Energieeffizienz in Industrie, Dienstleistung und Gewerbe

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Deutschland hat auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz auf vielen Gebieten erhebliche Fortschritte gemacht. Das Bewusstsein für die Bedeutung eines sparsamen Umgangs mit Energie begann sich anlässlich der ersten Ölpreiskrise 1973/1974 herauszubilden: Die Sorge um drastische Verteuerungen und mögliche Versorgungsengpässe löste zahlreiche Aktivitäten aus, die vor allem von Ingenieuren aufgenommen wurden. Inzwischen hat sich die Notwendigkeit zur Steigerung der Energieeffizienz nicht nur in Industrie und Gewerbe, sondern auch bei einem großen Teil der deutschen Bevölkerung fest verankert. Einige Zahlen belegen dies eindrucksvoll: Setzt man das preisbereinigte Bruttoinlandsprodukt – also die Wertschöpfung in Deutschland – im Jahr 1990 zu 100 %, so stieg dieser Wert seit der Wiedervereinigung bis 2016 auf rund 147 %; demgegenüber verringerte sich im gleichen Zeitraum der Einsatz von Primärenergieträgern um etwa 10 % und der Einsatz von Endenergieträgern um mehr als 5 %. Dies bedeutet, dass im Jahr 2016 im Vergleich zu 1990 die Primärenergieproduktivität um über 63 % und die Endenergieproduktivität um knapp 55 % erhöht werden konnten [1].

Martin Dehli

2. Ordnung hat ihren naturgesetzlichen Preis

Zusammenfassung

Mit dem „Ersten Hauptsatz der Thermodynamik“ haben Robert Mayer, James Prescott Joule und Hermann von Helmholtz (Abb. 2.1) um die Mitte des 19. Jahrhunderts den alten Menschheitstraum von der Gewinnung unerschöpflicher Energie – dem „Perpetuum mobile erster Art“ – zur Illusion erklärt: Energie wird weder geschaffen noch vernichtet – sie wird lediglich umgewandelt [1].

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3. Der Energieverbrauch in Deutschland

Zusammenfassung

Die Energieversorgungsstrukturen eines hochindustrialisierten Landes wie der Bundesrepublik Deutschland haben einen hohen Grad an Leistungsfähigkeit und Versorgungssicherheit erreicht; sie ermöglichen es, dass die jeweils bestgeeignete Energieform für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete zur gewünschten Zeit, im erforderlichen Umfang und preisgünstig bereitgestellt werden kann. Die Leistungsfähigkeit der vorhandenen Energieversorgungsstrukturen ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass sich notwendige Anpassungsprozesse – insbesondere weitere Maßnahmen der Energieeinsparung und der rationellen Energieverwendung sowie die Substitution von CO₂-intensiven Energieträgern durch CO₂-ärmere und CO₂-freie Energieträger – in größerem Umfang verwirklichen lassen. In dieser Hinsicht haben sich die Energieversorgungssysteme, die sich unter den Bedingungen der sozialen Marktwirtschaft entwickeln konnten, denen einer planwirtschaftlichen Energieversorgung als überlegen erwiesen. Allerdings haben die Mechanismen der Marktwirtschaft bei der Stromwende – einem wichtigen Teilbereich der Energiewende – inzwischen stark an Bedeutung eingebüßt.

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4. Durchführung eines Energieaudits; Einführung eines Energiemanagementsystems

Zusammenfassung

Die Kosten für elektrische Energie, Erdgas, Heizöl sowie weitere Endenergieträger standen für viele kleine und mittelgroße Unternehmen in der Vergangenheit nicht im Mittelpunkt des unternehmerischen Interesses. Dies hat sich inzwischen geändert, weil nach starken Kostenschwankungen in der Vergangenheit künftig insbesondere bei Strom, aber auch bei Energieträgern für die Wärmeversorgung deutliche Teuerungseffekte nicht auszuschließen sind.

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5. Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen

Zusammenfassung

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Ansätze, im Maschinen- und Anlagenbau die Kosten von Investitionen über den gesamten Lebenszyklus zu ermitteln. Hierzu steht ein einheitliches Berechnungsmodell zur Verfügung, das im VDMA-Einheitsblatt 34160 [1] seinen Niederschlag gefunden hat.

