Marc Kujath

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marc Kujath ist am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF zuständig für Energie- und ressourceneffiziente Wertschöpfungsketten. So arbeitet er mit im Fraunhofer-Innovationscluster ER-WIN (»Intelligente, energie- und ressourceneffiziente regionale Wertschöpfungsketten in der Industrie«). Hier entstehen Lösungen für eine energieoptimierte Produktion. - Bild: Dirk Mahler / Fraunhofer IFF

Energieffizienz ist das bestimmende Thema in produzierenden Unternehmen. Der Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marc Kujath ist am Fraunhofer IFF einer der Experten für Energieeffizienzfragen. In der Fachzeitung Produktion erklärt er, wie sich Effizienz umsetzen lässt.

Produktion: Welchen Stellenwert wird die Energieeffizienz künftig in der Produktion, speziell bei Produktionsmitteln (Maschinen etc. haben)?

Marc Kujath: “Effizienzziele nehmen in der heutigen Produktion nach wie vor einen großen Stellenwert ein: Einsparpotenziale, die durch Methoden des Lean Management zu Organisations- und Strukturreformen geführt haben, sind oft erschöpft. Zwar steigen die Ressourcenpreise derzeit nicht signifikant, doch setzen die globalen Trends mittel- bis langfristig die Anreize für deutsche Maschinen- und Anlagenhersteller und -betreiber.

Die Absatzmärkte für innovative und energieeffiziente Maschinen auf der einen Seite, und die Konkurrenz gegenüber der globalisierten produzierenden Industrie (v.a. BRIC-Staaten) auf der anderen Seite, erfordern einen sensibilisierten Umgang mit der Themenstellung. Derzeitige politische Bestrebungen und Gesetzesinitiativen zu verpflichtenden Energieaudits oder der alternativen Einführung von Energiemanagementsystemen (Stichwort Energiedienstleistungsgesetz) führen zwangsweise dazu; umfangreiche Forschungs- bzw. Wissens- und Technologietransferprogramme auf Landes- und Bundesebene setzen anderseits nötige Impulse zur Umsetzung. Maschinenhersteller sind überdies zur Sicherung der Innovationsführerschaft im Zugzwang, auch das „Feature Energieeffizient“ zu bedienen (Alleinstellungsmerkmal vs. Hygienefaktor).

Da die Material- und Energiekosten einen nicht zu unterschätzenden Anteil der Betriebskosten bilden, sind die Maschinenbetreiber gut beraten, ihre Investitionsentscheidungen mehr und mehr aus Lebenszyklusbetrachtungen abzuleiten.”

Produktion: Welche Möglichkeiten der Einsparung von Energie haben Maschinenbetreiber?

Kujath: “Ob Unternehmen eher zur Investition in ihre Bestandsanlagen tendieren (Optimierung) oder neue Anlagen beschaffen, ist stark branchenabhängig. Die Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz im Betrieb sind vielseitig und stark vom konkreten Produktionsprozess und durch das Technologieportfolio der Fabrik definiert. Zunächst ist in der Zielsetzung zu unterscheiden, ob der Energiebezug pro produzierter Einheit oder die Energiekosten im allgemeinen reduziert werden sollen.

Die Verbrauchsreduktion lässt sich durch die Minimierung von An- und Ausschaltmechanismen erreichen oder alternativ in der Reduktion des Leistungsniveaus (Lastmanagement, Vermeidung von Überdimensionierung und Blindlastreduktion) umsetzen. Hierbei bietet die Verbrauchsminimierung von Maschinen und Peripherien im Stand-by-Betrieb (Stichwort Grundlastminimierung) großes Potenzial.

Im Rahmen der Produktionsplanung und –Steuerung sind energieoptimale Abarbeitungsreihenfolgen und hohe Maschinenauslastungen unter reduzierten Rüstzeiten mitunter nicht nur logistisch effektiv, sondern führen auch energetisch zu mehr Effizienz. Ganze Prozessschritte sollten deshalb hinterfragt, bestenfalls beschleunigt, automatisiert oder konsequenterweise konsolidiert und harmonisiert werden, wenn sich dadurch die Energieeffizienz erhöht, ohne mit anderen Zielgrößen in Konflikt zu geraten.

Zur Steigerung der Energietransparenz sind Messungen, Lastprofile und kennzahlenbasierte Benchmarks sinnvoll. Eine verbesserte Datenbasis und –auswertung steigert nicht zuletzt die Prozessstabilität und verbessert das Qualitätsmanagement (Toleranzketten). Die simulationsgestützte Optimierung und Prognoseableitung auf Basis einer geeigneten Systemmodellierung führt in der Konsequenz dann zu einem verbesserten Gesamtsystem (Optimierung von Steuerkurven, Einschalt/Ausschaltparameter).

