Projekt:
Entwicklung einer Methodik zur Aufstellung von
Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz in
Unternehmen
Arbeitspaket 1: Methodik
Teil 2:
Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
im Auftrag des Bundesumweltministeriums
Knut Grabowski (Projektleitung)
Dr. Kirsten Kubin, Carsten Ernst, Simon Diehl, Jurek Melsheimer
Berlin, 15. Januar 2015
Dateiname: Kennzahlen 1.2 Methodik - V90 - 15.01.15 - KG
Auftraggeber
BMUB - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit
Projektbetreuung: Referat KI I 1 – Grundsatzangelegenheiten des Klimaschutzes,
Klimaschutzplan
Köthener Str. 2-3, 10963 Berlin
Projektträger
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH Geschäftsbereich Umwelt Fachbereich Klimaschutz (UMW 3)
Projektbetreuung: Stefan Geyer, Jens Kayser
ÖKOTEC Energiemanagement GmbH
Geschäftsführer
Dr. Christoph Zschocke, Roland Berger
Technische Entwicklung und Qualitätssicherung
Knut Grabowski, Carsten Ernst
Rechtsform
Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Berlin HRB 80690 B
Gründungsjahr
1999
Mitarbeiterzahl (Stand Apr 2014)
ÖKOTEC verfügt über ein interdisziplinäres Team aus 33 Energie- und Wirtschaftsingenieuren, Physikern
und Maschinenbauern und Kaufleuten
Tätigkeit
Haupttätigkeitsfelder sind Beratungs- und Ingenieurleistungen im Bereich Energie und Energieeffizienz
bei Industrie- und Gewerbekunden in Deutschland und Europa, angefangen bei einer ersten
Energieanalyse zur Aufdeckung von Einsparpotentialen, über die Maßnahmenentwicklung im Rahmen
von Energiekonzepten bis zur Implementierung von Maßnahmen. Begleitend zu den Einsparmaßnahmen
führen wir Energiecontrolling bei unseren Kunden ein oder optimieren vorhandene Systeme und
unterstützen bei einem kontinuierlichen Energieeffizienz-Controlling. Wir konzentrieren uns nicht nur
auf energieintensive Branchen wie die Kunststoff-, Automobil-, Chemie-, Metall-, Papier- und
Nahrungsmittelindustrie sondern setzen unsere Erfahrungen auch in Verwaltungs- und Laborgebäuden,
Krankenhäusern und Hotels ein.
Wir führen anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu Themen der
Energieeffizienz und Energiecontrolling durch und arbeiten dabei mit Partnern wie der Fraunhofer-
Gesellschaft, Beratungsunternehmen, Anlagebauern und Anwendern zusammen. Beteiligte
Fördermittelgeber sind neben dem Bundesministerium für Umwelt (BMU) das Bundesministerium für
Wirtschaft (BMWi), die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) sowie die Arbeitsgemeinschaft
industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF).
Seit der Gründung haben wir im In- und Ausland über 550 Industrie- und zahlreiche Gewerbestandorte
betreut. Neben der Optimierung von Versorgungs- und Produktionsanlagen im Bestand, unterstützen
wir unsere Kunden bei der Planung und Errichtung von Neubauten bzw. neuen Produktionsanlagen.
Darüber hinaus haben wir uns bei Ministerien und Forschungsinstitutionen als kompetenter Partner für
anwendungsorientierte Energieeffizienz etabliert.
Hauptsitz
ÖKOTEC Energiemanagement GmbH
Torgauer Str. 12-15
10829 Berlin
Telefon: +49 (30) 536397 – 30
Telefax: +49 (30) 536397 – 90
Ansprechpartner
Knut Grabowski, Durchwahl -26
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .............................................................................................................................. 1
1.1 Darstellung und Zielsetzung der Methodik .................................................................... 1
1.2 Zusammenhang von Projektzielen und praktischen Zielen bei der Anwendung
der Methodik ................................................................................................................. 2
1.3 Aufbau der Methodik ..................................................................................................... 3
2 Voraussetzungen zur Anwendung der Methodik ................................................................. 5
2.1 Voraussetzung: Kontinuierliche Messungen ................................................................. 5
2.2 Verwendung von zeitbezogenen Größen ...................................................................... 5
2.3 Stoffdefinitionen ............................................................................................................ 6
3 System, Aufwand und Nutzen .............................................................................................. 7
3.1 Einführung von System, Nutzen und Aufwand .............................................................. 7
3.2 Bestimmung des Nutzens ............................................................................................ 11
3.3 Welche Aufwände werden betrachtet?....................................................................... 19
3.4 Input / Output im Vergleich zu Aufwand / Nutzen ..................................................... 21
4 Kennzahlen eines Systems .................................................................................................. 24
4.1 Systeme mit einem Nutzen und einem Aufwand - Teileffizienz .................................. 24
4.2 Systeme mit einem Nutzen und mit mehreren Aufwänden – bewertete
Effizienz ........................................................................................................................ 25
4.3 Systeme mit mehreren Nutzen - Gütegrad .................................................................. 41
4.4 Zusammenstellung der Kennzahlen ............................................................................. 55
5 Vergleiche, Einflussgrößen und Systemgrenzen................................................................. 57
5.1 Vergleichsaufwand und Umwelt .................................................................................. 58
5.2 Einflussgrößen und Bereinigung .................................................................................. 59
5.3 Einflussgröße Mensch .................................................................................................. 62
5.4 Vorgehen zur Aufstellung der Einflussgrößen ............................................................. 63
5.5 Gegenüberstellung der Methodik zur Berücksichtigung von Einflussgrößen mit
Literatur ....................................................................................................................... 72
5.6 Vorgehen zur Bereinigung von Einflussgrößen ............................................................ 75
6 Vernetzung und Wechselwirkung der Systeme .................................................................. 80
6.1 Vernetzung von Systemen mit jeweils einem Nutzen ................................................. 81
6.2 Vernetzung von Systemen mit mehreren Nutzen ....................................................... 87
7 Eingehende und ausgehende Produkte .............................................................................. 90
7.1 Definition von durchgehenden Produkten .................................................................. 90
7.2 Beispiele für durchgehende Produkte ......................................................................... 93
7.3 Erläuterung der Einführung von Produkteingang und Produktausgang ...................... 94
7.4 Berechnung der durchgehenden Produkte ................................................................. 97
8 Einbindung von bestehenden Kennzahldefinitionen ......................................................... 99
9 Glossar .............................................................................................................................. 102
10 Nomenklatur ..................................................................................................................... 108
11 Literatursammlung ........................................................................................................... 110
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1 Einleitung
Um die Energieeffizienz einzelner Unternehmen des produzierenden Gewerbes einheitlich
überwachen und bewerten zu können, soll im Rahmen dieses Projektes „Entwicklung einer
Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz in
Unternehmen“ eine standardisierte Methodik zur systematischen Aufstellung von
Energiekennzahlen entwickelt werden.
Im ersten Teil des Arbeitspakets Methodik haben wir einen Überblick über existierende
Kennzahlaufstellungen gegeben, die Aufgaben- und Zielsetzung des Projektes detailliert und
strukturiert sowie Aspekte zur Vorgehensweise bei der Entwicklung der Methodik erläutert.
Im vorliegenden zweiten Teil stellen wir die Entwicklung der Methodik zur Aufstellung von
Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz dar.
1.1 Darstellung und Zielsetzung der Methodik
In der Verfeinerung der Aufgabenstellung (Teil 1 des Arbeitspaktes 1, Methodik) haben wir als
übergeordnete Ziele die Überwachung des Energieverbrauchs von Systemen (Monitoring) und
die vergleichende Bewertung des Energieverbrauchs verschiedener Systeme herausgearbeitet
(Bewertung).
Das Arbeitspaket 1 (Methodik) hat das Ziel, eine Methodik zur Aufstellung von Energie-
Kennzahlen für beliebige Systeme zu entwickeln. Diese Kennzahlen sollen Vergleichbarkeit
ermöglichen und kompatibel sein, um Kennzahlen von Systemen baukastenartig
zusammenschließen zu können und Bewertungen ermöglichen, bei denen die Genauigkeit der
Bewertung bestimmbar ist.
Die meisten Begriffe und Formeln dieser Methodik konnten nicht aus der Literatur
übernommen werden. Die Gründe dafür sind vielfältig: Einerseits ist die Methodik für
interdisziplinäre Anwendungen, wie ökologische, energetische und ökonomische nutzbar und
soll auch für Mitarbeiter eines Standorts mit unterschiedlichem fachlichem Hintergrund wie
beispielsweise Ökonomen, Ingenieure und Techniker anwendbar sein. Andererseits existieren
einige Begriffe in der Literatur nach unserer Recherche nicht mit der hier erforderlichen
Bedeutung. Erst durch diese Begriffsentwicklung ist es möglich, die Formeln für die Kennzahlen
aufzustellen und die Methodik anzuwenden.
Somit liegt der Schwerpunkt der Darstellung der Methodik in der Nachvollziehbarkeit und
Plausibilität der Entwicklung der Begriffe und der Herleitung der Formeln. Wir halten es daher
für notwendig, in einem gesonderten Projekt für die Praxis einen die Anwendung der
Methodik erläuternden Leitfaden zu erstellen. Mit der Methodik wollen wir auch aufzeigen,
welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Kennzahlen Aussagekraft haben und sich der
Aufwand ihrer Messung, Auswertung und Analyse lohnt. Nach unserer Auffassung sollte man
auf Kennzahlen verzichten, wenn die Aussagekraft – zum Beispiel aufgrund der fehlenden
Bereinigung von Einflussgrößen - nicht ausreichend groß ist.
Das heißt, es ist nach unserer Auffassung besser, zunächst einen möglichst großen Teil eines
produzierenden Betriebs mit Kennzahlen mit guter Aussagekraft zu bewerten, als den
gesamten Betrieb mit Gesamtkennzahlen zu bewerten, deren Aussagegehalt in keiner Weise
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gesichert ist. Letztes ist beispielsweise bei einer Kennzahl der Fall, bei der es nicht möglich ist,
zu klären, ob die Veränderung zum Vorjahr auf eine technische Effizienzveränderung
zurückzuführen ist. Und sich nicht das entgegengesetzte Ergebnis ergeben würde, wenn
Einflussgrößen wie Änderungen in der Produktionstiefe, den einzelnen Produktanteilen, der
Auslastung von Produktionslinien, den klimatischen Bedingungen, den erzielten monetären
Preisen und so fort bereinigt wären.
Die Darstellung des energetischen Zustands des Betriebes durch Kennzahlen hat dann
sichtbare Lücken, weil nur der „bewertbare“ Teil des Betriebes abgebildet wird. Aber eine
Vollständigkeit der Darstellung durch zusätzliche Kennzahlen ohne tatsächliche Aussagekraft
führt nach unserer Meinung nur zu einer berechtigten Ausweitung der Einschätzung, dass
Kennzahlen wesentlich bürokratischer Ballast sind und keine realen Vorteile bringen.
Eine wichtige Innovation der Methodik ist die Baukastenfunktion. Sind die Kennzahlen erst
einmal für bestimmte Systeme aufgestellt, so können sie in einen Kennzahlenkatalog
aufgenommen werden. Mit Hilfe dieser aufgestellten Kennzahlen können in einfacher Weise
durch deren Kombination neue Kennzahlen entwickelt werden, sofern das neue System sich
aus diesen Systemen zusammensetzen lässt. Oder die schon im Kennzahlenkatalog
aufgenommen vorhandene Systeme können leicht angepasst werden, um ein leicht
modifiziertes System abzubilden.
Im Arbeitspaket 2 dieses Projekts (Kennzahlenkatalog) werden erste Beispiele für einen
Kennzahlenkatalog entwickelt. Für sieben besonders weit verbreitete Querschnitts-
technologien werden Kennzahlen hergeleitet, welche später als Bausteine dienen können, um
durch eine Verkettung eine Betrachtung und Bewertung eines Gesamtsystems zu ermöglichen.
1.2 Zusammenhang von Projektzielen und praktischen Zielen bei der
Anwendung der Methodik
Die beiden zentralen Zielsetzungen des Projektes für den Einsatz von Kennzahlen sind
Monitoring und Bewertung – siehe dazu auch Kapitel 3 „Strukturierung der Ziele und
Verfeinerung der Aufgabenstellung“ aus dem Teil 1 Methodik. Die Zielsetzung „Monitoring“ ist
nach unserer Vorstellung die kontinuierliche Prüfung, ob Systeme ihr jeweiliges Soll einhalten.
Somit werden die Systeme bei einem Monitoring mit sich selbst verglichen und bewertet. Die
Zielstellung „Bewertung“ ist der Vergleich eines Systems mit anderen Systemen (ideales
Vergleichssystem, best verfügbare Technik, gleiche Systeme an unterschiedlichen Standorten),
um damit eine Bewertung des Energieverbrauchs des Systems zu erhalten.
Kennzahlen können eingesetzt werden, um unterschiedliche praktische Ziele zu erreichen,
betriebsinterne Ziele wie auch Ziele der Politik oder externen Dienstleistern (siehe Abbildung
1). Nach unserer Auffassung lassen sich alle diese praktischen Ziele, deren Erreichung mit
Kennzahlen unterstützt werden kann, auf die im Projekt gesetzten Projektziele Monitoring
sowie Bewertung zurückführen. Ein drittes mögliches Ziel, die Analyse, lässt sich ebenfalls
durch die Kennzahlmethodik unterstützen. Unter Analyse verstehen wir an dieser Stelle die
Auffindung der Ursachen für die Unterschiede der Kennzahlen von verglichenen Systemen im
Monitoring oder bei der Bewertung. Die Analyse ist jedoch nicht Zielsetzung dieses Projektes
und ist daher nicht in der folgenden Grafik dargestellt.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Hieraus folgt, dass wir durch die Zielsetzungen Monitoring und Bewertung alle wesentlichen
praktischen Zielsetzungen, die sich durch Energiekennzahlen unterstützen lassen und in der
folgenden Abbildung dargestellt sind, auch erfüllen und wir uns daher auf diese beiden
zentralen Zielsetzungen konzentrieren können.
Abbildung 1: Zuordnung von praktischen Zielen zu den zentralen Zielen der Kennzahlmethodik,
Monitoring und Bewertung
1.3 Aufbau der Methodik
Die Methodik ist wie folgt strukturiert.
In Kapitel 2 werden Voraussetzungen zur Anwendung der Methodik und verwendete
Stoffdefinitionen aufgeführt.
In Kapitel 3 werden die Grundbegriffe System, Aufwand und Nutzen eingeführt. Diese Begriffe
motivieren sich aus der einfachen und allgemein verbreiteten Definition von Effizienz als das
Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Des Weiteren stellen wir ein Vorgehen vor, um ein System,
Systemgrenzen und Nutzen ausreichend genau zu bestimmen, um so den Gegenstand der
Überwachung und Bewertung zu bestimmen.
In Kapitel 4 werden die wesentlichen Kennzahlen Teileffizienz, bewertete Effizienz und
Gütegrad eingeführt. Die bewertete Effizienz ist hierbei so definiert, dass damit auch der
wesentliche Baustein zur Vernetzung der Anlagen gelegt ist, weil mit der bewerteten Effizienz
die Information der Effizienz des vorgelagerten Systems übergeben wird.
Be
we
rtu
ng
Mo
nit
ori
ngUnternehmen
•Überwachung Energiekosten
•Überwachung Energieeffizienz
•Umweltüberwachung / Emissionshandel
•Erfolgscontrolling von Maßnahmen
Dienstleister
•Nachweis für Einspar-Contracting
•Nachweis für Betriebs-Contracting
•Nachweis Zertifzierer
Politik und Normung
•Prüfung Effizienzfortschritte
•Prüfung Förderbedingungen
•Verknüpfung von Kennzahlen von Normen
Unternehmen / Dienstleister
•Benchmarking
•Identifikation Einsparpotenziale
•Aufstellung von Maßnahmen
•Bewertungsgrundlage effizienter Technik
Politik
•Kriterien für gesetzliche Vorgaben
•Kriterien für Förderung / Subvention
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Wie im ersten Teil der Methodik beschrieben, werden die entsprechenden Formeln für die
Effizienz und die Bewertungseffizienz sukzessive für zunehmend komplexere Systeme
eingeführt. Dabei gehen wir zunächst von einem System mit nur einem Aufwand und einem
Nutzen aus und berechnen im zweiten Schritt die entsprechenden Größen für ein System mit
mehreren Aufwänden und einem Nutzen.
In Kapitel 5 werden verschiedene Vergleichsmöglichkeiten aufgestellt und bestimmt, welche
Vergleichstypen für unsere beiden zentralen Zielstellungen Monitoring und Bewertung von
Systemen geeignet sind. Hierbei werden unter anderem die Begriffe Einflussgrößen,
Bereinigung und verschiedene Arten von Einflussgrößen definiert. Ausgehend von einem
durch die Methodik von Kapitel 3 definierten System können dann die relevanten
Einflussgrößen auf den Energieverbrauch bestimmt werden.
In Kapitel 6 werden Methoden aufgezeigt, wie aus Kennzahlen für einzelne Systeme
Kennzahlen von übergeordneten Systemen gebildet werden können. Somit kann unseres
Erachtens erstmalig allgemein die Gesamteffizienz aus den Effizienzen der Teilsysteme
berechnet werden.
In Kapitel 7 werden durchgehende Produkte eingeführt, um die Zielsetzung einer
Baukastenfunktionalität (oder modularer Aufbau) der Methodik vollständig zu erfüllen.
In Kapitel 8 werden Kriterien aufgestellt, mit denen beurteilt werden kann, in welchem Fall in
der Literatur vorhandene Kennzahlen in die Methodik integriert werden können.
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2 Voraussetzungen zur Anwendung der Methodik
2.1 Voraussetzung: Kontinuierliche Messungen
Eine Voraussetzung zur Anwendung der vorgestellten Methodik sind kontinuierliche
Messungen: Bei vielen Systemen, gerade in der Versorgungstechnik, ändern sich die Größen
und Eigenschaften der eingesetzten Aufwände und der erzeugten Nutzen in verschiedenen
Zeitintervallen. Nur kontinuierlich aufgezeichnete Messwerte bieten die Möglichkeit, die
tatsächlichen Aufwände den Nutzen mit bestimmten Eigenschaften zuzuordnen. Damit können
Einflussfaktoren bereinigt werden und es wird eine Datenbasis geschaffen, um Vergleiche
durchführen zu können.
In der praktischen Umsetzung empfehlen wir die Erstellung eines Kennzahlen- und eines
Messkonzeptes, um zu entscheiden, welche Systeme und welche zugehörigen Einflussgrößen
zu messen sind. Kriterien für die Auswahl der zu messenden Systeme sind unter anderem die
Energiekosten des zugehörigen Systems, das zu erwartende Einsparpotenzial1, die Messkosten,
die Relevanz der Einflussgröße bezüglich der Energieeffizienz, die erforderliche
Messgenauigkeit und die zu erwartende Schwankungsbreite der jeweiligen Einflussgröße. Eine
Methodik zur Auswahl der Einflussgrößen wird in Abschnitt 5.4 gegeben.
Um die gemessenen Daten speichern und auswerten zu können, bedarf es eines
Energiecontrolling-Systems. Die Darstellung von Messtechnik und Energiecontrolling-Systemen
ist nicht Aufgabenstellung dieses Projekts. Hier sei auf entsprechende Literatur verwiesen –
beispielsweise (ÖKOTEC Energiemanagement GmbH, 2009).
2.2 Verwendung von zeitbezogenen Größen
Die wesentlichen Größen der Methodik wie Nutzen- und Aufwandsgrößen werden in der Regel
zeitbezogen angegeben. Dies hat sich nach unserer Erfahrung als sehr nützlich erwiesen, da wir
somit auch Größen, die sich auf verschieden große Zeiträume beziehen, direkt vergleichen
können.
Beispielsweise verwenden wir für einen Zeitraum die durchschnittliche Kälteleistung pro Zeit
und nicht den absoluten Kälteenergieverbrauch, den Produktstrom (in Stück pro Zeit) und
nicht die absolute Stückzahl oder die Zuluft (in kg pro Zeit) und nicht die Gesamtmasse für den
betrachteten Zeitraum.
Kennzahlen für einen längeren Zeitraum können unabhängig davon, ob man zeitbezogene
Kennzahlen verwendet oder nicht, nicht als Mittelwert der einzelnen Kennzahlen gebildet
werden. Um korrekte Ergebnisse für die hier aufgestellten Kennzahlen zu ermitteln, sind hier
jeweils Zähler und Nenner getrennt zu ermitteln und dann durcheinander zu teilen.
1 Das Kriterium „zu erwartendes Einsparpotenzial“ ist natürlich auch eine Zielgröße des
Kennzahlsystems. An dieser Stelle ist eine Vorabeinschätzung des Einsparpotenzials beispielsweise
durch eine Energieanalyse gemeint.
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2.3 Stoffdefinitionen
Werk-, Hilfs- und Betriebsstoffe definieren wir nach (Egon Müller, 2009):
Werkstoffe sind Rohmaterialien oder Vorprodukte, die als wesensbestimmende
Bestandteile in die Erzeugnisse eingehen.
Hilfsstoffe sind unwesentliche Bestandteile wie beispielsweise Kleber, Schrauben
oder Lacke, die ebenfalls in die fertigen Produkte eingehen.
Betriebsstoffe wie beispielsweise Ersatzteile und Schmierstoffe werden bei der
Herstellung der Produkte benötigt, gehen aber nicht in die Produkte ein.
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3 System, Aufwand und Nutzen
In diesem Kapitel führen wir die Grundbegriffe System, Aufwand und Nutzen ein. Diese
Begriffe motivieren sich aus dem einfachen und allgemein verbreiteten Verständnis von
Effizienz als das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Mit der Bestimmung von Aufwand und
Nutzen werden auch die Systemgrenzen als die zu betrachtenden Bilanzgrenzen festgelegt.
In Abschnitt 3.2 beschreiben wir ein Vorgehen zur Festlegung von System, Systemgrenzen und
Nutzen, um so den Gegenstand des Monitoring und der Bewertung zu bestimmen.
3.1 Einführung von System, Nutzen und Aufwand
3.1.1 System
Wir definieren ein System wie folgt:
Ein System hat einen oder mehrere Aufwände, mit denen ein oder mehrere Nutzen
erzeugt werden. Ein System kann von seiner Umwelt abgegrenzt betrachtet
werden. Die Aufwände werden von vorgelagerten Systemen bezogen und die
Nutzen werden von nachgelagerten Systemen genutzt. Damit überschreiten
Nutzen und Aufwände die Systemgrenzen des Systems und definieren diese.2
Ein System kann aus mehreren Teilsystemen bestehen. Teilsysteme haben die
gleiche Struktur wie Systeme und können daher selber wiederum aus Teilsystemen
bestehen. Teilsysteme unterscheiden sich daher formal nicht von Systemen.
2 Beispiele anderer Definitionen für „System“ zum Vergleich:
DIN EN 61499-1:2006-06 Funktionsbausteine für industrielle Leitsysteme - Teil 1: Architektur:
Menge miteinander zusammenhängender Elemente, die in einem bestimmten Zusammenhang als
Ganzes gesehen und als von ihrer Umgebung abgegrenzt betrachtet werden.
Zusatzinformationen:
Anmerkung 1: Solche Elemente können sowohl Gegenstände oder Begriffe als auch deren Ergebnisse
(zum Beispiel Organisationsformen, mathematische Verfahren, Programmiersprachen) sein.
Anmerkung 2: Das System wird als von der Umgebung und von anderen äußeren Systemen durch eine
imaginäre Hüllfläche abgegrenzt gedacht, welche die Verbindungen zwischen diesen Systemen und dem
betrachteten System durchschneidet.
DIN EN 61226:2010-08; VDE 0491-1:2010-08: Kernkraftwerke - Leittechnische Systeme mit
sicherheitstechnischer Bedeutung - Kategorisierung leittechnischer Funktionen (IEC 61226:2009):
Satz von Komponenten, die entsprechend der Auslegung zusammenarbeiten, wobei ein Element des
Systems ein weiteres System, genannt Teilsystem, sein kann.
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Abbildung 2: Ein System wird definiert durch Aufwand und Nutzen
Diese Definition eines Systems entspricht einer sogenannten Black-Box-Definition. Sie ergibt
sich aus unseren zentralen Zielstellungen, Monitoring und Bewertung, die beide durch
Vergleiche erreicht werden. Bei Vergleichen darf nur das äußere Verhalten eines Systems in
Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung von Eigenschaften des Systems selber würde
den Vergleich verfälschen.
Aufwand und Nutzen können sich von stofflichen In- und Output-Größen eines Systems
unterscheiden. Beispielsweise wird eine über Dach abgeführte Abwärme, die nicht weiter
genutzt wird (also keiner Nutzung zugeführt wird) nicht berücksichtigt. Ist jedoch ein Ventilator
zur Abführung der Abwärme erforderlich, dann ist der Abwärme ein Aufwand zuzuordnen,
wenn der Ventilator nicht Bestandteil des betrachteten Systems ist. In Abschnitt 3.4 wird das
Verhältnis von In- und Output-Größen und den Größen von Nutzen und Aufwänden genauer
beschrieben.
3.1.2 Nutzen und Aufwand
Wir definieren zunächst die Nutzen:
Die Nutzen sind die ausschließlich vom betrachteten System erzeugten Nutzen,
also bei Produktionssystemen lediglich die Prozessschritte oder bei
Versorgungssystemen die Änderungen der Eingangsstoffe. Der Nutzen eines
Systems ist daher bei Produktionssystemen die Veränderung von
Werkstoffeigenschaften, also der Arbeitsschritt oder bei Versorgungssystemen die
Änderung von Eigenschaften des Betriebsstoffs (Mediums).
Der Nutzen ist daher nicht identisch mit dem Produkt oder Medium selbst, das aus dem
System herauskommt und daher in der Regel auch nicht identisch mit Output-Größen. Damit
ist auch festgelegt, dass die Eigenschaften der Werkstoffe bei Produktionssystemen oder der
Betriebsstoffe bei Versorgungssystemen vor Eintritt in das System Eigenschaften des Nutzens
sind und nicht des Aufwandes, da der Nutzen direkt von diesen Eigenschaften abhängt. So ist
beispielsweise die Granulatqualität bei einer Spritzgussmaschine eine Eigenschaft des Nutzens:
Der Nutzen der Spritzgussmaschine verändert sich mit der Qualität des Granulats.
Entsprechend definieren wir die Aufwände:
Die Aufwände sind die vom System verbrauchten Aufwände. Stoffe und
Nutzenergien, die durch das System hindurchgehen, aber nicht verbraucht werden,
sind keine Aufwände des Systems.
In folgenden Abbildung geben wir weitere Beispiele, die verdeutlichen sollen, dass wir unter
Nutzen immer die Erzeugung und unter Aufwand immer den Verbrauch verstehen.
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Abbildung 3: Nutzen als Erzeugung und Aufwand als Verbrauch
In Kapitel 0 führen wir die Begriffe eingehende und ausgehende Produkte ein. Eingehende und
ausgehende Produkte berücksichtigen auch den Nutzen, der durch vorgelagerte Systeme
erzeugt wird und nicht durch das System verbraucht wird, sondern nur hindurchgeht.
3.1.3 Größen und Eigenschaften von Nutzen und Aufwänden
Der Nutzen wird beschrieben durch eine Nutzengröße und Eigenschaften:
Nutzen haben eine Nutzengröße und Eigenschaften.
Die Nutzengrößen können beispielsweise Stückzahlen, Mengen, Massen oder
Energien sein.
Eigenschaften können beispielsweise Temperaturen, Drücke oder
Produkteigenschaften sein.
Da die Nutzen eines Systems die Aufwände des nachfolgenden Systems sein können,
definieren wir:
Aufwände werden in Analogie zum Nutzen durch eine Aufwandsgröße und
Eigenschaften beschrieben.
Abbildung 4: Nutzen und Aufwand
Nutzen => Erzeugung
Prozesse z.B. Härten,
Pressen, Erhitzen eines Produkts
Versorgung z.B. Änderung der Temperatur, des
Drucks
Aufwand => Verbrauch
Prozesse z.B. Verbrauch
von gereinigtem Schmieröl
Versorgung z.B. Strom-verbrauch
Nutzen
Nutzengröße
Eigenschaften des Nutzens
Aufwand
Aufwandsgröße
Eigenschaften des Aufwands
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In der folgenden Tabelle geben wir Beispiele für Größen und Eigenschaften von Nutzen und
Aufwänden an.
Tabelle 1: Beispiele für Größen und Eigenschaften von Nutzen und Aufwänden
Nutzen- und Aufwandsgröße lassen sich in der Regel als Produkt von Mengen- oder
Massenstrom und einer spezifischen Größe darstellen:
Nutzengröße = Mengen- oder Massenstrom x spezifische Nutzengröße
und
Aufwandsgröße = Mengen- oder Massenstrom x spezifische Aufwandsgröße
Beispiel
Kälteleistung (in kW) = Massenstrom Kältemittel (in kg/h) x spezifische
Verdampfungsenthalpie (in kJ/kg)
Weitere Beispiele
Beispiele für Mengen- oder Massenstrom:
• Massenstrom
• Mengenstrom, Stückzahlstrom
• normierter Volumenstrom
Beispiele für spezifische Nutzen- und Aufwandsgrößen:
• Spezifische Wärmeenergie (Wärmekapazität x Temperaturdifferenz)
Beispiel 1
Beispiel 2
Nutzen oderAufwand
Kälte
Lackierung
Nutzen- oderAufwands-
größe
Kälteleistung(in kW)
Stückzahlen eines Produkts
(in Stück/h)
Eigenschaften des Nutzens oder
Aufwands
z.B.:
-Temperatur(in °C)
-Volumenstrom (in m³/h)
z.B.:
- Oberfläche des Produkts
(in m²)
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• Spezifische Verdampfungsenthalpie
• Massenabnahme an Staub in der Zuluft
• Oberfläche eines lackierten Objekts
3.2 Bestimmung des Nutzens
Die Nutzen sind die zentrale Vergleichsgröße: Man kann zwei Systeme miteinander
vergleichen, wenn die Nutzen der Systeme gleich sind. Die Aufwände, die Systemgrenzen und
die Systeme selber können dagegen unterschiedlich sein.
Die Bestimmung des Nutzens eines Systems ist daher eine wichtige Grundlage für die beiden
zentralen Zielsetzungen des Projekts, das Monitoring (bzw. die Überwachung) und die
Bewertung. Diese Zielsetzungen entsprechen den zentralen Zielsetzungen von Energie-
controlling.3 Die Überwachung dient dazu festzustellen, ob ein System seinen
Sollenergieverbrauch oder seine Sollenergieeffizienz einhält. Die Bewertung dient dazu
festzustellen, wie sich der Energieverbrauch oder die Energieeffizienz im Vergleich zu anderen
Systemen darstellt – siehe auch Abschnitt 1.2.
