Möglichkeiten, Potentiale, Hemnisse und

Fraunhofer ISI; FfE (2003): Möglichkeiten, Potenziale, Hemmnisse und
Instrumente zur Senkung des Energieverbrauchs branchenübergreifender
Techniken in den Bereichen Industrie und Kleinverbrauch
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Zusammenfassung
Mit dem Vorhaben soll aufgezeigt werden, welche Energieeinsparpotenziale im
Bereich der Querschnittstechniken in den Sektoren Industrie und Gewerbe, Handel,
Dienstleistungen (GHD) existieren und wie diese erschlossen werden können, um
zur Erfüllung des nationalen Klimaschutzziels, der Minderung der sechs Treibhausgase des Kyoto-Protokolls bis 2008/2012 um 21 %, beizutragen. Dazu wurden im
Projekt für die wichtigsten Querschnittstechniken im Bereich Energieumwandlung
und -verbrauch der technologische Stand und zukünftige Weiterentwicklungen dokumentiert und daraus das technische und wirtschaftliche Potenzial zur Energieeinsparung und damit zur CO2-Minderung ermittelt. Darüber hinaus wurden Hemmnisse und Handlungsdefizite identifiziert, die einer Umsetzung dieser Potenziale entgegenstehen. Der abschließende Überblick beschreibt und bewertet bestehende und
geplante Maßnahmen zur Umsetzung der ermittelten Einsparpotenziale im Bereich
der Querschnittstechniken.
Insgesamt wurden in der Studie ca. 70 % des gesamten Endenergiebedarfs in den
beiden Sektoren abgedeckt. In Tabelle 1 sind die ermittelten technischen und wirtschaftlichen Potenziale der betrachteten Anwendungsbereiche zusammengestellt. In
der Summe ergibt sich ein wirtschaftliches Potenzial von 629 PJ. Zu berücksichtigen sind hierbei jedoch die Überschneidungen in der Anwendbarkeit, auf Grund
dessen sich das kumulierte Potenzial verringert (beispielsweise vermindert eine
verbesserte Wärmedämmung den Heizwärmebedarf und damit das Einsparpotenzial
in der Wärmeerzeugung). Bei den elektrischen Antrieben ist zudem zu berücksichtigen, dass ein Teil des ausgewiesenen Einsparpotenzials sich mit anderen Anwendungen überschneidet. Das Einsparpotenzial für Antriebe von Pumpen, Ventilatoren
und Kompressoren ist dabei mitenthalten. Das kumulierte wirtschaftliche Potenzial
dürfte damit in der Größenordnung von 20 % liegen, bzw. 14 % des gesamten Endenergiebedarfs der beiden Sektoren.
Bei den meisten Techniken liegt das technische Potenzial um einen Faktor zwei
höher, eine Kumulierung zu einem Gesamtpotenzial ist hierbei ebenfalls und noch
verstärkt nicht möglich. Die recht große Differenz zwischen wirtschaftlichem und
technischem Potenzial gibt Anlass zu verstärkten Forschungsanstrengungen. Zusätzlich bedarf es für alle Anwendungsbereiche einer gezielten Aufklärung, damit
die Vorteile beim Einsatz neuer und energiesparender Techniken erkannt und umgesetzt werden.
Absolut gesehen liegen die größten Potenziale im Bereich der Gebäudetechnik und
betreffen damit vor allem den GHD-Sektor. Mit Hilfe einer verbesserten Wärmedämmung ließen sich 128 PJ, mit optimalen RLT-Anlagen 46 PJ und mit optimierter Beleuchtung 32 PJ einsparen. Auch hier gilt es bei einer genaueren Betrachtung
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zu beachten, dass es sich bei einem Gebäuden um ein komplexes System handelt, in
dem sich die Wärmelasten gegenseitig beeinflussen.
Im Industriesektor lassen sich beträchtliche Einsparungen im Bereich der Industrieöfen (84 PJ), und der elektrisch angetriebenen Systeme (Pumpen 19 PJ, Druckluftanlagen 23 PJ, Kälteanlagen 26 PJ) finden.
Tabelle 1:
Zusammenfassung des Energiebedarfs und der ermittelten Einsparpotenziale
1)
Kap. Anwendungsbereich
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
Endenergiebedarf 1999
Anteil am Anwendungsbereich
Industrie
GHD
beide Sektoren
PJ
PJ
PJ
231.1
685.1
916.2
Raumwärme
Konventionelle Wärmeerzeuger zur
Raumheizung und Heißwassererzeugung (einschl. Wärmepumpen)
BHKW und Brennstoffzellen (auch
Mikrogasturbinen)
Kleinverbrauch Nichtwohngebäude
Industrie (nur Przw. <300°C)
Wärmedämmung
Prozesswärme/ WW
1603.1
366.3
Dampf- und Heißwassererzeuger (für
Prozesswärme) bis 50 MWth
Industrieöfen
Trockner
Wärmeübertrager
nicht quantifizierbar
Mechanische Energie
474.0
302.5
Elektrische Antriebe
97%
60%
Pumpen
Druckluftanlagen
Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen
Ventilatoren System
Kälteerzeugung
Beleuchtung
38.1
93.4
Elektrische Beleuchtung
IuK
35.7
35.6
Gesamt
2382
1483
In der Studie abgedeckt
Techn.
Potenzial
Wirtsch.
Potenzial
Wirtsch.
Potenzial
%
%
PJ
12,5%
2)
6%
3)
58
(32 PJ)
(ca. 6%)
14%
128
19%
11%
41
17%
16%
25%
17%
8%
nicht quantifizierbar
84
25
100%
1969.4
776.6
82%
(25%)
(11%)
(24%)
(18%)
(23%)
131.5
100%
71.3
3865
2705
70%
28%
28%
46%
16%
25%
40-60%
33%
32
11%
12-15%
33%
30%
73
19
23
46
18%
26
24%
32
1)
Quelle: IfE (2000)
bezogen auf Raumwärme mit Brennwertkessel
3)
Annahme: 50 % des technischen Potenzials
2)
Beschreibung der Einzeltechniken
Bei den untersuchten Technikbereichen wurden zunächst soweit möglich der Endenergieverbrauch bzw. der Einsatzgrad in den beiden Sektoren ermittelt. Aufbauend
auf einer ausführlichen Betrachtung des Standes der Einzeltechniken und Möglichkeiten zur Energieeinsparung wurde anschließend das technische und das wirtschaftliche Potenzial für Einsparmaßnahmen abgeschätzt. Soweit möglich wurden
die Energiesparpotenziale an Hand von Beispielen dargestellt und erläutert. Die
Zusammenfassung konzentriert sich auf den technischen Stand und die ermittelten
Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung.
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(1)
Konventionelle Wärmeerzeuger zur Raumheizung und
Warmwassererzeugung (einschließlich Wärmepumpen)
Bei den zentralen Wärmeerzeugern sind heute Niedertemperatur- und BrennwertHeizkessel aktueller Stand der Technik. Bei den Heizkesseln für Festbrennstoffe
sind größtenteils Holzfeuerungen anzutreffen, in geringem Umfang auch Koks-,
Braun- und Steinkohlekessel. Mit Wärmepumpen ist es möglich, in einem Kreisprozess der Umgebung Wärme zu entziehen, um sie dann durch Verdichtung des
verdampften Kältemittels auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und zu
Heizzwecken zu verwenden. Übliche Wärmequellen sind Grund- und Oberflächenwasser, Außenluft, Erdreich und die Umwelt (Kombination aus Außenluft, Sonnenstrahlung, Regen und Wasserdampf). Wärmeerzeuger zur Warmwasserbereitung
werden als Durchfluss- oder Speicherwassererwärmer ausgeführt.