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6. Energieeffizienter Einsatz industrieller und gewerblicher Wärmeversorgungssysteme

Zusammenfassung

In Deutschland wies der Sektor der Industrie im Jahr 2015 mit insgesamt 2581,4 TJ einen hohen jährlichen Energieverbrauch auf: Für die Bereitstellung mechanischer Energie wurden 692,3 TJ, für die Bereitstellung von Prozesswärme 1713,4 TJ, für die Bereitstellung von Raumwärme 159,4 TJ und für die Bereitstellung von Warmwasser 14,4 TJ benötigt. Dabei überwog die Bereitstellung von Prozesswärme mit einem Anteil von etwa zwei Dritteln die Bereitstellung von mechanischer Energie, von Wärme für die Heizung und für die Trinkwassererwärmung bei Weitem.

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7. Abwärmenutzung in Industrie und Gewerbe

Zusammenfassung

Die Nutzung von Abwärme in Industrie- und Gewerbebetrieben eröffnet erhebliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz. Die Unternehmen in Deutschland setzen 1670 Petajoule bzw. 460 Terawattstunden (460 Milliarden kWh) Energie im Jahr ein, um Wärme für die erforderlichen Produktions- und Verarbeitungsprozesse zu gewinnen [1]. Ein erheblicher Anteil wird dabei jedoch als ungenutzte Wärme in Form von Abwärme an die Umgebung abgegeben. Hier sind also noch große Potenziale zur Verbesserung der Energieeffizienz vorhanden, die genutzt werden können.

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8. Energieeinsparung durch die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme mit Blockheizkraftwerken

Zusammenfassung

Mithilfe der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme kann die Energieeffizienz gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme deutlich verbessert werden. In einer Reihe von Großunternehmen sowie in der öffentlichen Elektrizitäts- und Wärmeversorgung werden seit Jahrzehnten große Heizkraftwerke eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Leistungsspektrum von Heizkraftwerken (HKW) um kleinere, dezentrale Techniken (Blockheizkraftwerke, BHKW) erweitert worden, die sich z. B. für einen Einsatz in kleineren und mittelgroßen Betrieben und öffentlichen Einrichtungen wie Krankenhäusern, Bädern usw. eignen. Zur Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken lassen sich keine verallgemeinernden Aussagen machen; sie muss für jeden potenziellen Anwendungsfall einzeln geprüft werden.

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9. Energiespeicherung

Zusammenfassung

Energie tritt in sehr unterschiedlichen Formen in Erscheinung: als potenzielle Energie, als kinetische Energie, als Arbeit in verschiedenen Formen (z. B. als Volumenänderungsarbeit, Druckänderungsarbeit, Verschiebearbeit, Wellen- oder Kupplungsarbeit und Reibungsarbeit), als innere Energie, als Enthalpie, als Wärme, als chemisch gebundene Energie, als elektrische Energie und als Kernenergie.

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10. Energieeffiziente elektrische Antriebe in Industrie und Gewerbe

Zusammenfassung

Auf elektrisch angetriebene Systeme entfielen in Deutschland im Jahr 2015 fast drei Viertel des Stromverbrauchs der Industrie und des produzierenden Gewerbes: Elektrische Antriebe haben bei der Drucklufterzeugung, bei Pumpen, bei der Bereitstellung sonstiger mechanischer Energie sowie bei der Bereitstellung von Klimatisierungskälte und von Prozesskälte eine herausragende Bedeutung (vgl. Tab. 10.1; [1]). Deshalb sind Fragen der Energieeffizienz bei Elektromotoren – mit Blick auf Gesichtspunkte der Energie- und Kosteneinsparung sowie auf die Erfordernisse des Klimaschutzes – von besonderer Bedeutung.

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11. Pumpen und Pumpensysteme in Industrie und Gewerbe

Zusammenfassung

In den technischen Anlagen der Industrie spielen Pumpen und Pumpensysteme bei den verschiedensten Anwendungen eine bedeutende Rolle; daneben werden Pumpen beispielsweise auch in Anlagen der Wasserversorgung und in der Gebäudetechnik – dort insbesondere in Heizungsanlagen – eingesetzt. Dabei bestehen in diesen Bereichen zum Teil sehr erhebliche Potenziale zur Verbesserung der Energieeffizienz, zur Stromeinsparung und damit auch zur Kostensenkung. Viele Effizienzmaßnahmen in Pumpensystemen führen zu Amortisationszeiten von wenigen Jahren und können deshalb als wirtschaftlich sehr interessant gelten.