Nutzengrößen sind vom Nutzer oder von nachgelagerten Systemen festgelegte Sollgrößen und
im Prinzip keine Messgrößen. Der Nutzer legt fest, welche Nutzen (Sollwerte) ein System zu
erbringen hat. Abweichungen zwischen den Messwerten und den Sollwerten stellen häufig
eine Ineffizienz des Systems dar. Beispielsweise führt eine Austrittstemperatur einer
Kältemaschine, die kleiner ist als die erforderliche Solltemperatur, zu einer unnötigen
Erhöhung des Stromverbrauchs. Wenn in diesem Fall anstelle der Soll-Temperatur die
gemessene Austrittstemperatur für die Bildung der „Ist-Kennzahl“ verwendet würde, würde
diese durch eine ungenügende Regelung verursachte Ineffizienz nicht festgestellt werden
können.4
3.2.1 Vorgehen für die Aufstellung von Nutzen, Nutzengrößen und System
Im Folgenden schlagen wir ein Vorgehen vor, das die Aufstellung von Nutzen und
Nutzengrößen und die Festlegung der Systemgrenzen erleichtern sowie standardisieren sollen.
Das Vorgehen gliedert sich in eine Abfolge von fünf Schritten, wobei je nach System auch
Schritte übersprungen werden können. Schritt 3 ist nur im Fall des Ziels der Bewertung und
nicht für den Fall des Monitoring erforderlich, da im Fall des Monitoring die Nutzen in der
Regel sowieso gleich sind (Vergleich eines Systems mit sich selbst).
3 Zum Energiecontrolling gehört dann zusätzlich zur Überwachung und Bewertung der Nutzen auch die
der Produkte. Dies wird in Kapitel 7 behandelt.
4 In der Praxis gehen in der Regel trotzdem gemessene Nutzengrößen in die Kennzahlbestimmung ein,
da die Sollgrößen oft nicht verfügbar sind oder die gemessenen Nutzengrößen und die Sollgrößen sich
nicht maßgeblich unterscheiden.
Es lohnt sich jedoch bei vielen Systemen, diese gemessenen Größen hinsichtlich des tatsächlich
gewünschten Nutzens zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
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Abbildung 5: Schrittabfolge zur Aufstellung des Nutzens und des Systems
Schritt 1 Auswahl des Systems
Wir wählen ein System aus, das überwacht oder bewertet werden soll. Denn das Monitoring
und die Bewertung von Systemen ist die zentrale Aufgabe der Kennzahlen gemäß der
Zielstellung dieses Projekts.
In diesem Schritt es noch nicht erforderlich, die Systemgrenzen genau festzulegen.
Beispiel:
Eine Rohrleitung, durch die ein Wärme- oder Kältestrom fließt.
Nr.
1
2
3
4
5
Schritt
Systemauswahl
Nutzenbestimmung
Verallgemeinerung Nutzen (für Bewertung)
Nutzengröße
Systemgrenzen Messbarkeit / Nutzenanzahl
Beispiel
Rohrleitung
Ortswechsel Kälteleistung mit kont. Wasserstrom
Ortswechsel Kälteleistung
Volumenstrom x Rohrlänge
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Abbildung 6: Schritt Bestimmung der Nutzengröße am Beispiels des Systems „Rohrleitung“
Schritt 2 Bestimmung des Nutzens
Der Nutzen ist die zentrale Vergleichsgröße, mit der wir ein System überwachen und bewerten
können. Wir bestimmen den Nutzen des Systems folgender Maßen:
Wir bestimmen den Nutzen des Systems entsprechend der Definition in
Abschnitt 3.1.2 und beachten dabei seine Aufgabe im Systemverbund, also die
Anforderungen der nachgelagerten Systeme und die Vorleistungen der
vorgelagerten Systeme. Der Energieverbrauch ist zur Bestimmung des Nutzens
irrelevant. Im Anschluss bestimmen wir die erforderlichen Eigenschaften des
Nutzens.
Diese gegebene Bestimmung des Nutzens des Systems ist eine andere Vorgehensweise als die
in der Vergleichsliteratur übliche Suche nach einer „Bezugsgröße“ (siehe auch VDI, 2003) oder
ähnlichen beschriebenen Größen. In der Vergleichsliteratur werden keine Regeln angegeben,
wie diese Bezugsgröße gefunden werden kann und in welchem Zusammenhang die
Bezugsgröße mit dem Energieverbrauch und dem tatsächlichen Nutzen des Systems steht oder
stehen soll. Ein Beispiel hierfür ist die Bezugsgröße „Fläche“ für Lagergebäude.
Dies vermeiden wir, in dem wir zunächst Nutzen eines Systems ohne einen Bezug auf die
Energie bestimmen. Der Nutzen wird vom nachgelagerten System angefordert und dabei spielt
der Energieverbrauch nur keine Rolle. Bei der Nutzenbeschreibung sollte nicht auf
Eigenschaften des Systems eingegangen, sondern entsprechend des Black-Box-Ansatzes nur
die Nutzengröße beschrieben werden, damit Vergleiche mit Systemen möglich sind, die die
gleiche Nutzengröße auf eine andere Art und Weise erzeugen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Beispiel System Rohrleitung
Der Nutzen der Rohrleitung besteht in der Überführung einer Kälteleistung von Ort A nach Ort B
mittels eines Wasservolumenstroms.
Der Nutzen wird prinzipiell durch die folgenden Eigenschaften bestimmt:
• Wassertemperatur
• Objekte (Hindernisse) zwischen Ort A und Ort B, die die Wahl der Rohrführung
beeinflussen
• Umgebungsklima: Lufttemperaturen, Wärmestrahlung, Luftströmung, Luftfeuchte
Schritt 3 Verallgemeinerung der Nutzenbestimmung an den gewünschten Vergleich
(Nur im Fall der Bewertung)
Anders als beim Monitoring, wo das System mit sich selber verglichen wird, kann bei der
Bewertung eine Verallgemeinerung der Nutzenbestimmung erforderlich sein.
Wenn beispielsweise das System mit Systemen verglichen werden soll, die den Nutzen mittels
eines anderen Verfahrens erbringen, ist die Nutzenbestimmung soweit zu verallgemeinern,
dass der Nutzen beider Systeme beschrieben wird.
Beispiel System Rohrleitung
Das System Rohrleitung soll mit einem mobilen Transportsystem für kaltes Wasser zur
Überführung der Kälteleistung verglichen werden.
Dann könnte man den Nutzen wie folgt definieren:
Der Nutzen des Systems besteht in der Überführung einer Kälteleistung von Ort A nach Ort B
mittels kalten Wassers.
Schritt 4 Bestimmung der Nutzengröße
Die Nutzengröße ist zu bestimmen. Damit wird der Nutzen quantifiziert. Die Nutzengröße
muss durch Messungen bestimmbar sein.
Es ist zu überprüfen, welche zuvor definierten Eigenschaften des Nutzens notwendige sind und
welche keine Rolle spielen und daher nicht weiter berücksichtigt werden sollen.
Wenn keine quantitative Bestimmung der Nutzengröße durch Messgrößen möglich ist, haben
wir noch die Möglichkeit, das System in Teilsysteme aufzuteilen und dann wenigstens für
Teilsysteme eine Bestimmung der Nutzengröße zu erreichen.
Beispiel System Rohrleitung
Ein möglicher Ansatz für die Nutzengröße einer Rohrleitung ist:
„Volumenstrom x direkte Entfernung zwischen den Orten A und B“5 – siehe auch folgende
Abbildung. Der Energieaufwand für den Transport ist unter anderem abhängig von der
5„x“ meint hier die Multiplikation der beiden Größen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Rohrlänge. Die Rohrlänge ist unter anderem abhängig von den vorhandenen Hindernissen. Der
Einfluss der vorhandenen Hindernisse ist schwierig und aufwändig zu quantifizieren.
Daher bestimmen wir nun die Nutzengröße zu „Volumenstrom x Rohrlänge“. Diese Bestimmung
der Nutzengröße erlaubt es uns, auf die Bereinigung der vorhandenen Objekte (und die Qualität
der Planung (menschlicher Einfluss)) zu verzichten. Wir haben die Nutzengröße so bestimmt,
dass diese Einflussgrößen bei einem Vergleich mit anderen Systemen keine Rolle mehr spielen,
obwohl sie einen Einfluss auf den Energieverbrauch haben.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass externe Einflussfaktoren, die nur mit sehr hohem Aufwand
zu bereinigen sind, nicht betrachtet werden müssen. Es hat jedoch auch den Nachteil, dass nur
ein Teil des eigentlich interessierenden Systems betrachtet wird und bestimmte Vergleiche, wie
in diesem Fall beispielsweise mit alternativen Transportsystemen, nicht möglich sind.
Durch diese Definition der Nutzengröße reduzieren sich auch die Eigenschaften des Nutzens:
• Wassertemperatur
• Umgebungsklima: Lufttemperaturen, Wärmestrahlung, Luftströmung, Luftfeuchte
Schritt 5 Wahl der Systemgrenzen zur Reduzierung der Anzahl der Nutzen
Für die beiden Hauptaufgaben des Energiecontrolling, Monitoring und Bewertung, ist wie
schon erwähnt nur eine Nutzengleichheit und nicht eine Übereinstimmung der Systeme in den
Bestandteilen oder den Aufwandsarten erforderlich.
Wir haben daher eine Wahlfreiheit bei den Systemgrenzen: Die Systemgrenzen der zu
vergleichenden Systeme müssen nicht übereinstimmen: Es kann bei einem System ein
Teilsystem enthalten sein und beim Vergleichssystem nicht! Der Grund hierfür liegt in der
Übergabe der Informationen bei den Aufwänden. In den Informationen der Aufwände sind
jeweils alle vorgelagerten Systeme berücksichtigt.
Damit wir Vergleiche machen können, sollten jedoch die Systemgrenzen so angepasst werden,
dass folgende Bedingungen erfüllt werden:
1) Wähle die Systemgrenzen so, dass die Nutzen- und Aufwandsgrößen und die
relevanten Einflussgrößen (siehe Kapitel 5) hinreichend genau messbar sind.
2) Wähle die Systemgrenzen möglichst so, dass das System keine weiteren
Nutzen hat.
Die Notwendigkeit der Messbarkeit ergibt sich aus der Zielsetzung der Methodik, dass das
reale Verhalten der Systeme überwacht und bewertet werden soll und nicht die Annahmen
über das System.
Die Bedingungen, dass das System möglichst nur einen Nutzen haben soll, ergibt sich aus dem
Problem der Verteilung der Aufwände auf mehrere Nutzen – siehe dazu auch Abschnitt 4.3.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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3.2.2 Bestimmung von Nutzen und System am Beispiel Büroraum
An diesem Beispiel können einige Vorteile des vorgestellten Vorgehens und einige der Probleme
erklärt werden, die mit der Überwachung und der Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden
einhergehen (siehe auch Abschnitt 2.9 im ersten Teil der Methodik).
Es wird gezeigt, welche Problematik durch eine einfache Setzung einer Bezugsgröße wie etwa
der Fläche eines Büroraums entsteht. Und es werden Lösungsansätze des Problems der
Energieeffizienzbestimmung aufgezeigt.6
Tabelle 2: System- / Nutzen-Bestimmung für einen Büroraum
Definition 1 (siehe Tabelle 2): Nutzengröße = Arbeitsleistung der Personen
Die Definition, die dem tatsächlichen Nutzen wohl am nächsten kommt, ist die tatsächliche
Arbeitsleistung der Personen, die in dem Büro arbeiten. Diese Definition ist, wie in Schritt 2
beschrieben, nicht am Energieaufwand orientiert, sondern am Nutzen, dem wir dem System
zuordnen. Die Sinnhaftigkeit dieses Vorgehens soll im Folgenden auch aufgezeigt werden.
Zunächst gibt es ein Problem mit der Quantifizierbarkeit der Arbeitsleistung als Nutzengröße.
Wir benötigen daher eine quantifizierbare Nutzengröße, die sich linear mit dem Nutzen verhält.
6 Die Entwicklung einer kompletten Lösungsstrategie für die Energieeffizienzbestimmung von
Bürogebäuden mit der vorgestellten Methodik ist jedoch nicht Zielsetzung dieses Projekts.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Definition 2 (siehe Tabelle 2): Nutzengröße = Anzahl der anwesenden Personen
und Berücksichtigung individueller Anforderungen
Wir gelangen zu einer Quantifizierbarkeit des Nutzens durch eine Änderung der Systemgrenzen:
Nun gehören die den Büroraum nutzenden Personen nicht mehr zum System und gehen daher
als externe Einflussgrößen ein.
Der Nutzen besteht dann darin, die individuellen Anforderungen wie beispielsweise die
klimatischen Bedingungen im Büroraum zu erfüllen.
Der Nutzen kann dann anhand der Anzahl der anwesenden Personen quantifiziert werden (z.B.
Personenstunden). Deren individuelle Anforderungen an die klimatischen Bedingungen im
Büroraum werden als externe Einflussfaktoren bereinigt.
Diese Definition bietet die höchste Aussagekraft und Vergleichbarkeit.
Definition 3 (siehe Tabelle 2): Nutzengröße = Anzahl der anwesenden Personen
Die individuellen Einflussfaktoren bezüglich der klimatischen Bedingungen werden nicht
bereinigt. Damit wird die Vergleichsbasis erhöht und der Messaufwand verringert. Jedoch sind
die Aussagekraft und die Vergleichbarkeit verringert.7
Definition 4 (siehe Tabelle 2): Nutzengröße = Anzahl der Arbeitsplätze
Der Einflussfaktor „Anwesenheit“ wird nun ignoriert und damit wird die Vergleichsbasis weiter
erhöht und der Messaufwand weiter verringert. Jedoch sind die Aussagekraft und die
Vergleichbarkeit weiter verringert.
Definition 5 (siehe Tabelle 2): Nutzengröße = Fläche8
Nun werden auch die Einflussfaktoren „Tatsächliche Anzahl der Arbeitsplätze“ und „Raumhöhe“
(welche vorher den Raum charakterisiert haben) ignoriert. Damit wird noch einmal die
Vergleichsbasis erhöht und der Messaufwand verringert. Jedoch sind auch die Aussagekraft und
die Vergleichbarkeit weiter verringert.
Und die Frage stellt sich, wie „groß“ noch die Aussagekraft einer hieraus resultierenden Kennzahl
ist, auch wenn Einflussfaktoren wie beispielsweise die Außentemperatur bereinigt werden.9
7 Teilweise ergeben sich jedoch auch Möglichkeiten, an dieser Stelle den Einflussfaktor „klimatische
Bedingungen im Büroraum“ zu bereinigen und nicht zu ignorieren. Um beispielsweise Büroräume mit
und ohne Kühlung zu vergleichen, können Studien über Arbeitsleistung in Abhängigkeit der
Raumtemperatur herangezogen werden. Allerdings ist hier zu hinterfragen, welchen Einfluss die Art der
Arbeit hat.
8 Welche Definition der „Fläche“ herangezogen wird (Bruttogeschossfläche, Nutzfläche, beheizte Fläche,
…) ist auch eine lohnenswerte Betrachtung. Sie ist jedoch für die hier dargestellte Fragestellung der
System-/Nutzen-Bestimmung nicht zwingend erforderlich.
9 Hierbei ist zu erwähnen, dass die Aussagekraft teilweise umso höher ist, je weniger entwickelt die
Regelungstechnik ist: Wenn eine Regelung von Gebäuden nicht die Möglichkeit bietet, bei
Nichtanwesenheit den Zuluftvolumenstrom und die Raumtemperatur herunter zu regeln, so kann man
diese Gebäude auch vergleichen ohne diese Einflussfaktoren zu berücksichtigen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Im Folgenden fassen wir zusammen, was für Probleme entstehen können, wenn wir für den
Büroraum direkt die „Bezugsgröße“ Fläche ansetzen und dabei Einflussfaktoren nicht beachten.
Es besteht zunächst die Fragestellung, welchen Energieverbrauch der Nutzer überhaupt als
Aufwand betrachten will. In der Regel wird an dieser Stelle der Heizenergiebedarf verwendet. Wir
wollen annehmen, dass dann die entsprechende Kennzahl als Heizenergiebedarf pro Nutzfläche
Büroraum bestimmt wird. Die Aussagekraft dieser Kennzahl, beispielsweise für den einfachen
Vergleich der Energieeffizienz zweier Jahre des gleichen Gebäudes soll im Folgenden betrachtet
werden.
Durch die einfache Wahl der Bezugsgröße Fläche kann nicht abgeleitet werden, welche
Einflussgrößen überhaupt betrachtet werden sollten. Aus dem Erfahrungswissen könnte man
beispielsweise aufzählen:
• Klimatische Bedingungen (Außentemperatur, Sonneneinstrahlung,
Außenluftfeuchte, …)
• Anzahl der im Büro anwesenden Personen (Beispielsweise durch Regelung des
Luftwechsels über die Lüftungsanlage oder die Fenster oder die Wärmeabgabe)
• Anzahl der Arbeitsplätze
• Höhe des Strombedarfs
• Unterschiedliche Anforderungen der Personen an klimatische Bedingungen
(Raumtemperatur, Luftwechsel, …)
• Unterschiedliches Regelverhalten der Personen (Absenken der Temperatur nach
Verlassen des Büros, …)
• Unterschiedliche zentrale Einstellungen der Regelung (Nachtabsenkung, …)
• Höhe der Räume
• …
Wenn man nun eine Veränderung der Kennzahl von einem Jahr zum anderen Jahr feststellt, so ist
zu fragen, was man hieraus ableiten kann. Zunächst können wir aus einer Verschlechterung der
Kennzahl nicht feststellen, dass der Betrieb weniger effizient war und umgekehrt umgekehrt, da
wir nicht wissen, wie sich die Einflussgrößen auswirken und welche Einflussgrößen wir überhaupt
betrachten oder bereinigen sollten. Wir können auch keine Wahrscheinlichkeit oder ähnliches für
die Genauigkeit der Kennzahlen angeben. Das heißt, für ein Monitoring ist diese Zahl unserer
Ansicht nach nicht geeignet.
Wenn man diese Kennzahl für viele Büroräume ermittelt, kann man nach unserer Vorstellung
ebenfalls nach einem „Gesetz der großen Zahlen“ keine Aussage ableiten und somit die einzelnen
Büroräume damit bewerten. Dieses Gesetz hat die Grundlage, dass die Einflussgrößen sich
zufällig um einen Mittelwert verteilen. Wenn sich jedoch beispielsweise von einem Jahr zum
anderen die Personalbelegung des gesamten Gebäudes verändert hat, so wird die Einflussgröße
„Anzahl der anwesenden Personen“ sich im Mittel bei dem Gebäude in eine Richtung verteilen.
Dennoch kann die Kennzahl eine grobe Orientierung an den Rändern bieten, wenn also
besonders gute oder schlechte Werte erreicht werden. Allerdings sollte beispielsweise auch bei
einem besonders guten Wert gefragt werden, ob es sich eventuell um ein ganz oder nahezu
leerstehendes Gebäude handelt oder ob eventuell der Büroraum durch Computer mit besonders
hohem Strombedarf geheizt wird und so weiter.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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3.3 Welche Aufwände werden betrachtet?
In diesem Abschnitt wird geklärt, welche Aufwände überhaupt in die Betrachtung einbezogen
werden können. Wir haben dies hier relativ weit gefasst, um einem möglichst großen Teil der
Anforderungen von Industrieunternehmen an eine Kennzahlmethodik gerecht zu werden.
Im Anwendungsfall müssen nicht alle hier aufgeführten Aufwände berücksichtigt werden.
Aufgrund der Zielstellung oder aufgrund mangelnder Relevanz können Aufwände
unberücksichtigt bleiben, um den Erhebungs- und Verarbeitungsaufwand zu verringern.
Es können beispielsweise die in Werkstoffen enthaltenen indirekten Energieaufwände nicht
berücksichtigt werden und trotzdem kann die Methodik verwendet werden. Es sollte dann
jedoch vermerkt werden, dass bei dem betrachteten Vergleich (Monitoring oder Bewertung)
Unterschiede von Systemen bezüglich dieser Aufwandsart nicht berücksichtigt sind.
Die vorgestellte Methodik wird im Grundansatz unabhängig bezüglich der Art der eingesetzten
Aufwände entwickelt. Wir beschränken im Folgenden die berücksichtigten Aufwände in
diesem Projekt jedoch auf solche, die in Verbindung mit Energieverbräuchen stehen, um den
Umfang und die Komplexität entsprechend der Zielstellung zu begrenzen.
3.3.1 Berücksichtigte Aufwände
Als Aufwände eines Systems unterscheiden wir folgende Größen, die direkte und indirekte
vom System verbrauchte Energieformen berücksichtigen10:
1. Direkter Energieverbrauch11
Es wird der direkte End- oder Nutzenergieverbrauch (beispielsweise Gas-, strom-,
Kälte-, oder Wärmebezug des Systems)12 berücksichtigt.
2. Indirekter Energieverbrauch
a) Werk- und Hilfsstoffe
Es wird der indirekte Energieverbrauch zur Herstellung der vom System verbrauchten
Werk- und Hilfsstoffe berücksichtigt.
Wenn die Werk- und Hilfsstoffe innerhalb des Betriebes hergestellt werden, dann
gehen diese bei den herstellenden Systemen als direkte Energieverbräuche ein.
Kommen die Werk- und Hilfsstoffe von einem Lieferanten, so sind die entsprechenden
10 Die Bestimmung der Begriffe erfolgt in Anlehnung an die VDI 4600 (VDI, 1997-2013) und (Egon Müller,
2009).
11 Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht verbraucht werden. Wenn wir
dennoch den üblichen Sprachgebrauch übernehmen und von Energieverbrauch sprechen, meinen wir
den Verbrauch einer bestimmten Energieform, also beispielsweise Strom, der durch den Verbrauch zu
Wärme wird oder Gas, das durch den Verbrauch zu Strom und Wärme wird, oder auch Kälteenergie, die
in kaltem Wasser steckt und dann in ein zu kühlendes Produkt übergeht.
12 Wir unterscheiden an dieser Stelle nicht zwischen End- und Nutzenergie, da die Systematik sowohl für
einen Betrieb als System als auch für einzelne Systeme des Betriebes gelten kann.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Energieverbräuche -sofern möglich- von den Lieferanten zu beziehen. Liegen keine
Informationen zu den Energieverbräuchen der bezogenen Fertigungsstoffe vor, so ist
dies für das Monitoring eines Systems, also dem zeitlichen Vergleich eines Systems mit
sich selber, nicht relevant. Ein Vergleich beispielsweise von Standorten mit
unterschiedlicher Fertigungstiefe kann jedoch so zu falschen Ergebnissen führen. Es
können dann nur die Systemteile verglichen werden, für die die entsprechenden
Aufwandsdaten vorliegen.
b) Betriebsstoffe
Es wird der indirekte End- oder Nutzenergieverbrauch der zugeführten
nichtenergetischen Betriebsstoffe - beispielsweise aufbereitete Zuluft, Schmieröl,
aufbereitetes Wasser – berücksichtigt.
3. Weitere Aufwände
Es werden weitere Aufwände ohne indirekten Energieaufwand aber mit Einfluss auf
den Energieverbrauch - beispielsweise die Außenluft mit der Eigenschaft
Außenlufttemperatur - berücksichtigt.
Abbildung 7: Darstellung der Berücksichtigung von Aufwänden
3.3.2 Nicht berücksichtigte Aufwände
In diesem Projekt werden wir folgende Aufwände nicht berücksichtigen:
1. Betriebsmittel
Energieverbräuche zur Herstellung und Entsorgung der Betriebsmittel (Maschinen,
Geräte, Gebäude …), also der Systeme selber, werden nicht berücksichtigt.
2. Nichtenergetischer Aufwand
Der nichtenergetische Aufwand für die Aufwandsgrößen Energie, Stoffe, Information
und Personal wird nicht berücksichtigt. Es wird also beispielsweise nicht der Flächen-,
Rohstoff- oder der Arbeitsstundenaufwand berücksichtigt.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Der Energieverbrauch zur Herstellung der Betriebsmittel, also auch der Systeme selber, wird in
diesem Projekt nicht berücksichtigt. Für das Monitoring ist dieser Punkt nicht relevant, da die
betrachteten Betriebsmittel sich nicht ändern.
Für einen vollständigen Vergleich von verschiedenen Systemen ist dieser Punkt bei einigen
Systemen von Relevanz. Aufgrund der gewollten Reduzierung des Umfangs der
Aufgabenstellung dieses Projekts wird dieser Aufwand nicht berücksichtigt.
Die Methodik ist jedoch prinzipiell so aufgebaut, dass sie für hier nicht berücksichtigte
Aufwände bei Relevanz bzw. für einen vollständigen Vergleich erweiterbar ist.
3.4 Input / Output im Vergleich zu Aufwand / Nutzen
Die Begriffe Input und Output werden in verschiedenen Methoden und Theorien und für
verschiedene Einsatzzwecke benutzt.
Die wohl häufigste Verwendung findet sich in der Input-Output-Analyse von Wassily Leontief,
der in den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts das erste Input-Output-Modell
entwickelte, um Lieferverflechtungen und Rückkopplungen zwischen verschiedenen
Produktionssektoren eines Wirtschaftsraums darzustellen. Dieses erste Anwendungsgebiet der
Input-Output-Analyse ist eine ökonomische Betrachtung und In- und Output sind monetäre
Größen.
Kern dieser Theorie ist die Bildung einer Matrix (Leontief-Inverse), mit der In- und Output des
Gesamtsystems bei Kenntnis der Beziehungen der In- und Outputs der Teilsysteme ineinander
umgerechnet werden können.
Von Leontief und verschiedenen anderen Autoren wurde diese Methode weiter entwickelt, um
auch Stoff- und Energieströme darzustellen. Es ist eine mannigfaltige Literatur zur Anwendung
der Input-Output-Analyse für die Themen Stoffstrommanagement und Stoffflussanalyse
entstanden (siehe beispielsweise (Löschau, 2006) und (Acquaye, Adolf, 2010)).
Trotz Ähnlichkeiten zwischen der hier entwickelten Methode und verschiedenen Ansätzen
dieser Literatur (Black-Box-Betrachtung, Baukastenprinzip, Darstellung der Vernetzung, …)
haben wir zunächst keine direkte Verwendung dieser Methoden für die Zielstellung dieses
Projekts gefunden. Dies liegt an einer Reihe von Aspekten, die eine unmittelbare Anwendung
erschweren. Hierzu gehören die Problematik der Annahme einer linearen Beziehung zwischen
In- und Output, die Umwandlung von ökonomischen Werten in stoffliche und energetische
Werte sowie der Abhängigkeit der Matrixgrößen voneinander sowie zentralen Größen der
Methodik wie bewertete Effizienz und Gütegrad, die aus stofflichen und ökonomischen
Größen gebildet werden.
Wir gehen jedoch davon aus, dass für einige Teile der vorgestellten Methodik, wie
beispielsweise die Beschreibung der Vernetzung der Systeme durch Matrizen, zukünftig
Verbesserungen und Vereinfachungen durch Verwendung von Ansätzen aus der
beschriebenen Literatur möglich sind.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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3.4.1 Stoff- und Energieströme und Nutzen- / Aufwandströme
Stoff- und Energieströme als In- und Output-Größen eines Systems sind nicht als primäre
Größen der Methodik gewählt worden, weil es nach unserer Vorstellung mit diesen Größen
nicht möglich ist, eine allgemeingültige Methodik für Effizienz-Kennzahlen zu entwickeln: Die
In- und Output-Größen bieten unmittelbar keinen Bewertungsmaßstab und keine Zielgröße an,
wie es für die Effizienzbestimmung für das Monitoring eines Systems und das Vergleichen von
verschiedenen Systemen erforderlich ist. Die hier verwendeten Größen Aufwand und Nutzen
werden jedoch aus In- und Output-Größen gebildet, wie die vorangegangen Abschnitte zum
Aufwand und zum Nutzen aufzeigen.
Anmerkung: In Kapitel 7 definieren wir eingehende und ausgehende Produkte. Diese
unterscheiden sich ebenfalls von In- und Output in gleicher Art und Weise.
In dem folgenden Abschnitt und in Abschnitt 5.4.2 werden Beispiele gezeigt, wie aus den oft
mannigfaltigen In- und Output-Größen die entscheidenden Nutzen- und Aufwandsgrößen
herausgefiltert und gebildet werden können.
3.4.2 Beispiel Druckluftkompressor: Unterscheidung von Stoff-Input- und Output-
Größen von Aufwands- und Nutzengrößen
Die Unterscheidung von Aufwandsgröße und Stoff-Input sowie Nutzengröße und Stoff-Output
soll nun anhand eines Beispiels verdeutlicht werden.
Betrachten wir das System „Druckluftkompressor“, so können wir als Stoff-Inputgrößen den
Strom, die zu komprimierende Luft sowie das eintretende Kühlwasser identifizieren (siehe dazu
Abbildung 8). Als Stoff-Output-Größen verlassen die komprimierte Druckluft, das austretende
Kühlwasser sowie die Abluft das System.
Abbildung 8: Input- und Outputgrößen am Beispiel (Druckluftkompressor)
Um nun Nutzen und Aufwand des Systems zu bestimmen, ist es notwendig, sich von dieser
Betrachtung Stoff-Input / Output zu lösen. Vielmehr ist für das System Druckluftkompressor
zunächst der Nutzen zu definieren. Der Nutzen eines Druckluftkompressors ist die Bereitstellung
von verdichteter Luft (Druckluft), eventueller Zusatznutzen ist Abwärme.
Um diese Nutzen bereitzustellen, werden mehrere Aufwände benötigt. Das ist zum einen die
elektrische Leistung, zum anderen ist es die eintretende, zu verdichtende Luft, die
Kühlwasserleistung sowie die Druckleistung des Kühlwassers zur Überwindung der Verluste im
Wärmetauscher des Kompressors (siehe dazu Abbildung 9).
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 9: Aufwands- und Nutzengrößen am Beispiel (Druckluftkompressor)
Im Vergleich (Abbildung 8) zeigt sich, dass sich die Informationen verdichtet haben. Es ist ein
(ggf. zwei) Nutzen definiert. Zur Erzeugung des / der Nutzen(s) werden mehrere Aufwände
benötigt. Erst mit diesen Größen ist es möglich, Effizienzen zu definieren, wie in den folgenden
Kapiteln dargestellt.
