Maximale Energieeffizienz durch Prozessoptimierung

Forscherinnen und Forscher der TU Darmstadt spüren in einer Modellfabrik Einsparpotenziale auf und helfen Unternehmen vor Ort beim Energiesparen. Das Ergebnis ist so klar wie beeindruckend: In der industriellen Fertigung lassen sich bis zu 45 % der Energie durch Effizienzmaßnahmen einsparen.

„Unternehmen sind sich ihrer Möglichkeiten oft nicht bewusst“, sagt Thomas Kohne. Der Forscher führt durch die lichtdurchflutete Halle der ETA-Modellfabrik. ETA steht für Energietechnologien und Anwendungen in der Produktion. Maschinen auf beiden Seiten der Halle bilden einen typischen industriellen Fertigungsablauf nach: Wärmebehandlung, Reinigung und Schleifen.

„Viele unserer Forschungsergebnisse sind durch die realen Bedingungen eins zu eins übertragbar auf Produktionsabläufe in der Realität“, erklärt Kohne. Dieses Wissen transferiert das ETA-Forschungsteam in die Praxis, besucht Unternehmen und spürt Einsparpotenziale auf.

Kraft-Wärme-Kopplung in Bestform

So hat auch Rolls Royce Power Systems die Wärmeversorgung mit Hilfe des Darmstädter Forschungsteams optimiert. Durch einfach umsetzbare Maßnahmen wie die Einbindung der Motorwärme des eigenen Blockheizkraftwerks in die Wärmeversorgungsanlage spart der Motorenbauer aus Friedrichshafen jetzt in einer Prozesskette pro Jahr 30 % Energie und rund 60 Tonnen CO₂ ein.

Maschine zur Produktion von MTU Motoren — Unter der Marke MTU baut Rolls Royce Power Systems in Friedrichshafen Motoren mit bis zu 10.000 kW Leistung, zum Beispiel für Schiffe und Industriemaschinen.

Mitarbeiterin der Rolls-Royce Solutions GmbH bei der Arbeit — Die Motoren sollen bis 2030 bereits 35 % weniger CO₂ ausstoßen als im Jahr 2019. Um sie sofort klimafreundlicher zu produzieren, hat der Maschinenbauer Unterstützung bei der ETA-Fabrik gesucht und gefunden.

Blockheizkraftwerk der Rolls-Royce Solutions GmbH in Friedrichshafen — Das Forschungsteam der ETA-Fabrik hat Energieströme gemessen und konkrete Einsparpotenziale ermittelt. So konnte durch eine Absenkung der Rücklauftemperatur im gesamten Netz der thermische Wirkungsgrad der BHKW erhöht werden.

Ventile zur Kontrolle der Rücklauftemperatur — Ein Versorgungsstrang aus mehreren industriellen Großreinigungsanlagen wies eine hohe Rücklauftemperatur auf. Die Einregelung des Versorgungsstrangs führte zu einer Verbesserung im gesamten Netz.

Rohre in einer Fabrikhalle der Rolls-Royce Solutions GmbH — Mit den einfach umsetzbaren Maßnahmen konnte die Prozesskette so optimiert werden, dass der Maschinenbauer 30 % Energie pro Jahr einspart. Das entspricht rund 60 Tonnen CO₂.

Energieverschwendung beenden

Um Einsparpotenziale zu finden und energieeffizienter zu produzieren, hat auch die Heidelberger Druckmaschinen AG die Energieflüsse und Wärmeabstrahlung in der eigenen Fertigung genau unter die Lupe genommen – unterstützt von einem Forschungsteam der ETA-Fabrik. Die Spezialisten machten unnötigen Energieverbrauch im Produktionsprozess ausfindig und entwickelten Maßnahmen, wie überschüssige Energie so geschickt umgeleitet werden könnte, dass Betriebskosten, Energiebedarf und CO₂-Ausstoß sinken.

Mitarbeiter der interdisziplinären Forschungsgruppe der TU Darmstadt — Das Forschungsteam der ETA-Fabrik beginnt mit der Vermessung von Energieflüssen im Maschinenpark der Heidelberger Druckmaschinen AG.
Das Equipment dafür bringen die Forscher mit. An dieser Werkzeugmaschine vermessen sie die elektrische Leistung, die am Hauptanschluss bezogen wird, aber auch, wie sich diese Leistung auf verschiedene Komponenten verteilt, zum Beispiel den Antriebsverbund der Maschine oder das Hydraulikaggregat.

Mitarbeiter der interdisziplinären Forschungsgruppe der Technischen Universität Darmstadt — Michael Frank befestigt eine weitere Apparatur zur Vermessung des Kühlschmierstoffstroms, der von der Maschine in die zentrale Aufbereitung geleitet wird. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Wärmestrom, der hierüber abgeleitet wird.

Team der interdisziplinären Forschungsgruppe der TU Darmstadt bei der Arbeit — Fabian Borst (links) überprüft, ob die Messdaten korrekt aufgezeichnet werden. Das Forschungsteam der ETA-Fabrik wird nach zwei Wochen mit der Auswertung der Daten beginnen und daraus ableiten, wofür die Abwärme weitergenutzt werden kann.

Zwei junge Männer nehmen Arbeiten an Rohren vor — Zur Vervollständigung der Messergebnisse installieren Frank und Borst ein zweites Messgerät an der zentralen Aufbereitung des Kühlschmierstoffs. Die Abwärme aus dem Kühlschmierstoff könnte zum Beispiel für die Reinigungsmaschinen genutzt werden, um dort weniger elektrisch heizen zu müssen.