Einsparpotenziale bei der Raumwärme resultieren aus der Effizienzsteigerung bei
der Energieumwandlung der Wärmeerzeuger (direkte Maßnahmen) und der wärmetechnische Verbesserung der zu beheizenden Gebäude (indirekte Maßnahmen, s.
Wärmedämmung). Planungsmängel bei der Auswahl und der Auslegung von
Wärmeerzeugern zur Raumwärmebedarfsdeckung und zur Warmwasserbereitung
führen dazu, dass in vielen Gebäuden überdimensionierte, schlecht angepasste und
unzulänglich betriebene Kessel anzutreffen sind, insbesondere bei der kombinierten
Versorgung mit Heizwärme und Warmwasser durch Heizkessel mit Warmwasserspeicher. Auch ursprünglich optimale Auslegungen sind zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen, wenn bei anstehender Sanierung Wärmeschutzmaßnahmen
durchgeführt werden. Für die Anpassung an den veränderten Wärmebedarf stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Dazu zählen Änderung der Vorlauftemperaturen und Umlaufwassermengen, Reduzierung und ggf. Stufung der
Brennerleistung, Anpassung der Kesselleistung und des Warmwasserspeichers bei
Austausch der Kesselanlage, sowie die Modifizierung der Anlagenbetriebsführung.
Weiterhin lässt sich der Betrieb der Heizungsanlagen durch Optimierung der Heizungsanlagensteuerung effizienter gestalten. Eine moderne Regelung lässt sich
flexibel an wechselnde Bedürfnisse in Abhängigkeit von Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind usw. anpassen. Generell kann eine Steigerung der Energieeffizienz durch den Austausch älterer Wärmeerzeuger gegen moderne und leistungsoptimierte Systeme erreicht werden. Durch die Wärmedämmung von Flanschen, Pumpen und Verschraubungen im Rohrnetz lassen sich Verluste vermeiden,
die in etwa das Doppelte der Abstrahlverluste des Kessels betragen.
Um zu einer Abschätzung des technisch realisierbaren Potenzials zu kommen, wurde eine konsequente Nutzung der Brennwerttechnik für die derzeit betreibenen
Systeme angenommen. Brennwertgeräte mit kombinierter Raumwärme- und
Warmwasserbereitstellung verfügen über einen Nutzungsgrad von ca. 95,8 %. Bei
einem angenommenen durchschnittlichen Nutzungsgrad von 83,8 % ließen sich
damit bundesweit 12,5 % einsparen.
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(2) Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen
Unter geeigneten Rahmenbedingungen und bei richtiger Auslegung der Anlagentechnik stellt die gekoppelte Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie
(KWK) in BHKW eine technisch interessante Möglichkeit zur Minderung der CO2Emissionen dar. Der Fokus der Arbeit lag auf kleineren dezentralen Techniken. Bei
BHKW werden hauptsächlich Verbrennungskraftmaschinen, also Diesel- oder
(meist erdgasbetriebene) Otto-Motoren, eingesetzt. Das Spektrum der elektrischen
Leistung liegt zwischen 5 kW und 20 MW. Diesel-Motoren weisen einen höheren
Wirkungsgrad (38-49 %) als Otto-Motoren (25-41 %) auf. Der Wirkungsgrad der
Brennstoffenergieausnutzung für Stromerzeugung und Heizwärmebereitstellung
beträgt 85-95 %. Anfang 1998 waren in Deutschland mehr als 5.000 BHKWAnlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von mehr als 3.000 MW in
Betrieb, hinzu kommen rund 1.000 zusätzlichen Anlagen mit einer zusätzlichen
Leistung von 5,5 MWel für Motorenanlagen unter 10 kWel-Leistung.
In der Brennstoffzelle (BZ) findet eine kontrollierte elektrochemische Reaktion
statt, bei der Wasser bzw. Wasserdampf aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht.
Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die dem Carnot’schen Kreisprozess unterliegen,
weisen sie damit einen potenziell höheren elektrischen Wirkungsgrad auf, der zudem zum Teillastbereich hin sogar ansteigt. Brennstoffzellen sind in Industrie und
Kleinverbrauch auf Grund der frühen Marktphase nur in wenigen Demonstrationsvorhaben aufzufinden. Mikrogasturbinen sind kleine Gasturbinen mit elektrischen
Leistungen von 28 bis zu 200 kW, die auf Grund ihrer einfachen Konstruktion relativ geringe spezifische Investitions-, Betriebs- und Instandhaltungskosten aufweisen. Sie wurden für stationäre dezentrale Anwendungen entwickelt und haben in
den letzten Jahren eine äußerst dynamische Entwicklung hin zu marktfähigen Produkten vollzogen. Die Anlagen weisen elektrische Wirkungsgrade von 25 bis 30 %
auf, im KWK-Betrieb erreichen die Turbinen Brennstoffausnutzungen von 70 bis
85 %.
Das theoretische Potenzial für den Einsatz von KWK in Industrie und Kleinverbrauch ist nicht gebäudespezifisch, sondern hypothetisch allein durch den Stromund Wärmebedarf dieser Bereiche gekennzeichnet. Das technische Potenzial wird
über die Anzahl der zentralbeheizten Gebäude und Prozesswärmeanwendungen
unter der Bedingung einer gleichzeitigen Bedarfsstruktur von Strom und Wärme
bestimmt. Unter sehr günstigen Rahmenbedingungen lassen sich durch BHKWEinsatz in Wohn- und Nichtwohngebäuden rund 28 % des gesamten Wärmebedarfs
im Bereich Raumwärme und Warmwasser einsparen. Damit ergibt sich für den
Nichtwohngebäudebereich ein technisches BHKW-Potenzial von 558 PJ. Bis 2020
könnte davon ein wirtschaftliches Basispotenzial von ca. 32 PJ ausgeschöpft werden. In der Industrie errechnet sich das theoretische Potenzial zu 670 PJel, das technische Potenzial zu 504 PJel, bzw. bezogen auf die Wärmeerzeugung zu 194 PJth.
Der wirtschaftliche Durchsetzungsgrad lässt sich bei den derzeitigen Strompreisen
nicht abschätzen.
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(3) Wärmedämmung
Der Abschnitt beschäftigt sich mit dem Einsparpotenzial durch energetische Gebäudesanierungen, wie beispielsweise Wand- und Dachdämmungen oder Austausch
von Fenstern. Auf Grund der größeren Relevanz lag das Hauptaugenmerk auf den
Reduktionspotenzialen, die sich durch Wärmedämmungen an Gebäuden des Kleinverbrauchs erzielen lassen. Um den Energieverbrauch bestimmten Verbrauchern
detailliert zuordnen zu können und um daraus Aussagen über Einsparpotenziale
abzuleiten, wurde der Gebäudebestand an Hand von 28 Typgebäuden klassifiziert:
21 für die alten Bundesländer bis 1995 bzw. Gesamtdeutschland, 7 für die neuen
Bundesländer bis 1995. Relevant sind vor allem Stadthäuser mit Läden und/oder
Büros sowie Krankenhäuser, die über 45 % des gesamten Heizwärmebedarfs des
Kleinverbrauchs in Deutschland ausmachen.
Aufbauend auf dem Ist-Zustand wurden für jedes Typgebäude Maßnahmenbündel
festgelegt, die zu einer Reduzierung des Wärmebedarfs führen (Maßnahmen s.
Tabelle 2). Das technische Einsparpotenzial bewegt sich zwischen 5 % für den
Austausch der Schaufenster bei den geeigneten Typgebäuden (Fes1), und 47 % für
eine Komplettsanierung aller Gebäude des Kleinverbrauches. Eine einfache Variante der Komplettsanierung mit einem Austausch der Fenster und Schaufenster sowie einer Dämmung der gesamten Gebäudehülle (Fes1, Fe2, Da1, Kd1, Aw1) ergäbe ein Einsparpotenzial von mehr als 30 %.
