Der direkte Dialog zwischen Lieferant und Kunde: Ein vielversprechender Ansatz für die Energieoptimierung von Produktionsanlagen.
Wie der Schokoladenhersteller Villars, der gemeinsam mit seinem Lieferanten eine massgeschneiderte Wärmepumpe entwickelt hat, kann jedes Unternehmen seine Lieferanten auffordern, Anlagen speziell an seinen Bedarf anzupassen, um beträchtliche Energieeinsparungen oder -gewinne zu realisieren.
Diese Praxis setzt sich mehr und mehr durch.
«Einem Lieferanten die Aufgabe zu stellen, seine Anlagen hinsichtlich Energieverbrauch und Funktionalität zu optimieren, ist noch nicht die Regel», sagt EnAW-Energieberater Patrick Reusser. «Zu Zeiten billiger Energie waren Produktivität und Präzision vorrangig, nicht der Stromverbrauch. Oft hatten die Unternehmen auch keinen direkten Ansprechpartner für dieses Thema.»
Inzwischen wird die Energieeffizienz für Führungskräfte in Produktion, Technik und Finanzen immer wichtiger. Um die diesbezüglichen Stärken und Schwächen ihrer Anlagen zu ermitteln, können sie heute auf spezielle Tools und spezialisierte Dienstleister zurückgreifen. Unternehmen können nun bei der Neuanschaffung von Maschinen anhand ihrer Analysen spezifische Pflichtenhefte erstellen oder ihre Lieferanten um eine Nachrüstung vorhandener Anlagen bitten – und einige Lieferanten bieten bereits solche «Öko»-Lösungen an.
Patrick Reusser interessiert sich vor allem für Werkzeugmaschinen, für die es noch keine einheitlichen Energieeffizienzklassen gibt und deren Energieverbrauch bei gleicher Leistung um den Faktor 4 variieren kann. Das sind bereits zwei gute Gründe, die für eine enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Lieferant sowie für eine sorgfältige, gemeinsame Prüfung der Spezifikationen sprechen. Gegenstand dieses Dialogs, so der Berater, müssen ausserdem die optimale Auslegung der Maschine und deren Parametrierung sein, wobei unter anderem die Grösse der Werkstücke, die Losgrössen in der Produktion und die tatsächlich benötigte Präzision zu berücksichtigen seien. Patrick Reusser weist auch darauf hin, dass es hier um Systeme geht, die mit vielen Hilfsstoffen arbeiten – unter anderem mit Kälte, Druckluft, Wasser. «Werden Hilfssysteme für bestimmte Produktionsschritte nicht benötigt, müssen sie ohne Produktivitätseinbussen abgesperrt und schnell wieder in Betrieb genommen werden können. Dabei ist zu prüfen, ob diese Funktion bereits integriert oder nur als Option verfügbar ist», sagt er. Und er fährt fort: «Selbst ein vorhandener Öko-Modus bleibt ungenutzt, wenn der Anlagenführer nicht darüber informiert ist! Ist die Sperrung nicht programmierbar, tut es auch eine manuelle Abschaltung, sofern sie leicht zugänglich ist … und der Anlagenführer entsprechend geschult wird.
Patrick Reusser, EnAW-Berater, Maschinenbauingenieur (HES). Patrick Reusser verfügt über langjährige Praxiserfahrung in den Bereichen Werkstoffe, Entwicklung von Schneidinstrumenten und Industrialisierung von Bearbeitungsverfahren; er arbeitet heute als Berater in einem Ingenieurbüro.
Elektrische Antriebe sind für nahezu 50 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in der Schweiz verantwortlich; in Branchen mit hohem Einsparpotenzial sind es sogar 80 Prozent. EnAW-Energieberater Nicolas Macabrey berichtet im Interview über seine langjährige Erfahrung in Bezug auf die bestmögliche Nutzung dieses Potenzials.
Nicolas Macabrey (NM): Die Bezeichnung umfasst Pumpen, Lüfter, Druckluft- und Kältekompressoren sowie alle sonstigen Komponenten, die von einem Elektromotor angetrieben werden.
