Wer spart, gewinnt

Energie – Sparsam mit Energie umzugehen und das Klima zu schonen, sind im Maschinen- und Anlagenbau wichtige Prämissen.

17. Dezember 2008

Die weltweite Nachfrage nach Energie steigt rasant, und die Eindämmung des globalen Klimawandels zählt zu den größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Politik hat auf diese Herausforderungen reagiert und ambitionierte Ziele in den Bereichen Klima und Energie festgelegt. Um den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2020 um jeweils 20 Prozent senken zu können, sind neue Lösungen gefragt, die eine sichere und umweltverträgliche Versorgung mit Energie gewährleisten und für Energieeinsparungen durch Effizienzsteigerung sorgen.

Dem Maschinen- und Anlagenbau kommt hierbei eine Schlüsselfunktion zu. Die Verbesserung von Funktionalität und Effizienz steht für Unternehmen der Branche bei der Produktweiter- und -neuentwicklung seit jeher im Mittelpunkt. Energieeffizienzmaßnahmen im industriellen Bereich sind aber nicht »von der Stange« zu haben wie etwa eine Energiesparlampe. Unabhängig vom konkreten Anwendungsfall liegt der Schlüssel zur Optimierung im perfekten Zusammenspiel vieler unterschiedlicher Komponenten im Rahmen einer intelligenten Systemlösung. Maximale Effizienzgewinne lassen sich erzielen, wenn die Systemkomponenten und deren Zusammenspiel sowie Bedarfs- und Betriebsparameter als Ganzes in den Optimierungsprozess einfließen. Mit so konzipierten, zukunftsweisenden Technologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Energieumwandlung über einzelne Komponenten bis hin zur Produktion – leistet der Maschinen- und Anlagenbau einen ganz entscheidenden Beitrag zur Versorgungssicherheit, Ressourcenschonung und CO2-Einsparung.

Energie effektiv umwandeln

Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus befassen sich intensiv damit, fossile und erneuerbare Energieträger in die Endverbrauchsenergien Strom, Wärme und Treibstoff effizient umzuwandeln. Im Bereich der konventionellen Strom- und Wärmeerzeugung haben Maschinenbauer durch intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten die Effizienz bei Energieumwandlungsprozessen wesentlich erhöht und gleichzeitig den Brennstoffverbrauch deutlich gesenkt.

Von zentraler Bedeutung sind dabei moderne Turbomaschinen. Als hochkomplexe Produkte verbinden sie den klassischen Schwermaschinenbau mit Hochtechnologie und ultramoderner Fertigung. Mit der Präzision eines Uhrmachers und fortschrittlichen Methoden werden dabei sowohl tonnenschwere als auch winzige Bauteile zusammengefügt.

In den vergangenen Jahrzehnten konnten Ingenieure den Wirkungsgrad kombinierter Gas- und Dampfturbinenkraftwerke erheblich steigern. Dieser lag Anfang der 90er- Jahre noch bei 51 Prozent, mittlerweile sind es 58 Prozent. Die nächste Turbinengeneration mit Wirkungsgraden von über 60 Prozent befindet sich bei einem großen Hersteller bereits in der Pilotphase. Der Einsatz einer Turbine dieses Typs bringt jährlich Einsparungen von rund 40.000 Tonnen CO2 – was dem Ausstoß von 10.000 Mittelklasse- Pkw bei einer Fahrleistung von 20.000 Kilometern pro Jahr entspricht.

Mit 340 Megawatt ist diese neue Gasturbine zum gegenwärtigen Zeitpunkt die weltweit leistungsstärkste: Ihre Leistung reicht aus, um die Bevölkerung einer Großstadt wie Hamburg mit etwa 1,8 Millionen Einwohnern umweltverträglich mit Strom zu versorgen. Die weiteren Entwicklungen zielen darauf ab, mithilfe höherer Temperaturen und Drücke und innovativer Anlagenkonzepte wie der Kraft-Wärme-Kopplung höchste Effizienzgrade zu erzielen.

Energie laufend erneuern

Bei den erneuerbaren Energien – egal ob auf Basis von Wasser, Biomasse, Wind, Sonne oder Erdwärme – liefern Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus die Anlagentechnik zur Erzeugung von Strom und Wärme und gehören dabei zu den Spitzenreitern im weltweiten Wettbewerb.

In der Entwicklung befassen sich Anlagenbauer mit zwei Aspekten: Zum einen mit der Erschließung und Nutzbarmachung neuer Energiequellen, die einen maßgeblichen Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten. Beispiele dafür sind Wasserkraftanlagen im Meer, die die Energiepotenziale von Meeresströmungen und Wellen nutzen, oder Windkraftanlagen auf hoher See. Zum zweiten dreht sich die Entwicklungsarbeit um die Verbesserung der Effizienz, damit gewährleistet wird, dass erneuerbare Energien noch wirtschaftlicher werden, wie bei der Photovoltaik oder der Nutzung von Bioenergie.

Noch vielfältiger sind die Energieeffizienzpotenziale im Bereich der Energienutzung. Die möglichen Anwendungen reichen von effizienten Aufzügen, Brauereien und Öfen über Schiffe und Traktoren bis hin zu Waschverfahren und Zementfabriken.