Man kann die in diesem Beispiel auftretenden Unterschiede zur stofflichen Input-/Output-
Betrachtung wie folgt zusammenfassen:
• Ein- und ausgehende Ströme werden entweder zu Nutzen oder Aufwandsströmen
zusammengefasst. Dies hat den Vorteil, die Anzahl der Nutzen auf möglichst einen zu
reduzieren und damit das Allokationsproblem der Verteilung der Aufwände auf mehrere
Nutzen zu vermeiden.
• Stoffliche In- und Output-Größen werden zu bewertbaren und vergleichbaren Nutzen
und Aufwänden. So werden in diesem Beispiel aus dem Kühlwasserstrom mit den
Größen Volumenstrom, Dichte, Temperatur, Wärmekapazität die Aufwände
„Kühlwasserleistung“ und „Druckleistung“.
• Nutzengrößen, die weder Aufwand noch Nutzen sind, wie in diesem Beispiel ein nicht
genutzter Abwärmestrom, brauchen nicht gemessen und bewertet zu werden und fallen
daher weg. Jedoch können einzelne Parameter wie beispielsweise die
Umgebungsparameter als Einflussgröße relevant sein und sollen dann gemessen
werden.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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4 Kennzahlen eines Systems
In diesem Kapitel definieren wir die wesentlichen Kennzahlen der Methodik: Teileffizienz,
bewertete Effizienz und Gütegrad. Diese Größen werden so definiert, dass damit auch der
Grundstein zur Vernetzung der Anlagen gelegt ist, weil mit diesen Größen die Information der
Effizienz des vorgelagerten Systems übergeben wird. Die Kennzahlen sind allgemein definiert,
sie sind anzuwenden für jedes System – unabhängig von der Art und Größe.
Wie im ersten Teil der Methodik beschrieben, werden die entsprechenden Größen sukzessive
für zunehmend komplexere Systeme eingeführt. Dabei gehen wir zunächst von einem System
mit nur einem Aufwand und einem Nutzen aus und führen die zur Bewertung dieses Systems
erforderliche Teileffizienz ein. Dann betrachten wir Systeme mit mehreren Aufwänden
betrachtet und definieren die hierfür erforderliche bewertete Effizienz. Schließlich führen wir
den Gütegrad für Systeme mit mehreren Nutzen ein.
Bei Systemen mit mehreren Nutzen stellt sich das Problem der Allokation: Wie sollen die
Aufwände auf die Nutzen aufgeteilt werden, um die Effizienz der Nutzen zu bestimmen? Dazu
zeigen wir in Abschnitt 4.3.4 vier verschiedene Lösungswege auf.
Die aufgestellten Kennzahlen können für beide zentralen Zielsetzungen dieses Projekts
verwendet werden:
1. Beim Monitoring geht es um den zeitlichen Vergleich der Kennzahlen eines Systems
2. Bei der Bewertung geht es um den Vergleich der Kennzahlen unterschiedlicher
Systeme mit gleichem Nutzen.
In diesem Kapitel geben wir Beispiele für beide Zielsetzungen der Anwendung der Kennzahlen
an verschiedenen Systemen an.
4.1 Systeme mit einem Nutzen und einem Aufwand - Teileffizienz
Wir haben Systeme als solche definiert, die mit Aufwänden Nutzen erzeugen – siehe Abschnitt
3.1. Das Ziel ist es, mit möglichst geringem Aufwand einen möglichst hohen Nutzen zu
erzeugen und so kommen wir zur ersten Kennzahl, der Teileffizienz13:
Definition:
Die Kennzahl „Teileffizienz“ stellt das Verhältnis aus der Nutzengröße und der Aufwandgröße
dar. Bei Systemen mit einem Nutzen und einem Aufwand kann die Effizienz durch die Kennzahl
„Teileffizienz“ vollständig bestimmt werden.
13 Die Teileffizienz ähnelt der volkswirtschaftlichen Kennzahl Produktivität: Die Produktivität „stellt das
Verhältnis zwischen der Ausbringungsmenge und der Faktoreinsatzmenge dar, wobei lediglich auf eine
Produkt- und eine Faktorart Bezug genommen wird. Da in die Produktivität Mengengrößen eingehen,
wird sie auch den technischen Zielen zugeordnet.“ (Udo Buscher, 2010) Allerdings bezieht sich die
Teileffizienz auf eine Nutzengröße und eine Aufwandsgröße, die sich von der Ausbringungsmenge und
der Faktoreinsatzmenge unterscheiden können.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Da wir in der darauffolgenden Abschnitten Systeme mit mehreren Aufwänden betrachten,
führen wir schon jetzt den Index i für die Teileffizienz ��und die entsprechende
Aufwandsgröße �� ein.
�� ∶= ���
( 1 )
�� Teileffizienz bezogen auf den Aufwand i
� Nutzengröße
�� Aufwandsgröße i
Beispiele für die Teileffizienz
Heizkessel: Wärmeleistung durch Gasleistung
Pumpe: Hydraulische Leistung durch Stromleistung
Prozess: Stückzahl durch Stromleistung
Druckluftkompressor: Massenstrom Druckluft durch Stromleistung
4.2 Systeme mit einem Nutzen und mit mehreren Aufwänden –
bewertete Effizienz
Die im vorherigen Abschnitt eingeführte Teileffizienz beschreibt ein System mit einem
Aufwand und einem Nutzen ausreichend gut. Um die Effizienz von Systemen mit mehreren
Aufwänden und einem Nutzen zu bestimmen, führen wir in diesem Abschnitt die bewertete
Effizienz, Bewertungsarten und Bewertungsfaktoren ein.
Abbildung 10: System mit mehrere Aufwänden und einem Nutzen
4.2.1 Bewertungsarten und Bewertungsfaktoren
Wenn für ein System mit mehreren Aufwänden die Effizienz berechnet werden soll, dann
ergibt sich das Problem, wie die Aufwände addiert oder in Beziehung gesetzt werden können.
Oder einfach gesagt: Wie können wir Äpfel mit Birnen miteinander vergleichen - beispielweise
Strom mit Wärme. Dies benötigen wir, um beispielsweise Systeme miteinander vergleichen zu
können, die zur Erzeugung des gleichen Nutzens Wärme und Strom benötigen, wobei ein
System mehr Wärme, das andere mehr Strom benötigt.
Dazu führen wir Bewertungsarten ein, mit denen wir unterschiedliche Aufwände
oder Nutzen bewerten können, um sie anschließend vergleichen zu können.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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In der folgenden Tabelle 3 geben wir Beispiele für Bewertungsarten.
Tabelle 3: Beispiele für Bewertungsarten
(Die empfohlenen Bewertungsarten liegen oberhalb der Strichpunktlinie.)
Zu den unterschiedlichen Bewertungsarten gehören entsprechende Bewertungsfaktoren, um
eine Umrechnung der Aufwände oder Nutzen zu ermöglichen (Tabelle 4).
Tabelle 4: Beispiele für verschiedene Bewertungsarten und entsprechende Bewertungsfaktoren
(Die empfohlenen Bewertungsarten liegen oberhalb der Strichpunktlinie.)
Der Anwender legt mit der Bewertungsart fest, ob er für das betrachtete System einen
ökonomischen Vergleich mittels der Bewertungsart Geld, einen energetischen Vergleich
mittels der Bewertungsart Primärenergie oder einen ökologischen Vergleich mittels der
Bewertungsart CO2-Emissionen machen möchte. Diese Festlegung erfolgt durch die Wahl der
Bewertungsfaktoren der Aufwände des betrachteten Systems. Ist das System beispielsweise
das Gesamtwerk, so wird durch die Festlegung der Bewertungsfaktoren der Aufwände des
Gesamtwerks die Vergleichsart festgelegt: Möchte der Anwender beispielsweise eine
energetische Betrachtung machen, wählt er für den Strom-, Gas-, und Fernwärmebezug die
Bewertungsarten
Geld
Primärenergie
CO2-Emissionen
Exergie
Arbeitsstunden
Bewertungsart
Geld (f)(€/h)
Primärenergie (e)(kWhPr/h)
CO2-Emissionen (c) (tCO2/h)
Exergie (ex) (kWhEx/h)
Arbeitsstunden (a)(h/h)
Bewertungsfaktor p����(EAN = Einheit Aufwands- oder
Nutzengröße)
pf (€/EAN)
pe(MWhpr/EAN)
pc(tCO2/EAN)
pex(MWhex/EAN)
pa
(h/EAN)
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Bewertungsart Primärenergie und setzt die vom Lieferanten zu überliefernden
Bewertungsfaktoren wie beispielsweise ,� ���(����� ���� ���⁄ ) als Bewertungs-
faktoren für die Aufwände seiner Systeme an, die direkt diese Aufwände haben. Wie im
Folgenden erläutert, sind die dann berechneten Bewertungsfaktoren der Nutzen der Systeme
ebenfalls auf Primärenergie bezogen und damit auch sämtliche Betrachtungen von Gesamt-
und Teilsystemen des Werks.
Bei den CO2-Emissionen berücksichtigen wir nur die Emissionen der Energieträger - direkte
Prozessemissionen werden nicht berücksichtigt14.
Wir definieren so den bewerteten Nutzen NB, den bewerteten Aufwand AB sowie den
Bewertungsfaktor p:
Den mit einer Bewertungsart bewerteten Nutzen nennen wir bewerteter
Nutzen ��. Entsprechend führen wir den bewerteten Aufwand �� ein.
Das Verhältnis von bewertetem Nutzen und Nutzengröße (bzw. bewertetem
Aufwand und Aufwandsgröße) nennen wir Bewertungsfaktor .
�,� ∶=���� ( 2 )
�,� Bewertungsfaktor des Aufwands bezogen auf die Bewertungsart �
��� Bewerteter Aufwand
� Aufwandsgröße
�,� ∶= ���� ( 3 )
�,� Bewertungsfaktor des Nutzens bezogen auf die Bewertungsart �
��� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
Der Index � kennzeichnet, dass die Bewertungsfaktoren und auch die bewerteten Nutzen- und
Aufwände auf eine Bewertungsart bezogen sind. Je nachdem, welche Bewertungsart
herangezogen wird, steht für � der Index f (Geld), e (Primärenergie) oder c (CO2-Emissionen).
Bewertete Nutzen NB bzw. Aufwände AB sind also die mit einem Bewertungsfaktor p� multiplizierten Nutzen- bzw. Aufwandsgrößen. Oder: Die Nutzengröße N (bzw. die
Aufwandsgröße A) wird durch den Bewertungsfaktor � bewertet und somit vergleichbar
gemacht:
14 Wir konzentrieren uns in diesem Projekt auf die ersten drei Bewertungsarten, wobei wir bei
den CO2-Emissionen nur die durch die Energiewandlung erzeugten CO2-Emisssionen und nicht
die direkten Emissionen von Prozessen berücksichtigen. Dies tun wir, um den Umfang dieses
Projekts zu begrenzen. Aus dem gleichen Grund betrachten wir im Weiteren ebenfalls die
Bewertungsart Exergie nicht. Prinzipiell ist die Methodik aber auch ohne diese Beschränkungen
anwendbar.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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��� = � ∗ �,� ( 4 )
��� Bewerteter Aufwand
� Aufwandsgröße
�,� Bewertungsfaktor des Aufwands bezogen auf die Bewertungsart �
��� =� ∗�,� ( 5 )
��� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
�,� Bewertungsfaktor des Nutzens bezogen auf die Bewertungsart �
Damit beziehen sich auch die Bewertungsfaktoren für Nutzen und Aufwand immer auf eine
Bewertungsart – dazu folgende Beispiele:
Beispiel 1
Druckluft-Bewertungsfaktor Geld (€/m³) = Kosten für Strom für Druckluft / Druckluftvolumen
Beispiel 2
Druckluft-Bewertungsfaktor Primärenergie (MWhpr/m³) = Primärenergieaufwand für Strom für
Druckluft / Druckluftvolumen
Hinweis
Im weiteren werden wir den Index � bzw. die konkretisierenden Indices f, e oder c der
Einfachheit halber weglassen, da wir davon ausgehen, dass die Notwendigkeit, ein und
dieselbe Bewertungsart bei einem Vergleich zu benutzen, selbstverständlich ist und daher die
Angabe des Index (da immer gleichbleibend) die Formeln unnötig komplizierter macht.
Bewerteter Gesamtaufwand
Wir können nun den bewerteten Gesamtaufwand eines Systems mit mehreren Aufwänden
(bezogen auf eine Bewertungsart) wie folgt bilden:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 29
�� ∶= ��� +��� +��� +⋯= �� ∗ �� +�� ∗ �� +�� ∗ �� +⋯ =
( 6 )
�� Bewerteter Gesamtaufwand
���, ��� Bewerteter Aufwand 1 bzw. 2
��, �� Bewertungsfaktoren der Aufwände 1, 2
��, �� Aufwandsgrößen 1, 2
4.2.2 Bewertungsfaktor Nutzen und bewertete Effizienz
Der bewertete Nutzen ist gleich dem bewerteten Aufwand
Während wir die Bewertungsfaktoren der Aufwände von den vorgelagerten Systemen
bekommen, müssen wir den Bewertungsfaktor des Nutzens berechnen.
Dazu bedarf es einer weiteren Festlegung, und zwar die Gleichheit von bewertetem Nutzen
und bewertetem Aufwand:
Für alle Bewertungsarten definieren wir jeweils eine Gleichheit der bewerteten
Nutzen und Aufwände. Damit ist gemeint, dass der bewertete Nutzen eines
Systems bezogen auf die Bewertungsart gleich dem bewerteten Aufwand bezogen
auf dieselbe Bewertungsart ist:
��� = ��� ( 7 )
��� Bewerteter Nutzen bezüglich der Bewertungsart �
��� Bewerteter Aufwand bezüglich der Bewertungsart �
Diese Gleichung motiviert sich aus der Überlegung heraus, dass der bewertete Aufwand in
Form von Geld oder Primärenergie oder auch der CO2-Emissionen an die nachfolgenden
Systeme in Gänze weitergeleitet und vollkommen berücksichtigt werden soll. Damit ist
gewährleistet, dass beispielsweise in den Produkten eines Systems die Kosten für die
erforderlichen Aufwände des Systems wie beispielsweise Kälte und Druckluft vollständig
berücksichtigt sind. Anders ausgedrückt kann ein System keine Kosten vernichten oder
produzieren. Dadurch gelingt ebenfalls die Aufstellung des sogenannten Carbon-Foot-Print für
die erzeugten Produkte.15
15 Erläuterung: Dieser „Erhaltungssatz“ gilt für bewertete Aufwände und nicht für Aufwandsgrößen.
Beispielsweise übertragen sich die Kosten der Aufwandsgröße Elektrische Wirkleistung auf die Kosten
des Nutzens Hingegen wird jedoch die Aufwandsgröße Elektrische Wirkleistung verbraucht und wird
nicht auf die Seite der Nutzengrößen übertragen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 30
Mit der Gleichheit der bewerteten Aufwände und Nutzen können wir nun ausgehend von
Gleichung 3 den Bewertungsfaktor des Nutzens wie folgt berechnen:
�,� =���� = ���� ( 8 )
�,� Bewertungsfaktor des Nutzens bezüglich der Bewertungsart �
��� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
��� Bewerteter Aufwand
Mit der Gleichung 2 lässt sich der Bewertungsfaktor des Nutzens für ein System mit einem
Nutzen und einem Aufwand somit auch wie folgt darstellen:
�,� =�,�∗ �� ( 9 )
�,� Bewertungsfaktor Nutzen bezüglich der Bewertungsart �
�,� Bewertungsfaktor Aufwand bezüglich der Bewertungsart �
� Aufwandsgröße
� Nutzengröße
Bewertete Effizienz
Wir definieren die bewertete Effizienz �eines Systems mit mehreren Aufwänden als das
Verhältnis der Nutzengröße zum bewerteten Gesamtaufwand16:
� ∶= ���( 10 )
� Bewertete Effizienz
� Nutzengröße
�� Bewerteter Gesamtaufwand
Unter Verwendung der Gleichung 6 errechnet sich, dass die bewertete Effizienz der Kehrwert
des Bewertungsfaktors des Nutzens ist:
� = ��
( 11 )
� Bewertete Effizienz
� Bewertungsfaktor Nutzen
16 Aus Gründen der Übersichtlichkeit lassen wir im Folgenden den Index für die Bewertungsart weg: Bei
allen verwendeten Gleichungen muss jeweils ein und derselbe Index für die entsprechenden
Bewertungsfaktoren, Nutzen, Aufwände, … gewählt werden.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 31
Damit haben wir mit der bewerteten Effizienz die wichtigste Kennzahl gebildet. Unser
eigentliches Interesse ist die Einschätzung des Energieverbrauchs. Dabei müssen neben Nutzen
und Aufwand Einflussgrößen berücksichtigt werden, um die für die Projektziele Monitoring
und Bewertung erforderliche Vergleichbarkeit zu erreichen – siehe Kapitel 5.
Eine erste Berücksichtigung von Einflussgrößen erfolgt durch die Kennzahl bewertete Effizienz:
Indem die Nutzengröße durch den bewerteten Gesamtaufwand geteilt wird, werden die
Einflussgrößen „Zeit“ direkt und die „Größe des Systems“ in erster Ordnung bereinigt.17
Mit dem Bewertungsfaktor ist daher auch die Grundlage gelegt, den Einfluss der Effizienz der
vorgelagerten Prozesse auf das System zu berücksichtigen, da der Bewertungsfaktor des
Nutzens des vorgelagerten Systems gleich dem Bewertungsfaktor des Aufwands des
betrachteten Systems ist. Die Effizienz der vorgelagerten Systeme wird somit durch die
Bewertungsfaktoren berücksichtigt (Abbildung 11).
Abbildung 11: Der Bewertungsfaktor des Nutzens vorgelagerter Prozesse (System 1) entspricht dem
Bewertungsfaktor des Aufwands des betrachteten Systems (System 2)
Bewertungsfaktor Nutzen und Effizienz als Funktion der Teileffizienz
Wir wollen nun den Zusammenhang zwischen der Teileffizienz, welche das Verhältnis des
Nutzens zu einem (Teil-)Aufwand darstellt, und der bewerteten Effizienz, welche das
Verhältnis vom Nutzen zum Gesamtaufwand darstellt, herleiten.
Ausgehend von Gleichung 3 für den Bewertungsfaktor Nutzen und der Gleichheit der
bewerteten Nutzen und Aufwände (Gleichung 7) ergibt sich für den Bewertungsfaktor Nutzen
eines Systems mit einem Nutzen und mehreren Aufwänden auch:
� = ��� =�� ∗ �� +�� ∗ �� +…� ( 12 )
� Bewertungsfaktor Nutzen
�� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
��, �� Bewertungsfaktor Aufwand 1, 2
��, �� Aufwandsgröße 1, 2
17 „In erster Ordnung“ meint hier, dass der lineare Anteil der Abhängigkeit des Aufwands von der Größe
des Systems damit bereinigt ist.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 32
Mit der Teileffizienz (Gleichung 1) lässt sich der Bewertungsfaktor Nutzen aus den
Bewertungsfaktoren der Aufwände und den Teileffizienzen berechnen:
� =���� +
���� +⋯ ( 13 )
Mit � Bewertungsfaktor Nutzen
��, �� Bewertungsfaktor Aufwand 1, 2
��, �� Teileffizienz 1, 2
Damit können wir auch die bewertete Effizienz aus den Teileffizienzen und den
Bewertungsfaktoren der Aufwände berechnen:
� = �
���� +���� + ⋯
( 14 )
� Bewertete Effizienz
��, �� Bewertungsfaktor Aufwand 1, 2
��, �� Teileffizienz 1, 2
4.2.3 Beispiele von Systemen mit einem Nutzen und einem Aufwand
An dem System mit einem Nutzen und einem Aufwand wollen wir zunächst die Systematik in
einfacher Form verdeutlichen. So ein System wird allein durch die Kennzahl Teileffizienz
beschrieben. Die Berechnungsformeln sind somit trivial, jedoch bilden sie eine wesentliche
Grundlage, um die Systematik im Anschluss (Abschnitt 4.2.4) auf Systeme mit mehreren
Aufwänden zu übertragen.
Teileffizienz eines Systems bezogen auf verschiedene Bewertungsarten
Als ein Beispiel für ein System mit einem Aufwand und einen Nutzen wird exemplarisch ein
Druckluftkompressor (Bauform: Schraubenkompressor) herangezogen. Wir beziehen die
Betrachtung auf die Bewertungsarten Geld (Tabelle 5) und Primärenergie (Tabelle 6).
Die Nutzengröße N des Kompressors ist es, 337 kg/h Druckluft bereitzustellen. Dafür wird eine
elektrische Leistung von 29 kW als Aufwandsgröße A gemessen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Tabelle 5: Ein System (Druckluftkompressor) mit einem Aufwand und einem Nutzen, bezogen
auf die Bewertungsart Geld (f)
Der Bewertungsfaktor des Aufwandes pf,A (bezogen auf die Bewertungsart Geld) wird mit
160 €/MWh angenommen. Damit berechnet sich der bewertete Aufwand ABf gemäß
Gleichung 2 zu 4,6 €/h. Nach Gleichung 7 gilt somit, dass der Kompressor einen bewerteten
Nutzen NBf von 4,6 €/h hat.
Der Bewertungsfaktor des Nutzens berechnet sich unter Verwendung der Gleichung 8 zu pf,N von
14 €/t. Für das System ergibt sich mit Gleichung 1 eine Teileffizienz von 12 kg/kWhel.
Tabelle 6: Ein System (Druckluftkompressor) mit einem Aufwand und einem Nutzen, bezogen
auf die Bewertungsart Primärenergie (e)
Aufwand
Elektrische
Leistung29 kWel 160 €/MWhel 4,6 €/h
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 14 €/t 4,6 €/h
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 12 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
bewerteter
Aufwand ABf
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
Druckluft-kompressor (Schraube)
Aufwand
Elektrische
Leistung29 kWel 3,0 MWhpr/MWhel 87 kWpr
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 258 kWhpr/t 87 kWpr
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 12 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
bewerteter
Nutzen
NBe
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
bewerteter
Aufwand ABe
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
Druckluft-kompressor (Schraube)
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Der Bewertungsfaktor des Aufwandes pe,A (bezogen auf die Bewertungsart Primärenergie) wird
mit 3 MWhpr/MWhel angenommen. Damit berechnet sich der Aufwand ABe gemäß Gleichung 2
zu 87 kWpr. Nach Gleichung 7 gilt somit, dass der Kompressor einen bewerteten Nutzen NBe von
87 kWpr hat.
Der Bewertungsfaktor des Nutzens berechnet sich unter Verwendung der Gleichung 8. Es ergibt
sich ein Bewertungsfaktor des Nutzens pe,N von 258 kWhpr/t.
Die Teileffizienz beträgt ebenfalls 12 kg/kWhel, da sich die Teileffizienz aus der Aufwands- und
Nutzengröße bildet und diese unabhängig von der Bewertungsart sind.
Die Kennzahl Teileffizienz und der Bewertungsfaktor des Nutzens definieren das System
Schraubenkompressor unter den genannten Voraussetzungen.
Vergleich zweier unterschiedlicher Systeme
Zum Vergleich zweier Systeme wird der Schraubenkompressor einem Kolbenkompressor
gegenüber gestellt (bezogen auf die Bewertungsart Geld Tabelle 7, bezogen auf die
Bewertungsart Primärenergie Tabelle 8).
Diese Systeme können miteinander verglichen werden, wenn sie einen gleichen Nutzen haben.
Somit wird für den Kolbenkompressor ebenfalls eine Nutzengröße von 337 kg/h Druckluft
angesetzt18. Der Bewertungsfaktor für die elektrische Leistung beträgt ebenfalls 160 €/MWhel
bzw. 3 MWhpr/MWhel, der Kolbenkompressor hat jedoch eine elektrische Leistungsaufnahme von
lediglich 15 kWel. Damit ergibt sich für den Kolbenkompressor ein bewerteter Aufwand ABf von
2,4 €/h bzw. 45 kWpr (zum Vergleich: der Schraubenkompressor hat einen Aufwand von A = 4,6
€/h bzw. 87 kWpr).
18 Wenn sich die Nutzengrößen oder Eigenschaften sich unterscheiden, können Bereinigungsmethoden
angewendet werden, wie sie in Kapitel 4 vorgestellt werden, angewendet werden. Dies ist jedoch nicht
Thema dieses Beispiels
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 35
Tabelle 7: Vergleich zweier Systeme (Schraubenkompressor, Kolbenkompressor) mit einem
Aufwand und einem Nutzen, bezogen auf die Bewertungsart Geld (f)
Aufwand
Elektrische
Leistung29 kWel 160 €/MWhel 4,6 €/h
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 14 €/t 4,6 €/h
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 12 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwand Teileffizienz 22 kg/h/kWel
Elektrische
Leistung15 kWel 160 €/MWhel 2,4 €/h
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 7,1 €/t 2,4 €/h
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 22 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwands-
größe A
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
bewerteter
Aufwand ABf
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
bewerteter
Aufwand ABf
Druckluft-kompressor (Schraube)
Druckluft-kompressor
(Kolben)
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Seite 36
Tabelle 8: Vergleich zweier Systeme (Schraubenkompressor, Kolbenkompressor) mit einem
Aufwand und einem Nutzen, bezogen auf die Bewertungsart Primärenergie (e)
Die Kennzahlen Bewertungsfaktor und Teileffizienz ermöglichen nun einen schnellen Vergleich
der beiden Systeme.
Für die Teileffizienz bedeutet das, dass für die gleiche Nutzengröße von GA = 337 kg/h die
Teileffizienz des Kolbenkompressors mit 22 kg/kWhel größer ist als die des
Schraubenkompressors (12 kg/kWhel) bei den betrachteten Einflussgrößen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass das Ergebnis abhängig von den hier angesetzten
Einflussgrößen (oder Randbedingungen) ist, also von den gesetzten Bewertungsfaktoren der
Aufwände und Aufwandsgrößen der Anlagen. Bei anderen Systemparametern und
Randbedingungen können sich ganz andere Ergebnisse ergeben.
Aufwand
Elektrische
Leistung29 kWel 3,0 MWhpr/MWhel 87 kWpr
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 258 kWhpr/t 87 kWpr
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 12 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwand
Elektrische
Leistung15 kWel 3,0 MWhpr/MWhel 45 kWpr
Nutzen
Druckluft 337 kg/h 134 kWhpr/t 45 kWpr
Kennzahl: Teileffizienz Ƭ 22 kg/kWhel
Eingabedaten
berechnete Werte
Nutzen
NBe
bewerteter
Aufwand ABe
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
Nutzen
NBe
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
bewerteter
Aufwand ABe
Aufwands-
größe A
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
Druckluft-kompressor (Schraube)
Druckluft-kompressor
(Kolben)
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 37
4.2.4 Beispiele von Systemen mit einem Nutzen und mehreren Aufwänden
Als ein Beispiel für ein System mit einem Nutzen und mehreren Aufwänden wird eine
Absorptionskältemaschine herangezogen. Als Bewertungsart wird zunächst Geld betrachtet
(siehe Tabelle 9)).
Berechnung der Bewertungseffizienz bezogen auf die Bewertungsart Geld
Das System Absorptionskältemaschine (AKM) hat den Nutzen, eine bestimmte Kälteleistung
[kWKÄ] zu erbringen, in diesem Beispiel wird die Nutzengröße Kälteleistung mit 150 kWKÄ
festgelegt.
Zur Erzeugung der Kälteleistung benötigt das System AKM unterschiedliche Aufwände:
Eine bestimmte elektrische Leistung (Aufwandsgröße A1 = 3,4 kWel) mit dem Bewertungsfaktor
(der Bewertungsart Geld) 160 €/MWh, eine bestimmte Rückkühlleistung (Aufwandsgröße A2 =
350 kWKÄ) mit dem Bewertungsfaktor 10 €/MWh und eine bestimmte thermische Leistung
(Aufwandsgröße A3 = 200 kWth) mit dem Bewertungsfaktor 2 €/MWh.
Die für Absorptionskältemaschinen oft verwendete Kennzahl „Wärmeverhältnis“ beträgt in
diesem Beispiel daher 150 kWkä / 200 kWth = 0,75.
Die angesetzten Bewertungsfaktoren für die Aufwände sind beispielhaft und können je nach
Unternehmenssituation stark variieren.
Nach Gleichung ( 4 ) ergeben sich nun die einzelnen bewerteten Aufwände für die elektrische
Leistung, die Rückkühl- sowie die thermische Leistung und nach Gleichung ( 6 ) der
Gesamtaufwand (4,4 €/h).
Auf Grund der Gleichheit der bewerteten Nutzen und Aufwände ergibt sich nach Gleichung ( 7 )
ein bewerteter Nutzen von 4,4 €/h mit einem berechneten Bewertungsfaktor von 30 €/MWh
(Gleichung 3).
Tabelle 9: Ein System (Absorptionskältemaschine) mit mehreren Aufwänden und einem
Nutzen, bezogen auf die Bewertungsart Geld
Aufwand
Elektrische
Leistung3,4 kWel 160 €/MWhel 0,5 €/h 44 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung350 kWkä 10 €/MWhkä 3,5 €/h 0,4 kWkä/kWkä
Thermische
Leistung200 kWth 2 €/MWhth 0,4 €/h 0,8 kWkä/kWth
Gesamtaufwand 4,4 €/h
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 30 €/MWh 4,4 €/h
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 34 kWhKä/€
Eingabedaten
berechnete Werte
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
bewerteter
Aufwand ABfTeileffizienzen
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
Absorptions-kältemaschine
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 38
Bezogen auf die einzelnen Aufwände lassen sich nun nach Gleichung ( 1 ) die Teileffizienzen des
Systems bestimmen. Je größer der Anteil eines bewerteten Aufwands am Gesamtaufwand ist,
desto wichtiger ist die Teileffizienz. In diesem Fall hat die Rückkühlleistung mit 3,5 €/h einen
Anteil am Gesamtaufwand von 4,4 €/h (nahezu 80%). Eine Verbesserung des Bewertungsfaktors
der entsprechenden Rückkühlleistung auf beispielsweise 5 €/MWhKü , also um 100%, bringt eine
Verbesserung der bewerteten Effizienz der Absorptionskältemaschine auf 18 €/MWhKä (rund
60%).
Die bewertete Effizienz ε lässt sich mit der Gleichung ( 10 ) oder alternativ Gleichung ( 11 )
ermitteln. Bezogen auf die Bewertungsart Geld ergibt sich die bewertete Effizienz zu 34 kWhKÄ/€.
Berechnung der Bewertungseffizienz bezogen auf die Bewertungsart
Primärenergie
Tabelle 10 zeigt das gleiche Beispiel, hier bezogen auf die Bewertungsart Primärenergie.