NM: Aus den mehreren hundert Analysen und Umsetzungen, die wir in den letzten 15 Jahren durchgeführt haben, wissen wir, dass die möglichen Einsparungen rund 20 bis 40 Prozent betragen. In Extremfällen lässt sich der Verbrauch sogar um 75 Prozent senken!
NM: Man muss vor allem das gesamte System – alle miteinander verbundenen Komponenten – betrachten und im realen Betrieb messen, um herauszufinden, wo die meiste Energie verloren geht. Entgegen der weit verbreiteten Annahme sinkt der Energieverbrauch nur um wenige Prozent, wenn man einen Motor durch ein effizienteres Modell ersetzt. Die grossen Einsparungen liegen woanders: Vor allem ist zu prüfen, welcher Energiebedarf für die jeweilige Anwendung tatsächlich gedeckt sein muss, damit dann das gesamte System an diesen Bedarf angepasst werden kann. Ein Beispiel: Bei einem Lüfter, dessen Abgabeleistung nur 25 Prozent über dem tatsächlichen Bedarf liegt, verdoppelt sich der Energieverbrauch!
Ausserdem laufen die angetriebenen Komponenten – ob Pumpe, Lüfter oder eine andere Ausrüstung – oft nicht im optimalen Betriebsbereich, was beträchtliche Energieverluste verursacht. Auch die beste Pumpe der Welt hat nur einen mittelmässigen oder gar schlechten Wirkungsgrad, wenn sie mit der falschen Drehzahl betrieben wird.
Das dritte grosse Einsparpotenzial liegt in den Stellgliedern – Klappen und Regelventilen –, die möglicherweise unnötig viel Strom verbrauchen. In diesem Fall empfiehlt es sich, das angetriebene Element durch eine neu ausgelegte Komponente zu ersetzen und bei variablem Strombedarf einen Drehzahlregler zu installieren.
Um zu vermeiden, dass eine wenig effiziente Energienutzung für die nächsten 15 bis 25 Jahre fortgeschrieben wird, darf man daher Systemkomponenten nicht einfach durch identische neue Komponenten ersetzen. Mein sogenanntes «Geheimnis» ist also gar nicht so geheimnisvoll: Es geht in erster Linie darum, den tatsächlichen Energiebedarf eines jeden Systems zu ermitteln, um es dann auf diesen Bedarf anzupassen.
NM: Das Bundesamt für Energie (BFE) hat 2023 INCITE eingeführt – ein neues Programm, das sich auf die Optimierung von elektrischen Antrieben konzentriert und von der EnAW unterstützt wird. Um die Fragen der Unternehmen zum Thema elektrische Antriebe beantworten zu können, hat das BFE ein Kompetenznetzwerk aus anerkannten Energiespezialisten eingerichtet. Es ermöglicht den Unternehmen, sich auf eine klar umrissene Planung abzustützen: Wie geht man die Optimierung von elektrischen Antrieben an? Wer bietet Hilfestellung? Welche Verfahren sind geeignet? Welche Tools und Fördermittel sind speziell für die Optimierung von elektrischen Antrieben verfügbar
NM: Unter Umständen gibt es in einem Unternehmen sehr viele elektrische Antriebe; je nach Betrieb können es einige hundert bis mehrere tausend sein. Man sollte sich daher von Anfang an auf die Antriebe mit dem grössten Sparpotenzial konzentrieren. Mit dem vom BFE bereitgestellten INCITE-Tool erstellt das Unternehmen – oder dessen Beraterin oder Berater – zunächst eine Liste aller potenziell interessanten elektrischen Antriebe. Die Auswahlkriterien sind einfach: Die möglichen Einsparungen werden anhand einiger Basisdaten (Alter, Grösse, Betriebsdauer) der jeweils untersuchten Ausrüstung eingeschätzt, woraus sich ergibt, welche Detailanalysen vorrangig durchgeführt werden sollten. So kann man sich auf die Komponenten fokussieren, die potenzielle Einsparungen von mehr als 20 Prozent und einen Payback von unter 5 Jahren bieten.
