Das Diktat der Energieeffizienz

Wie bei einer Strategie für einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess geht es auch bei einer Energiemanagement-Initiative darum, zunächst die einfachen Aufgaben zu erledigen. Dazu gehört, Lichter auszumachen, wenn sie nicht gebraucht werden, oder der Einsatz von Energiesparlampen. Staatliche Energieagenturen schätzen, dass die Industrie für ein Drittel des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich ist. Deshalb kann hier mit kleinen Anstrengungen ein großer Effekt erzielt werden.

Ein noch größeres Sparpotenzial steckt in der Optimierung energieintensiver Prozesse, etwa im Zusammenhang mit Heizungen, Turbinen, Druckluftgeräten, Pumpen oder Lüftern. Da Energiesparprogramme für diese Prozesse direkt in der Produktionsebene wirken sollen, wird vielfach ein zusätzliches Monitoring auf Produktionsebene nötig sein. Dieser Aufwand wird sich Viele Unternehmen haben sich in den vergangenen Jahren vor allem darauf konzentriert, die Nachfrage ihrer Kunden zu decken. Das gilt vor allem für Chemieunternehmen und Raffinerien. Angesichts der positiven Wirtschaftsentwicklung besaßen der Ausbau von Kapazitäten und das Aufrüsten von Automatisierungssystemen Vorrang, um die Produktion zu maximieren. Jetzt hat sich die Lage beruhigt – eine gute Gelegenheit für Unternehmen, eine Energiemanagement- Initiative zu starten, um Verbrauch und Kosten in ein besseres Verhältnis zu setzen. Anbieter von Automatisierungslösungen haben den Trend erkannt und offerieren ein breites Portfolio für mehr Energieeffizienz. Wie bei einer Strategie für einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess geht es auch bei einer aber lohnen, da er den Energieverbrauch kontrollieren, begrenzen und reduzieren wird.

Motoren, die energieintensive Maschinen antreiben, brauchen ungefähr 60 % der Energie, die im industriellen Sektor verbraucht wird. Maschinen mit beweglichen Einheiten wie Pumpen, Lüfter und Kompressoren sind oft überdimensioniert. Dadurch besitzen sie zwar einen Puffer für kurzzeitige Überlastungen. Aber die Überdimensionierung führt auch zu einem unnötig großen Energieverbrauch, zusätzlichem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall. Intelligente Technologien für eine vorausschauende Instandhaltung können den Energieverbrauch ebenfalls wirkungsvoll senken und die Anlagenleistung optimal steuern.

Elektrische Motoren verbrauchen grundsätzlich viel Energie. Viele Industrien könnten ihre Energiekosten problemlos mit effizienteren Motorenkonzepten deutlich senken. Eine Grundregel besagt, dass für einen Motor in einem einzigen Jahr zehnmal so viel Geld für Energie gezahlt werden muss, wie er ursprünglich gekostet hat. Der Einsatz von drehzahlvariablen Antrieben zusammen mit intelligenten Antriebssteuerungen, die beide vollständig in das Automatisierungssystem integriert sind, kann Energiekosten erheblich reduzieren. Antriebe, die nicht über eine variable Drehzahl verfügen, bedeuten für Motoren ein hohes Drehmoment bei häufigem An- und Auslaufen sowie das Auftreten von Spitzenströmen. Drehzahlvariable Antriebe senken Betriebskosten, sichern die Zuverlässigkeit des Betriebs und erhöhen die Produktionsleistung durch effizientere Auslastung von Motoren.

Mit Sanftanlaufgeräten können Motoren schrittweise zur Betriebsgeschwindigkeit hochgefahren werden. Dadurch werden die mechanische und die elektrische Belastung des Motors reduziert und Wartungskosten gesenkt. Manche Hersteller versprechen für Pumpensysteme sogar mehr als 50 % Einsparung durch den Einsatz drehzahlvariabler Antriebe. Der genaue Grad der Einsparung hängt allerdings von Pumpengröße, Lastprofil, statischer Hitze und Reibung ab.

Bei Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie ist es derzeit üblich, den Durchfluss bei variablen Drehmomenten zu steuern, indem man den Input drosselt. Diese Methode ist jedoch wenig effizient. Steuert man stattdessen die Drehzahl großer Pumpen und Ventilatoren durch drehzahlvariable Antriebe, kann deutlich Energie gespart werden. Je länger die Betriebszeit und je unterschiedlicher die Auslastung, desto größer das Sparpotenzial.

Eine weitere effiziente Methode zur Senkung der Energiekosten ist die Nutzung von intelligenten Feldinstrumenten. Coriolis Durchflussmesser können beispielsweise für ein besseres Brenngasmanagement eingesetzt werden. Energieverteiler und Motor-Control-Center sind auch in Plant Asset Management (PAM) Systeme integrierbar. So lassen sich mögliche Systemfehler früher erkennen. Zusätzlich können intelligente Relais wertvolle Informationen für das PAM System zur Verfügung stellen, etwa solche über den Verschleiß im Schaltkreis, Temperatur und Lebenserwartung des Trafos, Wärmekapazität von Motoren, statistische Daten und eine sequenzielle Ereignisüberwachung.

