Energie- und klimaeffiziente Produktion

Aus dem Programm Energie und Umwelt

Automation regenerativer Wärme- und Kälteversorgung von Gebäudenherausgegeben von E. Bollin

Wasserstoff in der Fahrzeugtechnikvon H. Eichlseder und M. Klell

Windkraftanlagenherausgegeben von R. Gasch und J. Twele

Industrial Ecologyvon A. von Gleich und S. Gößling-Reisemann

Umweltschutz in der Automobilindustrievon D. Gruden

Elektrische Energieversorgungvon K. Heuck, K.-D. Dettmann und D. Schulz

Energie und Klimaforschungvon D. Oesterwind

Die Zukunft unserer Energieversorgungvon D. Pelte

Alternative Energietechnikvon J. Unger

Nachhaltige Energiesystemevon H. Watter

Jens Hesselbach

Energie- und klimaeffiziente Produktion

Grundlagen, Leitlinien und Praxisbeispiele

Mit 188 Abbildungen und 34 Tabellen

PRAXIS

ISBN 978-3-8348-0448-8 ISBN 978-3-8348-9956-9 (eBook)DOI 10.1007/978-3-8348-9956-9

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Lektorat: Thomas Zipsner | Ellen KlabundeUmschlaggestaltung, Abbildungen und Satz: formkonfekt | konzept & gestaltung | KasselEinbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Prof. Dr.-Ing. Jens HesselbachUniversität KasselKasselDeutschland

V

Vorwort

Vorwörter sind so ähnlich wie Bedienungsanleitungen – meistens werden sie nicht gelesen, be-sonders von Technikern. Trotzdem wollen wir es nutzen, um die Hintergründe und die Zielset-zung dieses Buches zu erläutern. Eigentlich wollten wir zwei Bücher schreiben. Eines für die Studierenden mit Grundlagen und einigen Beispielen und das zweite für die Praktiker mit we-nig Einführung und vielen Beispielen. Wie Sie sehen, haben wir uns anders entschieden. Der Grund resultiert aus Erfahrungen mit unserer Lehrveranstaltung „Messen von Stoff- und Ener-gieströmen“. Dort haben wir Studierende und Unternehmensvertreter in Weiterbildungsange-boten gemischt. Das Ergebnis war ermutigend. Die Studierenden profitierten von den vielen Beispielen der Praktiker. Diese wiederum fanden (wieder) Gefallen am studentischen Lernen. Das Buch ist so geschrieben, dass jedes Kapitel, ja nahezu jeder Abschnitt, alleinstehend gelesen werden kann. Insofern schauen Sie ins Inhaltsverzeichnis und lesen Sie (zuerst), was Sie am meisten interessiert. Erwartungsgemäß werden sich die Praktiker zunächst auf Kapitel 5 und 6 konzentrieren. Wir haben dort jedoch Verweise auf die Grundlagen (Kapitel 2 bis 4) hinterlegt. Insgeheim hoffen wir, dass sie doch irgendwann die Neugier packt, wie wir zu den dort aufge-führten Ergebnissen gekommen sind. Dann haben wir unser Ziel erreicht. Dies gilt umgekehrt auch für die Studenten, die hoffentlich neugierig genug werden, was sie mit dem Wissen aus Kapitel 2 bis 4 denn nun anfangen können.

Sie finden in dem Buch nicht nur Wissen und Erfahrungen aus unserer eigenen Arbeit. Es gibt eine Vielzahl von fleißigen Kollegen und Unternehmensvertretern, die ebenfalls spannende Er-gebnisse erarbeitet haben. An dieser Stelle herzlichen Dank an diese für die Veröffentlichung der Ergebnisse. Wir geben auch gerne zu, dass die Grundlagen zu Thermodynamik und Wärme-übertragung in Kapitel 2 nicht wir erarbeitet haben. Allerdings haben wir einige Anwendungs-beispiele integriert, damit es nicht ganz so trocken ist. Ergänzend haben wir uns bemüht, die Inhalte durch einen etwas lockeren Sprachstil nicht zu akademisch zu vermitteln. Die Hardliner der Wissenschaft mögen es uns daher verzeihen, dass die Wortwahl nicht immer einem streng universitären Anspruch genügt.

Das Buch entstand als Teamarbeit mit den Mitarbeitern meines Fachgebietes an der Universität Kassel und Vertretern der Limón GmbH als spin-off-Unternehmen. Die Grafiken und die Text-gestaltung erstellten die fleißigen Designerinnen von formkonfekt. Mein Dank geht auch an das Lektorat Maschinenbau im Vieweg + Teubner Verlag, das kompetent, engagiert und mit vielen Anregungen den Buchentstehungsprozess begleitet hat. Ohne die Unterstützung aller genann-ten Beteiligten wäre das Buch heute noch nicht fertig. Und ohne die finanzielle Unterstützung des NATURpur Institutes der HSE AG aus Darmstadt wären wir auch nicht in der Lage gewesen, das Material so schick aufzuarbeiten. Allen sei an dieser Stelle nochmals herzlich gedankt.

Denjenigen, die dieses Vorwort doch gelesen haben, wünschen wir nun viel Spaß beim Lesen und anschließend viel Erfolg bei der Anwendung – sei es in der Lehre oder im Beruf.