Dann nimmt ein Spezialist an den ausgewählten elektrischen Systemen Messungen vor und erstellt eine detaillierte Betriebsanalyse. Dieser Schritt ist unverzichtbar, denn ein ineffizienter Betrieb ist nicht leicht zu erkennen! In dieser Phase wird in enger Zusammenarbeit mit der Produktionsleitung und der für die technischen Anlagen des Unternehmens zuständigen Person der tatsächliche Energiebedarf bestimmt.
Die dann vorliegenden Daten ermöglichen genaue Angaben zur Höhe der Energieeinsparung sowie die Auslegung des neuen Systems mit den geeignetsten Komponenten.
Darüber hinaus fallen bei der Optimierung der elektrischen Antriebe oft auch andere Funktionsmängel oder Schwächen auf, deren Beseitigung den Unternehmen zusätzliche Vorteile bringt.
NM: Zum einen gibt es Fördermittel für die Messungen und die Analysen zur Bestimmung, welche Ausrüstung wie ersetzt werden muss; zum anderen wird auch die Umsetzung gefördert, sobald sich die Investitionen konkret beziffern lassen.
NM: Über ihre Beraterinnen und Berater steht die EnAW in direktem Kontakt mit den Unternehmen und kann diese daher sehr effektiv beraten und begleiten. Vor dem Hintergrund der Energiepreise und des latenten Risikos einer Energiemangellage, die eine gewaltige Herausforderung darstellen, hat die EnAW beschlossen, das INCITE-Programm zu unterstützen, indem sie Energieberaterinnen und -berater ausbildet und sie mit einem Mentoringprogramm unterstützt: Die Mentoren – spezialisierte Fachingenieure und -ingenieurinnen – begleiten die Beraterinnen und Berater bei den verschiedenen Optimierungsmassnahmen in der Praxis.
NM: Befassen Sie sich möglichst bald mit diesem Thema! Alles, was Sie jetzt umsetzen können, wirkt sich positiv auf Ihre Stromrechnung aus bildet gleichzeitig die Basis für Ihre zukünftigen Zielvereinbarungen.
Nicolas Macabrey, EnAW-Berater, Elektroniker (HES), Elektroingenieur (EPFL) und Doktor der Ingenieurwissenschaften (EPFL) ist seit mehr als zwölf Jahren in einem Beratungsbüro im Bereich elektrische Antriebe tätig. Der Leiter des Kompetenzzentrums des BFE-Programms INCITE hat bereits Hunderte von Analysen in Unternehmen durchgeführt und beteiligt sich seit 2022 intensiv an der Entwicklung von schweizweiten und kantonalen Programmen.
09.04.2024
Die «Zeitenwende» hat der Energiewende einen enormen Schub gegeben. Dekarbonisierung, Energie- und Ressourceneffizienz – wir können sicher sein: Es geht voran! Energie ist zu einem der Top-Themen auf den Chefetagen geworden.
Weg zu Netto-Null und zur Kreislaufwirtschaft muss allerdings sehr gut geplant sein. Wir sind überzeugt, dass der von uns verfolgte Ansatz betriebswirtschaftlich und ökologisch die gewünschten Wirkungen erzeugt: weniger Ressourcen, nachhaltige Prozesse und Produkte, sinkende Energiekosten und einen verkleinerten Fussabdruck.
Die EnAW-Methode wurde bereits in den 1990er Jahren «geboren». Gegen die erwarteten, steigenden Energiepreise schuf die Wirtschaft damals das freiwillige Zielvereinbarungsmodell, das später als Lenkungsinstrument auch Einzug in das CO2-Gesetz fand: Analyse, Zielbildung, Massnahmen und Monitoring. Die steigende Energieeffizienz durch die Massnahmenumsetzung sollte die steigenden Energiekosten kompensieren. Heute wissen wir: Das klappt.
Jetzt liegen die nächsten Etappen vor uns. Dafür haben wir die EnAW-Methode auf unsere Angebote «Dekarbonisierung » und «Ressourceneffizienz» übertragen. Wie das in der Praxis aussieht, erfahren Sie hier im Magazin. Ausserdem bieten wir einfache Energiespartipps und eine gute Portion Hintergrundwissen von Energie- und Politikexperten.
