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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

Frontansicht der ETA-Modellfabrik

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.

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.

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