Kassel im November 2011

Jens Hesselbach

Vorwort

VI

Geleitwort

Möglichkeiten und Maßnahmen der Energieeffizienz nahmen in Konzepten stets breiten Raum ein und standen für hohe Reduktionsziele, allerdings erfolgte die Umsetzung davon bisher eher zögerlich. Die politische und gesellschaftliche Diskussion und Förderung konzentrierte sich vielmehr auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien und den Ausstieg aus der Kernenergie. Dies war insofern nachvollziehbar, da Energieeffizienz im Gegensatz zu Wind- oder Photovol-taikanlagen keine breite öffentliche Wahrnehmung bzw. Aufmerksamkeit bot. Gleichwohl kommt der Reduktion des Energiebedarfes in jedem Energiekonzept eine mindestens ebenso große Bedeutung zu wie der Umstellung auf erneuerbare Energieträger. Ohne eine deutliche Senkung des Energiebedarfes wird eine zügige Deckung der Stromversorgung durch erneuer-bare Energien nicht möglich sein.

Für den Wohnungsbestand sind die technischen Lösungen zur Reduktion des Energiebedarfes seit langem bekannt. Hier ist der Gesetzgeber gefragt, mit der Gestaltung des rechtlichen Rah-mens sowie zielgerichteter Förderung insbesondere die Sanierung des Altbaubestandes voran-zutreiben. In der gewerblichen Wirtschaft sind die Aufgabenstellungen deutlich komplexer. Hier fehlt es häufig an technischen Lösungen, fachkundiger Information und Beispielen, um die Unternehmer zu ermutigen, in Energieeffizienzmaßnahmen zu investieren. Dies betrifft vor al-lem die kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) mit begrenzten Fachressourcen auf diesem Gebiet. Auch hier können Landes- und Bundespolitik durch gezielte Fördermaßnahmen An-schubhilfen initiieren. Dabei geht es nicht nur darum, die gesteckten Ziele zur Reduktion des Energiebedarfes zu erreichen. Für Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz werden nach übereinstimmender Ansicht hohe Wachstumsraten prognostiziert. Es muss daher für Deutschland als Industrie- und Exportnation Ziel sein, in diesem innovativen Markt positio-niert zu sein.

Die Energieversorger betrifft dieser gravierende Wandel doppelt. Sie müssen einerseits ihre Erzeugungskapazitäten sukzessive auf erneuerbare Energien umstellen, verbunden mit umfas-senden und hohen Investitionen. Gleichzeitig müssen sie sich im Themenkomplex Energieeffi-zienzsteigerung neuen Aufgabenfeldern stellen. Hierzu bedarf es neuer Strukturen, Geschäfts-modelle und Produkte.

VII

Die HSE AG hat sich frühzeitig diesen Anpassungsprozessen gestellt. Mit ihrem gemeinnüt-zigen NATURpur Institut für Klima- und Umweltschutz leistet die HSE darüber hinaus einen gesellschaftlichen Beitrag für diese Zukunftsaufgaben. Es werden Forschungseinrichtungen unterstützt, die mit ihren Arbeiten auf den Gebieten der erneuerbaren Energien und der Ener-gieeffizienzsteigerung Lösungen zum Umbau der Energieversorgung leisten. Die Erstellung die-ses Buches hat das NATURpur Institut in diesem Kontext gerne unterstützt. Es fasst wichtige Grundlagen, Anregungen und Praxisbeispiele zur Steigerung der Energieeffizienz in produzie-renden Unternehmen zusammen. Wir sind sicher, dass es vor allem für die KMU eine wichtige Hilfestellung bei der Suche nach energetisch und wirtschaftlich attraktiven Lösungen zur Re-duktion des Energiebedarfes bieten kann. Den Autoren danken wir an dieser Stelle für ihr pra-xis- und anwendungsorientiertes Werk.

Darmstadt im November 2011

Albert Filbert

Vorsitzender des Kuratoriums der NATURpur Institut für Klima- und Umweltschutz gGmbH

Geleitwort

VIII

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis XIII

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis XIV

Nomenklatur XX

1. Energie effizient managen 1

1.1 Lippenbekenntnis oder Zukunftsmodell? 2

1.2 Was ist eigentlich Energieeffizienz? 7

1.3 Energieeffizienz in der Produktion 8 1.3.1 Gründe 8 1.3.2 Potenziale 1 1 1.3.3 Erfolgsfaktoren 13

1.4 Ran an den Speck: Energieeffizienzmaßnahmen umsetzen 14

2. Grundlagen und Rahmenbedingungen 17

2.1 Begriffe 18

2.2 Thermodynamik 22

2.3 Wärmeübertragung 43

2.4 Strömungslehre 50

2.5 Elektrotechnik 51

3. Daten beschaffen 55

3.1 Energieströme messen 59 3.1.1 Temperaturmessung 61 3.1.2 Druckmessung 70 3.1.3 Durchflussmessung 75 3.1.4 Elektrische Leistungsmessung 87