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12. Energieeffiziente Drucklufttechnik

Zusammenfassung

Für die Erzeugung von Druckluft werden in Deutschland rund 16 Mrd. kWh Strom je Jahr benötigt. Dies sind etwa 7 % der in der Industrie eingesetzten elektrischen Energie; in den Staaten der Europäischen Union sollen es nach Schätzungen rund 10 % des industriellen Stromverbrauchs sein. Der Anteil von Druckluftkompressoren an verschiedenen Anwendungsbereichen beim Einsatz elektrischer Antriebe in der Industrie in Deutschland wird auf etwa 18 % geschätzt (vgl. Abb. 12.1; [1]). Druckluft als Energieträger muss mit erheblichen Kosten bereitgestellt werden; sie ist ein wertvoller und teurer Energieträger – trotz des Sachverhalts, dass Luft als Ausgangsstoff kostenlos und praktisch unbegrenzt verfügbar ist.

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13. Lufttechnische Anlagen in Industrie und Gewerbe

Zusammenfassung

Die Lufttechnik wird von zahlreichen Unternehmen in Industrie und Gewerbe für die unterschiedlichsten Aufgaben eingesetzt; dabei sind die verwirklichten technischen Lösungen auf die jeweiligen Erfordernisse zugeschnitten (Abb. 13.1). Lufttechnische Anlagen haben eine Reihe von versorgungstechnischen Grundkonzepten sowie technische Bausteine gemeinsam. Im folgenden Abschnitt werden die Grundlagen hierzu dargelegt und die Prozesse daraufhin untersucht, welche Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz dabei erschlossen werden können. Bei zahlreichen umgesetzten Konzepten konnten erhebliche Erfolge bei der Energieeinsparung erzielt werden, wobei bei den meisten Effizienzmaßnahmen sehr geringe Amortisationszeiten von unter drei Jahren und hohe Kapitalrenditen erreicht wurden. Eine Bestandsaufnahme zeigt, dass in vielen Betrieben durch geeignete Verbesserungsmaßnahmen bei der Energieoptimierung von lufttechnischen Systemen auch in Zukunft ähnliche Erfolge möglich sind [1].

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14. Energieeffiziente Kältetechnik und Wärmepumpen in Industrie und Gewerbe

Zusammenfassung

Zahlreiche Unternehmen des produzierenden oder weiterverarbeitenden Gewerbes nutzen die Kältetechnik für die unterschiedlichsten Anwendungen. Wie in vielen anderen Technikbereichen eröffnen sich auch hier bedeutende Potenziale zur Erhöhung der Energieeffizienz: Schätzungen gehen davon aus, dass sich der Stromverbrauch für kältetechnische Anlagen – je nach Ansatz – im Mittel um 5–30 % senken lässt [1]. Bei der Umsetzung solcher Effizienzmaßnahmen kann in vielen Fällen mit Amortisationszeiten von weniger als drei Jahren gerechnet werden.

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15. Lichttechnik

Zusammenfassung

Gutes Licht ist ein Stück Lebensqualität. Die Nacht durch Beleuchtung gewissermaßen nach Wunsch „zum Tag“ machen zu können, ist selbstverständlich geworden. Die Erzeugung künstlichen Lichts wirkt sich allerdings nennenswert auf den Energiebedarf aus: Nach Untersuchungen der Internationalen Energieagentur (IEA) werden etwa 15 % der elektrischen Leistung für die Versorgung von Beleuchtungstechniken benötigt. In Deutschland wurden im Jahr 2012 16,0 % der elektrischen Energie und insgesamt 3,4 % der gesamten Endenergie für die Beleuchtung eingesetzt. Diese Zahlen zeigen, dass es unter dem Blickwinkel der Energieeinsparung durchaus sinnvoll ist, die Lichttechnik noch effizienter als schon bisher zu machen.

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16. Energieeffizienz in Rechenzentren

Zusammenfassung

In den digitalen Infrastrukturen eines Landes stellen Rechenzentren neben den Breitbandnetzen einen wichtigen Baustein dar; sie sind eine Grundbedingung für die Digitalisierung von Industrie, Gewerbe und Gesellschaft. Im weltweiten wirtschaftlichen Wettbewerb kommt leistungsfähigen Rechenzentren eine wachsende Bedeutung zu; sie gewährleisten die „digitale Souveränität“ und können zur Sicherung von Arbeitsplätzen beitragen.

