Energieeffizienz Wo sind noch Potentiale? Karlsruhe 8. Dezember 2011 Prof. Dr.-Ing. Harald Bradke...
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Energieeffizienz
Wo sind noch Potentiale?
Karlsruhe8. Dezember 2011
Prof. Dr.-Ing. Harald Bradke
Energiekongressder TechnologieRegion Karlsruhe
World abatement of of energy-related CO2 emissions in the 450 Scenario
IEA World Energy Outlook 2009
2
IEA World Energy Outlook 2009
… und dann wären da noch einige Herausforderungen bei den Ressourcen …
Erdöl:
Erdgas:
3
4
Kostenanteile Verarbeitendes Gewerbe Deutschland 2008 bezogen auf Bruttoproduktionswert
Quelle: Statistisches Bundesamt, FS 4, R 4.3; 2010
Personal17%
Handelsware11%
Energie2%
Material45%
Sonstiges25%
5
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
Fahrzeugbau
Elektrotechnik
Maschinenbau
Verarb. Gewerbe insges.
Ernährung
Gummi- u. Kunststoffw.
Textil
Chemische Industrie
Metallerz., -bearb.
Grundstoffchemie
Glas, Keram., Verarb.
Erz. Roheis., Stahl etc.
Papierherstellung
Zement
Öl&Gas
Sonst. Brennstoffe
Strom
Energiekostenanteile Deutschland 2008bezogen auf Bruttoproduktionswert
Verarbeitendes Gewerbe Durchschnitt 2008: 2,1 %
Quelle: Statistisches Bundesamt, FS 4, R 4.3; 2010; eigene Berechnungen
Energieverbrauch, Bruttowertschöpfung und Energieintensität nach Industriebranchen Deutschland 2007
Quellen: AGEB 2010; Statistisches Bundesamt 2009
Fläche der Kreise entspricht der
Energieintensität
rote Füllung: Energieintensität über 10 MJ je Euro
6
7
8
9
10
Haushalte; 501 PJ ; 28%
Industrie; 759 PJ ; 42%
GHD; 484 PJ ; 27%
Verkehr; 58 PJ ; 3%
Stromverbrauchsstruktur Deutschland im Jahr 2009
11
Stromverbrauchsanteile in der Industrie (EU)
Elektromotoren und-anwendungen 70%
Pumpen30%
Ventilatoren
15%
Kälte-maschinen
15%
Andere Anwendungen:Mischen, Rühren,Transportieren: 30%
Luftkom-pressoren 10%
Sonstiges 30%
12
Einsparmöglichkeiten bei Antrieben
MaßnahmenEinspar-potenzial
Systeminstallation oder Erneuerungenergieeffiziente Motoren (EEM) 2-8 %korrekte Dimensionierung 1-3 %energieeffiziente Motorreparatur 0,5-2%Antriebe mit veränderlicher Drehzahl 10-50 %Getriebe/Untersetzungsgetriebe hoher Effizienz 2-10 %Qualität der Stromversorgung 0,5-3 %Systembetrieb und WartungSchmierung, Einstellung und Feinabstimmung 1-5 %
13
Wirkungsgrade von Elektromotoren
14
Kosteneinsparpotential (Beispiel: 45 kW Motor)
Betriebsstunden [h/a] 2000 4000 8000 Jährliche Energiekosten [EURO]
4451 8901 17802 Standard Motor Mittlerer Wirkungsgrad: 91% Preis: 1350 Euro Jährliche Energiekosten /
Preis 3,3 6,6 13,2
Jährliche Energiekosten [EURO]
4309 8617 17234 Hoch Effizienz Motor, HEM Mittlerer Wirkungsgrad: 94% Preis: 1690 Euro Jährliche Energiekosten /
Preis 2,5 5,0 10,0
Preisdifferenz 340 Euro (ca. 25 %) Differenz der jährlichen Energiekosten 142 284 568 Einfache Amortisationszeit (HEM vs. Standard) 2,4 1,2 0,6
15
Pumpensysteme – mehr als nur eine Pumpe
StandardmotorEffizienz = 90%
AnschlussEffizienz = 98%
DrosselEffizienz = 66% Rohrnetz
Effizienz = 69%
Energie-Input 100
Energie-Input 43
drehzahlvariabler AntriebEffizienz = 96%
hocheffizienter MotorEffizienz = 95%
AnschlussEffizienz = 99%
PumpeEffizienz = 77%
verbesserte PumpeEffizienz = 88%