3.2 Energiemonitoring 89

IX

4. Daten weiterverarbeiten und nutzen 95

4.1 Wissen in Systeme integrieren: Identifikation und Modellbildung 97

4.2 Von der Modellbildung zur Simulation: Die Vorgehensweise 101

4.3 Energieströme simulieren: Vom Prozess bis zur Fabrik 103 4.3.1 Prozessmodell: Hähnchen im Kühlhaus 104 4.3.2 Maschinenmodell: Spritzgießmaschine 108 4.3.3 Materialflusssimulation 113 4.3.4 Gebäude und Standort 117 4.3.5 Energieversorgung 122 4.3.6 Kopplung von Simulation 129

5. Energieeffizienzmaßnahmen für Querschnittstechnologien 139

5.1 Beleuchtung 141 5.1.1 Begriffe und Definitionen 142 5.1.2 Lampenarten 143 5.1.3 Einsparpotenziale bei der Beleuchtung 146 5.1.4 Praxisbeispiel: Elektronikfertigung 149 5.1.5 Ausblick 150 5.1.6 Praxistipps 151

5.2 Druckluft 153 5.2.1 Drucklufterzeugung 159 5.2.2 Druckluftaufbereitung 160 5.2.3 Druckluftverteilung 162 5.2.4 Druckluftanwendung 167 5.2.5 Druckluftsubstitution 168 5.2.6 Worauf Sie achten sollten 177 5.2.7 Checkliste 179

5.3 Elektromechanische Antriebe 181 5.3.1 Bestandteile 182 5.3.2 Verluste 182 5.3.3 Tipps 187 5.3.4 Checklisten 188

Inhaltsverzeichnis

X

5.4 Klima- und Lüftungstechnik 190 5.4.1 Aufgaben der Klima- und Lüftungstechnik 190 5.4.2 Grundlagen von RLT-Anlagen 191 5.4.3 Komponenten von RLT-Anlagen 193 5.4.4 Raumluftströmungen und Luftführungssysteme 201 5.4.5 Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz 210 5.4.6 Checklisten 212

5.5 Prozesskälte 214 5.5.1 Industrieller Kältebedarf 214 5.5.2 Kältebereitstellungsarten 215 5.5.3 Tipps und Tricks 224 5.5.4 Checkliste 228

5.6 Prozesswärme und Abwärmenutzung 229 5.6.1 Prozesswärme 229 5.6.2 Verfahren zur Abwärmenutzung 245 5.6.3 Checklisten 255

5.7 Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung 257 5.7.1 Potenziale 257 5.7.2 Grundlagen 258 5.7.3 Einsatzmöglichkeiten 264 5.7.4 Dimensionierung 265 5.7.5 Wirtschaftlichkeit 274 5.7.6 Projektierung 277 5.7.7 Tipps und Tricks 279

6. Branchenspezifische Effizienzmaßnahmen umsetzen 283

6.1 Methoden intelligent einsetzen: Der Werkzeugkasten 285 6.1.1 Auswertungsmöglichkeiten und Darstellungsformen 286 6.1.2 Wirtschaftliche Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen 288

6.2 Energieeffiziente Lösungen in der Kunststoffverarbeitung 290 6.2.1 Die Kunststoffindustrie: Übersicht 290 6.2.2 Werkstoffauswahl 291 6.2.3 Vorbehandlung – Granulattrocknung 293 6.2.4 Verarbeitung – Spritzgießmaschinen 295 6.2.5 Extruderbeheizung 297 6.2.6 Optimierung des Kühlsystems in einem Spritzgießbetrieb 302

XI

Inhaltsverzeichnis

6.2.7 Technische Gebäudeausrüstung 304 6.2.8 Energieversorgung 306 6.2.9 Das Ganze sehen: Simulationsgestützte Energieeffizienzbetrachtung 308 6.3 Pharmaindustrie: Produktion in klimatisierten Räumen 315 6.3.1 Effizienzsteigerung in klimatisierten Räumen 316 6.3.2 Abwärmenutzung 323

7. Zusammenfassung und Ausblick 329

Herausgeber- und Autorenverzeichnis 332

Literaturverzeichnis 336

Stichwortverzeichnis 346

XIII

AdKM Adsorptionskältemaschine AKM AbsorptionskältemaschineBAFA Bundesamt für Wirtschaft und AusfuhrkontrolleBAT Best Available TechnologyBDE BetriebsdatenerfassungBHKW Blockheizkraftwerk CCA Konstant-Strom-AnemometerCEMEP Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power ElectronicsCOP Coefficient of PerformanceDkM Dampfkolbenmotor DMS DehnungsmessstreifenDsKM Dampfstrahlkältemaschine DsM Dampfschraubenmotor DT DampfturbineEE erneuerbare EnergienEEG ErneuerbareEnergienGesetzEER Energy Efficiency RatioEEX European Energy ExchangeEMS Energiemonitoring-SystemEnergieStG Energiesteuergesetz EnEV Energieeinsparverordnung EVG elektronisches VorschaltgerätFU Frequenzumrichter GCC Grand Composite Curve GuD- Kraftwerk Gas-und-Dampf-Kraftwerk IEC rnational Electrotechnical Commission IRR interner ZinsfußKEV kumulierter EinzelverbrauchKKM Kompressionskältemaschine KLT Klima- und LüftungstechnikKM Kältemittel