Aufnahmen einer Wärmebildkamera von einer Industriewaschanlage — Neben der Werkzeugmaschine wird auch diese Reinigungsmaschine vermessen. Das Wärmebild zeigt in helleren Farben, wo besonders viel Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Eine optimierte Dämmung der Maschine kann den Wärmeverlust reduzieren.

Ein Mann bringt Messgeräte an einer Industriewaschmaschine an — Um den Energieverbrauch der Reinigungsmaschine genau zu analysieren, hat Andreas Wächter einen Messkoffer installiert. Am Laptop kann er überprüfen, ob die Daten korrekt aufgezeichnet werden. Analysiert wird, wann konkret im Prozess elektrisch geheizt wird, um auch hier eine optimierte Betriebsweise herzuleiten.

Matthias Lundschien, Leitung Technik- Anlagenmanagement Oberflächentechnik — Matthias Lundschien leitet das Projekt von Unternehmensseite. Die Vorteile, die sich für Heidelberg ergeben, liegen für ihn auf der Hand. Das Forschungsteam der ETA-Fabrik bringt das notwendige Equipment und das Know-how mit, um konkrete Einsparpotenziale zu benennen.

Ein Arm zeigt auf den Plan der Produktionshalle für Druckmaschinen — Doch auch die ETA-Fabrik profitiert von der Zusammenarbeit: Die Daten, die an den Maschinen bei Heidelberg erhoben werden, können für die weitere Forschung genutzt werden.

Die Fabrik der Zukunft, die schon jetzt existiert

Wer wissen will, wie die Fabrik der Zukunft aussehen könnte, kann die ETA-Fabrik auf dem Campus der Technischen Universität etwas außerhalb von Darmstadt besuchen. In der Modellfabrik wird in kleinem Maßstab die Produktion eines Industrieunternehmens abgebildet. Das Forschungsteam der ETA-Fabrik nimmt eine für die Metallverarbeitung typische Prozesskette unter die Lupe. Das Ziel: ein Bauteil mit so wenig Primärenergie wie möglich zu fertigen. An Werkzeug-, Reinigungs- und Wärmebehandlungsmaschinen erproben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter realen Bedingungen, welche Einsparungen im Fertigungsprozess möglich sind.

Maschinen in der ETA-Modellfabrik — Die Werkzeugmaschinen sind zur Kühlung an das Kaltwassernetz angeschlossen. Links die Drehmaschine für die Bearbeitung von Werkstücken mit einem Maximaldurchmesser von 100 mm und Revolver mit bis zu zwölf angetriebenen Werkzeugen, rechts die Schleifmaschine zur Feinbearbeitung von Bauteilen bis 100 mm Durchmesser.

Blick in die Fabrikhalle von ETA — ETA steht für „Energietechnologien und Anwendungen in der Produktion“. Die Maschinen in der Modellfabrikhalle bilden einen typischen Ablauf der industriellen Fertigung nach: Wärmebehandeln, Reinigen und Schleifen.

Decke und Fenster einer Fabrikhalle — 20 leistungsstarke und sparsame LED-Industriestrahler beleuchten die Halle. Sie sind hocheffizient und können in Abhängigkeit von Lichtsensoren nahezu stufenlos geregelt werden

Zwei ETA-Mitarbeiter vor einer Schleifmaschine — Thomas Kohne (links) und Lars Petruschke sind wissenschaftliche Mitarbeiter der ETA-Fabrik. Sie analysieren und optimieren Energieströme im industriellen Prozess. Dass ihre Forschungsergebnisse auch in der Praxis ankommen, liegt ihnen besonders am Herzen.

Außenansicht der ETA-Modellfabrik — Energieeffizienzmaßnahmen in der Produktion über die Gebäudeautomation mit der Gebäudehülle zu verknüpfen – das ist ein ganzheitlicher Ansatz, der ein besonders hohes Einsparpotenzial bietet. Die Forscher der ETA-Fabrik haben das thermisch aktive Gebäudehüllelement für Industriebauten selbst entwickelt. Es handelt sich dabei um ein mineralisch gebundenes Element aus Beton, das mittels oberflächennah integrierter Kapillarohrmatten thermisch aktiviert wird.

Fensterfront der ETA-Modellfabrik — Die ETA-Fabrikhalle steht auf einer Wiese am Campus der Technischen Universität Darmstadt. Die Scheiben der Glasfront sind so geneigt, dass das Licht streut und tagsüber Beleuchtung eingespart werden kann.

Thermische Vernetzung von Gebäude- und Produktionsanlagen

Maschinen, Gebäude und die technische Infrastruktur stellen in der Modellfabrik eine Einheit dar. Neben Energieeffizienzmaßnahmen an einzelnen Anlagen spielt besonders die thermische Vernetzung eine wichtige Rolle. Das spart jede Menge Energie. Grundlage sind die drei thermischen Netze mit ihren unterschiedlichen Temperaturstufen: Heißwasser, Warmwasser und Kaltwasser. Diese müssen auf das für die Fabrik optimale Temperaturniveau eingestellt werden. Ziel ist es, die Abwärme aus dem industriellen Prozess aufzufangen und als Energiequelle zu nutzen.

Wer sich dafür entscheidet, seinen Energiebedarf zu analysieren und die Effizienz zu optimieren, wird mit den Kosten nicht allein gelassen: Für viele Energieeffizienzmaßnahmen existieren staatliche Förderungen.

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