Tabelle 2:
Wärmetechnischen Sanierungsmaßnahmen an der Gebäudehülle
Kürzel
Fe1
Fe2 (Fe3)
Fes1 (Fes2)
Da1 (Da2)
Aw1 (Aw2)
Kd1 (Kd2)
Kw1
Maßnahmenkurzbeschreibung
Fensteraustausch mit Isolierverglasung UF = 1,4 W/m2K
Fensteraustausch mit Wärmeschutzverglasung UF = 1,4 (1,0) W/m2K
Schaufensteraustausch mit Isolierverglasung UF = 1,4 (1,0) W/m2K
Steildach: Aufsparrendämmung, 8 (14) cm
Flachdach: Dämmung auf vorhandene Dachhaut, 6 (12) cm
Innendämmung, 4 (8) cm Außendämmung, 8 (12) cm
Wärmedämmung auf Deckenunterseite 4 (8) cm
Wärmedämmung an der Bauwerkssohle, 6 (10) cm
Kellerwand, Innendämmung, 4 cm
Ca. 20 bis 25 % der Gebäude könnten mit Differenzkosten von rund 50 €/m² so
saniert werden, dass eine Sanierung im Rahmen der Renovierungszyklen auch wirtschaftlich sinnvoll sein dürfte. Beim größten Teil der älteren Gebäude können mit
Differenzkosten von unter 100 €/m² Einsparungen von mehr als 40 kWh/m²a realisiert werden, was einer einfachen Komplettsanierung (Fes1, Fe,. Da1, Kd1) entspricht. Wird dagegen außerhalb der Renovierungszyklen saniert, so liegen die
Kosten für die Dämmmaßnahmen in vielen Fällen bei über 100 €/m², so dass bei
einer Einsparung von weniger als 60 kWh/m²a nicht mit einer wirtschaftlichen Abwicklung der Maßnahmen zu rechnen ist. Das prozentuale Reduktionspotenzial in
der Industrie bewegt sich in der gleichen Größenordnung wie im Kleinverbrauch.
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(4) Dampf- und Heißwassererzeuger (für Prozesswärme) bis 50 MWth
Circa ein Drittel des gesamten Prozesswärmebedarfs in Industrie und Kleinverbrauch wird im Temperaturbereich bis 350 °C nachgefragt und entweder in
Form von Prozessdampf verschiedener Temperaturen, von Heißwasser oder von
heißem Öl in Kesselanlagen erzeugt. 1998 wurden in der Industrie gut 335 PJ Nutzenergie in Form von Dampf bis 350 °C zu Prozesszwecken benötigt, im Kleinverbrauch sind rund 7 PJ explizit ausgewiesen. Bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 88 % entspricht das einem Endenergieeinsatz von rund 380 PJ, der
nahezu ausschließlich durch Brennstoffe gedeckt wird.
Der Großwasserraumkessel ist in seiner Ausprägung als Flammrohr/Rauchrohrkessel mit einem Flammrohr der am häufigsten verwendete Kessel in den Sektoren
Industrie und Kleinverbrauch im Leistungsbereich von einigen t/h bis zu 15 t/h.
Anzahl- und leistungsbezogen stellt der Flammrohrkessel über 90 % der Großwasserraumkessel zur Dampf/Heißwassererzeugung. Großwasserraumkessel weisen
derzeit Wirkungsgrade von 89-90 %, mit Economizern 94-95 % auf. Für Anwendungen mit höherem Dampfbedarf als etwa 50 t/h und höheren Drücken als 20 bar
werden Wasserrohrkessel eingesetzt. Wasserrohrkessel weisen Wirkungsgrade von
94-95 % auf. Das Teillastverhalten des Wasserrohrkessels mit Naturumlauf ist ungünstiger als das eines Großwasserraumkessels. Anders als Großwasserraumkessel
beruhen Schnelldampferzeuger auf dem Wasserrohrprinzip, d. h. das Speisewasser
wird im Durchlauf erhitzt und verdampft. Die Wirkungsgrade liegen bei 87-88 %
ohne und 92-93 % mit Economizern.
Die Technik der Dampferzeugung ist hochentwickelt und lässt bei heute erreichbaren Wirkungsgraden von 94 % für die Zukunft nur noch marginale technische Verbesserungen erwarten. Economizer dienen als Wärmetauscher, die den noch heißen
Rauchgasen hinter dem Kessel einen Teil der restlichen Wärme entziehen und dem
Speisewasser zuführen. Stufenlose Brennerregelungen erlauben, den Brenner in
weiten Teillastbereichen zu fahren statt die Teillast durch An- und Abschalten des
Brenners anzusteuern. Die O2-Regelung misst ständig den O2-Anteil im Abgas des
Kessels und regelt die Luftzufuhr zurück, falls der O2-Anteil den Sollwert übersteigt. Als Techniken mit zukünftigem Potenzial sind die Wirbelschichttechnik
und die Brennwerttechnik zu nennen. Zur Anwendung der Brennwerttechnik wird
in die Rauchgase nach dem Economizer ein weiterer Wärmetauscher eingeschaltet,
der die Rauchgase unter die Kondensationstemperatur abkühlt. Die Brennwerttechnik wird daher in erster Linie bei Gasfeuerungen eingesetzt, wobei Wirkungsgrade
von 104 % (bezogen auf den Heizwert) erreicht werden. Die Kosten sind etwa 1,5
bis 2 mal höher als für einen normalen Economizer.
Da die Nutzungsgrade deutlich unter den erreichbaren Wirkungsgraden liegen, bestehen in der Summe Einsparpotenziale von rund 12 %. Diese liegen vor allem bei
der weiteren Verbreitung der Brennwerttechnik, der verstärkten Nutzung moderner
Economizer sowie in der verbesserten Wärmedämmung.
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(5) Industrieöfen
Industrieöfen werden in der Industrie zu thermischen Prozessen wie Brennen,
Schmelzen, Erwärmen zu Guss- und Verformungszwecken, Wärmebehandeln, Sintern und Kalzinieren benötigt. Im Kleingewerbe spielt der Einsatz von Öfen vor
allem bei Bäckereien, bei Glas- und Steingutherstellern und im Metallgewerbe eine
nennenswerte Rolle. In Deutschland werden jährlich ca. 300 PJ in Industrieöfen mit
branchenübergreifendem Charakter verbraucht. Dieser Endenergieverbrauch teilt
sich zu knapp 80 % auf Brennstoffe und zu über 20 % Strom auf.
Herzstück eines Industrieofens ist das Brennersystem. Standardbrenner werden
dann eingesetzt, wenn größere Undichtigkeiten im Ofensystem sind und/oder nicht
genügend Ofenraum für einen höheren Verbrennungsgasimpuls zur Verfügung
steht. Hochgeschwindigkeitsbrenner unterscheiden sich von herkömmlichen Brennern durch die höhere Ausströmgeschwindigkeit der Verbrennungsgase. Bei Strahlungsbrennern erfolgt die Wärmeübertragung primär durch Strahlung. In verschiedenen Fällen muss aus technologischen Gründen ein Kontakt der Verbrennungsgase
mit dem Wärmgut vermieden werden. Dies erfordert eine indirekte Beheizung des
Industrieofens durch Strahlheizrohre. In den letzten Jahren erfolgte eine stetige
Weiterentwicklung von Brennern unter dem Gesichtspunkt der Emissionsminderung. Wichtige Brennertypen sind dabei der weiterentwickelte Hochgeschwindigkeits- bzw. Hochimpulsbrenner, der Rekuperator- und der Regeneratorbrenner sowie der FLOX-Brenner (FLOX = flammenlose Oxidation).