KVG konventionelles VorschaltgerätKWK Kraft-Wärme-KopplungKWKG Kraft-Wärme- KopplungsgesetzLED LeuchtdiodeLFE Laminar-Flow-ElementLUVO LuftvorwärmungMID magnetisch-induktive DurchflussmessungOLED Organic Light Emitting DiodeORC Organic Rankine CyclePCM Phase Change MaterialROI Return of InvestSD System DynamicsSGM SpritzgießmaschineTCO Total Cost of OwnershipTEA Thermisch- energetische Anlagensimulation TEG Thermisch- energetische GebäudesimulationTEG Thermo-Elektrische- GeneratorenTRY TestreferenzjahrVE-Wasser Voll-Entsalztes- WasserVIP Vakuum- IsolationspaneelenVVG verlustarmes Vorschaltgerät

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

XIV

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildungen

Abb. 1-1: Energieproduktivität in % p.a.Abb. 1-2: Unterschiedliche gesellschaftliche Bereiche für EnergieeffizienzmaßnahmenAbb. 1-3: Energetischer Vergleich von KWK und konventioneller, getrennter Strom- und WärmebereitstellungAbb. 1-4: Endenergieverbrauch in privaten HaushaltenAbb. 1-5: Beispiel Energieeffizienz, Abwärme vs. NutzarbeitAbb. 1-6: Entwicklung der Energiepreise in DeutschlandAbb. 1-7: Zusammensetzung und Entwicklung des Strompreises in DeutschlandAbb. 1-8: Stromverbrauch nach Sektoren in Deutschland 2007Abb. 1-9: Schwerpunktthemen Energieeffizienz in deutschen UnternehmenAbb. 1-10: Der Denkansatz zur maximalen Energieeffizienz: Das Zwiebelschalenmodell

Abb. 2-1: Verluste von der Primärenergie bis zur NutzenergieAbb. 2-2: p-T-Diagramm für WasserAbb. 2-3: Modellierung SpritzgießmaschineAbb. 2-4: Volumenänderungsarbeit am Beispiel der verschlossenen FahrradpumpeAbb. 2-5: Volumenänderungsarbeit am Beispiel Fahrradpumpe mit offenem VentilAbb. 2-6: T-S-Diagramm für Wärmekraftmaschine und Kältemaschine (KM) und Wärmepumpe (WP) als Carnot-ProzesseAbb. 2-7: Energiebilanz für einen Verbrennungsprozess Abb. 2-8: Temperaturdifferenzen und Strömungsführung bei Gleichstrom- und Gegenstrom-WärmeübertragernAbb. 2-9: Zusammenhang zwischen Schein-, Wirk- und BlindleistungAbb. 2-10: Komplexe Darstellung von Schein-, Wirk- und Blindleistung

Abb. 3-1: Beispiel für einen elektrischen Lastgang Abb. 3-2: Lastdauerkurve für StromAbb. 3-3: Beispiel für einen Lastgang (Erdgas)Abb. 3-4: Lastdauerkurve für ErdgasAbb. 3-5: Einfache Messschaltung für einen PT100 TemperaturfühlerAbb. 3-6: Aufbau eines industriellen PT100 TemperaturfühlersAbb. 3-7: Prinzipieller Aufbau eines ThermoelementesAbb. 3-8: Zusammenhang von Absorption, Reflexion und TransmissionAbb. 3-9: Thermografie-Aufnahme eines Sterilisators für InfusionsbehälterAbb. 3-10: Thermografie-KameraAbb. 3-11: Messung unterschiedlicher Drücke in StrömungenAbb. 3-12: Prinzipieller Aufbau von DehnungsmessstreifenAbb. 3-13: Prinzipieller Aufbau eines kapazitiven DruckaufnehmersAbb. 3-14: Prinzipieller Aufbau eines induktiven Druckaufnehmers Abb. 3-15: Prinzip eines Schwebekörpers mit konischem Messkörper und elektrischer AbtastvorrichtungAbb. 3-16: Prinzip des Wirkdruckverfahrens

XV

Abb. 3-17: Geschwindigkeitsprofile in Rohrströmungen Abb. 3-18: Prinzipieller Aufbau Laminar Flow Element Abb. 3-19: Prinzip der magnetisch-induktiven DurchflussmessungAbb. 3-20: Prinzip eines HitzdrahtanemometersAbb. 3-21: Prinzip der Wirbelstrommessung mit einem zylindrischen Prallkörper (a/b = konst.)Abb. 3-22: Prinzip der Coriolismessung in U-RohrausführungAbb. 3-23: Prinzipieller Aufbau der Durchflussmessung mittels UltraschallAbb. 3-24: Sternschaltung gemäß Bild EG 6921AAbb. 3-25: Dreieckschaltung gemäß Bild EG 6922AAbb. 3-26: Gliederung von ProduktionsstandortenAbb. 3-27: Aufbau und Integration eines Energiemonitoring-SystemsAbb. 3-28: Bedienoberfläche mit Kennzahlenbildung in einem Energiemonitoring-SystemAbb. 3-29: Bewertung über Verhältniszahlen