Tabelle 10: Ein System (Absorptionskältemaschine) mit mehreren Aufwänden und einem
Nutzen, bezogen auf die Bewertungsart Primärenergie
Bei Bezug auf die Bewertungsart Primärenergie ergibt sich mit der gleichen Nutzengröße von
150 kWKÄ eine Gesamt-Aufwandsgröße von 156 kWprl und eine Bewertungseffizienz von ε = 1,0
kWhKÄ/kWhpr.
Das System AKM, welches eine Kälteleistung von 150 kWKÄ erzeugt, soll nun mit einer
Kompressionskältemaschine KKM verglichen werden. Voraussetzung für einen Vergleich der
beiden Systeme ist, dass der Nutzen gleich ist.
Als Vergleichssystem wird nun eine Kompressionskältemaschine KKM herangezogen, welche
ebenfalls eine Kälteleistung von 150 kWKÄ in Form von Kaltwasser erzeugt und damit ist die
Nutzengröße gleich. In diesem Beispiel soll das Augenmerk auf die Berechnung der Hauptgrößen
Bewertungseffizienz und Bewertungsfaktor gelegt werden. Daher wird einfach davon
ausgegangen, dass auch die für diese Maschinen wesentlichen Einflussgrößen wie beispielsweise
Kühlwassertemperaturen und Kaltwassertemperaturen schon bereinigt sind. Es werden auch die
Aufwand
Elektrische
Leistung3,4 kWel 3,0 MWhpr/MWhel 10 kWpr 44 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung350 kWkä 0,2 MWhpr/MWhkä 85 kWpr 0,4 kWkä/kWkä
Thermische
Leistung200 kWth 0,3 MWhpr/MWhth 60 kWpr 0,8 kWkä/kWth
Gesamtaufwand 156 kWpr
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 1,0 MWhpr/MWhkä 156 kWpr
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 1,0 kWhKä/kWhpr
Eingabedaten
berechnete Werte
bewerteter
Nutzen
NBe
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
bewerteter
Aufwand ABeTeileffizienzen
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
Absorptions-kältemaschine
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 39
gleichen Bewertungsfaktoren für die Aufwände angenommen, sofern die Aufwandsgrößen gleich
sind.
Für die Kompressionskältemaschine wird eine Leistungszahl (COP oder auch EER) von 150 kWkä /
19 kWel = 8 zugrunde gelegt.
Die Vergleiche beziehen sich auf die Bewertungsart Geld Tabelle 11 sowie auf die Bewertungsart
Primärenergie Tabelle 12).
Tabelle 11: Vergleich von Systemen mit mehreren Aufwänden und einem Nutzen für die
Bewertungsart Geld (Absorptionskältemaschine und Kompressionskältemaschine)
Aufwand
Elektrische
Leistung3 kWel 160 €/MWh 0,5 €/h 44 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung350 kWkä 10 €/MWh 3,5 €/h 0,4 kWkä/kWkä
Thermische
Leistung200 kWth 2 €/MWh 0,4 €/h 0,8 kWkä/kWth
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 30 €/MWh 4,4 €/h
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 34 kWhKä/€
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwand
Elektrische
Leistung19 kWel 160 €/MWh 3,0 €/h 8,0 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung169 kWkä 10 €/MWh 1,7 €/h 0,9 kWkä/kWkä
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 31 €/MWh 4,7 €/h
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 32 kWhKä/€
Eingabedaten
berechnete Werte
bewerteter
Nutzen
NBf
bewerteter
Aufwand ABfTeileffizienzen
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
bewerteter
Aufwand ABfTeileffizienzen
Aufwands-
größe A
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
Absorptions-kältemaschine
Kompressions-kältemaschine
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 40
Tabelle 12: Vergleich von Systemen mit mehreren Aufwänden und einem Nutzen für die
Bewertungsart Primärenergie (Absorptionskältemaschine und
Kompressionskältemaschine)
Mit den so gegebenen Kennzahlen von Bewertungsfaktor und Bewertungseffizienz ist ein
übersichtlicher und schneller Vergleich möglich.
Es zeigt sich, dass, bezogen auf die Bewertungsart Geld, die Bewertungseffizienz der gewählten
AKM größer ist als die der KKM (34 kWKä/€ > 32 kWKä/€) bei den betrachteten Einflussgrößen.
Bezogen auf die Bewertungsart Primärenergie jedoch ist die Bewertungseffizienz der gewählten
KKM größer ist als die der AKM (1,5 kWhKä/kWhpr > 1,0 kWhKä/kWhpr) bei den betrachteten
Einflussgrößen.
Aufwand
Elektrische
Leistung3,4 kWel 3,0 MWhpr/MWhel 10 kWpr 44 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung350 kWkä 0,2 MWhpr/MWhkä 85 kWpr 0,4 kWkä/kWkä
Thermische
Leistung200 kWth 0,3 MWhpr/MWhth 60 kWpr 0,8 kWkä/kWth
Gesamtaufwand 155,5 kWpr
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 1,0 MWhpr/MWhkä 156 kWpr
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 1,0 kWhKä/kWhpr
Eingabedaten
berechnete Werte
Aufwand
Elektrische
Leistung19 kWel 3,0 MWhpr/MWh 56 kWpr 8,0 kWkä/kWel
Rückkühl-
leistung169 kWkä 0,2 MWhpr/MWh 41 kWpr 0,9 kWkä/kWkä
Gesamtaufwand 97,4 kWpr
Nutzen
Kälteleistung 150 kWkä 0,6 MWhpr/MWhkä 97 kWpr
Systemkennzahl: bewertete Effizienz εe 1,5 kWhKä/kWhpr
Eingabedaten
berechnete Werte
bewerteter
Nutzen
NBe
Teileffizienzen
bewerteter
Aufwand ABeTeileffizienzen
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
bewerteter
Nutzen
NBe
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
bewerteter
Aufwand ABe
Aufwands-
größe A
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pe,A
Bewertungsfaktor
Nutzen, pe,N
Absorptions-kältemaschine
Kompressions-kältemaschine
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 41
In diesem Fall ergibt sich daher, dass je nach betrachteter Bewertungsart die eine oder andere
Anlage effizienter ist.19 Das heißt, je nachdem welche Bewertungsart der gewünschten
Zielsetzung näher kommt, ist eine unterschiedliche Technik einzusetzen.
Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass das Ergebnis abhängig von den hier angesetzten
Einflussgrößen (oder Randbedingungen) ist, also von den gesetzten Preisen der Aufwände und
Aufwandsgrößen der Anlagen. Bei anderen Systemparametern und Randbedingungen können
sich ganz andere Ergebnisse ergeben.
4.3 Systeme mit mehreren Nutzen - Gütegrad
In diesem Abschnitt führen wir Systeme mit mehreren Nutzen ein und definieren dazu in
Abschnitt 4.3.1 zunächst den bewerteten Gesamtnutzen. In Abschnitt 4.3.2 werden Systeme
mit gekoppelten Nutzen als ein Sonderfall von Systemen mit mehreren Nutzen eingeführt.
Für Systeme mit mehreren Nutzen ist es notwendig, den Gütegrad zu definieren (siehe
Abschnitt 4.3.3), weil für Systeme mit mehreren Nutzen keine Gesamteffizienz in Form einer
bewerteten Effizienz wie für Systeme mit einem Nutzen gebildet werden kann. Dazu ist es
notwendig, ein Vergleichssystem heranzuziehen, um ein Monitoring oder eine Bewertung
durchführen zu können.
Für Systeme mit mehreren Nutzen stellt sich das Problem der Verteilung der Aufwände auf die
Nutzen (Problem der Allokation) und damit verbunden das Problem der Bestimmung der
Bewertungsfaktoren der einzelnen Nutzen. In Abschnitt 4.3.4 führen wir daher vier
verschiedene Lösungswege auf, um die Bewertungsfaktoren der Nutzen für Systeme mit
mehreren Nutzen ermitteln zu können, da diese für die nachfolgenden Systeme notwendig
sind. Bei diesen Lösungswegen für die Allokation greifen wir teilweise die Empfehlung der
Europäischen Kommission „Anwendung gemeinsamer Methoden zur Messung und
Offenlegung der Umweltleistung von Produkten und Organisationen - 2013/179/EU“, (
Europäische Kommission, 2013)20 auf.
19 Dieser Effekt ist bei Energiebetrachtungen nach unserer Erfahrung jedoch glücklicherweise nicht so
häufig der Fall. Daher ist bei den meisten Optimierungsbetrachtungen eine Abwägung zwischen der
Wichtigkeit verschiedener Bewertungsarten nicht erforderlich.
20 Abschnitt 5.11, S. 150: Vorgehen bei multifunktionalen Prozessen und Einrichtungen
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 42
4.3.1 Bewerteter Gesamtnutzen
Wir definieren analog zum bewerteten Gesamtaufwand eines Systems mit mehreren
Aufwänden (Gleichung ( 6 ) ) den bewerteten Gesamtnutzen für ein System mit mehreren
Nutzen als die Summe der Einzelnutzen:
�� ∶= ��� +��� +��� +⋯
= �� ∗ �� +�� ∗ �� +�� ∗ �� +⋯
( 15 )
�� Bewerteter Gesamtnutzen
���, ��� Bewerteter Nutzen 1, 2
��, �� Bewertungsfaktor Nutzen 1, 2
��, �� Nutzengröße 1, 2
4.3.2 Systeme mit gekoppelten Nutzen und Nebennutzen
Wir definieren im weiteren Systeme mit gekoppelten Nutzen als eine Sonderform von
Systemen mit mehreren Nutzen:
Definition
Bei Systemen mit gekoppelten Nutzen können die Nutzen nur gleichzeitig und
nicht unabhängig voneinander erzeugt werden.
Beispiele
Versorgungstechnische Beispiele für Systeme mit gekoppelten Nutzen sind Kraft-Wärme-
Kopplungs-Systeme (Nutzen: Strom und Wärme), Wärmepumpen mit Kältenutzung (Nutzen:
Wärme und Kälte) und Kältemaschinen mit Wärmenutzung (Nutzen: Wärme und Kälte).
Produktionstechnische Beispiele für Systeme mit gekoppelten Nutzen sind Prozesse mit
Abwärmenutzung und Prozesse mit Nutzung der anfallenden Reststoffe.
In Abschnitt 4.3.4, Lösungsweg 4 „Verwendung von Bewertungsfaktoren von substituierten
Nutzen“ werden die Berechnungswege für die Bewertungsfaktoren und Bewertungseffizienzen
für gekoppelte Nutzen aufgezeigt.
Im Weiteren führen wir den Nebennutzen ein:
Definition
Wenn bei Systemen mit gekoppelten Nutzen ein Nutzen das System selber
bestimmt und die weiteren Nutzen nicht zwingend erforderlich sind, sondern nur
zusätzliche Nutzen bilden, dann nennen wir diese weiteren Nutzen Nebennutzen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Beispiele
Versorgungstechnische Beispiele für Nebennutzen: Abwärmenutzung bei Druckluftkompressoren
oder bei Kältekompressoren
Produktionstechnische Beispiele für Nebennutzen: Abwärmenutzung oder Nutzung der
anfallenden Reststoffe bei Prozessen
4.3.3 Gütegrad
Wie bereits erwähnt kann für ein System, dass mehr als einen Nutzen erzeugt, keine
bewertete Gesamteffizienz bestimmt werden. Der Grund liegt darin, dass eine Bewertung
prinzipiell unterschiedlicher Nutzen ohne Vergleichsbildung nicht möglich ist. Oder anders
ausgedrückt: Es kann jeder noch so große Aufwand kleiner eingestuft werden, wenn die
Nutzengröße entsprechend höher eingeschätzt wird als die verglichene Nutzengröße.
Um trotzdem unsere Zielstellungen „Monitoring und Bewertung“ erfüllen zu können, führen
wir den Gütegrad ein, mit dem der bewertete Aufwand eines Vergleichssystems ABv zu dem
bewerteten Aufwand des betrachteten Systems ABb in Verhältnis zueinander gesetzt wird:
! ∶= �����" ( 16 )
! Gütegrad
��� Bewerteter Aufwand Vergleichssystem
��" Bewerteter Aufwand betrachtetes System
Beim Monitoring handelt es sich beim Vergleichssystem um dasselbe System in einem anderen
Zeitraum. Somit wird mit dem Gütegrad das Verhalten eines Systems in verschiedenen
Zeiträumen verglichen.
Bei der Bewertung ist das Vergleichssystem ein anderes System - beispielsweise ein idealer
Vergleichsprozess.
Voraussetzung für die Bildung des Gütegrads ist allerdings, dass die gleiche Umwelt für die
beiden verglichenen Systeme verwendet wird, d.h. es müssen alle Einflussgrößen
einschließlich der Nutzengrößen gleich sein21 und daher auch die Bewertungsfaktoren der
Aufwände. Wenn wir die Bewertungsfaktoren des betrachteten Systems pA1,b … pA3,b zur
Grundlage der Bewertung nehmen, dann ergibt sich mit den Gleichungen ( 2 ) und ( 6 ) für den
Gütegrad:
21 Zur Bestimmung der Einflussgrößen siehe auch Kapitel 5.
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! = ��," ∗ ��,� +��," ∗ ��,� +��," ∗ ��,� +⋯��," ∗ ��," +��," ∗ ��," +��," ∗ ��," +⋯ ( 17 )
! Gütegrad
��,", ��,", … Bewertungsfaktoren des betrachteten Systems
��,�, ��,�, … Aufwände vom Vergleichssystem
��,", ��,", … Aufwände vom betrachteten System
Der Vergleichsaufwand kann somit entweder mit den Daten desselben Systems aus einem
anderen Zeitraum (Zielstellung Monitoring) oder mit Daten von anderen Systemen
(Zielstellung Bewertung) berechnet werden. Mit der Definition für die bewertete Effizienz
Gleichung ( 10 ) ergibt sich für den Gütegrad auch:
! = ��," ���,�# +��," ���,�# +…��," ���,"# +��," ���,"# +…
( 18 )
! Gütegrad
��," Nutzen 1 des betrachteten Systems
���,� Bewertete Effizienz des Vergleichssystems bezogen auf Nutzen1
���," Bewertete Effizienz des betrachteten Systems bezogen auf
Nutzen1
Der Gütegrad kann Werte größer als 100% annehmen, sofern das Vergleichssystem kein
ideales ist bzw. das Vergleichssystem immer Bestwerte liefert. Im letzteren Fall sprechen wir
von einem absoluten Gütegrad:
Definition
Wir nennen den Gütegrad absoluten Gütegrad, wenn wir ideale Systeme oder
Systeme, die in sämtlichen betrachteten Zuständen Bestwerte annehmen (BVT =
Best verfügbare Technik), als Vergleich annehmen. Der absolute Gütegrad kann
daher nur Werte zwischen 0% und 100% oder 0 und 1 annehmen.
Für ein System mit einem Nutzen ergibt sich mit der Definition der bewerteten Effizienz bei
gleicher Nutzengröße (N1,b = N1,v) und gleicher Umwelt auch:
! = �"�� ( 19 )
! Gütegrad
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�" Bewertete Effizienz des betrachteten Systems
�� Bewertete Effizienz des Vergleichssystems
Im Gegensatz zur Effizienz kann der Gütegrad nur im Vergleich mit einem anderen System bzw.
mit dem gleichen System in einem anderen Zeitraum bestimmt werden. Das heißt auch, dass
der Gütegrad nicht ein System beschreibt, sondern immer ein Verhältnis von zwei
verschiedenen Systemen darstellt bzw. von einem System im aktuellen Zeitraum mit
demselben System aus einem anderen Zeitraum.
Wie auch bei der bewerteten Effizienz ist die Höhe des Gütegrads von der betrachteten
Umwelt und deren Einflussgrößen abhängig.
Beispiele für die Anwendung des Gütegrads führen wir im Abschnitt 0 auf.
4.3.4 Bestimmung der Bewertungsfaktoren der Nutzen für Systeme mit mehreren
Nutzen
Wir haben mit dem im vorherigen Abschnitt eingeführten Gütegrad eine Methode zum
Monitoring und zur Bewertung von Systemen mit mehreren Nutzen aufgezeigt. In diesem
Abschnitt werden wir eine Methode zur Bestimmung der Bewertungsfaktoren der
verschiedenen Nutzen aufzeigen. Die Bestimmung der Bewertungsfaktoren ist unter anderem
für die Berechnung der Aufwände der nachfolgenden Systeme erforderlich und damit eine
wesentliche Grundlage für das Baukastenprinzip. Zudem ist ohne eine Bestimmung der
Bewertungsfaktoren und damit der bewerteten Effizienz der einzelnen Nutzen auch ein
Monitoring oder eine Bewertung der Anlagen nicht möglich.
Das grundsätzliche Problem von Systemen mit unterschiedlichen Nutzen besteht darin, die
Aufwände den einzelnen Nutzen zuzuordnen (Allokationsproblem).
Um diese Zuordnung der Aufwände zu den Nutzen durchführen zu können, sind folgende
unterschiedliche Lösungswege möglich:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 12: Lösungswege zur Bestimmung der Bewertungsfaktoren bei mehreren Nutzen
(Allokation)
Die Lösungswege „Systemunterteilung“ sowie „Systemerweiterung“ sollten dabei immer
prioritär in Betracht gezogen werden. Die weiteren Lösungswege stellen alternative
Möglichkeiten dar, das Problem zu lösen, falls die Lösungswege 1 und 2 nicht in Betracht
kommen.
Lösungsweg 1 Prüfung auf die Möglichkeit der Systemunterteilung
Sofern der Kostenaufwand für die erforderlichen Messungen in einem guten Verhältnis zum
Energieverbrauch des Systems steht, sollte das System unterteilt werden in Teilsysteme mit
jeweils einem Nutzen - sofern möglich. Dann können die Berechnungsvarianten der vorherigen
Abschnitte angewendet werden.
Aufwand 1 Nutzen 1Aufwand 2
...
System
Teilsystem 1
Nutzen 2Teilsystem 2
Abbildung 13: Beispiel für eine Systemunterteilung
Lösungsweg 2 Prüfen auf Möglichkeit der Systemerweiterung
Wenn Lösungsweg 1 nicht möglich ist oder nicht in Frage kommt (beispielsweise auf Grund zu
hoher Kosten für die erforderlichen Messungen), so kann geprüft werden, ob eine
Systemerweiterung eine Reduzierung auf einen Nutzen zur Folge hat:
• Lösungsweg 1: Systemunterteilung
• Lösungsweg 2: Systemerweiterung
• Lösungsweg 3: Statistische oder analytische Auswertung
• Lösungsweg 4: Substitution
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Abbildung 14: Beispiel für eine Reduzierung auf einen Nutzen durch eine Systemerweiterung
Wenn wir das System 1 um System 2 erweitern, dann haben wir ein Gesamtsystem, dass nur
einen Nutzen erzeugt. Allerdings erreichen wir hierdurch kein Einzel-Monitoring und keine
Einzel-Bewertung des Teilsystems 1 mit zwei Nutzen.
Lösungsweg 3 Anwendung einer statistischen oder analytischen Auswertung
Durch eine statistische oder analytische Auswertung der Daten eines größeren Zeitraums kann
in bestimmten Fällen eine Zuordnung des Aufwands zu einzelnen Nutzen in eingeschränktem
Maße durchgeführt werden.
Beispiel für ein System mit zwei Nutzen:
Wir schauen die Zustände an, bei denen Nutzen 1 und die anderen relevanten Eigenschaften
gleich sind und lediglich die Nutzengröße 2 variiert. Aus der entsprechenden Variation des
Aufwandes wird dann die Bewertungsgröße für den Nutzen 2 bei verschiedenen Nutzengrößen
abgeschätzt.
Dies Verfahren wird natürlich umso schwieriger und aussageloser, je größer die Anzahl der
Einflussgrößen ist.
Lösungsweg 4 Verwendung von Bewertungsfaktoren von substituierten Nutzen
Subsituierte Nutzen sind Nutzen von anderen Anlagen (bzw. Systemen), deren Nutzen durch
das betrachtete System reduziert oder kompensiert wird, wenn das betrachtete System den
entsprechenden Nutzen erbringt.
Die Bewertungsfaktoren substituierter Nutzen können zur Bestimmung der Bewertungs-
faktoren des Nutzens des betrachteten Systems verwendet werden, wenn die ersten drei
Lösungswege nicht möglich oder zu aufwendig sind.
Für Systeme mit gekoppelten Nutzen sind die Lösungswege 1 und 3 nicht anwendbar.
Lösungsweg 1 kann bei Systemen mit gekoppelten Nutzen nicht angewendet werden, weil das
System an sich nicht in Teilsysteme unterteilbar ist. Lösungsweg 3 kommt nicht in Frage, weil
die gekoppelten Nutzen nicht unabhängig voneinander erzeugt werden. Wenn Systeme mit
gekoppelten Nutzen selber und nicht nur das Gesamtsystem, in das sie eingebunden sind,
bewertet werden sollen, kommt auch Lösungsweg 2 nicht in Betracht. Somit kommt
Lösungsweg 4, Verwendung von Bewertungsfaktoren von substituierten Nutzen, zur
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Anwendung (Abbildung 15). Wir unterscheiden im Folgenden zwischen Systemen mit und
ohne Nebennutzen.
Systeme mit Nebennutzen
Abbildung 15: Beispiel für einen substituierten Nutzen: Die Abwärme des Systems
Druckluftkompressor substituiert (einen Teil) des Systems Kessel.
Die Verwendung von Bewertungsfaktoren substituierter Nutzen – u.a. für den Nebennutzen -
kann wie folgt beschrieben werden:
Bei der Verwendung von Bewertungsfaktoren substituierter Nutzen werden
Systeme betrachtet, bei denen ein Nutzen des Systems auch durch ein anderes
Teilsystem erzeugt werden kann. Somit wird ein Teilsystem, welches den gleichen
Nutzen erzeugt, durch das zu betrachtende System ganz oder teilweise
substituiert.
Wir setzen dann den Bewertungsfaktor des Nutzens des subsituierten Teilsystems
als Bewertungsfaktor an.
Beispiele
Ein Beispiel für die Anwendung der Substitutionsmethode ist die Substitution von Kesselwärme
durch Abwärme. Als Modell wird hier ein System betrachtet, welches neben einem weiteren
Nutzen wiederverwendbare Abwärme als Nebennutzen erzeugt. Diese Abwärme substituiert
einen Teil der Wärme, welche alternativ durch einen Kessel erzeugt werden würde. Zur
Bewertung des Nebennutzens „Abwärme“ wird dann der Bewertungsfaktor der Kesselwärme
eingesetzt.
Ein Beispiel für die Anwendung der externen Substitutionsmethode ist, wenn die Abwärme die
Wärmeerzeugung (Kesselwärme) eines benachbarten Betriebs oder Wohnsiedlung substituiert.
Hierbei ist dann für die Abwärme der Bewertungsfaktor der substituierten Wärme anzusetzen.
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Mit Gleichung ( 6 ) (Aufwand eines Systems mit mehreren Aufwänden) und der Gleichheit der
bewerteten Nutzen und Aufwände Gleichung ( 7 ) ergibt sich für ein System mit zwei Nutzen
(Nb1, Nb2), wobei einer der Nutzen (Nb2) den Nutzen Ns eines alternativen Systems substituiert
(somit gilt für die Bewertungsfaktoren �"� = �$): ��� = �� − �$ ∗ �"��"�
( 20 )
��� Bewertungsfaktor Nutzen 1 des betrachteten Systems
�� Bewerteter Aufwand
�$ Produkt aus Bewertungsfaktor Nutzen des substituierten
Systems
�"�, �"� Nutzengröße 1, 2 des betrachteten Systems
Systeme ohne Nebennutzen
Bei Systemen mit zwei Nutzen, die beide innerhalb des Standorts zum Einsatz kommen, also
beispielsweise in der Regel für BHKW und Wärmepumpen, empfehlen wir in der Regel, beide
Bewertungsfaktoren (am Beispiel BHKW für Strom und Wärme) durch das Verhältnis der
Bewertungsfaktoren der substituierten Systeme (für das Beispiel Kesselwärme und
Strombezug von extern) nach folgender Gleichung zu ermitteln:
�"��"� ∶=
�$��$�
( 21 )
�"��"�
Verhältnis der Bewertungsfaktoren der Nutzen des
betrachteten Systems
�$��$� Verhältnis der Bewertungsfaktoren der Nutzen der
subsituierten Systeme
Durch diese Gleichung wird der Vorteil des betrachteten Systems entsprechend der
Bewertungsfaktoren der subsituierten Systeme auf die beiden Nutzen aufgeteilt.
Es ergibt sich dann mit der Gleichheit der bewerteten Nutzen und Aufwände Gleichung ( 7 )
��� = ��
�"� +�$��$� ∗ �"� ( 22 )
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��� Bewertungsfaktor Nutzen 1 des betrachteten Systems
�� Bewerteter Aufwand
�"�, �"� Nutzengröße 1, 2 des betrachteten Systems
�$�, �$� Bewertungsfaktor 1, 2 der Nutzen der subsituierten Systeme
4.3.5 Beispiele
Durch folgende Beispiele soll das Vorgehen bei Systemen mit mehreren Nutzen veranschaulicht
werden.
Beispiel Karosseriebau: Mehrere nicht gekoppelte Nutzen (zu Lösungsweg 1)
Als ein Beispiel für ein System mit mehreren Nutzen, welche jedoch nicht gekoppelt sind, wird die
Produktion von Karossen in der Automobilindustrie herangezogen. Der Nutzen des Systems ist,
zwei in Form und Größe unterschiedliche Karossen zu produzieren, somit sind es zwei
unterschiedliche Nutzen, Karosse 1 und Karosse 2.
Das System benötigt dazu die Aufwände Strom, Wärme, Kälte und Druckluft.
Um diese Aufwände auf die zwei Nutzen aufzuteilen, unterteilen wir das System gemäß
Lösungsweg 1 in zwei Teilsysteme (Karosse 1 und Karosse 2). Durch Messungen werden nun die
Aufwände aufgeteilt und den Teilsystemen zugeordnet.22
Diese beiden Teilsysteme können nun getrennt betrachtet werden, für beide Teilsysteme kann
bei Wahl der gewünschten Bewertungsart die Kennzahl bewertete Effizienz sowie der
Bewertungsfaktor des Nutzens gebildet werden.
Beispiel Energiewiederverwendung (Abwärmenutzung bei der Kaffeeröstung):
Zwei gekoppelte Nutzen und Substitution eines Nutzens (zu Lösungsweg 4)
Als ein Beispiel für die Substitution eines Nutzens betrachten wir die Abwärmenutzung
(Nebennutzen) bei der Kaffeeröstung. Dieses Beispiel zeigt damit auch generell das Vorgehen im
Fall der EnergiewiederverwendungEnergiewiederverwendungEnergiewiederverwendungEnergiewiederverwendung auf.
Substituiert wird durch den Nebennutzen, die Abwärmenutzung, eine andere Wärmeerzeugung
im Werk. Wir nehmen an, dass ein Teil der von Dampfkesseln erzeugten Wärme dadurch ersetzt
wird und diese Wärme im betrachteten Zeitpunkt einen Bewertungsfaktor von �$ habe. Damit
entspricht der Bewertungsfaktor der vom Röster erzeugten (Ab-)Wärme �"� dem
Bewertungsfaktor der Wärme des Dampfkessels �"� = �$ . Ferner seien nur die direkten Energieaufwände des Rösters betrachtet und nicht die indirekten
Energieaufwände von vorgelagerten Prozessen der Kaffeebohnen, die in den Röster kommen..
Diese Betrachtung sei in diesem Fall ausreichend, weil wir den Röster mit Abwärmenutzung mit
anderen Röstern vergleichen wollen, die exakt die gleichen indirekten Aufwände haben. Die
22 Je nach Anwendungsfall kann es auch sehr aufwendig sein, Messungen vorzunehmen. Hier sollten
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für die Messkosten angestellt werden, um zu prüfen, ob die
Installation der Messeinrichtungen sinnvoll ist und es sollten parallel die Lösungswege 2 bis 4 geprüft
werden.
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direkten Energieaufwände für das betrachtete System Röster seien der Aufwand Gas �"�für die
thermische Nachverbrennung und der Wärmerzeugung für die Röstung mit dem bewerteten
Aufwand AB1 und der Aufwand Strom�"� mit dem bewerteten Aufwand AB2.
Abbildung 16: Zwei gekoppelte Nutzen und Substitution eines Nutzens
Der Gesamtaufwand des Systems kann somit angesehen werden als Summe der bewerteten
Aufwände des Systems (AB1 + AB2) abzüglich des bewerteten Aufwands des substituierten
Systems, der sich aus dem Bewertungsfaktor der Kesselwärme (�"� = �$) und dem Nutzen
Nb2 des Systems (Abwärme) zusammensetzt:
Der Bewertungsfaktor �"�des Energieaufwands der Röstung berechnet sich damit zu:
�"� = ��� +��� − �$ ∗ �"��"� ( 23 )
�"� Bewertungsfaktor des Energieaufwands der Röstung
���, ��� Bewerteter Aufwand 1, 2
�$ Bewertungsfaktor der Kesselwärme
�"� Massenstrom der gerösteten Kaffeebohnen als Nutzengröße
der Röstung
�"� Nutzen des betrachteten Systems
Hierbei seien �"� der Massenstrom der gerösteten Kaffeebohnen als Nutzengröße der Röstung
und �"� die durch Abwärme substituierte Kesselwärmeleistung.
Mit dem Gütegrad ! kann der Vorteil des Systems mit Abwärmenutzung (betrachtetes System)
gegenüber einem anderen System ohne Abwärmenutzung (Vergleichssystem) quantifiziert
werden (siehe auch Gleichung ( 16 )):
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! = ��," ∗ ��,& +��," ∗ ��,& + ��," ∗ '�,&'() ( 24 )
! Gütegrad
��,", ��,",��,"
Bewertungsfaktoren des betrachteten Systems, also des
Rösters mit Abwärmenutzung für Gas, Strom und der
substituierten Wärme
��,&, ��,&, ��,& Aufwandsgrößen für Gas, Strom und der substituierten
Wärme des Vergleichssystems
'() Bewerteter Aufwand für Gas, Strom und der
substituierten Wärme des betrachteten Systems
Beispiel Eigenstromerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung): Zwei gekoppelte
Nutzen und Substitution beider Nutzen
Als ein Beispiel für die Substitution von zwei Nutzen betrachten wir die Kraft-Wärme-Kopplung
(BHKW). Der eine Nutzen Nb1 die Stromleistung, der andere Nb2 die Wärmeleistung. Dieses
Beispiel zeigt auch generell das Vorgehen im Fall der EigenstromerzeugungEigenstromerzeugungEigenstromerzeugungEigenstromerzeugung auf. Substituiert
werden hierbei ein Teil des extern bezogenen Strombedarfs und ein Teil einer anderen
Wärmeerzeugung im Werk. Der substituierte externe Strombedarf habe den Bewertungsfaktor
�$� und die substituierte Wärmeerzeugung �$� . Der Aufwand � sei ein Gasaufwand für das
BHKW, AB der bewertete Gasaufwand. Damit lässt sich der Bewertungsfaktor für den erzeugten
Strom gemäß Gleichung ( 22 ) darstellen:
�"� = ���"� +�$��$� ∗ �"�
Der Bewertungsfaktor für die erzeugte Wärme berechnet sich dann mit Gleichung ( 21 ) zu:
�"� =�$��$� ∗ �"�
( 25 )
�"� Bewertungsfaktor 2 des Nutzens des betrachteten Systems
�$� Bewertungsfaktor 2 des Nutzens des subsituierten Systems
�$� Bewertungsfaktor 1 der Nutzen der subsituierten Systeme
�"� Bewertungsfaktor 1 der Nutzen des betrachteten Systems
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Abbildung 17: Zwei gekoppelte Nutzen und Substitution beider Nutzen
Damit wird eine bewertete Verteilung der Gewinne durch die KWK auf die beiden Nutzen Wärme
und Strom erreicht und diese Bewertungsfaktoren sollten zur Berechnung der Aufwände der
nachfolgenden Systeme verwendet werden.