Erheblich einsparen lässt sich Energie beispielsweise in den industriellen Neben- oder Querschnittsprozessen wie etwa dem Fördern von Luft und Prozessgasen oder Flüssigkeiten in der Produktion, beim Heizen oder Kühlen. Diese Prozesse finden nicht nur in nahezu allen industriellen Bereichen Anwendung, auf sie entfallen nach einer Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung auch etwa zwei Drittel des Energiebedarfs des produzierenden Gewerbes. Das durchschnittliche Einsparpotenzial in den industriellen Nebenprozessen beträgt 20 bis 40 Prozent – allein durch optimierte Technologien.

Ein Beispiel: Auf das System Druckluft entfallen in der Europäischen Union rund 10 Prozent des industriellen Stromverbrauchs. Über 60.000 Kompressoren mit mehr als zehn Kilowatt Motorleistung sind allein in deutschen Produktionsbetrieben installiert. Würden die Unternehmen Anlagen nach dem aktuellen Stand der Technik einsetzen, könnten sie bei der Erzeugung, Aufbereitung und Verteilung von Druckluft bis zu 30 Prozent Energie einsparen. Dabei werden alle Prozessschritte, in die der Kompressor eingebunden ist, optimiert. Einsparungen werden etwa durch einen Druckluftfilter mit moderner Strömungsführung und neuartigem Filtermedium wie auch durch einen mit einer bedarfsabhängigen Steuerung ausgestatteten Drucklufttrockner erzielt.

Bei der Druckluftverteilung schließlich sind Leckagen, häufig an Verbindungsstellen, wahre Energiefresser. Verluste von fünf bis zehn Prozent sind hier üblich, 25 bis 30 Prozent keine Seltenheit – sie lassen sich aber allein durch regelmäßige Leckagemessungen ohne große Investition vermeiden.

Energie intelligent nutzen

Zu den Zukunftsfeldern im Maschinen- und Anlagenbau zählt die intelligente Nutzung von Energie in komplexen Systemen und Produktionsprozessen. Auch in diesem Bereich gibt es Beispiele für den Facettenreichtum der Anwendungen sowie potenzielle Stellschrauben zur Energieeinsparung:

Fast 40 Prozent der industriell genutzten Energie in Deutschland werden in Industrieöfen, die in Stahl-, Walz- und Hammerwerken oder in der Glastechnik zur Anwendung kommen, eingesetzt. 2006 summierte sich der Verbrauch auf rund 10 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs Deutschlands – wovon 14 Millionen Haushalte in Deutschland ein Jahr lang mit Energie versorgt werden könnten. Das Sparpotenzial schwankt je nach Alter einer Thermoprozessanlage. Moderne Anlagen benötigen zum Teil ein Drittel weniger Energie als alte.

Bei energetischer Optimierung von Neuanlagen wird die mögliche Verbrauchssenkung derzeit auf bis zu 15 Prozent geschätzt. Neue Anlagenkonzepte und verfahrenstechnische Innovationen verkürzen die Prozesszeiten und sind der Schlüssel zur Realisierung der Einsparpotenziale. Dazu gehören neue, kürzere Verfahren in der Wärmebehandlung, Wärmerückgewinnung und die Modernisierung bestehender Anlagen, etwa durch Nutzung neuester Komponenten in der Brennertechnik.

Energie zurückholen

Auch wenn durch intelligente Antriebslösungen Bremsenergie rückgewonnen wird, können Anwender Energie effizienter nutzen. Das Prinzip ist einfach: Statt über Reibung zu verzögern und die Energie als Wärme ungenutzt zu verschwenden, wandelt ein Antrieb sie in Strom oder Druck um und stellt sie dem System wieder zur Verfügung.

Dieser Ansatz bewährt sich bereits in zahlreichen Umformmaschinen, wo die kurzen Beschleunigungs- und Bremszyklen einen hohen Rückgewinnungsgrad ermöglichen. Realisiert wird die Energieeinsparung mit elektrischen oder hydraulischen Antrieben. Rückspeisefähige Frequenzumrichter arbeiten im Bremsbetrieb als Generator und erzeugen Strom für andere Verbraucher oder können über einen gemeinsamen Gleichspannungs- Zwischenkreis die Energie untereinander austauschen.

Bei hydraulischen Lösungen lädt die Bremsenergie einen Druckspeicher auf. Die kompakte und nahezu wartungsfreie Lösung speichert Energie über einen längeren Zeitraum und gibt sie kontrolliert in hoher Kraftdichte wieder an das System ab. Das beschriebene Prinzip eignet sich grundsätzlich auch für mobile Arbeitsmaschinen, es senkt auf der einen Seite den Verbrauch und reduziert auf der anderen Seite Abgas- und Geräuschemissionen.

Intelligente Regelkonzepte über alle Antriebstechnologien und Anwendungen hinweg runden die Systembetrachtung ab. So wird beispielsweise Energie, die bei einer Abwärtsfahrt eines Regalbediengerätes in Hochregallagern frei wird, für parallel laufende Bewegungen innerhalb des Gerätes genutzt. Die restliche Energiemenge, immerhin bis zu 30 Prozent der frei werdenden Gesamtmenge, gelangt zurück in das Versorgungsnetz.

Der Bedeutungszuwachs, den effiziente Technologien derzeit erfahren, und die guten Vorarbeiten deutscher Unternehmen in den vergangenen Jahren machen das Knowhow der Maschinen- und Anlagenbauer zum klaren Wettbewerbs- und Standortvorteil. Unternehmen der Branche sind damit gut gerüstet, durch kontinuierliche Entwicklungsarbeit nicht nur weitere Einsparpotenziale zu realisieren, sondern diese auch erfolgreich vermarkten zu können.

Juliane Hübner, VDMA Forum Energie/mk

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2009