Wärmedämmstoffe dienen bei der Feuerfestauskleidung thermischer Industrieanlagen dem Ziel der Senkung der Wärmeverluste und der Reduzierung der Oberflächentemperatur der Ofenwände. Für eine optimale Prozessführung gewinnt die modellgestützte Steuerung zunehmend an Bedeutung. Wärmerückgewinnung im
Prozess geschieht in erster Linie durch Nutzung der in den heißen Abgasen enthaltenen Abwärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und/oder des Brenngases.
Bei einer Prozesstemperatur von 1000 °C beträgt der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ohne Luftvorwärmung 50 %, dagegen bei einem Vorwärmgrad von
ε = 0,65 rund 80 %. Durchschnittlich liegt der feuerungstechnische Wirkungsgrad
bestehender Industrieöfen bei ca. 60 %. Der Einsatz von sauerstoffangereicherter
Verbrennungsluft stellt per se keine Energieeinsparung dar. Auf Grund des reduzierten Abgasvolumenstroms lassen sich die Abgasverluste jedoch erheblich reduzieren und damit der Energiebedarf senken. Bei einer Abgastemperatur von 400 °C
und einer Luftzahl λ=1 ergibt sich für die Verbrennung mit Sauerstoff eine relative
Brennstoffeinsparung von ca. 20 %. Das Prinzip der permeablen Strahlungswände führt zu einer realisierbaren Energieeinsparung im Bereich von ca. 2-5 % bei
einer gleichzeitigen Leistungssteigerung des Ofens. Die neue Ofengeneration hebt
sich durch eine Reduktion des Energieverbrauchs um bis zu 30 % vom derzeitigen
Stand ab. Obwohl in vielen Fällen wirtschaftlich, setzen sich die beschriebenen
Maßnahmen nur graduell durch, in der Regel nur bei Neuanschaffungen und im
Zuge von Nachrüstungen.
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(6) Trockner
Zu den Trocknungsprozessen zählt sowohl die Entwässerung mittels mechanischer
Energie als auch die Trocknung mittels thermischer Energie. Die im Folgenden
verwendete Bezeichnung „Trocknungsprozesse“ schließt jedoch die mechanische
Entwässerung mit ein. In Deutschland werden jährlich über 300 PJ Endenergie für
Trocknungsprozesse verwendet. Mit Abstand größter Verbraucher unter den Trocknungsprozessen ist die Papierherstellung. Weitere Schwerpunkte liegen bei der
Holz-, Ziegel-, Zucker-, Asphalt- und Textilherstellung sowie der Lack- und der
Getreidetrocknung. Trockner lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien einteilen,
z. B. der Art der Energiezufuhr zum Gut (Konvektion/ Strahlung), der Art der Gutförderung im Trocknungsraum (Kammertr./ Durchlauftr.) oder der Art des Heizmittels (Brennstoffe/ Strom).
Auf Grund der wesentlich geringeren Trennarbeit von mechanischen gegenüber
thermischen Verfahren ist eine weitgehende mechanische Vorentwässerung anzustreben. In der Regel lassen sich die meisten Produkte bis zu einem mittleren
Feuchtegrad von 40 bis 70 % mit mechanischen Verfahren vorentwässern. Eine
rechnergestützte Prozesssteuerung kann gegenüber einer herkömmlichen, empirischen Regelung Einsparungen von 5 bis zu 10 % bewirken. Auf Grund der ohnehin
meist niedrigen Prozesstemperaturen bei Trocknungsvorgängen und der bereits guten Wärmedämmung der am Markt angebotenen Trockner sind nur noch geringfügige Verbesserungen der Wärmedämmung zu erwarten. Eine Wirkungsgraderhöhung der Wärmebereitstellung durch verbesserte Brennertechnik weist – wie
bei der Wärmedämmung – auf Grund der vergleichsweise niedrigen Prozesstemperaturen nur geringe Einsparpotenziale auf, da die beachtlichen Entwicklungsfortschritte moderner Hochleistungsbrenner sich in der Regel auf Hochtemperaturanwendungen beziehen. Bei Mikrowellentrocknern kann in den meisten Fällen die
Verlustleistung der Anlage teilweise für den Prozess genutzt werden, indem die
Abwärme dieser Komponenten in Form erwärmter Kühlluft durch den Applikationsraum geführt wird. Umluft in Konvektionstrocknern bewirkt, dass nur jeweils
soviel Zuluft von Raumtemperatur auf Arbeitstemperatur aufgeheizt werden muss,
wie für die Abführung der verdampften Wassermenge benötigt wird. Eine verstärkte Abwärmenutzung aus gekoppelten HT-Wärmeprozessen bietet sich auf
Grund des niedrigen erforderlichen Temperaturniveaus für Trocknungsprozesse
häufig an. Besonders die direkte konvektive Trocknung ist prädestiniert für gekoppelte Prozesse, weil die Abgase von Gasmotoren und Gasturbinen oder die Abgaswärme aus anderen industriellen Thermoprozessen genutzt werden können.
Die größten relativen technischen Einsparpotenziale existieren bei der Produktion
von Kalirohsalz, Waschmittelpulver, Zucker und Milchprodukten sowie bei der
Kohletrocknung. Absolut gesehen kommt dem Minderungspotenzial bei der Papiertrocknung besondere Bedeutung zu. Insgesamt existiert bei den Trocknungsprozessen ein technisches Einsparpotenzial von rund 17 %. Knapp die Hälfte der Maßnahmen ist heute bereits wirtschaftlich.
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(7) Wärmeübertrager
Wärmeübertrager (Wärmetauscher) sind eine Querschnittstechnik, die in allen stationären und mobilen Anwendungssektoren zum Einsatz kommt. Sie dienen der gezielten Zustandsänderung von Fluiden, d. h. Kühlen, Erwärmen, Ändern des Aggregatzustands und/oder sonstiger physikalischer Eigenschaften. Wesentliche Unterscheidungsmerkmale von Wärmetauschern sind die Bauart (Rohrbündel-, Platten-,
Spiral-, Lamellen-WT), die Art der Wärmeübertragung (direkt/ indirekt), der Aggregatzustand der Fluide (mit/ ohne Phasenänderung), die Betriebsweise (kontinuierlich/ disk.) und Temperatur und Druck. Die Betrachtung begrenzt sich auf Wärmetauscher für die Abwärmenutzung. Von der in der Industrie konzentriert anfallenden Abwärme (44 %) liegt rund die Hälfte im gut nutzbaren Temperaturbereich
zwischen 150 und 500 °C, ein Viertel sogar bei über 500 °C vor.
Rohrbündel-Wärmetauscher haben auf Grund ihrer universellen Verwendbarkeit
den größten Marktanteil aller Wärmetauscher. Sowohl hinsichtlich des Preises wie
der Wärmeübergangskoeffizienten ist für die Zukunft mit keiner wesentlichen Entwicklung zu rechnen. Platten-Wärmetauscher haben den Vorteil, dass die Strömungskanäle für beide Medien getrennt optimiert werden können, dadurch lassen
sich geringere Plattendicken und damit preisgünstigere Wärmetauscher mit höheren
Wärmedurchgangskoeffizienten realisieren. Bei Wärmerohraustauschern sind keine
wesentlichen technischen Entwicklungen zu erwarten, allerdings eignen sie sich
wegen ihrer kompakten Abmessungen sehr gut für den nachträglichen Einbau zur
Wärmerückgewinnung in bestehende Systeme. Auch rotierende regenerative Wärmetauscher können auf Grund ihrer kompakten und preisgünstigen Bauweise einen
größeren Marktanteil erreichen.