Zur Klärung der Fragestellung, ob der Einsatz von KWK überhaupt lohnenswert ist, berechnen wir
den GütegradGütegradGütegradGütegrad. Beispielsweise konkurriere die KWK mit den beiden alternativen Nutzen externe
Stromversorgung und Abwärme, die nur einen geringen Aufwand hat. Wenn wir die oben
genannten Variablen in die Gleichung ( 17 ) für den Gütegrad einsetzen, dann ergibt sich:
! = ��,� ∗ ��,* +��,� ∗ ��,*��,� ∗ ��,�
Hierbei ist ��,� der Bewertungsfaktor für den bezogenen Strom. An dieser Stelle ist also nicht
der Strompreis vom Nutzen des betrachteten Systems einzusetzen, sondern der Strompreis vom
Aufwand des betrachteten Systems. Da das betrachtete System, die KWK-Anlage, keinen
externen Strombezug haben soll, kann der Bewertungsfaktor des Vergleichssystems verwendet
werden. ��,* ist der substituierte Stromeinsatz und ��,* der substituierte Wärmeeinsatz mit dem
Bewertungsfaktor��,� .
Bei der folgenden Tabelle haben wir für die Bewertungsart Geld willkürlich Zahlen für die
Eingangsgrößen der gerade aufgeführten Formeln angesetzt, um das Beispiel noch konkreter zu
machen.
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Tabelle 13: Beispiel Kraft-Wärme-Kopplung anhand von willkürlich angenommenen
Eingangsgrößen
Da der berechnete Gütegrad mit 161% größer als 100% ist, ist der Einsatz der Kraft-Wärme-
Kopplung bei diesen Eingangsgrößen aus ökonomischer Sicht (Bewertungsart Geld) sinnvoll und
damit auch die „Substituierung“ eines Teils der Nutzen der Vergleichssysteme.
Eine alternative Berechnungalternative Berechnungalternative Berechnungalternative Berechnung zur Klärung, ob der Einsatz von KWK überhaupt lohnenswert ist,
ergibt sich durch eine andere Art der Berechnung der Bewertungsfaktoren:
Hierzu setzen wir den Bewertungsfaktor für den Strom der KWK gleich dem externen
Bewertungsfaktor:
�"� =�"�
Dann kann der Bewertungsfaktor für Wärme ��� wie folgt aus der Aufwands-Nutzen-
Gleichheit berechnet werden:
KWK
Aufwand
Gasleistung 100 kWgas 40 €/MWh 4,0 €/h 0,4 kWel/kWgas
0,5 kWth/kWgas
Nutzen
Elektrische
Leistung35 kWel 75 €/MWh 2,6 €/h
Wärme-
leistung50 kWth 28 €/MWh 1,4 €/h
bewerteter Gesamtnutzen 4,0 €/h
Kennzahl: Gütegrad GG 161% €/€
Eingabedaten
berechnete Werte
Substituierte Leistungen
Aufwand
Gasleistung 56 kWgas 40 €/MWh 2,2 €/h 0,6 kWkä/kWel
Elektrische
Leistung35 kWel 120 €/MWh 4,2 €/h 0,9 kWkä/kWel
Nutzen
Elektrische
Leistung35 kWel 120 €/MWh 4,2 €/h
Wärme-
leistung50 kWth 44 €/MWh 2,2 €/h
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
Teileffizienzen
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Aufwands-
größe A
Nutzen-
größe N
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
bewerteter
Aufwand ABfTeileffizienzen
Bewertungsfaktor
Nutzen, pf,N
bewerteter
Nutzen
NBf
Bewertungsfaktor
Aufwand, pf,A
bewerteter
Aufwand ABf
KWK
Gaskessel
Externe Stromversor-
gung und Gaskessel
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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��� = �−�"� ∗ �"��"�
Der einfache Vergleich zwischen dem Bewertungsfaktor Wärme der KWK �"� und dem
Bewertungsfaktor der zu substituierenden Wärme �$�führt dann zu der Aussage, ob der
Einsatz der KWK sinnvoll ist. Je nach Wahl der Bewertungsart kann dann die Aussage
ökonomisch, ökologisch oder primärenergetisch gefunden werden.
4.4 Zusammenstellung der Kennzahlen
In der folgenden Abbildung sind die für ein System zentralen Kennzahlen der Methodik, wie sie
in diesem Kapitel entwickelt wurden, zusammenfassend dargestellt.
Abbildung 18: Zusammenstellung der zentralen Kennzahlen der Methodik
Die Effizienz eines Systems mit nur einem Aufwand und einem Nutzen kann vollständig durch
die Teileffizienz überwacht und bewertet werden.
Verbraucht ein System mehrere Aufwände, so ist die bewertete Effizienz zu bestimmen, um
den beiden zentralen Zielstellungen des Projektes, das Monitoring und die Bewertung, zu
genügen. Zur Bestimmung der bewerteten Effizienz ist die Kenntnis der Bewertungsfaktoren
der Aufwände erforderlich. Die Bewertungsfaktoren der Aufwände geben auch die Effizienz
der vorgelagerten Systeme an. Die bewertete Effizienz kann auch aus den Teileffizienzen und
den Bewertungsfaktoren der Aufwände berechnet werden.
Hat ein System mehrere Nutzen, so ist für das Monitoring und die Bewertung eines Systems
der Gütegrad zu bestimmen. Für die Bestimmung des Gütegrades sind neben den
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Bewertungsfaktoren der Aufwände auch die Angaben eines Vergleichssystems erforderlich.
Die Werte des Vergleichssystems sind für die Einflussgrößen des betrachteten Zeitraums des
betrachteten Systems zu ermitteln – siehe auch das folgende Kapitel 5.
Der Gütegrad kann auch aus den bewerteten Effizienzen der einzelnen Nutzen sowie den
Nutzengrößen des betrachteten Systems ermittelt werden.
Generell kann man sagen, dass zur Ermittlung der Teileffizienzen weniger Daten erforderlich
sind als zur Ermittlung der bewerteten Effizienz, aber dass mit den Teileffizienzen nur im
Ausnahmefall -ein System mit einem Aufwand und einem Nutzen- ausreichende Aussagen
möglich sind. Entsprechend sind für die Ermittlung der bewerteten Effizienz zwar keine
Vergleichssysteme erforderlich, jedoch können nur Systeme mit einem Nutzen überwacht und
bewertet werden. Für die Bewertung von Systemen mit mehreren Nutzen ist der Gütegrad
erforderlich.
Zwar ist der Gütegrad prinzipiell für alle Systeme berechenbar. Jedoch kann nicht auf die
Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz verzichtet werden, da der Gütegrad in den
meisten Fällen nur aus den Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz berechnet werden
kann. Die direkte Berechnung des Gütegrads ist aufgrund des Allokationsproblems und der
geringen Vergleichsgrundlage infolge der vielen Einflussgrößen bei komplexeren Systemen in
der Regel nicht möglich.
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5 Vergleiche, Einflussgrößen und Systemgrenzen
Im folgenden Kapitel werden zunächst die möglichen Arten von Vergleichen aufgestellt und
festgestellt, welche davon für die beiden zentralen Zielstellungen Monitoring und Bewertung
von Systemen geeignet sind.
Um aussagekräftige Vergleiche machen zu können, sind die relevanten Einflussgrößen zu
bestimmen und zu bereinigen. Ausgehend von einem definierten System (Kapitel 3), können
die relevanten Einflussgrößen für den Energieverbrauch bestimmt werden: Wenn wir ein
System betrachten, sehen wir zunächst eine Vielzahl von möglichen Einflussgrößen, die es aus
zwei Gründen gilt zu reduzieren:
1. Je größer die Anzahl von Einflussgrößen ist, desto höher ist auch der erforderliche
Messaufwand.
2. Da ein Vergleich nur möglich ist, wenn auch die Einflussgrößen vergleichbar sind, wird
durch eine große Anzahl an variierenden Einflussgrößen somit auch die Menge von
möglichen Vergleichspunkten vom gleichen System oder anderen Systemen geringer.
Je geringer die Anzahl der möglichen Vergleichspunkte ist, desto geringer wird die
Aussagekraft.
Bei der Reduktion der Anzahl der Einflussgrößen dürfen jedoch keine relevanten
Einflussgrößen verloren gehen, ansonsten verliert der Vergleich ebenfalls an Aussagekraft.
Falls eine relevante Einflussgröße nicht berücksichtigt wird (weil beispielsweise der
Messaufwand zu hoch ist oder der Einfluss auf Grund von Erfahrungswerten als
vernachlässigbar eingeschätzt wird), sollte zumindest ausgewiesen sein, welche relevanten
Einflussgrößen bei einem Vergleich nicht bereinigt wurden.
In Abschnitt 5.3 wird ein schrittweises Vorgehen zur Aufstellung der relevanten Einflussgrößen
beschrieben. Dieses Verfahren wird dann in Abschnitt 5.5 mit dem Vorgehen anderer
Methoden verglichen. In Abschnitt 5.6 zeigen wir auch auf, wie die relevanten Einflussgrößen
bereinigt werden können.
Prinzipiell kann bei der Bereinigung der Einflussgrößen die Nutzengröße oder die
Aufwandsgröße entsprechend angepasst werden. Wir schlagen vor, die Aufwandsgröße
anzupassen, da der Nutzen die relevante Vergleichsgröße darstellt und daher auch bei
unterschiedlichen Aufwänden Vergleiche gemacht werden können.
Weder bei der Bestimmung der zentralen Begriffe dieses Kapitels noch bei dem
Vorgehen zur Aufstellung der relevanten Einflussgrößen haben wir Literatur
gefunden, an welcher wir anknüpfen könnten oder Teilelemente hätten
übernehmen können. Jedoch waren die in der Literatur dargestellten
Erläuterungen der Problematik eine hilfreiche Grundlage – beispielsweise
(Adelphi, Österreichische Energieagentur, 2013).Einführendes Beispiel für ein
Vergleich im Monitoring:
System Beheizte Lagerhalle und Außentemperatur
Zur Einführung in die Problematik geben wir folgendes einfaches Beispiel: Der Wärmeverbrauch
einer Lagerhalle ist abhängig von der Außentemperatur. Will man nun den Wärmeverbrauch von
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zwei unterschiedlichen Zeiträumen miteinander vergleichen, so ist der Wärmeverbrauch unter
anderem abhängig von den unterschiedlichen Außentemperaturen in diesen Zeiträumen.
Unsere erste Zielsetzung ist das Monitoring und die zugehörige Fragestellung lautet dabei: Ist
der Wärmeverbrauch des Systems Lagerhalle mindestens angemessen oder wurde entsprechend
der Umweltbedingungen, also hier der Außentemperatur, zu viel Wärme verbraucht. Das heißt,
man möchte den Einfluss der Außentemperatur aus dem Vergleich herausnehmen (also
bereinigen), um das System Lagerhalle unabhängig von Einflussgrößen zu bewerten.
5.1 Vergleichsaufwand und Umwelt
Eine zentrale Zielstellung ist die Vergleichbarkeit von Systemen - siehe auch Teil 1 dieses
Projektes, Abschnitt 3.2: Überblick über existierende Kennzahlaufstellungen und Detaillierung
der Aufgabenstellung des Projektes.
Die wesentlichen Fragen zu dieser Zielstellung lauten:
1. Fragestellung Monitoring
Was hätte das System für einen Aufwand im betrachteten Zeitraum gehabt, wenn es die
gleiche Effizienz wie in einem Vergleichszeitraum gehabt hätte? 23
Oder alternativ: Hält das System sein Soll ein?
2. Fragestellung Bewertung
Was hätte ein Vergleichssystem anstelle des vorhandenen Systems für einen Aufwand gehabt?
Oder alternativ: Hat das System eine höhere oder niedrigere Effizienz als ein
Vergleichssystem?
Diese Fragestellungen lassen sich weiter konkretisieren. Hierfür führen wir die Systemumwelt
ein:
Die Systemumwelt ist alles das, was nicht das System ist.
Wir definieren ferner die Systemgrenze24 als die Grenze zwischen Systemumwelt
und System. Die Systemgrenze stellt einfach die räumliche Grenze zwischen dem
System (oder den betrachteten Systemen) und der Systemumwelt dar.
Die zeitlichen Systemgrenzen werden „bereinigt“, da wir die Größen (Aufwand, Effizienz, …)
immer auf einen Zeitraum beziehen.
23 Wir gehen hierbei davon aus, dass das System bei der Errichtung oder dem Umbau in einen möglichst
guten Zustand gebracht wird. Die Werte die dieses System dann erbringt, sind die Vergleichswerte.
24 Bei der Betrachtung eines Systems ist die Bilanzgrenze gleich der Systemgrenze.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 19: System und Systemumwelt
Damit konkretisieren sich die Fragestellungen:
1. Fragestellung Monitoring
Was hätte das System für einen Aufwand in der Systemumwelt des Betrachtungszeitraums
gehabt, wenn es die gleiche Effizienz wie in der Systemumwelt eines Vergleichszeitraums
gehabt hätte?
2. Fragestellung Bewertung
Was hätte ein Vergleichssystem in der Systemumwelt des Systems für einen Aufwand gehabt?
5.2 Einflussgrößen und Bereinigung
In der Literatur zu Kennzahlen konnten wir verschiedene Quellen finden, die das Thema
Einflussgrößen behandeln. Es werden beispielsweise die Begriffe „Korrekturgrößen“,
„Störgrößen“ oder auch „Einflussfaktoren“ verwendet. Definitionen werden hierzu in der Regel
nicht gegeben und die Verwendung dieser Größen halten wir für unsere Zielstellung nicht oder
nur in Ansätzen brauchbar. Für den Begriff der Bereinigung, welcher in der Regel lediglich für
die Temperaturbereinigung von Heizverbräuchen verwendet wird, haben wir in der
Literaturrecherche keine allgemeine Definition gefunden. Daher stellen wir im Folgenden die
für unsere Zwecke erforderlichen Definitionen für Einflussgrößen und deren Bereinigung neu
auf.
Zunächst definieren wir Einflussgrößen:
Einflussgrößen sind alle Größen, die die Größe des Aufwands eines Systems
bestimmen.
Wir unterscheiden zwischen internen und externen Einflussgrößen:
Interne Einflussgrößen werden durch das System und externe Einflussgrößen
durch die Systemumwelt bestimmt.
Interne Einflussgrößen sind auch die Eigenschaften des Systems.
Wir unterscheiden ferner direkte und indirekte Einflussgrößen:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Direkte Einflussgrößen des betrachteten Systems sind nur interne und externe
Einflussgrößen.
Indirekte Einflussgrößen wirken sich auf vor- oder nachgelagerte Systeme aus. Sie
sind nicht Größe oder Eigenschaft der Aufwände und Nutzen des betrachteten
Systems. Ihr Einfluss kann nur indirekt über die externen Einflussgrößen wirken.
In der folgenden Abbildung veranschaulichen wir die internen, externen, direkten und
indirekten Einflussgrößen:
Abbildung 20: Darstellung von internen, externen, direkten und indirekten Einflussgrößen
Im Weiteren definieren wir die Bereinigung des Einflusses einer Einflussgröße auf den Aufwand
oder die Effizienz oder kurz die „Bereinigung einer Einflussgröße“:
Die Bereinigung einer Einflussgröße bei einem Vergleich von beispielsweise der
Effizienz oder Aufwänden eines Systems mit demselben System aus einem
Vergleichszeitraum oder einem anderen System ist das Aufheben oder Nichtig
machen dieser Einflussgröße innerhalb des Vergleichs. Dieses Aufheben erfolgt
durch die Umrechnung des Aufwandes auf quantitativ gleiche Einflussgrößen oder
anders ausgedrückt: Auf die gleiche Umwelt.
Systemumwelt
System
Umwelt Vergleichssystem
Vergleichs-system
Abbildung 21: Ausgangssituation des Vergleichs von Systemen
Die Umrechnung oder Bereinigung von einer Einflussgröße kann auf drei verschiedenen Wegen
erfolgen:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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1) Es wird der Vergleichsaufwand auf die Einflussgrößen der Systemumwelt des
Betrachtungszeitraums umgerechnet.
2) Es wird der Systemaufwand auf die Einflussgrößen der Vergleichsumwelt des
Vergleichszeitraums umgerechnet.
3) Es werden die Einflussgrößen von System und Systemumwelt auf eine andere, dritte
Umwelt umgerechnet.
Abbildung 22: Prinzipielle Vergleichsmöglichkeiten von System
Ein Sonderthema ist der Vergleich von Umwelten, welcher zum Beispiel für die Standortwahl
eines neuen Betriebs nützlich ist.
Abbildung 23: Vergleich von Umwelten
Systemumwelt
System
Systemumwelt
Vergleichs-system
Umwelt Vergleichssystem
Vergleichs-system
Umwelt Vergleichssystem
System
Andere Umwelt
Vergleichs-system
Andere Umwelt
System
Vergleichsmöglichkeit 2 Beispiele: - Prüfung Einsatz System am Ort von Vergleichssystem
Vergleichsmöglichkeit 3Beispiele: - gut für Vergleiche mit allgemein bekannten Referenzen (Beispiel Heizgradtage Würzburg bei Energieverbrauch Wohngebäude)
Vergleichsmöglichkeit 1Beispiele: - Monitoring (Zeitlicher Vergleich)- Benchmarking für Vorortvergleich
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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5.3 Einflussgröße Mensch
Menschen haben in verschiedenen Handlungsfeldern einen Einfluss auf den Energieverbrauch
von Systemen – siehe dazu die folgende Abbildung 24. Hierbei stellt sich grundsätzlich die
Frage, ob wir bei der Betrachtung eines Systems den Mensch als Teil des Systems oder als
externes „System“ betrachten. Ist der Mensch Teil des Systems, dann wird eben nicht nur eine
technische Anlage oder Maschine bewertet, sondern auch die Tätigkeiten des Menschen in
Bezug auf das betrachtete System – beispielsweise die Güte der Wartung der Anlage.
Wenn ausdrücklich die „Einflussgröße“ Mensch nicht berücksichtigt werden soll, dann ist der
Einfluss des Menschen zu bereinigen. Oft verwendet man dazu eine Standardisierung des
Einflusses des Menschen. Beispielsweise wird bei Gebäuden die Annahme getroffen, dass die
Raumtemperatur 20°C beträgt (unabhängig von den Nutzern des Raumes). Ein anderes Beispiel
ist die Bestimmung eines Fahrleistungsprofils für die Bestimmung des Benzinverbrauchs eines
Autos. Das Fahrleistungsprofil wird unabhängig von dem Einfluss des jeweiligen Fahrers
festgelegt.
Folgende zwei Regeln stellen wir für den Einfluss des Menschen hinsichtlich unserer
Fragestellung auf:
Bei einer Systemüberwachung oder –bewertung sollte ausdrücklich
gekennzeichnet sein, ob und welcher menschliche Einfluss Teil der Überwachung
oder Bewertung eines Systems ist.
Soll ein menschlicher Einfluss auf den Energieverbrauch nicht Bestandteil des
betrachteten Systems sein, so soll erläutert werden, wie der Einfluss bereinigt
wird.
Für die in diesem Projekt betrachteten produzierenden Betriebe ist nach unserer Methodik das
folgende Vorgehen sinnvoll:
Der Einfluss des Menschen ist Bestandteil des betrachteten Systems, da wir bei der Bewertung
wie auch bei der Überwachung der Systeme auch die Ineffizienzen, die sich beispielweise
durch die Planung, Wartung oder Regelung der Anlagen ergeben, berücksichtigen wollen. Dies
hat dann jedoch zur Folge, dass beispielsweise ein Unterschied beim Vergleich von gleichen
Systemen verschiedener Standorte nicht zwingend auf eine technische Komponente
zurückzuführen ist, sondern beispielsweise auch eine mangelnde Wartung die Ursache sein
kann.
Durch eine Zerlegung des Systems in beispielsweise das Teilsystem „zu wartender Filter“ und
den „Rest des Systems“ kann dann der Ursache auf die Spur gekommen werden.
Beispielsweise bei Bürogebäuden – auch von produzierenden Betrieben – kann im
Handlungsfeld „Nutzung“ auch eine Externalisierung des Einflusses des Menschen sinnvoll
sein. Siehe dazu auch das Beispiel in Abschnitt 3.2.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 24: Vorgehen zur Berücksichtigung des Einflusses des Menschen bezüglich der
verschiedenen Handlungsfelder
Beispiel System Rohrleitung
Der menschliche Einfluss auf die Rohrleitung selber wie zum Beispiel die Planung der Rohrleitung
oder eine mögliche Beschädigung der Dämmung gehört zum System und wird daher nicht
bereinigt.
Der menschliche Einfluss auf das Umgebungsklima ist indirekt und wird mit der Einflussgröße
Lufttemperatur bereinigt.
Bei der Bewertung und damit dem Vergleich von verschiedenen Systemen kann es durchaus
Zielstellung sein, den direkten menschlichen Einfluss zu bereinigen. Dann ist der menschliche
Einfluss außerhalb des Systems und wird als externe Einflussgröße bereinigt.
Beispiel System Rohrleitung
Der menschliche Einfluss auf die Rohrleitung durch eine Beschädigung eines Teils der Dämmung
soll den Vergleich zwischen Systemen mit verschiedenen Rohrleitungs- und Dämmtypen nicht
beeinflussen und wird daher bereinigt.
5.4 Vorgehen zur Aufstellung der Einflussgrößen
Im Folgenden schlagen wir ein Vorgehen zur Ermittlung der Einflussgrößen eines Systems vor,
die bei den für das Monitoring und die Bewertung erforderlichen Vergleichen zu bereinigen
sind.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Im Schritt 1 werden zunächst alle in Frage kommenden Einflussgrößen aufgestellt. In den
folgenden Schritten 2 bis 7 werden dann die nicht relevanten Einflussgrößen bestimmt und
herausgenommen, damit der erforderliche Messaufwand verringert und in vielen Fällen eine
Auswertung mit analytischen oder statistischen Verfahren überhaupt erst möglich wird. Die
Schritte 2 bis 7 müssen nicht in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, es ist
allein eine Empfehlung.
Schritt 1 Aufstellung der in Frage kommenden Einflussgrößen
Wie wir in Kapitel 3 definiert haben, behandelt das Monitoring und die Bewertung der Effizienz
eines Systems das System wie eine Blackbox. Hieraus folgt, dass keine Einflussgrößen oder
Eigenschaften, die durch das System selbst bestimmt werden, berücksichtigt werden dürfen:
Zur Bestimmung des Vergleichsaufwands werden lediglich die externen
Einflussgrößen bereinigt. Interne Einflussgrößen werden nicht bereinigt.
Im Weiteren werden nur direkte Einflussgrößen berücksichtigt, da durch die direkten
Einflussgrößen der Einfluss der Umwelt vollständig bestimmt ist. Die indirekten Einflussgrößen
wirken durch die vor- und nachgelagerten Systeme über die Nutzen und Aufwände auf das
System ein:
Zur Bestimmung des Vergleichsaufwands werden lediglich die direkten
Einflussgrößen bereinigt. Indirekte Einflussgrößen werden nicht bereinigt.
Die Aufwandsgröße selber kann nicht Einflussgröße sein, weil ja der Vergleichsaufwand die
gesuchte Größe ist, auf den die Einflussgrößen einwirken oder: Die Aufwandsgrößen sind keine
externen Eigenschaften, denn sie bestimmen die Effizienz, wenn die Nutzen festgelegt sind.
Die Eigenschaften und die Bewertungsfaktoren der Aufwände sind hingegen Einflussgrößen.
Im Weiteren kann der Bewertungsfaktor des Nutzens ebenfalls nicht Einflussgröße sein, weil
dieser durch die anderen Einflussgrößen bestimmt wird.
Erläuterungen
Die internen Einflussgrößen bestimmen das System selber. Wenn man die internen
Einflussgrößen berücksichtigen würde, dann würde man die Größen herausrechnen, die
gerade die Effizienz des Systems bestimmen. Nach Berücksichtigung aller internen
Einflussgrößen sind in der Konsequenz alle Systeme gleich effizient.
Dies ist ein ganz bedeutender Punkt, der unseres Erachtens nach bei vielen
Kennzahlenaufstellungen zu Problemen führt - so beispielsweise in der Formulierung der
europäischen Norm DIN EN 16231 für eine Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik:
„Im Allgemeinen sollten Korrekturen so wenig wie möglich vorgenommen werden. … Werden
zu viele Korrekturen vorgenommen, kann das dazu führen, dass bedeutende reale
Abweichungen verdeckt werden, da sich die Benchmarking-Kurve stärker einer flachen Kurve
annähert.“ (DIN, 2012)
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Der hier beschriebene Effekt, dass sich die Effizienzen der verglichenen Systeme annähern,
wenn Korrekturen vorgenommen werden, ergibt sich, wenn interne Einflussgrößen bereinigt
werden. Da die Norm keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Einflussgrößen
(Korrekturfaktoren) vornimmt, können diese Schwierigkeiten auftreten.
Für die Analyse der Effizienz eines Systems sind die internen Einflussgrößen die
entscheidenden, die Analyse ist jedoch nicht Ziel des Projektes. Für die Zielsetzung dieses
Projektes, das Monitoring und die Bewertung von Energieverbräuchen, ist es exakt umgekehrt,
hier zählen nur die externen Einflussgrößen.
Schritt 2 Berücksichtigung der menschlichen Einflussgrößen
Wie in Abschnitt 5.3 beschrieben, empfehlen wir in der Regel, dass die Tätigkeiten von
Menschen am System wie Planung, Wartung, Instandhaltung usw. Bestandteil des Systems
sind und daher nicht als Einflussgrößen bereinigt werden.
Dies ist bei der Erläuterung der Ergebnisse vom Monitoring und der Bewertung von Systemen
nach unserer Methodik zu berücksichtigen und darin unterscheidet sich unser Verfahren von
allen anderen wie beispielweise dem der Öko-Design-Richtlinie, bei welchem unter genau
definierten Umweltbedingungen Effizienzen bestimmt werden und somit der menschliche
Einfluss vernachlässigt werden kann.
Wenn der Nutzen eines Systems nicht materiell ist, sondern direkt menschlichen Tätigkeiten
dient wie beispielsweise der Nutzen eines Bürogebäudes, empfehlen wir, einen Teil der
menschlichen Tätigkeiten nicht als Systembestandteil zu bestimmen – siehe hierzu auch das
Beispiel in Abschnitt 3.2.
Schritt 3 Nur erforderliche Eigenschaften des Nutzens
Nicht alle Eigenschaften des Nutzens sind wirklich erforderlich. In diesem Schritt überprüfen
wir, ob alle Eigenschaften des Nutzens des Systems auch tatsächlich von den nachfolgenden
Systemen gefordert werden. Wenn es Eigenschaften des Nutzens gibt, die nicht von den
nachfolgenden Systemen gefordert werden, dürfen wir diese nicht bereinigen.
Es sind nur die Eigenschaften des Nutzens als Einflussgrößen zu berücksichtigen,
die für den Nutzen erforderlich sind. Die erforderlichen Größen sind in der Regel
die Soll-Größen.
Die Eigenschaften des Nutzens und die Nutzengröße sind in der Regel die Soll-Größen. Dadurch
kann die Ineffizienz überwacht und bewertet werden, wenn beispielsweise bei einem
Druckluftkompressor ein höherer Druck als erforderlich erzeugt wird.
Beispiel
Für viele Betriebe ist der Ölgehalt in der Druckluft bis zu einer Obergrenze unerheblich. Wenn
dann ölfreie mit nicht ölfreien Druckluft-Kompressoren verglichen werden, bereinigen wir die
Einflussgröße Ölgehalt nicht, sofern die Obergrenze nicht überschritten wird.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Schritt 4 Nur unabhängige Einflussgrößen
Wir definieren:
Wird eine Einflussgröße durch andere Einflussgrößen beschrieben, so ist diese
Größe abhängig.
Abhängige Größen werden nicht bereinigt, sofern die anderen, unabhängigen
Einflussgrößen bereinigt werden.
Aus Erhaltungsregeln oder Erhaltungsgesetzen (beispielsweise Massen-, Energieerhaltung oder
die in dieser Methodik formulierte Gleichheit der bewerteten Aufwände und bewerteten
Nutzen) können abhängige Einflussgrößen abgeleitet werden.
Hierzu gehört auch der Bewertungsfaktor des Nutzens, der sich aus der Gleichheit der
bewerteten Aufwände und bewerteten Nutzen, die nach unserer Definition für jedes System
gilt, als abhängige Größe bildet – siehe auch Abschnitt 4.2.
Beispiel
Die Eingangs- und Ausgangs-Massenströme von Wärme- oder Kälteströmen, die in ein System
fließen, sind in der Regel gleich groß (sie sind voneinander abhängig), daher wird jeweils eine
Größe als Einflussgröße nicht bereinigt. Wir empfehlen nur die Eintrittsgrößen als Einflussgrößen
zu behalten.
Schritt 5 Nur sich ändernde oder unterscheidende Einflussgrößen
Wenn sich Einflussgrößen beim Monitoring zwischen den zu vergleichenden
Zeiträumen nicht unterscheiden oder bei der Bewertung zwischen dem
betrachteten System und dem Vergleichssystem nicht unterscheiden, müssen diese
Einflussgrößen auch nicht bereinigt werden.
Beispiel
Ist beispielsweise die Kühlwassertemperatur zur Rückkühlung einer Kältemaschine zwischen
Betrachtungs- und Referenzzeitraum gleich, so muss die Kühlwassertemperatur nicht bereinigt
werden.