Abb. 4-1: Zusammenhang zwischen Nutzen und DetaillierungsgradAbb. 4-2: Objekt-Subjekt-Modell-RelationAbb. 4-3: Arbeitsschritte und Zusammenhänge bei der Erstellung von SimulationsprogrammenAbb. 4-4: Knotenmodell für eine Kugel in 2-dimensionaler AnsichtAbb. 4-5: Exemplarischer Temperaturverlauf im HähnchenAbb. 4-6: Vereinfachte Energiebilanz einer SpritzgießmaschineAbb. 4-7: Temperaturverlauf im Knotenmodell der SpritzgießmaschineAbb. 4-8: Simulationsgestützte Darstellung des Aufheizvorgangs (Prinzipbild)Abb. 4-9: Simulierte Temperaturverläufe einer SpritzgießmaschineAbb. 4-10: Aufgenommene elektrische Leistung einer SpritzgießmaschineAbb. 4-11: Simulierte Temperaturverläufe einer Spritzgießmaschine bei Unterteilung in vier BaugruppenAbb. 4-12: Beispielhafte Darstellung des Ablaufs der ereignisorientierten diskreten SimulationAbb. 4-13: Beispiel einer EreignislisteAbb. 4-14: Beispielanlage in SIMFLEX/3dAbb. 4-15: Elektrischer Leistungsbedarf in einem simulierten SpritzgießbetriebAbb. 4-16: Elektrischer Leistungsbedarf in einem simulierten Spritzgießbetrieb nach LastspitzenminimierungAbb. 4-17: Schematische Darstellung einer Produktionshalle mit relevanten EnergieströmenAbb. 4-18: Heizenergiebedarf der modellierten Spritzgießfabrik an einem FrühlingstagAbb. 4-19: Prinzipbild dynamischer SystemeAbb. 4-20: SD-Modell Deckung des EnergiebedarfsAbb. 4-21: SD-Modell Energieangebot mit einem SpeicherAbb. 4-22: Elektrischer Lastgang für ein Referenzjahr (Viertelstundenwerte) Abb. 4-23: Strom aus Windkraftanlage und Photovoltaik für ein Referenzjahr am Standort Kassel (Viertelstundenwerte) Abb. 4-24: Strombedarf aus Gasturbine zur Abdeckung des Fehlbetrages zwischen Lastgang und Ertrag aus Erneuerbaren Energien für ein Referenzjahr am Standort Kassel (Viertelstundenwerte)

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

XVI

Abb. 4-25: Vergleich Bedarf und Angebot thermische Leistung für ein Referenzjahr am Standort Kassel (Viertelstundenwerte) Abb. 4-26: Schematische Darstellung der Energiebilanz des KühlhausesAbb. 4-27: Hähnchen-Kühlhaus-Modell in Matlab/SimulinkAbb. 4-28: Exemplarische Darstellung des Kühlbedarfes eines Kühlhauses für einen ReferenzmonatAbb. 4-29: VerbundsimulationAbb. 4-30: KopplungsmechanismusAbb. 4-31: Abhängigkeit des Heizenergiebedarfes von der Produktionsreihenfolge (Standort Stuttgart, Monat Februar)

Abb. 5-1: Durchschnittlicher jährlicher Strombedarf in DeutschlandAbb. 5-2: Aufteilung des Stromverbrauchs bei Verwaltungs- und InstitutsgebäudenAbb. 5-3: Einsparpotenziale durch verschiedene MaßnahmenAbb. 5-4: Aufteilung der Druckluftkosten nach BetriebsstundenAbb. 5-5: Bewertung des DruckluftsystemsAbb. 5-6: Zusammenhang zwischen Druck und LeistungsbedarfAbb. 5-7: Spezifischer Leistungsbedarf für die DrucklufterzeugungAbb. 5-8: Typischer Differenzdruckverlauf; Energiekosten in Verhältnis zu FilterelementkostenAbb. 5-9: Druckabfall in einer RohrleitungAbb. 5-10: Hauptkomponenten eines DruckluftsystemsAbb. 5-11: Demonstrationsanlage „Druckluft-Leckage“Abb. 5-12: Folgekostendarstellung aufgrund von zu geringem ArbeitsdruckAbb. 5-13: Umwandlungskette von End- zu NutzenergieAbb. 5-14: Energiefluss einer optimierten DruckluftanlageAbb. 5-15: Energiefluss eines elektrischen SystemsAbb. 5-16: Vergleich eines pneumatischen und eines elektrischen LinearzylindersAbb. 5-17: Elektrischer und pneumatischer ZylinderAbb. 5-18: Granulatpreis pro kgAbb. 5-19: Funktionsprinzip TrocknerAbb. 5-20: Trocknungstemperaturen einzelner KunststoffeAbb. 5-21: Produktionsmengen einzelner KunststoffeAbb. 5-22: Optimierter Kunststoffgranulat-TrocknerAbb. 5-23: Lebenszykluskosten von elektrischen Antrieben (3.000 h/a/7 Jahre)Abb. 5-24: Amortisationszeit bei Ersatzbeschaffung zwischen IE2 und IE1Abb. 5-25: Rückeinspeisung während des FahrbetriebsAbb. 5-26: Rückeinspeisung während des HubbetriebsAbb. 5-27: Richtige Auslegung von VentilatorenAbb. 5-28: Effizienz unterschiedlicher Regelstrategien für VentilatorenAbb. 5-29: Kostenbilanz FilterelementAbb. 5-30: WärmerückgewinnungsartenAbb. 5-31: Vergleich der Lebenszykluskosten (LCC) bei einem Betrachtungszeitraum von 10 JahrenAbb. 5-32: Energieverbrauch eines KlimatisierungsgerätsAbb. 5-33: Raumluftströmung durch Mischlüftung