Wir wünschen Ihnen eine gute Lektüre!
Rudolf Minsch
Präsident
Erich A. Kalbermatter
Co-Geschäftsführer
Thomas Weisskopf
Co-Geschäftsführer
09.04.2024
Industriebetriebe brauchen zur Umsetzung ihrer Dekarbonisierungsstrategien Innovationen im Bereich Prozesswärme. Das 2016 gegründete ETH-Start-up Synhelion arbeitet am Upscaling eines Verfahrens, das Solarenergie unter anderem für Hochtemperaturprozesse nutzbar macht.
Industrielle Prozesswärme wird heute vorwiegend mit der Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle bereitgestellt. Unternehmen mit einer Roadmap zur Dekarbonisierung suchen nach einem Ersatz für die fossilen Energieträger. Wie dieser aussehen kann, hängt unter anderem vom Temperaturbereich ab. Prozesse tiefer und mittlerer Temperatur können zum Beispiel mit einer direkten Nutzung von Solarwärme oder dem Einsatz von Wärmepumpen erneuerbar gemeistert werden. Die Bereitstellung hoher Temperaturen von mehr als 160 Grad ist aber auch unter Beizug von Wärmepumpen bisher nicht möglich.
Ein neuer Ansatz entstand vor zehn Jahren an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und wird unterdessen vom Start-up Synhelion kommerzialisiert. Die Innovation ist eine Weiterentwicklung von Solarwärmekraftwerken, bei denen das Sonnenlicht durch ein Spiegelfeld auf einen Punkt gebündelt wird, womit sehr hohe Temperaturen erreicht werden. Im Fall von Synhelion wird der zentrale Receiver bzw. das darin zirkulierende Wärmeträgermedium – ein Gasgemisch aus Kohlendioxid und Wasser – auf 1500 Grad erhitzt.
Die Hochtemperaturwärme kann direkt als Prozesswärme eingesetzt werden – oder sie wird in einem mehrstufigen Prozess zur Herstellung von synthetischen Treibstoffen herangezogen: Im ersten Prozessschritt wird hierbei in einem thermochemischen Reaktor aus Wasser, Kohlendioxid und fallweise Biomethan sogenanntes Synthesegas hergestellt. Aus dem Gas wird im zweiten Schritt unter Verwendung des Fischer-Tropsch-Verfahrens flüssiges Rohöl produziert. Aus diesem lassen sich – Schritt 3 – synthetische Treibstoffe wie Kerosin, Benzin und Diesel gewinnen.
«Unsere Technologie zielt in erster Linie auf die Herstellung von nachhaltigen Solartreibstoffen für Verkehrssektoren ab, bei denen eine Elektrifizierung nicht möglich ist, wie beispielsweise im Flugsektor», sagt Mitgründer und Co-CEO Gianluca Ambrosetti. Gegenwärtig entsteht in Jülich (Deutschland) unter dem Namen DAWN eine industrielle Produktionsanlage. Mit einer Spiegelfläche von 1500 m2 wird sie jährlich einige Tausend Liter Solartreibstoff zu Demonstrationszwecken herstellen. 2025 soll dann in Spanien die erste kommerzielle Anlage mit einer Jahresproduktion von 1.25 Millionen Litern in Betrieb gehen. Bis 2030 strebt Synhelion eine Produktionskapazität von 875 Millionen Litern an. Mit der Treibstoffmenge liesse sich die Hälfte des Schweizer Kerosinbedarfs decken.
Industrieunternehmen mit Bedarf an Hochtemperatur-Prozesswärme könnte die innovative Technologie ebenfalls erstmals eine solare Alternative bieten: Der patentierte Solar-Receiver macht in Kombination mit thermischen Wärmespeichern solare Prozesswärme im Bereich von 1000 bis 1500 Grad rund um die Uhr verfügbar. Die Integration der Technologie in bestehende Anlagentechnologie ist allerdings mit erheblichen Hürden verbunden. Für eine wirtschaftliche Nutzung ist zudem ein sehr sonnenreicher Standort mit hinreichend Platz erforderlich. Die Nutzung von solarer Hochtemperatur-Prozesswärme dürfte somit auf spezielle Anwendungsfälle beschränkt bleiben.