Schritt 6 Nur relevante Einflussgrößen (Erfahrungswissen)
Auch nach Anwendung der vorhergehenden Schritte zur Auswahl der Einflussgrößen kommt es
vor, dass die Anzahl der verbleibenden Einflussgrößen und damit der Messaufwand zu hoch
sind.
Daher sollten nur relevante Einflussgrößen berücksichtigt werden. Relevanz kann hier
folgender Maßen definiert werden:
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Relevant ist eine Einflussgröße, deren Einfluss auf die Aufwandsgrößen unter Berücksichtigung
der anderen Einflussgrößen größer ist als ein bestimmter auf die maximale Aufwandsgröße
bezogener Grenzwert. Der durch die Nichtbereinigung von Einflussgrößen entstehende,
„nichtrelevante“ Fehler soll trotzdem berechnet oder abgeschätzt werden.
Welche Einflussgrößen relevant sind und welche nicht, ist jedoch keine allgemein lösbare
Aufgabe, da sie technologiespezifisch ist und von der gewünschten Genauigkeit des Vergleichs
abhängt. Hier ist für verschiedene Systemtypen vorhandenes Erfahrungswissen zu nutzen und
neues aufzubauen. Hieraus sind spezifische Aussagen zu entwickeln, um zu beschreiben,
welche der nach Anwendung von Schritt 1 bis 4 noch verbleibenden Einflussgrößen relevant
sind und welche nicht.
Ein mögliches Vorgehen ist, für ein System einer bestimmten Technologie Messungen aller
nach Schritt 1 bis 4 verbleibenden Einflussgrößen durchzuführen und dann mit statistischen
Methoden die relevanten Einflussgrößen herauszufiltern. Wenn man dann für eine
ausreichend große Menge von Beispielsystemen einer bestimmten Technologie Messwerte
ermittelt hat und nicht relevante Einflussgrößen bestimmt hat, nimmt man an, dass dies für
die Technologie allgemein eine ausreichende Gültigkeit hat. Wir wenden dieses Vorgehen auch
für ein bestimmtes System an, indem wir temporäre Messungen durchführen und damit nicht
relevante Einflussgrößen bestimmen. Diese werden dann nicht kontinuierlich gemessen.
Statistischer Ansatz zur Bestimmung der nichtrelevanten Einflussgrößen
Im Folgenden beschreiben wir ein mögliches Vorgehen zur statistischen Bestimmung von
nichtrelevanten Einflussgrößen.
Aus statischer Sicht werden diejenigen Einflussgrößen als relevant bezeichnet, deren Kenntnis
die Schätzung des zu erwartenden Aufwandes verbessern. Wir nehmen dabei an, dass
zwischen der „zu erklärenden Größe“ (Aufwand) und den „erklärenden Größen“
(Einflussgrößen) ein funktionaler Zusammenhang besteht:
+ = ,-.�, .�, … , ./ + ��"0 ( 26 )
Hierbei bezeichnet1 den Aufwand und 23, … , 24 die Einflussgrößen. Die Größe ��"0 stellt eine
zufällige Abweichung dar, die nicht von den Einflussgrößen erklärt werden kann. Diese
Abweichung könnte beispielsweise durch Messfehler verursacht werden.
Die funktionale Form des Zusammenhanges ist im Allgemeinen unbekannt. Wir zeigen im
Folgenden einen Ansatz zur Auswahl der relevanten Einflussgrößen unter der Annahme eines
linearen Modellzusammenhanges25:
25 Eine Beschreibung allgemeinerer Modelle findet sich unter anderem in (Klaus Backhaus, 2011).
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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+ = 5� +6� ∗ .� +⋯+ 6 ∗ . + ��"0 ( 27 )
Um Aussagen über die zu erwartende Höhe des Aufwandes bei einer bestimmten Konstellation
von Einflussgrößen treffen zu können, müssen die Modellparameter (7, 83, … , 84) bestimmt
werden. Die Modellparameter werden so ausgewählt, dass der Anteil der Streuung in den
Beobachtungen, der durch das Modell erklärt werden kann, maximal ist. Dieser Anteil wird als
9: bezeichnet:
;� = erklärteStreuungerklärteStreuungerklärteStreuungerklärteStreuungGesamtstreuungGesamtstreuungGesamtstreuungGesamtstreuung
( 28 )
Ein 9:-Wert von 50% kann so interpretiert werden, dass die Hälfte der Variation des
Aufwandes durch das gewählte Modell erklärt werden kann. Die restlichen 50% bleiben
unerklärt. Die Auswahl der relevanten Einflussgrößen erfolgt so, dass das Modell möglichst
kompakt ist, aber trotzdem einen hohen Erklärungsgehalt besitzt. Dazu wird folgendermaßen
vorgegangen:
• Es wird ein Modell geschätzt, dass alle potentiell relevanten Einflussgrößen enthält,
und dessen 9:-Wert bestimmt.
• Anschließend werden einzelne Einflussgrößen aus dem Modell entfernt und jeweils ein
reduziertes Modell ohne diese Einflussgröße geschätzt. Verringert sich die Güte des
Modells durch die Entfernung einer Einflussgröße nur unwesentlich, kann diese als
irrelevant betrachtet werden.26
• Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis keine irrelevanten Einflussgrößen mehr
identifiziert werden können.
Wie hoch die Änderung in der Güte des Modells sein darf bevor eine Einflussgröße als
irrelevant angesehen wird, wird vom Anwender festgelegt.
Schritt 7 System in bewertbare und nicht bewertbare Teilsysteme aufteilen
Wenn es nicht möglich ist, die Anzahl der Einflussgrößen mit den vorangegangenen Schritten
soweit zu reduzieren, dass ein Monitoring oder die gewünschte Bewertung möglich ist, besteht
zuletzt die Möglichkeit, das System in Teilsysteme aufzuteilen und dadurch die Anzahl der
Einflussgrößen zu verringern27.
26 Für dieses Verfahren ist ein modifiziertes Gütemaß zu bevorzugen, welches in (Ludwig Fahrmeir,
2009) Kapitel 1.2.3.1 behandelt wird.
27 Dieser Schritt ist ähnlich zu der Bestimmung einer quantifizierbaren Nutzengröße in Abschnitt 3.2.1
Schritt 5.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Die Aufteilung nehmen wir dann so vor, dass möglichst große Teilsysteme überwacht oder
bewertet werden können.
Beispiel
Die Eigenschaften, die ein Spritzgussprodukt beschreiben, sind sehr zahlreich und damit sind
auch die Einflussgrößen zahlreich. Dadurch ist die Vergleichsbasis gerade für die Bewertung oft
sehr klein. Eine größere Vergleichsbasis erreichen wir, in dem wir das System Spritzgussmaschine
zwischen Maschinenzylinder und Werkzeug unterteilen. An dieser Stelle fließt das flüssige
Material in das Werkzeug. Dieses flüssige Material ist durch deutlich weniger Eigenschaften als
das Produkt zu beschreiben und daher gewinnt man für das Teilsystem Spritzgussmaschine ohne
Werkzeug eine größere Vergleichsbasis.
5.4.1 Zusammenfassung der Schritte zur Auswahl der Einflussgrößen
Wir fassen die in den vorherigen Abschnitten aufgeführten Schritte für die Auswahl der zu
bereinigenden Einflussgrößen bei der Vergleichswertbildung zusammen:
Abbildung 25: Schritte zur Aufstellung der relevanten Einflussgrößen
5.4.2 Beispiel für die Bestimmung der relevanten Einflussgrößen
Im Folgenden wird an einem Druckluftkompressor ohne Wärmerückgewinnung beispielhaft die
Anwendung der vorgestellten Schritte zur Auswahl der Einflussgrößen für den Anwendungsfall
Schritt 7: System in bewertbare und nicht bewertbare Teilsysteme aufteilen
Schritt 6: Nur relevante Einflussgrößen (Erfahrungswissen)
Schritt 5: Nur sich ändernde oder unterscheidende Einflussgrößen
Schritt 4: Nur unabhängige Einflussgrößen
Schritt 3: Nur erforderliche Eigenschaften des Nutzens
Schritt 2: Berücksichtigung der menschlichen Einflussgrößen
Schritt 1: Aufstellung der in Frage kommenden Einflussgrößen
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Monitoring aufgezeigt. Wir nehmen in diesem Beispiel zusätzlich an, dass keine erhöhten
Anforderungen an den Ölgehalt der Druckluft gestellt werden.
Entsprechend dem Schritt 1 „Aufstellung der in Frage kommenden Einflussgrößen“ stellen wir
für den Bilanzraum „Druckluftkompressor“ zunächst die Stoff- und Energieströme
entsprechend In- und Output auf:
Abbildung 26: Schritt 1 - Aufstellung der in Frage kommenden Einflussgrößen
Falls wir versehentlich interne Einflussgrößen wie beispielsweise die Bauart des Kompressors
(beispielsweise ölfrei/nicht ölfrei und Schrauben-/ Kolbenkompressor) oder die interne
Regelung mit aufgestellt haben, werden diese gestrichen.
Im Schritt 2 „Berücksichtigung der menschlichen Einflussgrößen“ werden die menschlichen
Tätigkeiten wie Wartung, Einstellung und externe Regelgrößen als zu dem System zugehörig
definiert. Damit sind sie ebenfalls interne Einflussgrößen und können gestrichen werden, d.h.
dass sie bei der Vergleichswertbildung nicht bereinigt werden.
Im Schritt 3 „Nur erforderliche Eigenschaften des Nutzens“ kann die Eigenschaft Ölgehalt der
Druckluft gestrichen werden, da wir wie anfangs erwähnt annehmen, dass keine erhöhten
Anforderungen an den Ölgehalt durch die Verbraucher gestellt werden. In diesem Schritt
stellen wir auch fest, dass wir die Soll-Werte für die Druckluft verwenden müssen: Vsoll und psoll
– siehe Abbildung 30. De facto nehmen wir beim gemessenen Volumenstrom an, dass dieser
auch dem Soll-Volumenstrom entspricht, hingegen verwenden wir beim Druck in aller Regel
die Soll-Größe.
Im Schritt 4 „Nur unabhängige Einflussgrößen“ werden die Output-Größen Abluft und
Kühlwasser und ihre Eigenschaften gestrichen, da diese Größen durch den Input und das
System selber vollständig beschrieben werden - siehe auch folgende Abbildung.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 27: Schritt 4 - Nur unabhängige Einflussgrößen
Im Schritt 5 „Nur sich ändernde oder unterscheidende Einflussgrößen“ wird die Einflussgröße
„Oberwellenanteil der Stromversorgung“ gestrichen, weil wir für dieses Beispiel annehmen
oder vielleicht nachgemessen haben, dass sich diese Einflussgröße zwischen Betrachtungs- und
Vergleichszeitraum nicht oder nur unwesentlich geändert hat.
Abbildung 28: Schritt 5 - Nur sich ändernde oder unterscheidende Einflussgrößen
Im Schritt 6 „Nur relevante Einflussgrößen (Erfahrungswissen)“ werden die Einflussgrößen
gestrichen, die aus ingenieurtechnischem Erfahrungswissen (in diesem Fall greifen wir auf das
Wissen von ÖKOTEC zurück) nicht relevant sind – siehe auch die folgende Abbildung.
Beispielsweise ist nach unserer Erfahrung für die meisten Druckluftkompressoren der Einfluss
der Feuchte ϕ auf die Effizienz im Mittel kleiner als 2% und kann damit ignoriert werden, wenn
die Genauigkeit für den Anwendungsfall ausreichend ist.
Abbildung 29: Schritt 6 - Nur relevante Einflussgrößen (Erfahrungswissen)
Die Aufwandsgrößen selber sind generell keine Einflussgrößen, weil diese ja die Größen sind,
die bei einer Bereinigung der Einflussgrößen angepasst werden. Daher verbleiben lediglich die
Einflussgrößen Volumenstrom, Temperatur und Druck des Zuluftvolumenstroms und die
erforderliche Nutzengröße und eine Eigenschaft des Nutzens, die erforderliche Druckhöhe:
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Abbildung 30: Verbleibende Einflussgrößen (Erfahrungswissen)
Auf Schritt 7 „System in bewertbare und nicht bewertbare Teilsysteme aufteilen“ können wir
in diesem Beispiel verzichten, weil die Anzahl der Einflussgrößen ausreichend klein ist, um die
Zielstellung, das Monitoring des Systems, zu erreichen.
5.5 Gegenüberstellung der Methodik zur Berücksichtigung von
Einflussgrößen mit Literatur
Im Folgenden stellen wir die entwickelte Methodik zur Berücksichtigung von Einflussgrößen
drei anderen Verfahren gegenüber, um die Begrifflichkeit einzuordnen und zu prüfen, ob
vorhandene Unklarheiten und Widersprüchlichkeiten mit der Methodik gelöst werden können.
Die Einschätzung unserer Methodik zu dem aufgeführten Aspekt der vorhandenen Verfahren
ist jeweils durch das vorangestellte Symbol „=>“ gekennzeichnet.
Es können keine umfangreichen Vergleiche gemacht werden, da das Thema der Einflussgrößen
in der von uns recherchierten Literatur allgemein und auch in den hier aufgeführten
Literaturquellen nur oberflächlich behandelt wird.
5.5.1 VDI 4661 - Energiekenngrößen: Definitionen - Begriffe – Methodik
Die Richtlinie sagt aus, dass „ein Vergleich der Zahlenwerte von Energiekenngrößen nur dann
sinnvoll ist, wenn auch die wesentlichen Einflussgrößen übereinstimmen“.
=> Wir setzen voraus, dass die Nutzen der Systeme für einen sinnvollen Vergleich gleich sein
müssen. Wir haben ein Vorgehen entwickelt, mit dem bestimmt werden kann, welche
Einflussgrößen bereinigt werden müssen und welche nicht. Die Aufwandsgrößen dürfen nicht
bereinigt werden und müssen nicht übereinstimmen. Wichtig ist nach unserer Methodik die
Anforderung nach kontinuierlichen Messungen, um eine große Vergleichsbasis mit
verschiedenen Zuständen zu haben und damit Einflussgrößen bereinigen zu können.
„Wesentliche Größen, die Energiekennwerte von Anlagen oder Prozessen beeinflussen“:
� Anlagengröße
=> Diese Einflussgröße wird durch die Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz
automatisch bereinigt.
� Auslastung der Anlage (Unterschiedlicher Wirkungsgrad Teillast, Stand-By-Anteil, …)
=> Dies berücksichtigen wir, sofern die Nutzengröße eine externe Einflussgröße ist.
In der Richtlinie wird nicht unterschieden, ob beispielsweise der Stand-By-Anteil durch
die Anforderung an den Nutzen oder durch die Anlage (das System) verursacht wird. In
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 73
unserer Betrachtung wird dies durch die Begriffe des Nutzens sowie interne und
externe Einflussgrößen unterschieden und somit werden die Verursacher klar
zugeordnet.
� Systemgrenzen (Zeitraum und Raum)
=> Die Systemgrenzen werden nicht als Einflussgröße, sondern durch Bestimmung von
System, Systemgrenzen und Nutzen berücksichtigt. Die möglichen Vergleiche sind in
unserer Methodik deutlich zahlreicher, da lediglich der Nutzen und nicht die
Systemgrenzen übereinstimmen müssen.
� Produktqualität
=> Die Produktqualität wird bei der Nutzenbestimmung berücksichtigt. Sofern es sich
nur um quantitative Unterschiede einer Eigenschaft handelt, wird die Produktqualität
als Einflussgröße berücksichtigt.
� Art und Qualität der Rohstoffe und Energieträger
=> Die Eigenschaften der Aufwände (hier speziell Rohstoffe und Energieträger) werden
als externe Einflussgrößen berücksichtigt.
5.5.2 DIN EN 16231 - Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik
Die Norm behandelt das Thema nur sehr oberflächlich. Daher soll nur auf einige relevante
Aspekte hingewiesen werden.
� Die Berücksichtigung von Einflussgrößen soll durch „Korrekturfaktoren“ erfolgen.
� Es werden keine Angaben zur Aufstellung und Anwendung der Korrekturfaktoren
gemacht.
=> In unserer Methode wird ein Vorgehen zur Auswahl der wesentlichen
Einflussgrößen und zur Nutzen-/System-Bestimmung beschrieben.
� „Im Allgemeinen sollten Korrekturen so wenig wie möglich vorgenommen werden. …
Werden zu viele Korrekturen vorgenommen, kann das dazu führen, dass bedeutende
reale Abweichungen verdeckt werden, da sich die Benchmarking-Kurve stärker einer
flachen Kurve annähert.“ Anhang C (informativ)
=> Wir unterscheiden externe und interne Einflussgrößen. Externe Einflussgrößen
sollen berücksichtigt werden. Interne Einflussgrößen dürfen nicht berücksichtigt
werden: Wären alle internen Einflussgrößen bereinigt, unterscheiden sich die Systeme
nicht mehr.
5.5.3 Prinzipien von Methodik Europäischer Emissionshandel
Die Methodik für die Aufstellung von Benchmarks beim europäischen Emissionshandel gibt
mehrere „Prinzipien“ an, die wir als Hinweise zur Berücksichtigung von Einflussgrößen ansehen
können (Ecofys, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, 2009).
Im Folgenden werden diese Prinzipien aufgelistet und den Ansätzen der hier entwickelten
Methodik gegenübergestellt.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 74
Technology and other corrections
2: Do not use technology-specific benchmarks for technologies producing the same product28
3: Do not differentiate between existing and new plants
� Gleiches Vorgehen: Interne Einflussfaktoren werden nicht bereinigt.
4: Do not apply corrections for plant age, plant size, raw material quality and climatic
circumstances
� Gleiches Vorgehen: Interne Einflussfaktoren wie Anlagenalter und –größe
werden ebenfalls nicht bereinigt.
� Anderes Vorgehen: Externe Einflussfaktoren wie klimatische Bedingungen
und Rohstoffqualitäten werden bereinigt. Dieser Unterschied ist auf die
unterschiedlichen Zielstellungen zurückzuführen: Der Emissionshandel
bereinigt die klimatischen Bedingungen nicht, weil es politisch gewollt ist,
dass dort produziert wird, wo es klimatisch günstiger ist. In unserer
Methodik hingegen wollen wir zunächst nur die Systeme vergleichen und
nicht zusätzlich die Umwelten.29
Number of benchmarks to distinguish
5: Only use separate benchmarks for different products if verifiable production data is
available based on unambiguous and justifiable product classifications
� Ähnliches Vorgehen: Systeme können miteinander verglichen werden,
wenn der Nutzen gleich ist.
6: Use separate benchmarks for intermediate products if these products are traded between
installations
� Gleiches Vorgehen: Systeme können nicht miteinander verglichen werden,
wenn der Nutzen nicht gleich ist.
From energy efficiency to CO2 performance
7: Do not use fuel-specific benchmarks for individual installations or for installations in specific
countries
� Anderes Vorgehen: Externe Einflussgrößen werden bereinigt (Unser
Vorgehen ist systemorientiert, nicht produktorientiert).
8: Take technology-specific fuel choices into account in determining benchmarks
� Gleiches Vorgehen: Externe Einflussfaktoren werden bereinigt.
28 Die Nummerierung beginnt bei 2, weil Prinzip 1 nachträglich zurückgenommen wurde.
29 Aber man kann natürlich in unserer Methodik auch die Bereinigung der klimatischen Bedingungen
weglassen und hat dann die klimatischen Umweltbedingungen zu einem Teil des Systems gemacht,
wenn es so unternehmensintern Zielsetzung ist.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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5.6 Vorgehen zur Bereinigung von Einflussgrößen
Nachdem wir die relevanten Einflussgrößen nach dem in den vorherigen Abschnitten
dargestellten Verfahren ermittelt haben, können wir die Einflussgrößen bereinigen, um
vergleichbare Kennzahlen zu erhalten. Grundlage hierfür sind kontinuierlich aufgenommene
Messwerte mit einer ausreichenden zeitlichen Auflösung – siehe dazu auch Abschnitt 2.1.
Bei der Bereinigung von Einflussgrößen können wir grundsätzlich zwei verschiedene
Ausgangssituationen voneinander unterscheiden: Entweder stimmen die Bereiche der Werte
der Einflussgrößen überein oder nicht. Ein einfaches Beispiel für einen nicht
übereinstimmenden Bereich liegt beispielsweise für die Einflussgröße Außentemperatur vor,
wenn der Vergleichszeitraum im Sommer und der Betrachtungszeitraum im Winter liegt und
dann entsprechend keine Vergleichswerte für geringe Außentemperaturen vorhanden sind.
In diesem Fall schlagen wir vor, die nicht übereinstimmenden Einflussgrößen durch Vergleiche
mit einem zweiten Vergleichssystem (Modellsystem), für welches Daten für den kompletten
Bereich vorliegen, zu bereinigen – siehe Abschnitt 5.6.2.
5.6.1 Vergleichssystem mit übereinstimmenden Einflussgrößen
Wenn die Datenbereiche der Einflussgrößen des betrachteten Systems und des Vergleichs-
systems über die vorhandenen Datensätze des Vergleichszeitraums übereinstimmen, dann
können die Einflussgrößen bereinigt werden. Bei einem ausreichend großen
Vergleichszeitraum ist dies in der Regel beim Monitoring, also beim zeitlichen Vergleich eines
Systems mit sich selber, der Fall. Beim Vergleich verschiedener Systeme ist das oft nicht der
Fall. In dem Fall sollte zunächst der Datenbereich des Vergleichssystems für die nicht
übereinstimmenden Einflussgrößen transformiert werden (gemäß dem folgenden Abschnitt).
Die Bereinigung und die Transformation der Daten kann im einfachen Fall durch Interpolation
oder Zuordnungen erfolgen – in der Regel sind jedoch statistische Verfahren wie
beispielsweise die lineare Regression anzuwenden.
Beispiel
Wir betrachten zwei Kältemaschinen, deren Datensätze sich lediglich in der Einflussgröße
Kälteleistung unterscheiden, damit das Beispiel knapp darstellbar und nachvollziehbar bleibt.
Die betrachtete Kältemaschine habe im Betrachtungszeitraum folgende Messwerte geliefert:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
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Tabelle 14: Messwerte betrachtete Kältemaschine im Betrachtungszeitraum
Die Vergleichsmaschine habe im Vergleichszeitraum folgende Messwerte geliefert:
Tabelle 15: Messwerte Vergleichskältemaschine im Vergleichszeitraum
Um nun die betrachtete Maschine mit der Vergleichsmaschine zu vergleichen, müssen wir die
Daten der Vergleichsmaschine in die Umwelt des Betrachtungszeitraums bringen, d.h. die
Zielgröße (in diesem Fall die Stromleistung) entsprechend der Einflussgrößen (in diesem Fall die
Kälteleistung) bereinigen. Dazu bilden wir beispielsweise mit dem Programm Excel der Firma
Microsoft eine Trendlinie mit einem Polynom dritten Grades (siehe folgende Grafik):
Betrachtetes System
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
betrachtetes
System
h kWKä kWel kWKä/kWel
1 50 14 3,6
2 30 11 2,7
3 40 12 3,3
4 20 9 2,2
5 40 13 3,1
6 80 20 4,0
7 80 15 5,3
Summe 340 94 3,6
Vergleichssystem
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
Vergleichs-
system
h kW kW kWKä/kWel
1 20 7 2,9
2 0 2 0,0
3 10 6 1,7
4 50 13 3,8
5 80 17 4,7
6 100 30 3,3
7 100 35 2,9
8 90 20 4,5
9 90 20 4,5
10 80 17 4,7
11 80 16 5,0
12 70 15 4,7
13 70 13 5,4
14 70 12 5,8
Summe 910 223 4,1
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 77
Abbildung 31: Messwerte Vergleichskältemaschine und Polynom als Trendlinie
Mit diesem Polynom können wir nun die Stromverbräuche der Vergleichskältemaschine
entsprechend der Einflussgrößen im Betrachtungszeitraum berechnen und so die beiden
Kältemaschinen miteinander vergleichen, trotz zunächst voneinander abweichender
Einflussgrößen:
Tabelle 16: Vergleich der beiden Kältemaschinen im Betrachtungszeitraum
Es zeigt sich, dass die Vergleichskältemaschine im mittleren Leistungsbereich eine höhere
Effizienz hat. Da dieser mittlere Leistungsbereich gerade im Betrachtungszeitraum häufiger
auftritt, ergibt sich auch eine höhere durchschnittliche Effizienz der Vergleichskältemaschine im
Betrachtungszeitraum.
Betrachtetes System Vergleichssystem
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
betrachtetes
System
Strom,
Vergleich
Teileffizienz,
Vergleichs-
system
h kWKä kWel kWKä/kWel kWel kWKä/kWel
1 50 14 3,6 11 4,6
2 30 11 2,7 10 2,9
3 40 12 3,3 11 3,7
4 20 9 2,2 9 2,2
5 40 13 3,1 11 3,7
6 80 20 4,0 16 4,9
7 80 15 5,3 16 4,9
Summe 340 94 3,6 85 4,0
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
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5.6.2 Nicht übereinstimmende Bereiche von Einflussgrößen
Wenn die Bereiche der Werte des Vergleichssystems bei einer oder mehr Einflussgrößen nicht
mit dem betrachteten System übereinstimmen, kann man den Datenbereich mittels eines
zweiten Vergleichssystems, wir nennen es Modellsystem, transformieren. Hierbei ist zu
berücksichtigen, dass diese Ergebnisse nur eine Abschätzung darstellen, da nicht sichergestellt
ist, dass das Vergleichssystem in diesem Datenbereich tatsächlich die entsprechenden Werte
erreicht.
Das Modellsystem sollte prinzipiell in jeder Einflussgrößenkombination eine höhere Effizienz
aufweisen als das betrachtete System und auch als das Vergleichssystem, damit die
Transparenz des Vorgehens gewährleistet ist.
Als Modellsysteme kommen daher folgende Systemtypen in Betracht:
Abbildung 32: Modellsysteme bei nicht übereinstimmenden Bereichen der Einflussgrößen
Die empfohlene Reihenfolge der Anwendung der Modellsystemtypen für die Transformation
der Datenbereiche verläuft von oben nach unten: Sofern verfügbar, sollten die Daten von
Systemtyp 1 (BVT) gewählt werden. Wenn diese nicht verfügbar sind, dann sollten die Daten
von Systemtyp 2 (realisierbares Idealsystem) verwendet werden. Wenn diese auch nicht
verfügbar sind, dann sollten die Daten von Systemtyp 3 (Idealsystem) verwendet werden.
Es sollte lediglich eine Transformation der Daten für die nicht übereinstimmenden
Einflussgrößen erfolgen. Nach der Transformation kann die Bereinigung der Einflussgrößen
gemäß Abschnitt 5.6.1 (Vergleichssystem mit übereinstimmenden Einflussgrößen) erfolgen.
•Beispiel: Wenn zwei Kompressionskältemaschinen mit Kolbenverdichtung verglichen werden sollen, dann werden Daten der BVT für diese Technik verwendet.
1) Best verfügbare Technik (BVT) für die betrachteten Systemtypen
•Beispiel: Kältemaschine, bei der eine Mindesttemperaturdifferenz zwischen der Kondensationstemperatur und der Rückkühlwassertemperatur berücksichtigt ist, da der Kondensator der Kältemaschine nicht unendlich groß sein kann.
2) Realisierbares Idealsystem
• Beispiel: Kältemaschine mit idealem Wirkungsgrad nach Carnot
3) Idealsystem
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Beispiel Kältemaschine
Eine Kältemaschine mit den Aufwänden Strom und Kühlwasser für die Rückkühlung und mit dem
Nutzen Kaltwasser einer bestimmten Temperatur soll mit einer Kältemaschine verglichen
werden, die bei einer anderen Kaltwasservorlauftemperatur betrieben wird.
Nun können wir mittels eines Datensatzes für eine BVT diese Maschinen miteinander
vergleichen. Die wesentlichen Einflussgrößen der Kältemaschine seien in dem betrachteten Fall
die Kälteleistung (Nutzengröße), die Eintrittstemperatur vom Kühlwasser (Aufwandseigenschaft)
sowie die Ein- und Austrittstemperatur vom Kaltwasser (Nutzeneigenschaften). Dazu werden von
der Vergleichskältemaschine die Aufwandsdaten für die abweichende Einflussgrößen in den
Bereich umgerechnet.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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6 Vernetzung und Wechselwirkung der Systeme
Bis hierhin haben wir die Kennzahlen hergeleitet, die für einzelne Systeme ein Monitoring und
eine Bewertung ermöglichen und gezeigt, wie wir dabei relevante Einflussgrößen identifizieren
und bereinigen können. Grundlage hierbei war die Kenntnis der Bewertungsfaktoren der
Aufwände.
Mit der Definition der Bewertungsfaktoren sowie der Systemgrenzen sind die wesentlichen
Grundlagen geschaffen, um die entsprechenden Kennzahlen für Systeme zu berechnen, die aus
mehreren Teilsystemen bestehen.
Um die bewertete Effizienz und die Teileffizienzen eines Systems zu bestimmen, das aus
mehreren Teilsystemen besteht, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
1. Berechnung der bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen mit den Nutzen
und Aufwänden des Systems.
2. Berechnung der bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen mit den
bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen der Teilsysteme
Beide Varianten haben Vor- und Nachteile:
Im ersten Fall ist gegenüber dem zweiten Fall in der Regel die Anzahl der Einflussgrößen höher
und damit verringern sich die Vergleichsmöglichkeiten. Mit der Verringerung der
Vergleichsmöglichkeiten reduzieren sich die Genauigkeit und damit Möglichkeit, die beiden
Hauptziele dieses Projekts, eine aussagekräftiges Monitoring und aussagenkräftige Bewertung
von Systemen, zu erreichen.
Im zweiten Fall werden einige interne Einflussgrößen wie externe behandelt und zwar genau
die Einflussgrößen, die Nutzen und Aufwände beschreiben, die von einem Teilsystem zum
anderen Teilsystem übertragen werden. Damit werden nicht das ganze System sondern nur die
Teilsysteme des Systems überwacht oder bewertet. Man kann dies auch so formulieren: „Das
Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“. Das meint im Fall unserer Kennzahlaufstellung,
dass durch das Monitoring der Teilsysteme nicht das Zusammenspiel der Teilsysteme
überwacht wird.
Im Prinzip können wir auch größere Systeme nach dem gleichen Prinzip behandeln. Größere
Systeme haben jedoch häufig mehrere Nutzen und viele Einflussgrößen. Dadurch wird in der
Regel die Vergleichsbasis so gering, dass weder ein Monitoring noch eine Bewertung möglich
ist. Daher teilen wir dann dieses größere System in Teilsysteme auf.