XVII

Abb. 5-34: Raumluftströmung durch Schichtlüftung Abb. 5-35: Luftverteilung bei der MischlüftungAbb. 5-36: Saubere Luft im Arbeitsraum durch SchichtlüftungAbb. 5-37: Darstellung der Modellfabrik mit Zu- und AbluftkanälenAbb. 5-38: Temperaturverteilung aufgetragen auf die RaumhöheAbb. 5-39: Gegenüberstellung des EndenergiebedarfsAbb. 5-40: Bauer-OptimierungstechnikAbb. 5-41: Maßnahmen zur Effizienzsteigerung raumlufttechnischer AnlagenAbb. 5-42: Primärenergiebedarf zur technischen Kältebereitstellung nach Bereichen in Deutschland Abb. 5-43: Energiebedarf zur technischen Kältebereitstellung in Deutschland Abb. 5-44: Kältebereitstellungsarten nach ihren TemperaturniveausAbb. 5-45: Funktionsschema eines Trockenkühlers Abb. 5-46: Arbeitsweise einer KompressionskältemaschineAbb. 5-47: Funktionsprinzip einer AbsorptionskälteanlageAbb. 5-48: Häufigkeitsverteilung der Umgebungstemperatur im Jahr 2009 in Kassel-Mitte während der Arbeitszeit in einem 2-SchichtbetriebAbb. 5-49: Leistungsaufnahme einer KKMAbb. 5-50: Verteilung des Endenergiebedarfs in der deutschen Industrie 2008Abb. 5-51: Anteil Energieträger an der Bereitstellung von Prozesswärme in der deutschen Industrie 2008Abb. 5-52: Nutzung der Gas-Brennwerttechnologie bei HeizkesselnAbb. 5-53: Aufbau einer DampfkesselanlageAbb. 5-54: Wärmeleitfähigkeiten üblicher WärmedämmstoffeAbb. 5-55: Funktionsprinzip von Niedrigemissionslacken (Oberflächentemperatur 100 °C)Abb. 5-56: Einzelne und zusammengefügte Prozessanforderungen in H-T-DiagrammenAbb. 5-57: Summenkurven der heißen und kalten Ströme bei einer minimalen Temperaturdifferenz für die Wärmeübertrager von 10 KAbb. 5-58: Notwendiger minimaler Heiz- und Kühlbedarf aus externen Quellen sowie Bereich der Wärmerückgewinnung aus den Summenkurven der heißen und kalten Ströme bei einer minimalen Temperaturdifferenz für die Wärmeübertrager von 10 KAbb. 5-59: Um 0,5 Δ Tmin verschobene Summenkurven als Basis zur Ableitung der Grand Composite Curve (GCC)Abb. 5-60: Grand Composite Curve (GCC) mit externer Kühlung und BeheizungAbb. 5-61: GCC mit kombinierter Kühlung aus Kühlwasser und Kompressionskälte (KKM) und zweistufiger Beheizung mit Nieder- und HochdruckdampfAbb. 5-62: Grundprinzipen für AbwärmenutzungAbb. 5-63: Möglichkeiten zur AbwärmenutzungAbb. 5-64: Nutzung industrieller Abwärme für NahwärmenetzeAbb. 5-65: Prinzipieller Aufbau eines Dampfkraftwerkes mit DampfturbineAbb. 5-66: Schematischer Aufbau einer ORC-AnlageAbb. 5-67: KWK-Potenzial in Deutschland nach SektorenAbb. 5-68: Darstellung des Kraft-Wärme-KopplungsprinzipsAbb. 5-69: Einteilung gebräuchlicher Wärme-Kraft-ProzesseAbb. 5-70: Schematische Vorgehensweise zur Auslegung von KWK-AnlagenAbb. 5-71: Jahresganglinie aus Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

XVIII

Abb. 5-72: Jahresganglinie nach Abzug innerer WärmelastenAbb. 5-73: Thermischer Gesamtenergiebedarf aus Gebäudeheizung und AbsorptionskälteanlageAbb. 5-74: Geordnete Jahresdauerlinie aus dem Bedarf von Absorptionskälteanlage und GebäudeheizungAbb. 5-75: Geordnete Jahresdauerlinie der KW(K)K-Maßnahme mit Darstellung der Energielieferung durch das BHKW mit PufferspeicherAbb. 5-76: Vorgehensweise bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung von KWK-AnlagenAbb. 5-77: Weg zur Projektierung einer KWK-Anlage