Die Beschreibung der Einsparmaßnahmen ist lediglich qualitativ möglich, da es
über den Bestand an Wärmetauschern keine belastbaren Informationen gibt, und die
Überschneidungen mit anderen Bereichen sehr groß sind.
Durch geeignete Konstruktion und Materialauswahl kann die Effizienz der
Wärmetauscher gesteigert werden. Bei der Wahl des Werkstoffes und der Konstruktion spielen aber auch Preisfragen und mechanische Beanspruchungen eine
große Rolle. Die übertragene Leistung im Wärmetauscher hängt wesentlich von der
Wärmetauscher-Fläche ab. Die Wärmetauscher-Fläche kann durch Rippen vergrößert werden (z. B. Rippenrohr-Wärmetauscher, Lamellen-Wärmetauscher). Dies
bietet sich vor allem bei niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten (z. B. GasWärmetauscher) an. Durch Verschmutzung der Wärmetauscher-Fläche wird der
Wärmeübergang verringert. Verschmutzungen können durch entsprechende Werkstoffe, Bauformen und Betriebsbedingungen verringert oder regelmäßig mittels automatischen Reinigungssystemen entfernt werden. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten oder verstärkte Turbulenz in der Strömung wird der Wärmeübergangskoeffizient vergrößert. Turbulenzen können durch eine Prägung der Wärmetauscher-Platten oder durch Umlenkeinbauten erzeugt werden.
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(8) Elektrische Antriebe
Ein Großteil des gesamten Stromverbrauchs wird für mechanische Energie in elektrischen Antrieben benötigt. Für den Betrieb am Gleichstrom-, Wechselstrom- und
Drehstromnetz wurde eine Vielzahl von Motorbauarten entwickelt. 60 % der Motoren (entsprechend 86 % der installierten Leistung) werden mit Drehstrom betrieben,
Wechselstrommotoren finden sich vor allem in Haushaltsgeräten. Es lassen sich
Gleichstrommaschinen (GSM), Asynchronmaschinen (ASM) und Synchronmaschine (SM) unterscheiden. Ca. 70 % der in Deutschland produzierten Elektromotoren
sind Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer.
Stellglieder der modernen Antriebstechnik ermöglichen Drehzahländerungen über
den gesamten Drehzahlbereich eines Motors. Bei Drehstromantrieben spricht man
von Frequenzumrichtern, bei Gleichstromantrieben von Stromrichtern. Frequenzumrichter setzen die nach Amplitude und Frequenz konstante Netzspannung in ein
dreiphasiges Spannungssystem variabler Frequenz und Amplitude um. Stromrichter
wandeln die Drehstrom-Eingangsspannung in eine variable Gleichspannung um.
Hohe Teillastanteile auf Grund zu großer Auslegung von Motoren sind an der Tagesordnung. Bei Teillastbetrieb werden aber viele Aggregate nicht durch Frequenzrichtung geregelt, sondern gedrosselt, was hohe Verluste mit sich bringt.
Für die Erhöhung des Motorwirkungsgrades existieren verschiedene Ansätze zur
Reduzierung von elektrischen, magnetischen und mechanischen Verlusten. Damit
lässt sich ein jährliches Einsparpotenzial von 1,4 % sich erzielen. Die rasante Verbesserung von Zuverlässigkeit, Robustheit und regelungstechnischen Eigenschaften
leistungselektronischer Bauteile, verbunden mit einem rapiden Preisverfall der Geräte von ca. 8-10 % pro Jahr, eröffnete einen Markt für hochwertige Motorsteuerungen/-regelungen auch im Mittelpreissegment. In vielen Fällen werden Motoren
auf Grund von Unkenntnis der genauen Anforderungen oder standardmäßiger Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages zu groß ausgelegt. Damit wird der Antrieb überwiegend in Arbeitspunkten betrieben, die weit unterhalb des Bestpunktes
der Anlagen liegen. Mittlere Auslastungen bis hinunter zu 60 % sind übliche Werte.
Daher besteht im Einzelfall alleine durch optimierte Auslegung – ohne Verwendung wirkungsgradoptimierter Geräte – ein Einsparpotenzial von 10 % und mehr.
Weitere Energieeinsparungen können durch Abschalten in Leerlaufphasen erzielt
werden. Einfach umzusetzen ist diese Maßnahme beispielsweise bei Heizungsumwälzpumpen nachts sowie außerhalb der Heizperiode, oder bei Werkzeugmaschinen
in Pausenzeiten.
Das technische Einsparpotenzial beträgt insgesamt rund 28 TWh. Das wirtschaftliche Potenzial ist auf Grund der Tatsache, dass – abhängig von der Lebensdauer und
der jährlichen Laufzeit des Motors – die Stromkosten bis über 95 % der Lebenszykluskosten eines Elektromotors ausmachen, sehr groß. Unter Berücksichtigung
wirtschaftlicher Faktoren kann das wirtschaftliche Potenzial in der Industrie 15,7
TWh und das des Kleinverbrauchs 4,4 TWh geschätzt werden.
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(9) Pumpen
Pumpen haben auf Grund der großen Anzahl im Einsatz einen entscheidenden Anteil am Stromverbrauch. Schätzungen zufolge entfällt auf Pumpen etwa ein Drittel
des gesamten industriellen Stromverbrauchs. Der Arbeitspunkt einer Pumpe wird
durch die gewünschte Druckerhöhung und den geförderten Volumenstrom bestimmt. Die Angabe zur Druckerhöhung erfolgt häufig als Förderhöhe H (der Druck
einer Flüssigkeitssäule der entsprechenden Höhe); der Förderstrom wird in der
Pumpentechnik üblicherweise mit Q bezeichnet. Diese beiden Auswahlgrößen gelten als die wichtigsten Parameter. Weitere Auswahlkriterien sind die Einsatzgebiete, das Fördermittel und die Nenndrehzahl.
Im Allgemeinen kann in einer Anlage nicht von konstanten Betriebsverhältnissen
ausgegangen werden. Dauerhafte Änderungen im Bedarf einer Anlage und Bedarfsschwankungen bewirken ein Verschieben des Arbeitspunktes. Entsprechend muss
entweder die Pumpenkennlinie (z. B. durch Drehzahlregelung) oder die Anlagenkennlinie (z. B. durch Drossel- oder Bypassregelung) verändert werden. Die Drosselregelung stellt bezüglich der Investitionskosten eine günstige Regelungsart dar,
verursacht auf Grund der Verluste jedoch hohe Betriebskosten. Deshalb sollte die
Drosselregelung grundsätzlich nur bei kleinen Pumpenleistungen oder bei kurzzeitigem Teillastbetrieb angewandt werden. Bei der Bypassregelung wird ein variabler
Teil des Förderstromes im Bypass vom Pumpenausgang direkt wieder an den Pumpeneingang zurückgeführt. Während bei Drossel- und Bypassregelung die für den
Förderprozess selbst nicht nutzbare hydraulische Leistung als Zusatzverlust anfällt,
erzeugt eine drehzahlgeregelte Pumpe nur die gewünschte hydraulische Leistung.
Im Gegensatz zu o.g. Regelverfahren wird bei der Drehzahlregelung nicht die Anlagenkennlinie, sondern die Pumpenkennlinie verändert.