Rohrnetz mitgeringerer Reibung
Effizienz = 90%
Energie-Output 31
Energie-Output 31
Konventionelles PumpensystemGesamteffizienz = 31%
Energieeffizientes PumpensystemGesamteffizienz = 72%
16
Energieeinsparung bei der Volumenstromregelung
Bypass
Drossel
Drall
Drehzahl
theoretisch
17
Beispiel elektronische Drehzahlregelung an einem Kühlschmierstoffsystem
Einsparung: 250 MWh/a, Amortisationszeit < 2 Jahre
Quelle "Mercedes-Benz CO2-Projekt"
18
19
„Energieausbeute“ Druckluftantriebe
1Nm3 pro
MinuteDL mit 6 barü
Kompressor ca. 7kWel
Bohrmaschine ca. 0,8kWWelle
ohne Berücksichtigung der
Leckagen u. Druckverluste
9:1
20
Drucklufterzeugung: Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Einsparpotential
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000 10000 100000
Stromverbrauch für die Drucklufterzeugung [MWh/a]
Erm
itte
ltes
Ein
spar
po
ten
tial
Quelle: Fraunhofer ISI, Karlsruhe, November 2003
21
Energieeinsparmaßnahme Anwend-
barkeit %
Effizienz-
gewinn (%)
Gesamt-
Potenzial
(%)
Neuanlagen oder Ersatzinvestitionen
Verbesserte Antriebe (hocheffiziente Motoren, HEM) 25 2 0,5
Verbesserte Antriebe (drehzahlvariable Antriebe, ASD) 25 15 3,8
Technische Optimierung des Kompressors 30 7 2,1
Einsatz effizienter und übergeordneter Steuerungen 20 12 2.4
Wärmerückgewinnung für Nutzung in anderen Funktionen 20 20 4,0
Verbesserte Druckluftaufbereitung,
Kühlung, Trocknung, Filterung10 5 0,5
Gesamtanlagenauslegung inkl. Mehrdruckanlagen 50 9 4,5
Verminderung der Druckverluste im Verteilsystem 50 3 1,5
Optimierung von Druckluftgeräten 5 40 2,0
Anlagenbetrieb und Instandhaltung
Verminderung der Leckageverluste 80 20 16,0
Häufigerer Filterwechsel 40 2 0,8
Summe 32,9
Beispiel Druckluft:Mehr als 30% Effizienz zu interner Verzinsung von 30-40%
22
80%
15%5%
Energiekosten
Investitionskosten
Wartungskosten
Lebenszykluskosten von motorisch betriebenen Systemen
Beispiel Druckluftkompressor
Leistung 110 kW
Lebensdauer 15 a
Betriebsstunden 4000 h/a
Energiepreis 6 ct/kWh
Viele Maßnahmen sind hochrentabel,
weil die Energiekosten 80 bis 95 % der Lebenszykluskosten ausmachen.
23
Interne Verzinsung von Energieeinsparinvestitionen als Funktion von Amortisationszeit und Lebensdauer
geforderte Amorti- Interne Verzinsung in % pro Jahr1)
sationszeiten Anlagennutzungsdauer (Jahre)
Jahre 3 4 5 6 7 10 12 15
2 24% 35% 41% 45% 47% 49% 49,5% 50%
3 0% 13% 20% 25% 27% 31% 32% 33%
4 0% 8% 13% 17% 22% 23% 24%
5 0% 6% 10% 16% 17% 18,5%
6 unrentabel 0% 4% 10,5% 12,5% 14,5%
8 4,5% 7% 9% 1) unterstellt wird eine kontinuierliche Energieeinsparung über die gesamte Anlagen-nutzungsdauer
abgeschnittene rentable Investitionsmöglichkeiten
24
Fördernde Faktoren: Energieeffizienztechnologien & TCO
Quelle: Erhebung Modernisierung in der Produktion 2009, Fraunhofer ISI, N (KWK)= 1.153, N (Prozess) = 1.163, N (Pumpen)1.371, N (E-Motor) = 1.380, N (Stand-by) = 1.385
25
Fördernde Faktoren: Effizienztechnologien und Umweltkennzahlensysteme
5%
8%
13%
23%
28%
44%
11%
19%
21%
47%
50%
64%
0% 20% 40% 60% 80%
Wärmearme Fügeverfahren
Einsatz von Hocheffizienzpumpen
Kraft-Wärme(-Kälte)-Kopplung
Steuerungskonzept zur Abschaltung von Maschinen in Schwachlastzeiten
Rückgewinnung von Bewegungs-und Prozessenergie