Um das Potenzial einer direkten Nutzung von Solarwärme zu evaluieren, hat Synhelion mit dem global tätigen mexikanischen Zementhersteller CEMEX zusammengespannt. Die Zementherstellung ist für rund acht Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Die Branche kann somit einen wirksamen Beitrag zu Erreichung der weltweiten Klimaziele leisten. Eine 2020 abgeschlossene Studie der beiden Unternehmen hat gezeigt, dass die Dekarbonisierung der Zementherstellung mittels Solarwärme grundsätzlich möglich ist.
2022 wurde auf einer Anlage bei Madrid die Herstellung von ‘Solarzement’ in einem Batch-Prozess demonstriert. Im nächsten Schritt soll das Verfahren auf einer Pilotanlage in einem Zementwerk als kontinuierlicher Prozess umgesetzt werden. Das ETH-Start-up und CEMEX haben das ehrgeizige Ziel, bis Ende des Jahrzehnts mit einer kommerziellen Anlage am Markt zu sein. Neuanlagen werden gemäss aktuellen Schätzungen mit fossil beheizten Anlagen zur Zementherstellung konkurrenzfähig sein. Mittelfristig könnte die Technologie für solarthermisch betriebene Zementwerke mittels Lizenzvereinbarungen ein branchenweite Prozessinnovation anstossen.
Der Schlüsselprozess bei der Zementherstellung ist die Verarbeitung von Kalkstein und weiteren Ausgangsstoffen zu Klinker, jenem Stoff, der in Zement als Bindemittel dient. Der hierzu notwendige Brennprozess erfolgt bisher in fossil beheizten Drehrohröfen bei 1400 Grad. Die Wärme aus dem Sonnenheizwerk von Synhelion hat somit die erforderliche Temperatur. Die Integration der Solarwärme in den angestammten Prozess der Zementherstellung sei anspruchsvoll, aber lohnend, betont Gianluca Ambrosetti: «Unsere Technologie hat das Potenzial, den CO2-Fussabdruck der Zementproduktion drastisch zu reduzieren.»
Für Zementhersteller ist das ein vielversprechender Ansatz. Die fossile Beheizung der Drehrohröfen ist nämlich nur für rund einen Drittel der Treibhausgasemissionen der Zementproduktion verantwortlich. Die restlichen Emissionen entstehen nicht verbrennungsbedingt, sondern entweichen im Brennprozess aufgrund chemischer Reaktionen aus dem Kalkstein. Mit dem innovativen Verfahren lassen sich diese zusätzlichen CO2-Emissionen relativ einfach einfangen, und das zurückgewonnene CO2 kann einer neuen Verwendung zugeführt werden. Als Fernziel schwebt dem Zürcher Jungunternehmen vor, das CO2 für die Herstellung des synthetischen Treibstoffs zu nutzen.
Synhelion beschäftigt 40 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. In mehreren Finanzierungsrunden hat das Start-up 60 Millionen Franken eingeworben. Unter den Geldgebern sind unter anderem Investoren, die die Technologie zur Dekarbonisierung ihrer Geschäftstätigkeit nutzen wollen: die Lufthansa-Gruppe mit der Schweizer Tochter SWISS, die Autohändlerin AMAG Group, der Stahlkonzern SMS Group und CEMEX.
09.04.2024
Die betriebliche Mobilität optimieren
Das Angebot Mobilität der Energie-Agentur der Wirtschaft zielt auf die Optimierung der Fahrzeugflotte, die für die Geschäftstätigkeit im Einsatz ist, sowie die Arbeits- und Transportwege. Hier erfahren Sie mehr:
Klug dekarbonisieren
Mit der Roadmap zur Dekarbonisierung unterstützt und berät die Energie-Agentur der Wirtschaft Unternehmen bei der Entwicklung einer schrittweisen und betriebswirtschaftlich sinnvollen Dekarbonisierungsstrategie.