Das wirtschaftliche Einsparpotenzial für Pumpen liegt bei 12-15 %, das technische
Einsparpotenzial bei rund 25 %. Möglichkeiten zur Nutzungs- und Wirkungsgradverbesserung von Pumpen bestehen in einer Optimierung der Strömungsverhältnisse, einer Verbesserung der Regelung, einer verbesserten Anpassung des Motors an die Pumpe und an die Förderaufgabe sowie einer günstigeren Dimensionierung und Auslegung des Rohrnetzes. Das größte Verbesserungspotenzial liegt
bei niedrigen spezifischen Drehzahlen. Der Wirkungsgrad lässt sich um fast
6 Prozentpunkte verbessern, wenn Dichtungslücken auf 0,1 mm verkleinert werden.
Dadurch werden interne Leckageströme minimiert. Verbesserte Planungsmöglichkeiten und Mittel zur Erfassung der Rohrnetzparameter und Förderdaten im Betrieb
lassen künftig bessere Ausgangsdaten für die Pumpenauswahl erwarten. Die Möglichkeiten der elektronischen Regelung der Antriebsdrehzahl stellen ein wirkungsvolles Instrument für eine korrigierende Pumpenanpassung an statische Betriebspunkte dar und erschließen zudem die Option der Anpassung auf dynamisch variierende Förderströme. Damit kann der Energieverbrauch erheblich reduziert werden.
Durch die Entwicklung der Leistungselektronik können zunehmend kleinere Einheiten mit Drehzahlregelung ausgestattet werden.
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(10) Druckluftbereitstellung
Die Anwendungsmöglichkeiten der Druckluft sind sehr vielfältig: Spannen und
Klemmen, Transport, Pneumatische Antriebe, Spritzen, Blasen, Pneumatische Prüfund Kontrollverfahren und Kontrolleinrichtungen. Die Bereitstellung von Druckluft
erfordert je nach Anforderung und Mengenbedarf ein umfangreiches System, aufgebaut aus Antrieb und Kompressor, Aufbereitung, Verteilung und Anwendung.
Für die Drucklufterzeugung stehen je nach gewünschtem Volumenstrom und Druck
unterschiedliche Verdichterbauarten zur Verfügung. Kompressoren lassen sich in
dynamische und Verdrängungsverdichter aufteilen. Die passende Regelungsart ergibt sich aus den vorherrschenden Betriebsbedingungen. Aussetzregelungen sind
vergleichsweise effizient, durch häufige Schaltungen wird der Motor aber stark beansprucht. Daher wird diese Regelung vor allem bei einfachen und relativ kontinuierlichen Lastzuständen verwendet. Eine Drehzahlregelung kommt dem Idealverlauf
einer proportionalen Veränderung von Volumenstrom und Leistungsaufnahme am
nächsten, ist aber nur für Spitzenlastkompressoren sinnvoll, dagegen weist die
Drosselregelung über einen weiten Regelbereich kaum Leistungsminderungen auf.
Bei einer Kompressorstation, die aus mehreren Kompressoren besteht, lässt sich
eine übergeordnete Steuerung anwenden, entweder mittels Druckkaskade oder mittels Druckband. Bei der Auswahl der Kompressoren sollte Überdimensionierung
vermieden werden, da die Kompressoren sonst ständig abseits ihres optimalen
Auslegungspunkts arbeiten, und durch Teillast ein erhöhter Energiebedarf entsteht.
Die Aufbereitung der Druckluft erfolgt mittels Filter und Trockner und sollte je
nach Anwendungsgebiet angepasst werden. Die Aufgabe des Druckluftnetzes besteht darin, die Luft vom Kompressorraum zur Druckluftanwendung ohne Einbußen
bei Qualität, Volumen und Druck zu transportieren. Aus energetischer Sicht ist bei
der Ausgestaltung des Druckluftnetzes vor allem auf möglichst minimale Druckverluste und Leckagevermeidung zu achten. Der mit Abstand größte Effizienzgewinn ergibt sich in der Regel durch die Beseitigung der Leckagen im Druckluftnetz.
Auf Grund des geringen Nutzungsgrades – nur etwa 4 bis 8 % der Endenergie werden in mechanische Expansionsarbeit umgesetzt – ergeben sich große Einsparpotenziale bei Druckluftsystemen. Die Leitgrundsätze bei der Optimierung der
Druckluftbereitstellung sind Vermeidung von Leckagen und unnötigem Druckabfall sowie regelmäßige Wartung und Instandhaltung, Vermeidung des unnötigen Verbrauchs (Abschalten, richtiger Auslegung der Anlage) und Senkung des
spezifischen Nutzenergiebedarfs (Regelung, Wärmenutzung).
Ein Großteil der elektrischen Leistungsaufnahme eines Luftkompressors wird in
Wärme umgewandelt, die im Grundsatz rückgewinnbar ist. Mit einer Wärmerückgewinnung kann die entstehende Abwärme des Kompressors an anderer Stelle genutzt werden. Die zurückgewonnene Wärme fällt überwiegend bei 60 bis 80 °C an
und daher kann nicht in jedem Fall wirtschaftlich weiterverwendet werden.
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(11) Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen
Lüftungs- und Klimatechnik hat das umfassende Ziel, den Zustand der Raumluft
hinsichtlich Reinheit, Temperatur und Feuchte innerhalb bestimmter Grenzen zu
halten. Die Raumlufttechnik untergliedert sich in freie Lüftung und raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen). Je nach Anzahl der thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen Heizen, Kühlen, Be- oder Entfeuchten spricht man von einer
Lüftungsanlage, einer Teilklimaanlage oder einer (Voll-) Klimaanlage. Zur weiteren
Klassifizierung wird das Kühlmedium (Luft bzw. Luft-Wasser), die Bauart (EinKanal, Zwei-Kanal, Induktion) und die Betriebsweise (konstanter oder variabler
Volumenstrom) herangezogen.
Neben dem Transport der zur Belüftung des Raumes notwendigen Luft mit Hilfe
von Ventilatoren gehört die Erwärmung und Kühlung der Außenluft zu den zentralen Aufgaben einer lufttechnischen Anlage. Die Luft wird dabei entsprechend den
Anforderungen mit Hilfe von Anlagen zur Wärme- und Kältebereitstellung konditioniert. Bei Klimaanlagen wird zwischen Luft-Systemen und Luft-Wasser-Systemen
unterschieden. Bei Luft-Klimaanlagen wird die Luft in einer Zentrale aufbereitet
und durch Kanäle in die zu klimatisierenden Räume gefördert. Beim Einkanalsystem, sind alle Funktionen der Luftkonditionierung in einer Zentrale zusammengefasst. In einem Zweikanalsystem wird die gekühlte und die rückgeführte erwärmte
Luft vor Ort in einem Mischkasten entsprechend den Anforderungen des Raumes
gemischt. Bei den Luft-Wasser-Klimaanlagen wird im Raum mit Hilfe eines wassergespeisten Wärmetauschers die Raumluft gekühlt. Es ist außer dem Luftkanalnetz auch die Installation eines Kühlwassernetzes erforderlich. Mulitsplit-Systeme
verbinden mehrere Indoor-Einheiten mit einer Outdoor-Einheit.
Die Wahl des Antriebs, die Zu- und Abströmbedingungen, das Bauvolumen sowie
die Regelfähigkeit und die Stabilität des Ventilators beeinflussen die Funktion und
die energetische Effizienz einer Klimaanlage wesentlich. Als optimale Kombination
stellte sich im Vergleich die Kombination von Verbesserung der Kühlrippenkonstruktion, verbesserte Konstruktion des Kühlrohrs und Hinzufügen zweier
Kühlrohre heraus.
