniken mit minimalen Betriebskosten an. Ansatzpunkte neben der Nutzung von Abwärme und der bedarfsgerechten Auslegung sind: Einsatz von Steuer- und Regeltechnik, Nutzung von Solartechnik bei der Kälte-Erzeugung, bedarfsgerechte Auslegung der Vorlauf- und Rücklauftemperatur in Kaltwassernetzen sowie die Gebäudedämmung. Endress+Hauser unterstützt von der Suche nach Fördermitteln bis zur fachgerechten Umsetzung der erarbeiteten Lösungen als eingetragener Meisterbetrieb.

Autor: David Wallerius ist Marketingmanager Prozessautomatisierung bei der Firma Endress+Hauser in Weil am Rhein.