Die Prozessoptimierer - Forschung für ein Maximum an Energieeffizienz

Hohe Energiepreise setzen das produzierende Gewerbe unter Druck. Wer weniger Energie verbraucht, hat deshalb einen klaren Wettbewerbsvorteil. In der ETA-Fabrik wird in kleinem Maßstab die Produktion in einer Fabrik abgebildet. So erprobt eine interdisziplinäre Forschungsgruppe unter realen Bedingungen, welche Kopplungen und Einsparungen möglich sind. Die Modellfabrik vernetzt dabei alle Teilsysteme. Am Ende steht ein greifbarer Erfolg: Bis zu 45 Prozent weniger Energieverbrauch sind möglich, wenn Unternehmen auf eine geschickte thermische Vernetzung setzen.

Energieströme im Fertigungsprozess analysieren

Zerspanen, reinigen, wärmebehandeln: 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.

Das Problem: Die Industrie verbraucht einen Löwenanteil der Energie in Deutschland (29 %)
Der Lösungsansatz: Die ETA-Fabrik optimiert und vernetzt Anlagen und Gebäude für ein Maximum an Energieeffizienz in der Produktion
Wissenstransfer: Workshop-Angebote für interessierte Unternehmen
Praxistransfer: Zielgerichtete Anwendung der Forschungserkenntnisse in der industriellen Praxis
Geringer Aufwand: Auch mit geringem finanziellem Einsatz lassen sich Einsparungen erzielen
Das Transferangebot der ETA-Fabrik: Beratung, Bewertung und Begleitung der Effizienzmaßnahmen im Betrieb

Energieoptimierter Betrieb: 45 % Energieeinsparung

In der Modellfabrik sind Produktionsmaschinen und Fabrikgebäude thermisch vernetzt. Das spart jede Menge Energie. Der Clou: thermische Netze auf drei Temperaturniveaus.

Kaltwassernetz (12–20 Grad) kühlt Werkzeugmaschinen und Schwungmassenspeicher - und im Sommer das Gebäude
Warmwassernetz (30–40 Grad) kühlt Druckluftkompressor und DC-Schaltschrank, beheizt das Gebäude im Winter
Heißwassernetz (60–85 Grad) mit integrierter Abwärmenutzung aus dem Abgas des Härteofens. Beheizt Reinigungsmaschinen und im Winter das Gebäude
Zusätzlich wird Kälte erzeugt mithilfe von: Wärmepumpe, Absorptions- und Kompressionskältemaschine sowie Gebäudefassade
Zusätzliche Wärme stammt aus zwei Blockheizkraftwerken, Gasbrennwertkessel, Wärmepumpe und Power-to-Heat-Heizelementen
Als Zwischenspeicher dienen Vakuumsuperisolierte Schichtladespeicher (Heißwasser) und High-Volume-Fly-Ash-Betonspeicher (Kalt- und Warmwasser)

Die Fabrik der Zukunft, die schon jetzt existiert

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt haben Optimierungen für typische Abläufe der industriellen Fertigung ausgelotet. Das Ergebnis ist so klar wie beeindruckend: In der industriellen Fertigung lassen sich 45 % der Energie durch Energieeffizienzmaßnahmen einsparen.

Ein Schritt, den viele Unternehmen dennoch nicht gehen. „Unternehmen sind sich ihrer Möglichkeiten oft nicht bewusst und scheuen die Kosten. Das ist eine Hürde“, sagt Thomas Kohne. Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der ETA-Fabrik. ETA steht für „Energietechnologien und Anwendungen in der Produktion“.

Eins zu eins auf reale Produktionsabläufe übertragbar

Der Forscher führt durch die lichtdurchflutete Halle der ETA-Modellfabrik. Das freistehende Gebäude steht etwas außerhalb von Darmstadt, auf einer Wiese am Campus der Technischen Universität. Eine markante Glasfläche ziert die Front, ihre Scheiben sind so geneigt, dass das Licht streut und die Beleuchtung tagsüber eingespart werden kann. Wuchtige Maschinen zu beiden Seiten der Halle bilden einen typischen Ablauf der industriellen Fertigung nach: Wärmebehandeln, Reinigen und Schleifen. In Projektwochen lärmen die Maschinen, an anderen Tagen sind hier vor allem Studierende oder Workshop-Gruppen unterwegs.

Maschinen, Gebäude und die technische Infrastruktur stellen hier eine Einheit dar. Neben Energieeffizienzmaßnahmen an einzelnen Maschinen und Anlagen spiele besonders die thermische Vernetzung eine wichtige Rolle. Im ersten Moment klingt das System, das er beschreibt, komplex. Eigentlich ist es aber ganz einfach - eine Art Puzzlespiel mit Energie.

„Viele unserer Forschungsergebnisse sind durch die realen Bedingungen eins zu eins übertragbar auf Produktionsabläufe in der Realität“, erklärt Kohne.

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.

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

In der exemplarischen Prozesskette der ETA-Fabrik erzeugt der Wärmebehandlungsofen am meisten Abwärme. Sie wird genutzt, indem sie über einen Abgaswärmetauscher Wasser für die Reinigungsmaschine erhitzt.

Die Energie für das Heißwasser der Reinigungsmaschine könnte natürlich auch von anderen Maschinen kommen, die etwas weniger Abwärme produzieren, zum Beispiel von der Werkzeugmaschine. Dann müsste aber eine Wärmepumpe eingebunden werden, um die erforderliche hohe Temperatur zu erreichen.

Im Gegensatz zur Reinigungsmaschine muss eine klassische Werkzeugmaschine gekühlt werden. Dies geschieht über eine Kompressionskälteanlage, die ebenfalls Abwärme erzeugt. Und mit dieser wird wiederum Wasser für das Warmwassernetz erhitzt.

Durch diese simple Vernetzung sinkt der Primärenergieverbrauch erheblich. Die Werkzeugmaschine braucht 38 %, die Reinigungsmaschine 44 % und der Wärmebehandlungsofen 52 % weniger Energie als ohne thermische Vernetzung.

Selbst die Gebäudehülle ist thermisch aktiviert

Die größte Besonderheit steckt in den Wänden, in denen spezielle Kapillarrohrmatten verbaut sind, die Wasser führen. Dank der thermischen Netze kann mit der Abwärme über die Wände geheizt werden.

Gegenüber bestehenden Fabriken hat die ETA-Modellfabrik einen riesigen Vorteil: Sie wurde – auch im übertragenen Sinn - auf die grüne Wiese gebaut. Die Integration der Gebäudehülle konnte direkt mitgedacht werden – genau wie die lichtdurchlässige Glasfront. Aber auch wenn eine Fabrik bereits besteht, ist ganz viel möglich, betont Kohne.

Auf der Internetseite der ETA-Fabrik haben die Forscher einige Best-Practice-Beispiele gesammelt. Wer sich für den Schritt entscheidet, wird auch mit den Kosten nicht allein gelassen: Für Energieeffizienzmaßnahmen existieren zahlreiche staatliche Förderungen.