Folgende Maßnahmen können zur Effizienzsteigerung von Ventilatoren beitragen:
Die Optimierung der Regelung erfolgt über den Einsatz von Regelungssystemen,
optimierte Planung der Betriebsweise und Nachfragesteuerung; der Antrieb lässt
sich mittels hocheffizienter Motoren und der richtigen Motorenauswahl verbessern; der Wechsel von V-Riemenantrieb zu Direktantrieb oder FlachRiemenantrieb verbessert die Verbindung von Antrieb und Ventilator; bei der
Luftverteilung kann durch ein verbessertes Kanalsystem Einsparungen erzielt
werden, und schließlich hilft bei der Optimierung des Gesamtsystems die energiebewusste Auswahl sowie richtige Wartung und Instandhaltung von Ventilatoren
und Systemkomponenten. Es ergibt sich ein Gesamteinsparpotenzial – je nach
Branche – von 20 bis 25 %.
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(12) Kälteerzeugung
Die wesentlichen Anwendungsgruppen für Prozesskälte sind Erzeugung, Lagerung,
Transport und Verkauf von Nahrungsmitteln, und Industriekälte (Chemische Industrie, Tieftemperaturtechnik, Labors). Die Industriekühlung ist hinsichtlich des Kälteeinsatzes stark heterogen strukturiert. Der Temperaturbereich reicht von etwa 4 K
bis zu annähernd Umgebungstemperatur. Ca. 38 % der erzeugten Kälteleistung entfallen allein auf die Chemie (vor allem zur Gasverflüssigung). Die gewichtete mittlere Temperatur der Kälteerzeugung liegt bei –182 °C.
Zur Realisierung des Kältekreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf
unterschiedlichen physikalischen Vorgängen beruhen. Beim KompressionsKälteprozess erfolgt die Verdichtung des Kältemitteldampfes auf mechanischem
Wege. Das Kältemittel ist der Stoff, der in einer Kühlanlage zirkuliert, in ihr verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Als Kältemittel eignen sich FKWs und
FCKWs, Ammoniak, Propan, CO2 und Wasser. 90 % aller installierten Anlagen
arbeiten nach dem Prinzip des Kaltdampf-Kälteprozesses. Bei AbsorptionsKälteprozessen wird der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf nicht mechanisch verdichtet, sondern beim niedrigen Verdampfungsdruck von einem Lösungsmittel aufgenommen. Üblich sind Wasser/Lithiumbromidlösung und Ammoniak/Wasser. Auf dem Markt befindlich sind bisher einstufige (single effect) und
zweistufige (double effect) Bauarten. Letzter erzielen ein günstigeres Wärmeverhältnis, sind jedoch aufwändiger und bedürfen höherer Heiztemperaturen bzw.
Dampfdrücke.
Kälteanlagen tragen sowohl indirekt durch das bei der Erzeugung der Antriebsenergie entstehende CO2 als auch direkt durch die ungewollte Freisetzung von Kältemitteln zum Treibhauseffekt bei. Grob lässt sich das wirtschaftliche Gesamtpotenzial auf rund 18 % abschätzen. Die größten Effekte sind durch verbesserte Systemlösungen, durch drehzahlgeregelte Verdichter sowie durch eine konsequente Wartung
und Reinigung zu erzielen. Der technische Zustand der Kälteanlagen lässt sich
durch Sauberkeit und Regelbarkeit von luftgekühlten Verflüssigern, die Dichtheit
der Kälteanlagen und damit die optimale Kältemittelfüllung sowie die bedarfsgerechte, vollständige Abtauung luftbeaufschlagter Verdampfer verbessern. Mit einer
gezielten Wärmerückgewinnung lassen sich mindestens 45 % der Kühlenergie mit
geringem technischem Aufwand für die Brauchwassererwärmung bis 45 °C nutzen.
Die Anwendung ist wegen des Temperaturniveaus beschränkt. Ein weiterer Ansatz
ist die Reduzierung des Kältebedarfs der Anwendung durch besseres Design und
verbesserte Wärmedämmung. Verbesserungspotenzial im Industriekältebereich
besteht vor allem in der Optimierung von Systemlösungen. Auf der Grundlage
ausgereifter technischer Ausrüstungen sowohl auf der Seite der Kälteerzeuger als
auch der Bedarfsträger sind Systeme in Nutzung, die nicht optimal abgestimmt sind.
Verbesserungspotenzial besteht insbesondere in der Steuerung von Gesamtsystemen. Schließlich kann überschüssige Abwärme im Betrieb als thermischer Antrieb
für Absorptionskälteanlagen genutzt werden.
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(13) Elektrische Beleuchtung
Die Beleuchtung hat einen entscheidenden Einfluss auf Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen. Für Maßnahmen zur Reduktion des Stromverbrauchs
für Beleuchtungszwecke müssen daher die wesentlichen Anforderungen an die jeweilige Beleuchtungsaufgabe bekannt sein. Die wichtigsten Gütemerkmale einer
Beleuchtungsanlage sind das Beleuchtungsniveau, die räumliche Verteilung der
Helligkeit, die Begrenzung von Blendung, die Lichtrichtung, die Schattenwirkung,
der Farbton des Lichtes und die Farbwiedergabeeigenschaften.
Glühlampen sind einfach einsetzbar und billig. Bei gewerblichen Anwendungen
beschränken sich ihre Einsatzgebiete auf wohnähnliche Bereiche, teilweise auch
Arbeitsplatzbeleuchtung in Werkstätten. Für die Beleuchtung in Büroräumen,
Schalterhallen etc. sind sie wegen ihrer geringen Lichtausbeute und dem geringen
Lichtstrom je Lampe kaum geeignet. Halogenglühlampen und Strahlerlampen dienen der Akzentbeleuchtung, z. B. zum Hervorheben von Waren in Schaufenstern.
Sie sind daher in allen Bereichen des Gewerbes zu finden, wo auch ein repräsentatives Erscheinungsbild gewünscht wird. Stabförmige Niederdruck-Leuchtstofflampen
sind die Standardlampen für den gewerblichen Bereich. Sie erzeugen die Allgemeinbeleuchtung in Büroräumen, Lagerräumen, Schulen, Sporthallen, Verkaufsräumen, Krankenhäusern, Fertigungshallen usw. Dies begründet sich vor allem
durch ihre gute Lichtausbeute bei gleichzeitig guten Farbwiedergabeeigenschaften.
Kompaktleuchtstofflampen mit externen Vorschaltgerät werden an Stellen eingesetzt, an denen bislang nur Glühlampen verwendet werden konnten. HalogenMetalldampflampen sind sehr kompakte Lampen mit hohem Lichtstrom und hoher
Lichtausbeute bei teilweise sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften. Sie eignen
sich für alle Anwendungsfälle, in denen punktförmige Lichtquellen gewünscht werden, z. B. Flutlichtanwendungen, Objektbestrahlung und die Beleuchtung von hohen Industriehallen. Die niedrigste Lichtausbeute haben Standardglühlampen mit
einer Lichtausbeute von etwa 4 bis 14 lm/W. Mit elektronischem Vorschaltgerät
betriebene Leuchtstofflampen dagegen weisen bis über 90 lm/W auf. Natriumdampf-Hochdrucklampen mit einer Lichtausbeute über 90 lm/W sind nur in der
Farbwiedergabestufe 4 verfügbar und daher eingeschränkt nutzbar.
Die relativen Einsparpotenziale bei der Beleuchtung sind recht groß, da die Nutzungsgrade niedriger als bei anderen Anwendungsbereichen liegen und einen
durchschnittlichen Wert von 7,8 % erreichen. Die geringen Nutzungsgrade erklären
auch die hohen technischen Einsparpotenziale, da schon mit der Verwendung von
Leuchten mit höheren Wirkungsgraden deutliche Effizienzsteigerungen erreicht
werden können. Die wichtigsten Optionen liegen im Einsatz effizienterer Beleuchtungssysteme, der Verwendung von Steuerungseinrichtungen, der verstärkten
Nutzung von Tageslicht, weniger aus der verminderten Nachfrage nach der Energiedienstleistung Licht, also einer verminderten Lichtstärke. Daneben werden in
Zukunft Leuchtdioden verstärkt eingesetzt werden und zur Substitution von Halogenlampen und Glühlampen beitragen.