Elektromotoren mit Drehzahlregelung
Betriebe mit UKZ Betriebe ohne UKZ
Erhebung Modernisierung der Produktion 2009, Fraunhofer ISI
Anteil von Betrieben mit Nutzung der Einspartechniken
Quelle: Erhebung Modernisierung in der Produktion 2009, Fraunhofer ISI, N (KWK)= 1.153, N (Prozess) = 1.163, N (Pumpen)1.371, N (E-Motor) = 1.380, N (Stand-by) = 1.385
26
Weitere Gründe, warum viele Betriebe nur einen Teil der rentablen Potentiale realisieren
� Mangelnde energietechnische Kenntnisse und Marktüberblick bei Betrieben und Beratern
� Hohe innerbetriebliche Such- und Entscheidungskosten (Transaktionskosten)
� Andere Prioritäten der Geschäftsleitung (Arbeitsproduktivität, Umsatzsteigerung, Produktqualität)
� Begrenzt gute Erfahrungen mit externer Beratung, Energieverantwortlicher will sein Gesicht nicht verlieren
� Keine Produktionslinien-bezogene Messung und Rechnungsstellung für Energie und Medien, sondern Gemeinkosten-Konzept
27
Energie Effizienz Netzwerke nach LEEN
Zeitspanne 3 bis 4 Jahre
Phase 0(3 – 9 Monate)
Informations-veranstaltung
Konzept
- Organisation- Ablauf- Kosten
Letter of intent/
Offizieller Start des Netzwerks
Phase 1(5 – 10 Monate)
Identifizierung von
wirtschaftlichen Energieeinspar-
potenzialen
- Initialfragebogen- Betriebs- Begehung- Initialbericht
Zielvereinbarung
- Energiereduktion- CO2-Reduktion
Phase 2(2 – 4 Jahre)
Festlegen relevanter Themen
Regelmäßige Treffen (3 - 4 pro Jahr):
- Betriebsbegehungen- Fachvorträge von Experten- Ergebnispräsentationen
realisierter Maßnahmen- Erfahrungsaustausch
Monitoring der Ergebnisse
28
Energieeinsparung Modell Hohenlohe
Basierend auf 9 Unternehmen•Energiekostenreduktion ab 2007: ca. 120.000 €/ a
•CO2-Reduktion ab 2007: ca. 17.000 t/ a
•Gewinn pro reduzierter Tonne CO2: 10 – 20 €
Durchschnitt aller bisheriger Netzwerke:Verminderung des spezifischen Energie-verbrauchs um 2 bis 3 % pro Jahr (Durchschnitt der Industrie 1 % pro Jahr)
29
Mittelwerte aus 70 ausgewerteten Initialberatungen
Vorgeschlagene Maßnahmen pro Betrieb 25
Wirtschaftliche Maßnahmen pro Betrieb 17
Investition für wirtschaftl. Maßn. pro Betrieb
230.000 €
Jährliche Einsparung pro Betrieb ca. 100.000 €/a
Jährliche CO2-Reduktion pro Betrieb ca. 500 t/a
Interne Verzinsung (wirtschl. Maßn.) ca. 38 %
Statische Amortisationszeit
(wirtschaftliche Maßnahmen)2,3 Jahre
30
Schlussfolgerungen – Energieeffizienz als Innovationsmotor
Es existieren genügend wirtschaftliche Energie- und THG-Einsparpotenziale, um auch bei einem beschleunigten Umbau der Energiewirtschaft anspruchsvolle Energie- und Klimaziele zu erreichen.
Die Energieeffizienz ist hoch rentabel, aber unentdeckt und es ist nicht einfach, sie rechtzeitig im Re-Investitionszyklus anzupacken.
Energieeffizienz ist eine Versicherung gegen die Wirkung steigender Energiepreise.
Energieeffizienz schafft Arbeitsplätze: durch IEKP bis 2020 Schaffung von 380.000 bis 630.000 neuen Arbeitsplätzen möglich.
Ordnungsrechtliche Instrumente und ihre bessere Kontrolle, stärkere finanzielle Anreize sowie ggf. preis- u./o. mengenpolitische Steuerungsmechanismen können zu einer stärkeren Ausschöpfung der Potenziale beitragen.
31
Neu denken
Neu gestalten
Nachbessern
En
erg
ieef
fizi
enz
Heutige Situation
Zeit