Die Steigerung relevanter Wirkungsgrade, die Reduktion von energetischen Verlusten und Ausschuss steigert hingegen sozusagen die „energetische Ausbeute“ also die Effizienz. Eine Option bildet die Zielsetzung einer Synchronisation von Energiebereitstellung und Energieverbrauch im Infrastrukturbetrieb und zur Integration erneuerbarer Energien. Alternativ ist die Mehrfachnutzung des Energieeinsatzes zu prüfen, wie sie beispielsweise durch Rekuperation (z.B. Schwungmassenspeicher), die Integration stationärer und mobiler Speicher oder Kraft-Wärme-Kopplung möglich ist. Ähnlich wie geschlossene Kreisläufe, die auch die Abwärme- und Reststoffnutzung einbeziehen, erfordert dies eine gezielte Fabrik- und Infrastrukturplanung (Kaskadierung und Skalierung z.B. Klimazonierung und Integration von Sonderflächen (Trockenräume etc.), Vermeidung unnötiger Redundanzen).

Einfacher und kurzfristiger umzusetzen, sind hingegen die Verbesserung einzelner Technologien, der Isolation oder die Optimierung von Querschnittstechnologien (Antriebe, Pumpen, Leuchtmittel). Das Feld der verfahrenstechnischen Optimierung (z.B. Temperierung, Ressourceneinsatz (Mischverhältnisse/Zusammensetzung), Zeitintervalle) oder die Optimierung der Konstruktion unter energierelevanten Aspekten erfordert eine gezielte produkt- und Materialentwicklung. Aspekte der Mitarbeiter-Sensibilisierung und des Wissensmanagements (durch Schulungen, Beratungen und Planspiele) bilden das Bindeglied zum Management- und Entscheiderfokus. Zur Energiekostenreduktion bieten sich letztlich Technologie- und Energieträgersubstitutionen an, wohingegen Überprüfungen bestehender Verträge (make-or-buy-Entscheidungen, Lieferanten-/Tarif-/Versorger-wechsel) andererseits erhebliche monetäre Effekte bringen.”

Produktion: Wird das Thema Energieeffizienz bei der Entwicklung von Produktionsmitteln ausreichend gewürdigt?

Kujath: “Maschinen- und Anlagenhersteller legen bei der Entwicklung ihrer Produkte mittlerweile großen Wert auf energieeffiziente Konstruktionen und Funktionsweisen, wenngleich pauschale Aussagen hierzu natürlich aufgrund der Heterogenität (Branchen, Technologiefelder, Unternehmensgrößen und Geschäftsstrategien) schwierig sind. Messeauftritte und Konferenzen zeigen allerdings den Fortschritt von Wissenschaft und Wirtschaft, bei der Identifizierung und Etablierung neuer und verbesserter technischer Ansätze. Innovationshürden sind bisher eher in der häufig mangelnden Wirtschaftlichkeit zu sehen. Dem gegenüber bieten Investitionen in Querschnittstechnologien/Peripherien (Antriebe, Pumpen, Beleuchtung, Druckluft) die oft zitierten „low-hanging-fruits“, d.h. erhebliche Potenziale, die sich kurz- und mittelfristig erzielen lassen und wirtschaftlich vorteilhaft sind.

Im Zuge der Entwicklungen der Industrie 4.0 wird eine vermehrte Vernetzung und Sensorintegration zu einem vereinfachten und verbesserten Monitoring und Energienanagement der Anlagen führen, bei dem die Parametrierung und Steuerung permanent und regelkreisbasiert überwacht wird und Sequenzen fehlerhafter Produktion, unbemerkter Komponentenausfälle, sowie unnötigen Energieverbrauch in Ruhezeiten vermeidet.

Die Rolle der Mechatronik und IT wird damit mehr und mehr zum Dolmetscher und Enabler zwischen den unterschiedlichen Welten der Produktionstechnik bzw. des Maschinenbaus, der Energietechnik bzw. der Infrastruktur/TGA-Planung und dem Management. Denn nach wie vor ist die Investitionsentscheidung abhängig von der wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit, bei der aktuell noch die hochverfügbare Energieversorgung einer energiekostenoptimierten und –flexiblen Produktionsplanung entgegen steht. Ganzheitliche Ansätze zur Erzielung von Synergien sind schnittstellenbedingt deshalb bisher nur schwerlich umzusetzen.”

Stefan Weinzierl