Abb. 6-1: Vorgehensweise zur Durchführung von EnergieeffizienzmaßnahmenAbb. 6-2: Beispiel Sankeydiagramm für den Gesamtprimärenergiebedarf eines SpritzgießbetriebesAbb. 6-3: Vorgehensweise bei der MaßnahmenentwicklungAbb. 6-4: Schritte vom Rohstoff zum EndproduktAbb. 6-5: Treibhausgasemissionen in der Kunststoff verarbeitenden IndustrieAbb. 6-6: Schmelzenthalpie für unterschiedliche KunststoffeAbb. 6-7: Aufteilung des Energiebedarfes einzelner Komponenten und Aufgaben in SpritzgießmaschinenAbb. 6-8: Abhängigkeit des spezifischen Energiebedarfes vom Materialdurchsatz für hydraulische und vollelektrische SGMAbb. 6-9: Wandlungsketten zur WärmenutzungAbb. 6-10: Heizmanschetten mit ThermalölbeheizungAbb. 6-11: Primär- und Endenergiebilanz für die aktuelle Strom- sowie für die Thermalölbeheizung auf Basis Erdgas (30 Temperiereinheiten)Abb. 6-12: CO2e-Bilanz für die zwei Beheizungsarten (sechs Temperiereinheiten bei 30 Maschinen)Abb. 6-13: Elektrischer Endenergiebedarf der Kühlsysteme für unterschiedliche Szenarien Abb. 6-14: Wärmeströme im Verbundsystem Abb. 6-15: Jährliche Energieströme im Beispielbetrieb in der AusgangssituationAbb. 6-16: Jährliche Energieströme entsprechend der Variante 1Abb. 6-17: Jährliche Energieströme entsprechend der Variante 2Abb. 6-18: Verhältnis von Strom und Gas in der EnergiebereitstellungAbb. 6-19: Ergebnisse PrimärenergiebedarfAbb. 6-20: Kostenreduktion durch Umsetzung der beiden VariantenAbb. 6-21: Einflüsse auf den Energiebedarf zur KühlungAbb. 6-22: Ausgangssituation der Heiz- und KühlleistungAbb. 6-23: Reduktion der Heiz- und Kühlleistung durch EffizienzmaßnahmenAbb. 6-24: Einsparpotenziale der einzelnen MaßnahmenAbb. 6-25: Jahres-Heiz- und Kühlenergie bei unterschiedlichen inneren LastenAbb. 6-26: Jahres-Gesamtkosten zur Klimatisierung bei unterschiedlichen inneren LastenAbb. 6-27: Simulation des Abschaltens in der KaltwasserbereitstellungAbb. 6-28: Auswirkung auf die HallentemperaturAbb. 6-29: Abkühlphase eines SterilisatorsAbb. 6-30: Vergleich der Volumenströme des KühlwassersAbb. 6-31: Vergleich der Temperaturniveaus des Kühlwassers

XIX

Tabellen

Tab. 2-1: Formelmäßige Zusammenhänge bei Zustandsänderungen von LuftTab. 2-2: Größenordnungen von Wärmeübergangskoeffizienten

Tab. 3-1: Zusammenhang zwischen Energieströmen und zu erfassenden Zustands- und ProzessgrößenTab. 3-2: Typische Messbereiche in der Praxis und deren MessunsicherheitenTab. 3-3: Temperaturbeiwerte häufig verwendeter MetalleTab. 3-4: Umrechnungstabelle verschiedener Druckeinheiten Tab. 3-5: Vergleich gängiger Druckmessverfahren

Tab. 5-1: Anzahl von Druckluftkompressoren in der Europäischen UnionTab. 5-2: Qualitätsklassen nach DIN ISO 8573-1Tab. 5-3: Folgekosten durch zu geringe DurchmesserwahlTab. 5-4: Vergleich Energie, Kosten und CO2-AusstoßTab. 5-5: Optimierungsvarianten Kunststoffgranulat-TrocknerTab. 5-6: Energieeffizienzklassen für elektrische AntriebeTab. 5-7: Wirkungsgrade von GetriebenTab. 5-8: EinsparpotenzialTab. 5-9: Mindestrückwärmezahl laut EnEv 2009Tab. 5-10: Übersicht über die Leistungszahl und die Investitionskosten der jeweiligen TechnologieTab. 5-11: Daten der BeispielströmeTab. 5-12: Ausgewählte Merkmale von KWK-ProzessenTab. 5-13: Temperaturniveaus verschiedener IndustrieprozesseTab. 5-14: Kenndaten einer ausgelegten KW(K)K-Anlage

Tab. 6-1: Hitliste geordnet nach EnergiebedarfTab. 6-2: Zusammenhang von internem Zinsfuß, Amortisationszeit und Lebensdauer im Hinblick auf Maßnahmen zur Reduktion des EnergiebedarfesTab. 6-3: Rahmenbedingungen der GranulattrocknungTab. 6-4: Ergebnisse der Alternativen für die GranulattrocknungTab. 6-5: Randbedingungen des Kunststoff verarbeitenden BeispielbetriebesTab. 6-6: Übersicht über energetische und monetäre Veränderungen der MaßnahmenTab. 6-7: RahmenbedingungenTab. 6-8: EinsparungenTab. 6-9: RahmenbedingungenTab. 6-10: ErgebnisseTab. 6-11: RahmenbedingungenTab. 6-12: Aufstellung von Maschinen und AnlagenTab. 6-13: Rahmenbedingungen