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Hemmnisse bei der Umsetzung der identifizierten Maßnahmen
Für Industrie- und Gewerbeunternehmen ist ein breites Spektrum von wirtschaftlichen Einsparpotenzialen bekannt, deren Umsetzung an vielfältigen Hemmnissen
scheitert. Hemmnisse sind dabei Einflüsse jeglicher Art, die bedingen, dass rentable
Maßnahmen nicht oder nur teilweise umgesetzt werden. Nicht alle Hemmnisse treffen für alle Unternehmen gleichermaßen zu. Manche sind branchen- oder technologieübergreifend, andere dagegen betreffen nur bestimmte Zielgruppen, z. B. kleine
und mittlere Unternehmen oder Unternehmen mit geringen Energiekostenanteilen.
Die Hemmnisse lassen sich in drei Gruppen einteilen: Informations- und Motivationsmangel, finanzielle Restriktionen und hemmende Rahmenbedingungen.
Tabelle 3:
Überblick über Hemmnisse
Informations- und Motivationsmangel
Finanzielle Restriktionen
Hemmende Rahmenbedingungen
• fehlende energietechnische
Kenntnisse
• zu hohe Rentabilitätserwartungen
• externe Kosten nicht im
Energiepreis berücksichtigt
• fehlende Informationen über • Konkurrenz zu anderen
geeignete Maßnahmen
Investitionen
• Unsicherheit über die Energiepreisentwicklung
• keine Energiefachleute in
kleinen und nicht energieintensiven Betrieben
• zu wenig Energiedienstleistungsangebote
• Zeitmangel
• fehlende Kenntnisse von
Bau und Installationsfachleuten
• geringe Eigenkapitalausstattung
• fehlende Verfügbarkeit oder • fehlendes Image mancher
Akzeptanz von Krediten
Energiespartechniken
• scharfe Gesetzesvorgaben
und zeitaufwändige Genehmigungsverfahren
• Investor-/ Nutzer-Dilemma
Energiepolitische Instrumente zur Förderung der Energieeffizienz branchenübergreifender Techniken
Tabelle 4 gibt einen Überblick über bestehende und geplante Maßnahmen und Instrumente zur Erhöhung der Energieeffizienz der betrachteten branchenübergreifenden Techniken. Viele der betrachteten Maßnahmen legen ihren Schwerpunkt auf die
technikübergreifende Förderung der Energieeffizienz in den betrachteten Sektoren,
von den derzeit eingesetzten und geplanten Maßnahmen fördern nur wenige gezielt
die Energieeffizienz bestimmter branchenübergreifender Technologien. Abschätzungen hinsichtlich der Ausschöpfung der ermittelten Einsparpotenziale lassen sich
daher in der Regel nicht machen.
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Tabelle 4:
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Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in den Sektoren Industrie und GHD und bei branchenübergreifenden Techniken
Maßnahme
Betroffene Techniken/
Sektoren
Ökologische Steuerreform
übergreifend – Industrie, GHD
EU-Emissionsrechtehandel
Industrieöfen, Dampf- und Heißwassererzeuger über 20 MW
Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (KWKModG)
BHKW-Anlagen
Kreditprogramme der Deutschen Ausgleichsbank (DtA) und
der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW)
übergreifend – Industrie, GHD
Förderprogramme der Länder und Kommunen
übergreifend – Industrie, GHD
Energiesparverordnung (EnEV)
Erklärung der deutschen Wirtschaft zur Klimavorsorge II
Selbstverpflichtung der Wirtschaft zur Förderung der KWK
Motoren-Labelling
Motor Challenge
GreenLight
Öko-Audit-Verordnung / Energiemanagement
Druckluft effizient
Energieagenturen, Informationsdienste
Wärmedämmung, Wärmeerzeuger,
Klimatisierung
übergreifend – Industrie
BHKW-Anlagen, Motoren
Elektrische Antriebe
Motoren, Drucklufterzeugung, Pumpen, Ventilatoren
Beleuchtung
übergreifend – Industrie, GHD
Druckluftbereitstellung
übergreifend – Industrie, GHD
Ordnungsrechtliche Vorschriften bzw. Kennzeichnungen auf freiwilliger Basis zeigen eine hohe Effektivität zur Beeinflussung der Herstellung energieeffizienter Produkte, des Angebots energieeffizienter Produkte im Handel und des Kaufs energieeffizienter Produkte gleichermaßen. Sie sind daher verbreitet Instrumente bei Haushaltsgeräten und Bürokommunikationsgeräten. Bei den diskutierten branchenübergreifenden Techniken finden sie in Deutschland nur bei Elektromotoren Anwendung (abgesehen von Randbereichen, die von Maßnahmen für den Haushaltssektor
oder für Branchentechniken beeinflusst sind), dort allerdings recht erfolgreich. Sowohl verpflichtende als auch freiwillige Mindesteffizienzstandards sind jedoch nur
erfolgreich, wenn die Standards regelmäßig hinsichtlich des Standes der Technik
überprüft und angepasst werden.
Eine Reihe von Maßnahmen auf Basis freiwilliger Selbstverpflichtungen und Informationsprogrammen zielt darauf, die in der Summe großen Einsparpotenziale bei
elektrischen Antrieben anzustoßen (Motor Challenge Programm, Selbstverpflichtung der Hersteller mit Labelling, EuroDEEM-Datenbank, technisches Procurement). Motorsysteme wie Druckluftsysteme, Pumpen, Ventilatoren und Kältemaschinen sind dagegen mit Ausnahme der „Druckluft effizient“-Kamagne recht sel-
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ten direkte Adressaten von Instrumenten. Instrumente, die auf standardisierte Produkte (wie Kennzeichnungen) oder Nachahmung (wie Demonstrationsprojekte)
abzielen, lassen sich auf komplexe Motorensysteme nur eingeschränkt anwenden.
Denkbar wären hier offene Standards oder individuelle Information und Beratung,
um die großen Potenziale, die in der optimalen Gestaltung und Wartung der Systeme liegen, zu erfassen.
Beratungen, Audits und Seminare haben den Vorteil, dass sie die Unternehmen direkt ansprechen und individuelle Probleme zielgerichtet angehen können. Der Wirkungskreis ist dagegen eher eingeschränkt. Die Erfolge der Best Practice Programme in Großbritannien und den USA, aber auch der Impulsprogramme in Deutschland, können aber durchaus als Vorbild für weitergehende Programme dienen. Mit
diesen Instrumenten können beispielsweise die erheblichen Einsparpotenziale bei
der Prozesswärme in den Mittelpunkt gerückt werden. Ein Vorteil der Best Practice
Programme liegt auch darin, dass die Unternehmen eine feste und bekannte Anlaufstelle für Fragen zur Energieeffizienz vorfinden und persönlichen Kontakte als Informationsquelle nutzen können. Wie sich in den Technikanalysen gezeigt hat, liegen große Einsparpotenziale vor allem im Zusammenspiel mehrerer Techniken in
Systemen. Diese sind häufig komplex und individuell geplante bzw. gewachsene
Strukturen, die sich produktspezifischen Instrumenten wie Labels und Standards
entziehen. Die letztgenannten Instrumente, Beratungen einerseits, Informationskampagnen und Best-Practice-Programme andererseits, sind dafür geeignete Instrumente, um Einsparpotenziale auf unternehmensspezifischer Ebene aufzudecken
und umzusetzen.