Damit stehen wir vor der Aufgabe, wie die bewertete Effizienz des Gesamtsystems aus den
Teileffizienzen der Teilsysteme berechnet werden kann. Die entsprechenden Formeln werden
in diesem Kapitel aufgestellt.
Im Folgenden wollen wir nun für verschiedene Vernetzungen von Systemen die Berechnung
der Kennzahlen des Systems aus den Kennzahlen der Teilsysteme herleiten.
Wir betrachten zunächst in Kapitel 6.1 den einfachsten Fall einer Verschaltung: Ein System, das
nur einen Nutzen erzeugt und aus zwei einfachen Teilsystemen besteht, welche jeweils nur
einen Nutzen erzeugen. Wir verallgemeinern dann die Vernetzung von diesen Systemen und
stellen die Gleichung für die bewerteten Effizienzen und die Teileffizienzen des Systems
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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allgemein dar und zeigen ein grafisches Verfahren zur einfachen und schnellen Berechnung
der bewerteten Effizienz von komplexen Systemen.
Anschließend betrachten wir verschiedene Konfigurationen von Systemen, welche mehrere
Gesamtnutzen erzeugen. Dabei zeigen wir, dass sich solche komplexen Vernetzungen auf die in
Abschnitt 3.1 eingeführten Grundkonfigurationen zurückführen lassen.
6.1 Vernetzung von Systemen mit jeweils einem Nutzen
Wir betrachten zunächst zwei Systeme mit jeweils einem Nutzen und einem Gesamtnutzen.
Weil wir nur einen Gesamtnutzen haben, sind die Systeme notwendiger Weise in Reihe
geschaltet, d.h. der Nutzen N1 von System 1 fließt als Aufwand A2,1 in das System 2. Das
System 2 bezieht zusätzlich noch einen zweiten Aufwand A2,2.
Abbildung 33: Zwei Systeme mit jeweils einem Nutzen und einem Gesamtnutzen
Für das System 2 ergibt sich für den Bewertungsfaktor des Nutzens gemäß eines Systems mit
einem Nutzen und mehreren Aufwänden (Gleichung 12):
�� =��,���,� +
��,���,�
( 29 )
�� Bewertungsfaktor Nutzen 2
��,� Bewertungsfaktor Aufwand 2,1
��,� Teileffizienz 2,1
Den Bewertungsfaktor für den Aufwand A2,1 des Systems 2 ��,� können wir wie folgt
umformen, da der Aufwand A2,1 dem Nutzen des Systems 1 entspricht:
��,� =�� = ����
( 30 )
�� Bewertungsfaktor Nutzen 1
�� Bewertungsfaktor Aufwand 1
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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�� Teileffizienz 1
Damit ergibt sich der Bewertungsfaktor für den Nutzen �� zu:
�� = ��
�� ∗ ��,� +��,���,� =
��
( 31 )
� Bewertete Effizienz des betrachteten Gesamtsystems
Damit haben wir das Ziel erreicht, die bewertete Effizienz des betrachteten Gesamtsystems �
bzw. den Bewertungsfaktor des Nutzens ��des Gesamtsystems aus den Teileffizienzen der
Teilsysteme zu berechnen.
6.1.1 Verknüpfung mehrerer Systeme mit jeweils einem Nutzen sowie einem
Gesamtnutzen
Die Gleichung ( 31 ) für zwei Systeme kann man auch allgemeiner ausdrücken – siehe folgende
Abbildung. Dass System S hat J minus � vorgelagerte Systeme, von denen jedes System �
Aufwände bezieht und � „externe“ Aufwände des Gesamtsystems, die von „außen“ bezogen
werden:
� =K����
�
�L�+ K ��
��J
�L�M� ( 32 )
Zur Veranschaulichung siehe auch die folgende Abbildung:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 83
Abbildung 34: System mit vorgelagerten Teilsystemen
Für die Bewertungsfaktoren der Aufwände des Systems S gilt:
�� =K�N��,N
�
NL�,ü�� = �+ �"�$J ( 33 )
Wenn wir letztere Gleichung in Gleichung ( 32 ) einsetzen ergibt sich für den Bewertungsfaktor
des Gesamtnutzens des Systems:
� =K��
���
�L�+ K (��� ∗K
�N��,N
�
NL�)
J
�L�M�
( 34 )
Mit Gleichung ( 34 ) haben wir die bewertete Effizienz des Gesamtsystems mit den
Teileffizienzen der vorgelagerten Teilsysteme dargestellt.
Wir betrachten nun die vorvorgelagerten Systeme und machen die gleichen Schritte wie zuvor
– siehe auch die folgende Abbildung 35:
�N =K�P�N,P
�
PL�+ K �,N,P
���,N,P��
PL�M� ( 35 )
� =K��
���
�L�+ K ( ���� ∗K
�N��,N
�
NL�+ K ( ���,N ∗K
�,P��,N,P
�
PL�
��
NL�M�)
J
�L�M�)
( 36 )
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 84
Wir sehen, dass mit zunehmender Anzahl von Ebenen von vorgelagerten Systemen die
Berechnung der bewerteten Effizienz aus den Teileffizienzen der Teilsysteme unübersichtlicher
und komplexer wird. Daher wird im Folgenden ein grafisches Verfahren vorgestellt, das
einfacher in der Anwendung ist.
Abbildung 35: System mit vorgelagerten und vorvorgelagerten Teilsystemen
6.1.2 Grafisches Verfahren
Das grafische Verfahren, welches in der folgenden Abbildung dargestellt ist, zeigt einen
alternativen Weg zur Bestimmung der Gleichungen für die bewertete Effizienz und den
Teileffizienzen des Gesamtsystems aus denen der Teilsysteme. Beispielhaft wird hier ein
System herangezogen, welches sich aus drei Teilsystemen zusammensetzt. Die äußere
Systemgrenze ist so festgelegt, dass das Gesamtsystem zwei externe Aufwände bezieht (A1, A2)
sowie einen Gesamtnutzen erzeugt (N3).
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 85
Abbildung 36: Beispiel zur grafischen Bestimmung der Formel des Bewertungsfaktors des Nutzens
(und damit auch der bewerteten Effizienz) eines Gesamtsystems in Abhängigkeit von
den Teileffizienzen der Teilsysteme
Für die grafische Bestimmung des Nutzens des Gesamtsystems nehmen wir uns nacheinander
der einzelnen externen Aufwände des Gesamtsystems an mit den jeweiligen
Bewertungsfaktoren der Aufwände (rot gestrichelte Umrandung in der Abbildung 36 bzw.
Abbildung 37), also hier A1 mit pA1 und A2 mit pA2. Dann schauen wir, welche möglichen Wege
es von „Aufwand A1“ zum „Produkt N3“ gibt. Für diese unterschiedlichen Wege wird jeweils ein
Term gebildet, welcher sich aus den Teileffizienzen der Systeme zusammensetzt, die auf dem
Weg passiert werden. Die Summe der Terme wird dann mit dem Bewertungsfaktor des
betrachteten Aufwandes multipliziert.
Das Ergebnis ist dann pA1 * (1 / Produkt der Teileffizienzen auf dem „Weg 1“ + 1 / Produkt der
Teileffizienzen auf dem „Weg 2“). Für die Wege, die von „Aufwand A2“ zum Produkt N3 führen,
gehen wir analog vor. In der Abbildung 36 ist beispielhaft ein (von insgesamt vier) Wegen im
Systembild und in der zugehörigen Formel farblich in rosa markiert. (Bezeichnungsbeispiel:
Beispielsweise ist ��� die Teileffizienz des Systems 3 für den vom System 1 bezogenen
Aufwand.)
� = �� ∗ Q ������ +
����� ∗ ��� +
����� ∗ ��� ∗ ��� +
����� ∗ ���R
+�� ∗ Q ����� ∗ ��� +
����� ∗ ���� ∗ ���R
Abbildung 37 zeigt zu diesem theoretischen Beispiel ein konkretes Verfahrensbeispiel, bei dem
sich das Gesamtsystem aus den Teilsystemen Kühlturm, Kältemaschine und Prozess
zusammensetzt, der Gesamtnutzen ist ein Produkt, benötigt wird Strom und Wasser (Aufwand
1 und 2).
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 37: Konkretes Verfahrensbeispiel für die grafische Bestimmung der Formel des
Bewertungsfaktors des Nutzens für das oben genannte Beispiel
Die zuletzt genannte Formel sieht dann für dieses Beispiel folgender Weise aus:
(KT: Kühlturm, KM: Kältemaschine, P: Prozess, S: Strom, Kü: Kühlwasser, Ka: Kaltwasser)
Das grafische Verfahren kann auch allgemein durch die folgende Gleichung beschrieben
werden:
� =K(���
�L�∗K��
NL�
����STP S�U�V,,�W�XWXYT,�Z�, N)
( 37 )
� Bewertungsfaktor Nutzen
�� Bewertungsfaktor i des Aufwands i des Gesamtsystems
�� Anzahl der Wege für den Aufwand i des Gesamtsystems
� Aufwände des Gesamtsystems
Der Bewertungsfaktor ist nach Gleichung ( 13 ):
� =K
�
�L�
����
( 38 )
���STP = � ���∗ Q ��[U−� ��� ∗ �[�−[ü�V0Y$$� ∗ ����W$$−[YV 0Y$$� +
���−�
+ ��[U−� ∗ ��−[ü +
��[�−� ∗ ��−[YR + �Y$$�
∗ Q ��[U−� ∗ ��−[ü +
��[U−� ∗ �[�−[ü ∗ ��−[YR
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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� Bewertungsfaktor Nutzen
�� Bewertungsfaktor i des Aufwands i des Gesamtsystems
�� Teileffizienz i des Systems
Wenn wir nun die beiden letzten Gleichungen in Bezug setzen, ergibt sich:
�� = �∑ ��NL�
����STP S�U�V,,�W�XWXYT,�Z�, N
( 39 )
Mit dieser Gleichung können wir die Teileffizienzen des Gesamtsystems aus den
Teileffizienzen der Teilsysteme berechnen!
Gibt es nur einen Weg (Pi = 1) für einen Aufwand i des Gesamtsystems, so ergibt sich aus
dieser vorgenannten Gleichung die bekannte Gleichung:
�� = ���STP S�U�V,,�W�XWXYT,�Z�, N ( 40 )
(Teileffizienz i des Gesamtsystems = Produkt der Teileffizienzen auf dem
Weg i,j vom Aufwand i bis zum letzten System, das den Nutzen N erzeugt))
Wie in der Einleitung zu diesem Abschnitt beschrieben kann so die bewertete Effizienz des
Gesamtsystems mit den Teileffizienzen des Gesamtsystems und alternativ mit den
Teileffizienzen der Teilsysteme berechnet werden. Damit kann auch die Wirkung einer
Effizienzänderung eines Teilsystems auf die Effizienz des Gesamtsystems berechnet werden.
6.2 Vernetzung von Systemen mit mehreren Nutzen
Im vorherigen Abschnitt 6.1 haben wir beschrieben, wie wir die bewertete Effizienz eines
Gesamtsystems mit einem Nutzen aus den Teileffizienzen der Teilsysteme berechnen. In
diesem Abschnitt zeigen wir, dass wir ein Gesamtsystems mit mehreren Nutzen auf mehrere
Systeme mit jeweils einem Nutzen aufteilen können und dann die bewerteten Effizienzen der
Nutzen dieser Systeme auf die gleiche Art, wie in Abschnitt 6.1. dargestellt, berechnen können.
In Abschnitt 4.3.4 haben wir gezeigt, wie wir die Aufwände von Systemen mit mehreren
Nutzen auf die einzelnen Nutzen aufteilen können. Mit dieser Aufteilung können wir ein
System mit mehreren Nutzen aufteilen in mehrere Systeme mit jeweils einem Nutzen – wie in
folgender Abbildung dargestellt:
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Abbildung 38: Aufteilung eines Systems mit mehreren Nutzen in Systeme mit jeweils einem Nutzen
In der folgenden Abbildung stellen wir dar, wie ein vernetztes System mit mehreren Nutzen in
Systeme mit jeweils einem Nutzen aufgeteilt werden kann.
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Abbildung 39: Aufteilung eines vernetzten Systems mit mehreren Nutzen in vernetzte Systeme mit
jeweils einem Nutzen
Somit können wir ein vernetztes System mit mehreren Nutzen aufteilen in vernetzte Systeme
mit jeweils einem Nutzen. Damit können wir zur Berechnung der Bewertungsfaktoren der
Nutzen aus den Teileffizienzen der Teilsysteme dieselben Gleichungen anwenden wie für ein
vernetztes System mit einem Nutzen, hergeleitet in Abschnitt 6.1.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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7 Eingehende und ausgehende Produkte
Wir führen im Folgenden die Unterscheidungen Nutzen und ausgehende Produkte sowie
Aufwand und eingehende Produkte ein. Diese Unterscheidung dient einerseits dazu, die
geforderte Baukastenfunktionalität oder Modulbauweise der Methodik zu erreichen und
andererseits dazu, eindeutiger die Effizienz eines Systems zu definieren.
7.1 Definition von durchgehenden Produkten
Um die erforderlichen Kennzahlen zur Effizienzbestimmung eines Systems zu bestimmen, sind
die Begriffe Nutzen und Aufwand eines Systems ausreichend. Diese sind jedoch nicht
ausreichend, um die geforderte Modulbauweise für die Kennzahlen zu erreichen. Die
Modulbauweise erfordert, dass bei Integration eines neuen Teilsystems lediglich die
Schnittstellen zu den benachbarten Teilsystemen zu definieren sind. Dadurch soll erreicht
werden, dass Änderungen im Versorgungs- oder Produktionsbereich möglichst wenige
Anpassungen im Kennzahlensystem erforderlich machen und keine erneute Betrachtung des
gesamten Systems erforderlich ist.
Die Nutzen eines Systems dienen der Berechnung von Kennzahlen eines Systems. Die
Aufwände eines Systems sind nur diejenigen, die tatsächlich im System „verbraucht“ werden.
Die Nutzen eines Systems sind nur diejenigen, die tatsächlich im System „erzeugt“ werden.
Parallel zu den Nutzen und Aufwänden eines Systems kann es jedoch Stoff- und Energieströme
geben, die von dem betrachteten System nicht benötigt werden, aber für die nachgelagerten
Systeme Aufwände darstellen.
Wir definieren daher durchgehende Produkte:
Durchgehende Produkte sind Eingangsgrößen des Systems, die nicht vom System
verbraucht werden, das System durchlaufen und an das nachgelagerte System
weitergeführt werden.
Sie haben die gleichen Eigenschaften wie Nutzen und Aufwände.
System
A1 N1
durchgehendes Produkt
Abbildung 40: Durchgehendes Produkt
Mit den durchgehenden Produkten, die von nachfolgenden Systemen benötigt werden, wird
bei einer Verschaltung mehrerer Systeme die Information der Bewertungsfaktoren übertragen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Neben dem Nutzen eines Systems kann auch ein entsprechendes durchgehendes Produkt aus
dem System austreten. Die Summe beider Größen definieren wir als ausgehende
Produktgröße:
Die Produktgröße PAus des ausgehenden Produkts ist die Summe der Nutzengröße
des Systems und der durchgehenden Produktgröße, die in das System hineingeht,
aber nicht vom System verbraucht wird und an nachgelagerte Systeme
weitergeführt wird. Das ausgehende Produkt hat die gleichen Eigenschaften wie
Nutzen und Aufwände.
Entsprechend ist das bewertete ausgehende Produkt PBAus das Produkt aus Größe
PAus und Bewertungsfaktor pPAus des ausgehenden Produkts.
Neben einem Aufwand eines Systems kann auch ein entsprechendes durchgehendes Produkt
in das System eintreten. Die Summe beider Größen definieren wir als eingehende
Produktgröße:
Die Produktgröße PEin des eingehenden Produkts ist die Summe der
Aufwandsgröße des Systems und der durchgehenden Produktgröße, die in das
System hineingeht, aber nicht vom System verbraucht wird und an nachgelagerte
Systeme weitergeführt wird. Das eingehende Produkt hat die gleichen
Eigenschaften wie Nutzen und Aufwände.
Entsprechend ist das bewertete eingehende Produkt PBEin das Produkt aus Größe
PEin und Bewertungsfaktor pPein des eingehenden Produkts.
Die Produktgrößen der durchgehenden Produkte können von dem System verändert werden.
Hier unterscheiden wir zwischen den folgenden drei Fällen:
• Fall 1: Die Produktgröße des Produktes ändert sich nicht.
• Fall 2: Die Produktgröße wird durch den Nutzen des Systems vergrößert.
• Fall 3: Die Produktgröße wird durch den Aufwand des Systems verkleinert.
Zur besseren Unterscheidbarkeit von eingehenden Produkten und Aufwand sowie Nutzen und
ausgehenden Produkten führen wir eine „gedachte“ innere Systemgrenze ein. Diese ist in der
folgenden Abbildung gestrichelt dargestellt. Die Systemgrenze des Systems ist als
durchgehende Linie dargestellt.
Die innere Systemgrenze ist eine gedachte Systemgrenze zur einfacheren
Unterscheidung von eingehenden Produkten und Aufwänden sowie ausgehenden
Produkten und Nutzen. Im Gegensatz zur Systemgrenze, die als durchgehende
Linie dargestellt ist, muss die innere Systemgrenze keiner realen topografischen
Grenze entsprechen.
In der folgenden Abbildung ist der erste der drei möglichen Fälle von durchgehenden
Produkten dargestellt. In diesem Fall 1 ändert sich die Produktgröße des durchgehenden
Produktes nicht. Mit Hilfe der inneren Systemgrenze können die Größen und
Bewertungsfaktoren der ausgehenden Produkte leicht bestimmt werden, wie in der folgenden
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung dargestellt. Da ausgehende Produkte wie Nutzen behandelt werden, berechnet sich
auch der Bewertungsfaktor pP,Aus,1 des ausgehendes Produktes als Quotient aus ausgehendem
bewertetem Produkt PBAus,1 und der entsprechenden Produktgröße PAus,1. In diesem Fall
entspricht der Bewertungsfaktor des Produktes dem Bewertungsfaktor des Nutzens des
Systems wie leicht zu sehen ist.
Abbildung 41: Durchgehendes Produkt Fall 1: Ohne Änderung der Produktgröße
(Die gedachte innere Systemgrenze ist gestrichelt dargestellt.)
In der folgenden Abbildung 42 ist der Fall der Vergrößerung des durchgehenden Produktes
durch den Nutzen des Systems dargestellt. In diesem Fall müssen der Nutzen des Systems und
das durchgehende Produkt qualitativ gleich sein. Auch in diesem Fall sind die Größen und die
Bewertungsfaktoren der ausgehenden Produkte leicht zu bestimmen wie in der Abbildung
dargestellt.
Abbildung 42: Durchgehendes Produkt Fall 2: Vergrößerung der Produktgröße
(Die gedachte innere Systemgrenze ist gestrichelt dargestellt.)
In der folgenden Abbildung 42 ist der Fall der Verringerung des durchgehenden Produktes
dargestellt. Das durchgehende Produkt verringert sich, weil ein Teil davon als Aufwand vom
System verbraucht wird. In diesem Fall müssen ein Aufwand des Systems und das
durchgehende Produkt qualitativ gleich sein. Auch in diesem Fall sind die Größen und die
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Bewertungsfaktoren der ausgehenden Produkte leicht zu bestimmen wie in der Abbildung
dargestellt.
Abbildung 43: Durchgehendes Produkt Fall 3: Verringerung der Produktgröße
(Die gedachte innere Systemgrenze ist gestrichelt dargestellt.)
7.2 Beispiele für durchgehende Produkte
Beispiel für ein durchgehendes Produkt ohne Veränderung der Produktgröße
In diesem Beispiel wird bereits gekühlte Luft durch einen elektrostatischen Luftfilter geführt.
Wir nehmen dabei an, dass der Luftfilter nicht zu einer relevanten Erwärmung der Luft führt.
Damit ist der Nutzen von dem vorgelagerten System, die Kühlung von Luft, ein durchgehendes
Produkts, welcher von dem System „Luftfilter“ nicht weiter beeinflusst wird. Der Nutzen des
Systems „Luftfilter“ ist die Filterung von Luft mit der Nutzengröße „Partikelgehalt der Luft“.
Abbildung 44: Beispiel für ein durchgehendes Produkt ohne Veränderung der Produktgröße
Beispiel für eine Vergrößerung des durchgehenden Produkts
In diesem Beispiel wird vorkomprimierte Luft mittels eines Booster-Kompressors weiter
verdichtet. Der Nutzen des Druckluftboosters ist mit der Änderung der Eigenschaft des
durchgehendes Produkts (die Änderung des Druckniveaus von 8 bar auf 40 bar) abgebildet.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 45: Beispiel für eine Vergrößerung der durchgehenden Produktgröße
Man kann sich fragen, ob hier die Definition des durchgehenden Produkts überhaupt
erforderlich ist: Würden wir jedoch bei diesem System Druckluftbooster das eingehende
Produkt „Druckluft 8 bar“ als Aufwand definieren, dann könnten wir nicht die Effizienzen des
Druckluftboosters, sondern nur die Gesamteffizienz einschließlich der vorgelagerten Systeme
berechnen.
Beispiel für eine Verringerung des durchgehenden Produkts
In diesem Beispiel wird schon komprimierte Luft gefiltert. Das Filter reduziert die Druckhöhe
und mindert so die Größe des durchgehenden Produkts.
Abbildung 46: Beispiel für eine Verringerung der durchgehenden Produktgröße
7.3 Erläuterung der Einführung von Produkteingang und
Produktausgang
Zur Erläuterung der Einführung von Produkteingang und Produktausgang betrachten wir zwei
in Reihe geschaltete Systeme – siehe folgende Abbildung. Ein Beispiel hierfür sind zwei in
Reihe geschaltete Druckluftkompressoren, wobei der erste Kompressor Druckluft mit einem
Druck von 8bar bereitstellt, der nachfolgende Kompressor verdichtet diese Druckluft auf
20bar.
Abbildung 47: Zwei in Reihe geschaltete Systeme
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 95
Abbildung 48: Anwendungsbeispiel für zwei in Reihe geschaltete Systeme
Wir können dann zwei Nutzen unterscheiden, die in dem Nutzen nach System 2 oder im
Anwendungsbeispiel in der Druckluft von 20 bar enthalten sind:
1. Nutzen von System 2: N2 oder Druckerhöhung von 8 auf 20 bar
2. Nutzen von System 1 und 2: N1 und N2 oder Druckerhöhung von 1 auf 20 bar
Wir wollen nun den Bewertungsfaktor der Nutzengröße des Gesamtsystems, dass aus den
beiden Systemen 1 und 2 besteht, bestimmen. Dazu legen wir die Systemgrenze um beide
Systeme. Wir können nun einfach alle Nutzen und Aufwände addieren und dann den
Bewertungsfaktor für den Gesamtnutzen berechnen.
Abbildung 49: Systemgrenze für das Anwendungsbeispiel für zwei in Reihe geschaltete Systeme
Jedoch ist dieses Verfahren, die Systemgrenze um die betrachteten Systeme zu legen, um den
Gesamtnutzen zu berechnen, nicht mit der Zielsetzung eines Baukastensystems vereinbar.
Denn wenn wir einen Verbraucher an System 2 anschließen, dann wollen wir an der
entsprechenden Schnittstelle alle wesentlichen Informationen hinterlegt haben, um auch die
Effizienz des angeschlossenen Verbrauchers bestimmen zu können. Wir wollen nicht zusätzlich
berücksichtigen müssen, welche „vorvorgelagerten“ Systeme eine Rolle spielen. Solange wir
jedoch bei System 2 (Kompressor 2) lediglich den Aufwand für System 2 (Strom 2)
berücksichtigen, ist der für die Erzeugung des Nutzens N2 (oder Druckluft von 20 bar)
erforderliche Aufwand A1 (oder Strom 1) nicht berücksichtigt, da dieser allein das System 2
(Kompressor 2) betrachtet, keinen Aufwand darstellt und somit nicht erfasst wird.
Wir wollen das Problem noch weiter verdeutlichen, indem wir das oben aufgeführte System
durch die Erweiterung um ein System 3, parallelgeschaltet zu System 2, etwas komplexer
machen.
Das Ziel ist, die Bewertungsfaktoren der Nutzen der Systeme 2 und 3 unter Berücksichtigung
des Systems 1 zu bestimmen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 50: Beispiel für eine nicht „baukastenkompatible“ Setzung von Systemgrenzen
In diesem Fall müssten wir zur Berechnung der Gesamtbewertungsfaktoren für Nutzen 2 und
Nutzen 3 (unter Berücksichtigung des Systems 1) unterschiedliche Systemgrenzen wählen –
siehe vorherige Abbildung. Wenn wir ein System hinzufügen, müssten wir daher entscheiden,
welche „vorvorgelagerten“ Systeme betrachtet werden müssen und wie wir die zugehörige
Systemgrenze ziehen müssen, um die Gesamtbewertungsfaktoren der Nutzen ermitteln zu
können.
Dies widerspricht der Baukastenfunktionalität, weil nach der Baukastenfunktionalität lediglich
die Schnittstellen zu den unmittelbar vor- und nachgelagerten Systemen definiert und nicht
aufwändige Betrachtungen über das Gesamtsystem angestellt werden sollen.
Abbildung 51: Anwendungsbeispiel für eine nicht „baukastenkompatible“ Setzung von
Systemgrenzen
Bezogen auf das Beispiel der Druckluftkompressoren bedeutet dies, dem Kompressor 2 wird
zum Beispiel ein weiterer Kompressor 3 parallelgeschaltet. Kompressor 3 verdichtet die durch
Kompressor 1 erzeugte Druckluft von 8 bar weiter auf 40bar. Nun sollen für die Kompressoren
2 und 3 die Bewertungsfaktoren ermittelt werden. Um das vorgelagerte System zu
berücksichtigen wären somit unterschiedliche Systemgrenzen zu wählen.
System 1A1
N1,1 System 2 N2A2
System 3 N3A3
N1,2
Systemgrenze System 1-3
Systemgrenze System 1-2
Druckluft-kompressor 1
Strom 1Druckluft 8 bar
Druckluft-kompressor 2
Druckluft 20barStrom 2
Druckluft-kompressor 3
Druckluft 40barStrom 3
Druckluft 8 bar
Systemgrenze System 1-3
Systemgrenze System 1-2
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 97
Mit der Einführung der durchgehenden Produkte ist die Berücksichtigung von
vorvorgelagerten Systeme nicht erforderlich, da alle notwendigen Informationen an den
Schnittstellen zu den vor- und den nachgelagerten Systemen übergeben werden.
7.4 Berechnung der durchgehenden Produkte
In diesem Abschnitt zeigen wir, wie die Größen und die Bewertungsfaktoren der ausgehenden
Produkte berechnet werden können.
Als gedankliche Hilfestellung teilen wir dazu das System mit durchgehenden Produkten auf in
zwei Systeme ohne durchgehende Produkte, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Wir können dann die Vernetzung dieser Systeme genauso behandeln wie in Kapitel 6
beschrieben.
Im Fall 1 wird hierbei der durchgehende Nutzen nicht verändert, wie in der folgenden
Abbildung dargestellt. Hierbei sind das eingehende Produkt 1 und der Aufwand des Systems
sowie der Nutzen des Systems und das ausgehenden Produkt 1 identisch.
SystemPAus,2
A
PEin,2
NPEin,1 PAus,1
durchgehendes Produkt
1PEin,1 = A N = PAus,1
PEin,2 = PAus,2
Ausgehende ProduktePAus
NutzenN
Aufwand A
Eingehende ProduktePEin
Es gilt: PEin,1 = APAus,1 = NPBAus,1 = NBpP,aus,1 = pN
PAus,2 = PEin,2
pP,aus,2 = PP,Ein,2
Abbildung 52: Aufteilung eines Systems mit einem durchgehenden Produkt für den
Fall, dass das eingehende Produkt nicht verändert wird.
Im Fall 2 wird das eingehende Produkt 2 durch den Nutzen des Systems vergrößert, d.h. die
physikalischen Nutzen der beiden Systeme sind gleich. Damit ist das ausgehende Produkt
gleich der Summe des Nutzen des Systems und des eingehenden Produkts 2.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 53: Aufteilung eines Systems mit einem durchgehenden Produkt für den
Fall, dass das eingehende Produkt vergrößert wird.
Im Fall 3 wird das durchgehende Produkt verringert, in dem ein Teil hiervon als Aufwand vom
System verbraucht wird.
1PAus,1
1,1PEin,1,1 = A1
PEin,2,1 = A2
N = PAus,1
PEin,2,2 = PAus,2
PEin,2 PAus,2
PEin,1
A1
A2
N
PBAus,1 = NpP,Aus,1 = PBAus,1 / PAus,1
PAus,2 = PEin,2 - A2
PBAus,2 = PBEin,2 - AB2
pP,Aus,2 = pP,Ein,2
Ausgehende ProduktePAus
NutzenN
Aufwand A
Eingehende ProduktePEin
Abbildung 54: Aufteilung eines Systems mit einem durchgehenden Produkt für den
Fall, dass das eingehende Produkt verringert wird.
Wir haben die Systeme mit durchgehenden Produkten auf jeweils zwei Systeme ohne
durchgehende Produkte zurückgeführt. Dabei können wir für die Vernetzung der Systeme die
eingehenden und ausgehenden Produkte genauso behandeln wie die Aufwände und Nutzen,
für die wir die Berechnungsformeln der Vernetzung in Kapitel 6 dargestellt haben.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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8 Einbindung von bestehenden Kennzahldefinitionen
Prinzipiell lassen sich in der Literatur bestehende Kennzahldefinitionen in die
Kennzahlmethodik aufnehmen. Die Kennzahldefinitionen sind jedoch bezüglich der folgenden
Kriterien zu prüfen, anzupassen bzw. zu erweitern:
1. Bestimmung der Systemgrenzen und des Nutzens (siehe Abschnitt 3.2.1)
2. Bestimmung der Aufwände (siehe Abschnitt 3.2)
3. Bestimmung der relevanten Einflussgrößen bzw. der Systemumwelt (siehe Abschnitt 1)
4. Prüfung der Messbarkeit der relevanten Größen
Wenn diese Anpassung bzw. Erweiterung der Kennzahldefinition möglich ist, dann sollten auch
andere Anforderungen wie die der Baukastenfunktionalität automatisch erfüllt sein.