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17. Grüne Informationstechnik in Unternehmen

Zusammenfassung

Unter dem Stichwort grüne Informationstechnik (Green IT) werden nachhaltige Produkte und Dienstleistungen zusammengefasst, die sich im Bereich der Informationstechnik in den vergangenen Jahren sehr stark entwickelt haben. Mit der Informationstechnik haben sich im betrieblichen Umfeld viele neue Möglichkeiten eröffnet, um Arbeitsabläufe zu vereinfachen sowie Energie und Kosten zu sparen. Inzwischen ist ein großer Markt für Produkte und Dienstleistungen entstanden, in dem sich Herstellern von Hard- und Software sowie Anbietern von Systemen und Serviceleistungen mit neuartigen Geschäftskonzepten interessante Möglichkeiten eröffnen, um große Unternehmen wie auch mittelständische Betriebe bei umfassenden Rationalisierungsmaßnahmen und bei der Optimierung von Verfahrensabläufen zu unterstützen.

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18. Energieeffiziente Gebäudetechnik – Gebäudeautomation – Monitoringkonzepte beim Betrieb von Großgebäuden

Zusammenfassung

Die Errichtung und der Betrieb von industriellen und gewerblichen Großgebäuden haben besonderen Anforderungen zu genügen: Um den vielfältigen Nutzungsanforderungen zu entsprechen, sind sie mit zahlreichen unterschiedlichen Techniken ausgestattet. Sie müssen den Gesichtspunkten einer zügigen und kostengünstigen Planung und Errichtung, einer möglichst flexiblen und dabei langfristigen und dauerhaften Nutzung sowie einem energieeffizienten und kostengünstigen Betrieb bei Beachtung von Kriterien der Sozialverträglichkeit, Ästhetik und Nachhaltigkeit gerecht werden.

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19. Energie-Contracting

Zusammenfassung

Eine ganze Reihe von größeren und kleineren Industrieunternehmen, Gewerbebetrieben, öffentlichen Institutionen sowie Firmen der Wohnungswirtschaft, aber auch von Eigentümern von Ein- und Mehrfamilienhäusern betrachtet die Beschaffung und Umwandlung von Endenergieträgern in Nutzenergien nicht als ihre Hauptaufgabe, sondern nur als notwendige Nebenaufgabe. Um sich stärker auf ihr „Kerngeschäft“ konzentrieren zu können, kann es für sie eine Lösung sein, die Errichtung bzw. Erneuerung sowie den Betrieb von Energieanlagen als Dienstleistung von außen zu beziehen. Dadurch steigt die Nachfrage nach Contracting-Dienstleistungen (vgl. z. B. [1]).

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20. Virtuelle Kraftwerke

Zusammenfassung

Die Bundesrepublik Deutschland hat sich mit der politisch gewünschten Energiewende ein Großprojekt vorgenommen, das über Jahrzehnte hinweg große Anstrengungen notwendig macht, um die gesetzten Ziele zu erreichen. Hierzu gehört insbesondere das Ziel, die Stromversorgung zu einem erheblichen Teil mithilfe von Windkraft- und Solaranlagen zu decken, die die elektrische Energie nicht zeitlich, örtlich und mengenmäßig dem Bedarf entsprechend bereitstellen kann. Während eine Reihe anderer bedeutender Industriestaaten die Umstrukturierung ihrer Stromversorgung vorsichtig betreiben, ist die deutsche Stromwende durch Einflüsse geprägt, die der Beibehaltung bestehender großer Wärmekraftwerke eine abnehmende Bedeutung zumisst und dem Auf- und Ausbau vieler dezentraler Kleinanlagen den Vorzug gibt. Dies bedingt, dass viele dezentrale Anlagen, aber auch größere Anlagen, zu virtuellen Kraftwerken zusammenzufassen sind. Die daraus resultierenden Erfordernisse und Möglichkeiten werden im Folgenden erörtert. Dabei wird insbesondere auch auf die Rolle von Industrie- und Gewerbebetrieben näher eingegangen.

Martin Dehli

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