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

XX

Fläche

Fläche des jeweiligen Bauteils

Magnetfeld

Breite, Wandbreite

Absorptionsgrad

Wärmekapazitätsfluss

jährliche Erträge

spezifische Wärmekapazität

Geschwindigkeit / Windgeschwindigkeit

Bewegungs-/ Strömungsgeschwindigkeit

mittlere spezifische Wärmekapazität

Leistungsbeiwert

spezifische isobare bzw. isochore Wärmekapazität

Schallgeschwindigkeit

Widerstandsbeiwert

Durchmesser

Innendurchmesser

Beleuchtungsstärke

Energie

spezifische Energie

Ausrichtungs- und Winkelfaktor

Freiheitsgrad

Kraft

Coriolis-Kraft

Footcandle

Grashof-Zahl

Erdbeschleunigung

Enthalpie

Höhe

oberer Heizwert (Brennwert)

unterer Heizwert

Heizgradstunden der zu betrachtenden Periode mit Heizgrenze von 17° C

spezifische Enthalpie

Investition

Lichtstärke

Nomenklatur

lateinisch

Formel- zeichen Bezeichnung

bzw.

XXI

Stromstärke

Globalstrahlung

interner Zinsfuß

Kapitalwert

Faktor/Konstante

Länge

Leuchtdichte

Induktionskoeffizient

molare Masse

Masse

Massenstrom

Nußelt-Zahl

Polytropenexponent

Anzahl

Phase

Wirkleistung

Nutzleistung

Druck

Umgebungsdruck, mit 1 bar angenommen

Kompressorabschaltdruck

Druckabfall

Wärme

Blindleistung

Lösungswärme

Wärme durch innere Lasten

vom Kältemittel aufgenommene Wärmemenge

Sonneneinstrahlung

Wärmestrom

Nettowärmestrom

thermische Leistung einer inneren Wärmequelle

auf eine Masse bezogener Wärmestrom

individuelle Gaskonstante

universelle Gaskonstante

Widerstand bei einer Bezugstemperatur

Return of invest

Reflexionsgrad

Nomenklatur

XXII

Radius

spezifische Verdampfungs- enthalpie

spezifische Erstarrungs- enthalpie

Reynoldszahl

Widerstand

Entropie

Scheinleistung

Entropieänderung

Stromkennzahl

Länge

spezifische Entropie

Temperatur [K]

Gesamtbetrachtungsraum

Zeit

Transmissionsgrad

innere Energie

Spannung (Elektrik)

Wärmedurchgangskoeffizient

spezifische Energie

Volumen

Volumenstrom

spezifisches Volumen

molares Volumen

mechanische Arbeit

Volumenänderungsarbeit

Wärmekennzahl

spezifische Kreisprozessarbeit

Isentropenexponent

Ortskoordinate

Ortskoordinate

Anzahl der betrachteten Intervalle innerhalb einer Periode

Höhe/Schichthöhe

Ortskoordinate

XXIII

Wärmeübergangskoeffizient

mittlerer Temperaturbeiwert

Volumenausdehnungskoeffizient

Außenluftrate

Winkel

Dicke

Differenz

Emissionskoeffizient

elektrische Feldkonstante

Dielektrizitätszahl

Wärmeverhältnis

Lichtausbeute

dynamische Zähigkeit

Wirkungsgrad

Leitungsverlust

Wechselrichterwirkungsgrad

Luftverhältnis

Wärmeleitfähigkeit

kinematische Zähigkeit

Dichte

Reflexionsgrad

Stefan-Boltzmann-Konstante

Stromkennzahl

empirische Temperatur [°C]

mittlere Raumtemperatur [°C]

Lichtstrom

Winkel

Phasenverschiebung

Winkelgeschwindigkeit

griechisch

Formel- zeichen Bezeichnung

Nomenklatur

XXIV

verwendet z. B. bei der Strahlung von einem Körper 1 auf einen Körper 2

Zuluft

außen

Anergie

Konstanten

Umgebung

Druckbehälter und Netz

Beleuchtung

latent

Kupfer

dissipiert

dynamisch

Einfluss

elektrisch

endgültig

Exergie

Gesamt

groß

Heißdraht

Hähnchen

hydraulisch

interner Zinsfuß

innen

Kältemaschine

Widerstandskörper

kühl bzw. Kühlprozess

Kühlwasserstrom für die Form

Kühlwasserstrom für die Hydraulik

Kältemaschine

klein

konvektiv

Kühlung

Strahlung

kinetisch

Kunststoff

Luftaustausch

Leckage

Lüftung

Indizes

XXV

Leuchtenbetrieb

Maschine/Maschinenoberfläche

maximal

Anzahl der betrachteten Bauteile

Exponent

nutzbar

oben, obere Temperatur bei einem Prozess

potenziell

Rotor

Reibung

Variable

Strahlung

Strahlung zwischen Körper 1 und 2

Sonneneinstrahlung

Maschine bzw. Spritzgießmaschine

Stab

innere Oberfläche der Gebäudehülle

statisch

Prandtl-Staurohr

Hüllfläche

Thermo

Transmissions(-verlust)

technisch

thermisch

unten, untere Temperatur bei einem Prozess

innere Wärmequelle

Wärmeerzeuger

Wärmepumpe

Wechselrichter

Windkraft/-anlage

Zellwirkungsgrad

Zelle

Zuluft

Nomenklatur