Beispiel für Einbindungsmöglichkeit: Gesamtwirkungsgrad von Ventilator,
Motor und Antrieb nach DIN EN 13779
Der Gesamtwirkungsgrad von Ventilator, Motor und Antrieb kann aus Formeln der DIN EN
13779 (DIN, 2007) gebildet werden zu:
] � ∶=^,YX ∗ ∆,YX��Y�X$ ( 41 )
(Gesamtwirkungsgrad = Nennluftvolumenstrom durch den Ventilator in m−3
⋅ s−1 * Gesamtdruckerhöhung des Ventilators in Pa / an die Ventilatoren der
des Ventilators gelieferte Leistung in W)
Das System besteht aus den drei Teilsystemen Ventilator, Motor und Antrieb. Es kann
abgegrenzt zu seiner Umwelt betrachtet werden und hat nur einen Nutzen.
Der Aufwand des Ventilators ist ausreichend beschrieben durch die gelieferte elektrische
Leistung ��Y�X$. Der Nutzen wird beschrieben durch ^,YX ∗ ∆,YX - dies entspricht der von uns empfohlenen
Form „Nutzengröße = Nutzenstrom x spezifische Nutzengröße“ und kann als Nutzen des Systems
aufgefasst werden, weil hierin kein Vornutzen berücksichtigt und der Nutzen des Ventilators
vollständig durch diese Größe beschrieben ist. Auch bringt hier im Gegensatz zur
Drucklufterzeugung eine Erweiterung der spezifischen Nutzengröße durch eine Bewertung der
Druckhöhe keine relevante Verbesserung, weil der Einfluss der Druckhöhe in den für Ventilatoren
üblichen Druckbereichen sehr gering ist.
Es ist jedoch der Nennluftvolumenstrom zu ersetzen durch den tatsächlichen Volumenstrom. In
der Regel ist hier jedoch nicht der Volumenstrom sondern der Massenstrom das eigentliche
Nutzenmaß – es hängt jedoch vom Anwendungsfall ab. Wenn wir den häufigen Anwendungsfall
haben, dass eine bestimmte Sauerstoffzuführung oder eine Abführung von CO2 der Nutzen ist, ist
die Luftmasse der eigentliche Nutzen, und wir ändern die Formel entsprechend:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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] � ∶=�a ,YX ∗∆,YXb ∗ ��Y�X$ ( 42 )
(Gesamtwirkungsgrad = Massenluftstrom durch den Ventilator in kg/s *
Gesamtdruckerhöhung des Ventilators in Pa / Dichte der Luft in kg/m³ * an
die Ventilatoren der des Ventilators gelieferte elektrische Leistung in W)
Tatsächlich ist die kontinuierliche Messung des Luftvolumenstroms sehr kostenträchtig. Man
kann jedoch für bestimmte Ventilatortypen mit Druckmessungen ausreichend gute
Messergebnisse erzielen. In anderen Fällen kann man mit temporären Messungen bei
verschiedenen Betriebszuständen und dauerhaft gemessenen Parametern die gewünschten
Werte bilden.
Im Weiteren ist dann die Bestimmung der relevanten Einflussgrößen gemäß dem in Kapitel 1
beschriebenem Vorgehen erforderlich.
Beispiel für keine Einbindungsmöglichkeit: Ventilatorwirkungsgrad
],YX ∶= ^,YX ∗ ∆,YX
�c�YX�$c�d�$ TXZ( 43 )
(Ventilatorwirkungsgrad = Nennluftvolumenstrom durch den Ventilator in
m−3 ⋅ s−1 * Gesamtdruckerhöhung des Ventilators; in Pa / an die
Ventilatoren der des Ventilators gelieferte mechanische Leistung, in W)
Da die mechanische Leistung, die an den Ventilator übertragen wird, nicht ohne größeren
Aufwand gemessen werden kann, ist dieser Wirkungsgrad keine sinnvolle Kennzahl, auch wenn
andere Kriterien erfüllt werden.
Beispiel für keine Einbindungsmöglichkeit: Fluidtransporteffizienz nach VDMA 24247-2 : 2011-05
Nach VDMA 24247-2: 2011-05 (VDMA, 2010-2012) wird eine Fluidtransporteffizienz wie folgt
definiert, um den Energieverbrauch von Nebenaggregaten wie Pumpen und Ventilatoren in
einem Kälteversorgungssystem zu bewerten:
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Abbildung 55: Definition der Fluidtransporteffizienz nach VDMA 24247-2 : 2011-05
Eine Einbindung dieser Kennzahl oder von Teilen der Kennzahl in unsere Kennzahlmethodik ist
nicht möglich, weil unter anderem folgende Anforderungen nicht erfüllt werden:
• Es werden mehrere Systeme mit unterschiedlichen Nutzen ohne Berücksichtigung der
verschiedenen Aufwände zusammengefasst.
• Die eigentlichen Nutzen der Aggregate wie die Druckenergie der Ventilatoren und der
Pumpen werden nicht betrachtet.
Es gibt zwar einen indirekten Bezug der Fluidtransporteffizienz auf die Kälteenergie, weil
der Stromaufwand Poc-el mit der Kälteenergie korreliert, jedoch ist die Kälteenergie auch
kein brauchbares Maß für die Druckenergie, weil so die externen Einflussgrößen
Volumenstrom, Temperaturen und Druckhöhe nicht bereinigt werden können.
• Es werden indirekte Einflussgrößen teilweise bereinigt, weil die Fluidtransporteffizienz
abhängig von der Effizienz der Kälteverdichter ist, da die Kälteverdichter Poc-el
bestimmen. Damit ist die Bewertung der Pumpen, Ventilatoren, etc. abhängig von der
Effizienz der Kälteverdichter, weil Einflussgrößen berücksichtigt werden, die keinen
direkten Einfluss auf die Effizienz der Nebenaggregate haben.
Daher ist nach unserer Methodik die Fluidtransporteffizienz kein Effizienzmaß für einen Teil der
Kälteversorgung und kann daher nicht für unsere Ziele Monitoring und Bewertung verwendet
werden. Sie ist jedoch eine Verhältniszahl oder genauer eine Beziehungszahl (TU Chemnitz,
2011), weil sie einen Quotienten aus einer Teilmenge und einer dazu gehörigen Grundgesamtheit
darstellt. Oder einfacher ausgedrückt: Sie beschreibt den Anteil des Strombedarfs der
Nebenaggregate am Gesamtstrombedarf für die Kälteversorgung und hat damit auch einen
Aussagewert.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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9 Glossar
Aufwand, bewerteter Der bewertete Aufwand ist der mit einer Bewertungsart
bewertete Aufwand und berechnet sich als Produkt aus
Bewertungsfaktor und Aufwandsgröße.
Aufwand Die Aufwände sind die vom System verbrauchten
Aufwände. Stoffe und Nutzenergien, die durch das
System hindurchgehen, aber nicht verbraucht werden,
sind keine Aufwände des Systems.
Ein System benötigt einen oder mehrere Aufwände, um einen
oder mehrere Nutzen zu erzeugen.
Aufwände werden durch eine Aufwandsgröße und verschiedene
Eigenschaften beschrieben.
In diesem Projekt werden nur Aufwände berücksichtigt, die
indirekte oder direkte Energieverbräuche verursachen oder
beeinflussen.
Die Aufwände eines Systems werden von anderen Systemen
bezogen und sind deren Nutzen.
Aufwandsgröße Der Aufwand wird unter anderem beschrieben durch eine
Aufwandsgröße. Aufwandsgrößen können beispielsweise
Stückzahlen, Mengen, Massen oder Energien sein.
Betriebsstoffe Betriebsstoffe sind beispielsweise Ersatzteile und Schmierstoffe
Diese werden bei der Herstellung der Produkte benötigt, gehen
aber nicht in die Produkte ein.
Bewertungsfaktor Bewertungsfaktoren bewerten die Nutzen- oder Aufwandsgröße
und können je nach gewünschter Zielsetzung auf verschiedenen
Bewertungsarten basieren (Geld [€/h], Primärenergie [kW], CO2-
Emissionen [tCO2/h]).
Beispiel Druckluft-Bewertungsfaktor Geld (€/m³), Druckluft-
Bewertungsfaktor Primärenergie (MWhpr/m³)
Bewertungsfaktoren für die Aufwände sind durch die
vorgelagerten Systeme gegeben, die Bewertungsfaktoren für
Nutzen sind zu berechnen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Bewertungsarten Bewertungsarten sind beispielsweise Geld, Primärenergie oder
auch CO2-Emissionen. Durch die Umrechnung von Nutzen- und
Aufwandsgrößen und den zugehörigen Bewertungsfaktoren der
jeweiligen Bewertungsart in bewertete Größen (bewertete
Nutzen und bewerte Aufwände) können diese erst verglichen
werden.
Bewertete Effizienz Die bewertete Effizienz ist das Verhältnis der Nutzengröße zum
bewerteten Gesamtaufwand oder auch der Kehrwert des
Bewertungsfaktors des Nutzens. Die bewertete Effizienz ist die
wichtigste Kennzahl zur Bewertung von Systemen mit mehreren
Aufwänden.
Einflussgrößen
Interne, externe,
abhängige, unabhängige,
direkte, indirekte
Einflussgrößen
Einflussgrößen sind alle Größen, die die Größe des Aufwands
eines Systems bestimmen.
• Interne Einflussgrößen werden durch das System
bestimmt. Die Eigenschaften des Systems sind interne
Einflussgrößen. Interne Einflussgrößen überschreiten
nicht die Systemgrenze.
• Externe Einflussgrößen werden durch die
Systemumwelt bestimmt. Bei Vergleichen werden nur
die externen Einflussgrößen betrachtet. Sie
überschreiten die Systemgrenzen nur in Form von
Nutzen oder Aufwand.
• Abhängige Einflussgrößen werden durch andere
Einflussgrößen beschrieben. Abhängige Größen werden
nicht berücksichtigt, sofern diese anderen
Einflussgrößen berücksichtigt werden.
• Unabhängige Einflussgrößen bestimmen den Aufwand
eines Systems und sind nicht von anderen
Einflussgrößen abhängig.
• Direkte Einflussgrößen sind nur interne und externe
Einflussgrößen.
• Indirekte Einflussgrößen wirken sich auf vor- oder
nachgelagerte Systeme aus. Sie sind nicht Größe oder
Eigenschaft der Aufwände und Nutzen des betrachteten
Systems. Ihr Einfluss kann nur indirekt über die externen
Einflussgrößen wirken.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 104
Einflussgrößen
Bereinigung von
Einflussgrößen
Die Bereinigung einer Einflussgröße bei einem Vergleich von
beispielsweise der Effizienz oder Aufwänden eines Systems mit
demselben System aus einem Vergleichszeitraum oder einem
anderen System ist das Aufheben oder Nichtig machen dieser
Einflussgröße innerhalb des Vergleichs. Dieses Aufheben erfolgt
durch die Umrechnung des Aufwandes auf quantitativ gleiche
Einflussgrößen oder anders ausgedrückt: Auf die gleiche
Umwelt.
Hilfsstoffe Hilfsstoffe sind unwesentliche Bestandteile wie beispielsweise
Kleber, oder Schrauben, die in die fertigen Produkte eingehen.
Energieverbrauch Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie
nicht verbraucht werden. Wenn wir dennoch den üblichen
Sprachgebrauch übernehmen und von Energieverbrauch
sprechen, meinen wir den Verbrauch einer bestimmten
Energieform, also beispielsweise Strom, der durch den
Verbrauch zu Wärme wird oder Gas, dass durch den Verbrauch
zu Strom und Wärme wird.
Gütegrad Der Gütegrad setzt den bewerteten Aufwand eines
Vergleichssystems für den gleichen Nutzen zu dem bewerteten
Aufwand des betrachteten Systems ins Verhältnis, wobei es sich
bei dem Vergleichssystem auch um dasselbe System in einem
anderen Zeitraum handeln kann. Mit dem Gütegrad können
Systeme mit mehreren Nutzen verglichen werden.
• Absoluter Gütegrad: Wir nennen den Gütegrad
absoluten Gütegrad, wenn wir ideale Systeme oder
Systeme, die in sämtlichen betrachteten Zuständen
Bestwerte annehmen (BVT = Best verfügbare Technik),
als Vergleich annehmen. Der absolute Gütegrad kann
daher nur Werte zwischen 0% und 100% oder 0 und 1
annehmen.
Gesamtaufwand,
bewerteter
Der bewertete Gesamtaufwand eines Systems mit mehreren
Aufwänden (bezogen auf eine Bewertungsart) ist die Summe
der einzelnen bewerteten Aufwände (bezogen auf die gleiche
Bewertungsart)
Nutzen, bewerteter Der bewertete Nutzen ist der mit einer Bewertungsart
bewertete Nutzen und berechnet sich als Produkt aus
Bewertungsfaktor und Nutzengröße.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Nutzen Die Nutzen sind die ausschließlich vom betrachteten System
erzeugten Nutzen, also bei Produktionssystemen lediglich die
Prozessschritte oder bei Versorgungssystemen die Änderungen
der Eingangsstoffe. Der Nutzen eines Systems ist daher bei
Produktionssystemen die Veränderung von
Werkstoffeigenschaften, also der Arbeitsschritt oder bei
Versorgungssystemen die Änderung von Eigenschaften des
Betriebsstoffs (Mediums).
Ein System erzeugt mit Hilfe von ein oder mehreren Aufwänden
ein oder mehrere Nutzen.
Nutzen werden durch die Nutzengröße und verschiedene
Eigenschaften beschrieben.
Die Nutzen eines Systems können von anderen Systemen als
Aufwände bezogen werden.
Nutzen sind die zentrale Vergleichsgröße: Man kann zwei
Systeme miteinander vergleichen, wenn die Nutzen der Systeme
gleich sind.
Nutzen, gekoppelter Bei Systemen mit gekoppelten Nutzen können die Nutzen nur
gleichzeitig und nicht unabhängig voneinander erzeugt werden
(Beispiel Kraft-Wärme-Kopplung, gleichzeitige Erzeugung von
Strom und Wärme)
Nutzen, substituierter Wenn ein Teilsystem, welches den gleichen Nutzen
erzeugt, durch das zu betrachtende System ganz oder
teilweise substituiert werden kann, wird der Nutzen des
Teilsystems substituiert.
Nutzengröße Der Nutzen wird beschrieben durch eine Nutzengröße und die
zugehörigen Eigenschaften. Nutzengrößen können
beispielsweise Stückzahlen, Mengen, Massen oder Energien
sein.
Nebennutzen Wenn bei Systemen mit gekoppelten Nutzen ein Nutzen das
System selber bestimmt und die weiteren Nutzen nicht
zwingend erforderlich sind, sondern nur zusätzliche Nutzen
bilden, dann nennen wir diese weiteren Nutzen Nebennutzen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 106
Produkte, ausgehende Die Produktgröße PAus des ausgehenden Produkts ist die
Summe der Nutzengröße des Systems und der durchgehenden
Produktgröße, die in das System hineingeht, aber nicht vom
System verbraucht wird und an nachgelagerte Systeme
weitergeführt wird. Das ausgehende Produkt hat die gleichen
Eigenschaften wie Nutzen und Aufwände.
Entsprechend ist das bewertete ausgehende Produkt PBAus das
Produkt aus Größe PAus und Bewertungsfaktor pPAus des
ausgehenden Produkts.
Produkte, eingehende Die Produktgröße PEin des eingehenden Produkts ist die
Summe der Aufwandsgröße des Systems und der
durchgehenden Produktgröße, die in das System
hineingeht, aber nicht vom System verbraucht wird und
an nachgelagerte Systeme weitergeführt wird. Das
eingehende Produkt hat die gleichen Eigenschaften wie
Nutzen und Aufwände.
Entsprechend ist das bewertete eingehende Produkt PBEin das
Produkt aus Größe PEin und Bewertungsfaktor pPein des
eingehenden Produkts.
Produkte, durchgehende Durchgehende Produkte sind Eingangsgrößen des Systems, die
nicht vom System verbraucht werden, das System durchlaufen
und an das nachgelagerte System weitergeführt werden. Sie
haben die gleichen Eigenschaften wie Nutzen und Aufwände
System Ein System hat einen oder mehrere Aufwände, um einen oder
mehrere Nutzen zu erzeugen. Ein System kann von seiner
Umwelt abgegrenzt betrachtet werden. Ein System kann aus
mehreren Teilsystemen bestehen. Teilsysteme haben die
gleiche Struktur wie Systeme und können daher selber
wiederum aus Teilsystemen bestehen.
Ein System entspricht hier einer sogenannten Black-Box, weil
das äußere Verhalten des Systems untersucht wird.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Systemgrenze Die Systemgrenze ist die räumliche Grenze zwischen System und
Umwelt.
Die Systemgrenze wird durch die Nutzen und Aufwände des
Systems vollständig beschrieben.
Die Systemgrenze ist identisch mit der Bilanzgrenze.
Systemumwelt Die Systemumwelt ist alles das, was nicht das System ist.
Der Einfluss der Systemumwelt auf das System wird durch die
Schnittstellen zum System, also die Nutzen-, Aufwands- und
Verlustgrößen und deren Eigenschaften und Bewertungs-
faktoren vollständig beschrieben.
Teilsystem Ein Teilsystem ist eine Untergruppe eines betrachteten Systems.
Mehrere Teilsysteme können zu einem System verknüpft
werden (Baukastenprinzip).
Ein Teilsystem unterscheidet sich vom Aufbau nicht von einem
System. Wir sprechen von Teilsystem, wenn wir das Verhältnis
vom übergeordneten System und seinen Teilsystemen
betrachten.
Teileffizienz Die Kennzahl „Teileffizienz“ stellt das Verhältnis aus einer
Nutzengröße und einer Aufwandgröße dar. Bei Systemen mit
einem Nutzen und einem Aufwand wird die Effizienz allein
durch die Kennzahl „Teileffizienz“ bestimmt.
Vergleichssystem –
Umwelt des
Vergleichssystems
Wird ein System mit einem zweiten vergleichen, so heißt dieses
Vergleichssystem. Ein Vergleich zwischen zwei Systemen kann
nur dann stattfinden, wenn die Nutzen der beiden Systeme
vergleichbar sind.
Bei einem Vergleich zweier Systeme müssen auch die Umwelten
dieser Systeme betrachtet werden, es wird zwischen der
Umwelt und der Umwelt des Vergleichssystems unterschieden.
Werkstoffe Werkstoffe sind Rohmaterialien oder Vorprodukte, die als
wesensbestimmende Bestandteile in die Erzeugnisse eingehen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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10 Nomenklatur
Zeichen Bezeichnung
A Aufwand / Aufwandsgröße, auch als Index
ε bewertete Effizienz
�� Teileffizienz bezogen auf den Aufwand i
AB bewerteter Aufwand
NB Bewerteter Nutzen
N Nutzen / Nutzengröße, auch als Index
p Bewertungsfaktor
BVT Best verfügbare Technik
! Gütegrad
EAN Einheit Aufwands- oder Nutzengröße
R² Anteil der Streuung (Statistik)
εAbw Zufällige Abweichung (Statistik)
Index Bezeichnung
A Aufwand
c Bewertungsart CO2-Emissionen
e Bewertungsart Primärenergie
ex Bewertungsart Exergie
f Bewertungsart Geld
a Arbeitsstunden
i, j, M, O, Q Laufindices
N Nutzen
� Bewertungsart
b Betrachtetes System
v Vergleichssystem
s Alternatives System / zu substituierendes System
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Ein In das System eingehend
Aus Aus dem System ausgehend
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 110
11 Literatursammlung
Europäische Kommission. 2013. Anwendung gemeinsamer Methoden zur Messung und
Offenlegung der Umweltleistung von Produkten und Organisationen - 2013/179/EU. 2013.
Acquaye, Adolf. 2010. A Stochastic Hybrid Embodied Energy and CO2_eq Intensity Analysis of
Building and Construction Processes in Ireland (Thesis). s.l. : Dublin Institute of Technology,
2010.
Adelphi, Österreichische Energieagentur. 2013. Energieeffizienz-Benchmarking - Methodische
Grundlagen für die Entwicklung von Energieeffizienz-Benchmarkingsystemen nach EN 16231.
Ratjen, Georg; Lackner, Petra u.a. s.l. : Im Auftrag des UBA, 2013.
AWF - Arbeitsgemeinschaften für Vitale Unternehmensentwicklung e.V. 2005. Praktischer
Einsatz von Kennzahlen und Kennzahlen Systemen in der Produktion. Eschborn : AWF-
Selbstverlag, 2005.
Bierer, A. und Götze, U. 2012. Energy Cost Accounting: Conventional and Flow-oriented
Approaches. Journal of Competitiveness. 2012, Bd. 4, 2.
BMJ. 2011. Gesetz zur Anpassung der Rechtsgrundlagen für die Fortentwicklung des
Emissionshandels. Bonn : Bundesanzeiger, 2011.
—. 2011. Verordnung über die Zuteilung von Treibhausgas-Emissionsberechtigungen in der
Handelsperiode 2013 bis 2020. Bonn : Bundesanzeiger, 2011.
Dewulf,W.; Duflou,J.R.; Hauschild,M.Z.; Kellens,K.; Overcash,M. 2012. Methodology for
systematic analysis and improvement of manufacturing unit process life cycle inventory
(UPLCI) CO2PE! initiative (cooperative effort on process emissions in manufacturing). The
International Journal of Life Cycle Assessment. 2012, 17.
DIN. 2007. DIN EN 13053. Lüftung von Gebäuden - Zentrale raumlufttechnische Geräte -
Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten. 2007.
—. 2007. DIN EN 13779. Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und
Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. 2007.
—. 2008-2013. DIN EN 15603. Energieeffizienz von Gebäuden. 2008-2013.
—. 2011. DIN EN 16212. Energieeffizienz- und -einsparberechnung. 2011.
—. 2012. DIN EN 16231. Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik. 2012.
—. 2011. DIN EN 16247 . Energieaudits . 2011.
—. 2011. DIN EN ISO 14025. Umweltkennzeichnungen und -deklarationen – Typ III
Umweltdeklarationen – Grundsätze und Verfahren. 2011.
—. 2007-2012. DIN V 18599. Energetische Bewertung von Gebäuden - Blatt 1-10,100, Beiblatt
1. 2007-2012.
Ecofys, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research. 2009. Developing
benchmark criteria for CO2 emissions. Neelis, M.; Cremer, C. u.a. s.l. : European Commission,
2009.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 111
Ecofys, Quantis, Bio Intelligence Service. 2013. Pilot testing on methodologies for energy
consumptions and carbon footprint of the ICT-sector. Luxemburg : Für die Europäische
Kommission, 2013.
Ecofys; Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research; Öko-Institut. 2009.
Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012. s.l. : Im
Auftrag der Europäischen Kommission, 2009.
—. 2009. Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012 -
Report on the project approach and general issues. s.l. : Im Auftrag der Europäischen
Kommission, 2009.
—. 2009. Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012 -
Sector report for the iron and steel industry. s.l. : Im Auftrag der Europäischen Kommission,
2009.
—. 2009. Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012 -
Sector report for the refinery industry. s.l. : Im Auftrag der Europäischen Kommission, 2009.
Ecofys; Öko-Institut. 2008. Pilot on Benchmarking in the EU ETS. Berlin/Utrecht : s.n., 2008.
Efficiency Valuation Organization. 2012. International performance Measurement and
Verfication Tool. 2012.
Egon Müller, Jörg Engelmann, Thomas Löffler, Jörg Strauch. 2009. Energieeffiziente Fabriken
planen und betreiben-2009. s.l. : Springer, 2009.
Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung und Bewertung technischer Systeme – Erkenntnisse
aus dem Spitzentechnologiecluster eniPROD. TU Chemnitz. 2013. Auerbach : Drossel, W.-G.,
2013.
Energieinstitut der Wirtschaft GmbH. 2010. Begleitstudie: Kennwerte zur Energieeffizienz in
KMU. Friedrich Kapusta. Wien : Im Auftrag des Klima- und Energiefonds Österreich, 2010.
Europäische Kommission. 2011. Festlegung EU-weiter Übergangsvorschriften. Beschluss der
Kommission zur Festlegung EU-weiter Übergangsvorschriften zur Harmonisierung der
kostenlosen Zuteilung von Emissionszertifikaten gemäß Artikel 10a der Richtlinie 2003/87/EG
des Europäischen Parlaments und des Rates (2011/278/EU). s.l. : Amtsblatt der Europäischen
Union, 2011.
—. 2006. Recommendations On Measurement And Verification Methods In The Framework Of
Directive 2006/32/EC On Energy End-Use Efficiency And Energy Services. 2006.
Europäische Kommission; IPTS. 2011. Pilot Reference Document on Best Environmental
Management Practice in the Retail Trade Sector . 2011.
Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. 2013. Bewertung und Vergleich
flächenspezifischer Größen. BWK. 2013, Bde. 65, Nr. 5, Roger Corradini, Sebastian Eller.
Forschungsstelle für Energiewirtschaft, GUT. 1999. Ermittlung von Energiekennzahlen für
Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse. G.Layer, F. Matula, A.Saller, R.Rahn.
München : Im Auftrag des UBA, 1999.
Fraunhofer ISI; DIW. 1997. Energie-Effizienz-Indikatoren: Statistische Grundlagen, theoretische
Fundierung und Orientierungsbasis für die politische Praxis. s.l. : Im Auftrag des BMWi, 1997.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 112
Herbst, A., et al. 2012. Introduction to Energy Systems Modelling. Swiss Society of Economics
and Statistics. 2012, Bd. 148, 2.
ISO. 2011-12. ISO 50001. Energiemanagementsysteme – Anforderungen mit Anleitung zur
Anwendung. 2011-12.
Kaup, C. 2010. Energieeffizienz von RLT-Geräten. TGA Fachplaner. 2010, 3.
Klaus Backhaus, Bernd Erichson, Wulff Plinke, Rolf Weiber. 2011. Multivariate
Analysemethoden: Eine anwendungsorientierte Einführung. s.l. : Springer; Auflage: 13.,
überarb. Aufl. 2011 , 2011.
Leen GmbH. 2013. [Online] Leen GmbH, 2013. http://leen.de/leen-netzwerke/.
—. 2012. Anleitung Monitoring. Karlsruhe : s.n., 2012.
Löschau, Margit. 2006. Input-Output-Analyse als Methode zur stofflichen Bilanzierung
komplexer Entsorgungssysteme. s.l. : Fakultät III - Prozesswissenschaften Technischen
Universität Berlin, 2006.
Ludwig Fahrmeir, Thomas Kneib, Stefan Lang. 2009. Regression: Modelle, Methoden und
Anwendungen (Statistik und ihre Anwendungen) (German Edition). s.l. : Springer-Verlag, 2009.
Öko-Institut. 2003. Ist Umweltschutz messbar? - Umweltziele und Kennzahlen für ein
Umweltcontrolling in kleinen Bogenoffsetdruckereien. Freiburg : Tebert, C., 2003.
ÖKOTEC Energiemanagement GmbH. 2009. Vom Verbrauchs- zum Effizienz-Controlling -
Schritte zur Einführung eines Energieeffizienz-Controllings. K. Grabowski, J. Melsheimer, J.
Boecker. s.l. : Im Auftrag der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, 2009.
ÖKOTEC Energiemanagement GmbH; Prognos AG. 2012. Energieeffizienz in der Industrie. K.
Grabowski, F. Seefeldt. s.l. : Im Auftrag der Vereinigung der Bayerischen Wirtschaft e.V., 2012.
Sabisch, H. und Tintelnot, C. 1997. Integriertes Benchmarking: für Produkte und
Produktentwicklungsprozesse. s.l. : Springer, 1997.
Schieferdecker, B. 2006. Energiemanagement-Tools. Berlin Heidelberg : Springer, 2006.
SCS Technology Verfahrenstechnik GmbH. 1996. Energiekennzahlen und -sparpotenziale in der
Stein- und keramischen Industrie. Linz : Im Auftrag der Wirtschaftskammer Oberösterreich,
1996.
Simon Hirzel (Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Koordinator)
u.w. 2013. Innerbetriebliches Energiebenchmarking. s.l. : Arbeitskreis „Innerbetriebliches
Energiebenchmarking“ der Effizienzfabrik – Innovationsplattform Ressourceneffizienz in der
Produktion, 2013.
TR. 2010. TR 16103. Energy management and energy efficiency - Glossary of terms. 2010.
TU Chemnitz. 2013. Energetisch-wirtschaftliche Bilanzierung und Bewertung technischer
Systeme – Erkenntnisse aus dem Spitzentechnologiecluster eniPROD. 2013.
—. 2011. Energiekennzahlen für Betriebsvergleiche. T.Löffler. Chemnitz : Im Auftrag der
Sächsischen Energieagentur, 2011.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 113
UBA - Deutsche Emissionshandelsstelle (DEHSt). 2013. Überwachungspläne - Leitfaden zur
Erstellung von Überwachungsplänen für stationäre Anlagen in der 3. Handelsperiode (2013-
2020). Berlin : s.n., 2013.
—. 2011. VET-Bericht - Kohlendioxidemissionen der emissionshandelspflichtigen stationären
Anlagen und im Luftverkehr in Deutschland im Jahr 2011. 2011.
—. 2011. Zuteilung 2013-2020 - Leitfaden: Glossar und Abkürzungen. 2011.
—. 2013. Zuteilung 2013-2020 - Leitfaden: Teil 1-5. Berlin : s.n., 2013.
Udo Buscher, Anke Daub, Uwe Götze, Barbara Mikus, Folker Roland. 2010. Produktion und
Logistik, Einführung mit Fallbeispielen. 2. durchgesehene und aktualisierte Auflage. Chemnitz :
GUC - Verlag der Gesellschaft für Unternehmensrechnung und Controlling m.b.H., 2010.
Union, Europäische. 2010. KAP project - Knowledge, Awareness and Prediction of Man,
Machine, Material and Method in Manufacturing. Reports D1.1 - D10.1. 2010.
VDI. 2003. Energiekenngrößen: Definitionen – Begriffe – Methodik. s.l., Deutschland : Beuth
Verlag GmbH, September 2003.
—. 2010-2011. VDI 3803 Blatt 1-5. Zentrale Raumlufttechnische Anlagen - Bauliche und
technische Anforderungen. 2010-2011.
—. 2008-2013. VDI 3807 Blatt 1-5. Verbrauchskennwerte für Gebäude. 2008-2013.
—. 1997-2013. VDI 4600. Kumulierter Energieaufwand. 1997-2013.
—. 2003. VDI 4660 Blatt 2. Ermittlung zielenergiebezogener Emissionen bei der
Energieumwandlung. 2003.
—. 2003. VDI 4661 Energiekenngrößen: Definitionen – Begriffe – Methodik. September 2003.
—. 2011. VDI 4662. Implementierung und Nutzung von Energiekennwerten in Industrie und
Kommunen. 2011.
—. 2011. VDI 4662. Bildung, Implementierung und Nutzung von Energiekennwerten (Entwurf).
2011.
VDMA. 2010-2012. VDMA 24247 Blatt 1-8. Energieeffizienz von Kälteanlagen. 2010-2012.