Viele Unternehmen setzen bereits Optimierungs- und Simulationssoftware ein, um Energiekosten zu senken. In energieintensiven Prozessen kann der Energieverbrauch durch wechselnde Betriebszustände, Verschleiß von Maschinen und ineffiziente Steuerungsstrategien stark steigen. Das Resultat ist ein unnötig hoher Energieverbrauch. Dennoch schaffen es Anlagenbetreiber oft nicht, die Effizienz ihrer Anlage zu verbessern. Ihnen fehlen die Tools, um notwendige Performance-Informationen in Echtzeit einzuholen. Sie haben also nur Zugang zu bereits dokumentierten Performance-Informationen der Vergangenheit. Folglich können sie erst dann korrigierend eingreifen, wenn es bereits zu spät ist. Anlagenbetreiber brauchen allerdings nicht nur Echtzeit-Lösungen, die sie sofort informieren, wenn der Energieverbrauch in ihrer Anlage unnötig hoch ist – sie erwarten auch intelligente Lösungen, die ihren Mitarbeitern helfen, die Anlage effizient zu betreiben.

Als Condition Monitoring bezeichnet man eine Strategie für vorausschauende Instandhaltung. Sie wird vor allem genutzt, um rotierende Maschinen zu kontrollieren. So erhalten Anlagenbetreiber Informationen über kleinste Veränderungen und können sofort eine entsprechende Wartung planen oder andere Maßnahmen durchführen. Mit einer Vibrationsanalyse können zum Beispiel aktuelle Erschütterungen mit Durchschnittswerten der Vergangenheit verglichen werden, um eventuelle Veränderungen im Materialzustand festzustellen.

Mit fest montierten Condition Monitoring Sensoren und kontinuierlichen Monitoring- Systemen sind relativ hohe Kosten verbunden. Deswegen findet diese Lösung meistens nur im Zusammenhang mit besonders wichtigen rotierenden Anlagenkomponenten Verwendung. Weitaus üblicher ist die Methode, mit mobilen Systemen periodisch Vibrationssignale zu erfassen und bezüglich drohender Probleme zu analysieren. Kabellose Vibrationstransmitter machen Condition Monitoring erschwinglicher und in Anlagen leichter umsetzbar. Allerdings müssen Anlagenbetreiber dann auch in der Lage sein, die großen Datenmengen der kabellosen Transmitter zu verarbeiten.

Viele Anlagen verschwenden große Mengen an Energie, weil ihr Energieverbrauch nicht an die tatsächlichen Produktionsanforderungen angepasst ist. Industrielle Hochöfen, Licht, Klimaanlagen und andere energieintensive Anlagenkomponenten werden oft während der Mittagspause, abends oder an Wochenenden einfach nicht ausgeschaltet. Betriebsmanagementsysteme können den optimalen Energieverbrauch für jede Applikation hinsichtlich der Echtzeit-Produktionsaktivitäten ermitteln und so garantieren, dass Energie am richtigen Ort, zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge genutzt wird. Ein Betriebsmanagementsystem dokumentiert transparent den Energieverbrauch und löst Alarm aus, sobald eine Form der Energieverschwendung entdeckt wird. Anlagenbetreiber können ferner Key-Performance Indikatoren (KPIs) bezüglich Energie- und Umweltfaktoren festlegen. Sie dienen der Standortbestimmung in Sachen Energieverbrauch und lassen sich anschließend benchmarken für weitere Verbesserungsmaßnahmen.

Betriebsmanagementsysteme nutzen raffinierte Algorithmen, um Ressourcen optimal zuzuweisen. Dynamische Routings für einen verbesserten Fluss von Anlagenmaterial oder logistische Routings in einer zerstückelten Supply Chain reduzieren Transportkosten erheblich. Solche Maßnahmen leisten einen weiteren wichtigen Beitrag zur Energieeffizienz, indem sie Prozesse und Aktivitäten, die vergleichsweise viel Energie verbrauchen, auf Uhrzeiten verlegen, in denen Energie am günstigsten ist.

Erfolgreiche Energiemanagement-Programme sind langfristig ausgelegt, erfordern langen Atem und sind im Idealfall nicht auf ein definiertes Ende ausgelegt. Anlagenbetreiber sollten sich nicht von schnellen Erfolgen blenden lassen, sondern Energiemanagement als einen kontinuierlichen Prozess verstehen. Der alte Leitsatz „Man kann nichts steuern, was man nicht messen kann“ lässt sich perfekt im Energiemanagement anwenden. Wer Energiekosten begrenzen will, sollte mit einer gründlichen Bewertung des kompletten Energieverbrauchs seiner Anlage beginnen und dann mindestens einmal im Jahr Energie-Audits durchführen. So lässt sich der Erfolg der durchgeführten Maßnahmen auf Basis der KPIs und anderer zuvor eingeführter Kennzahlen evaluieren. Mit einem System zum Erfassen, Verwalten und Analysieren von Energieverbrauchsdaten wird der Effekt von Energiemanagement-Programmen noch weiter gesteigert. Und es unterstützt Unternehmen, ihre CO2-Bilanz deutlich zu verbessern.

Anwender können mit Energiemanagement- Strategien eine überzeugende Grundhaltung dokumentieren, die nicht nur Führungskräften Orientierung bietet, sondern auch Managern auf Anlagenebene sowie Betreibern und Technikern, die die neuen Prozesse letztlich implementieren müssen. Um den Energieverbrauch in einer Anlage direkt zu beeinflussen, ist es notwendig, allen Beteiligten – Entscheidern, Anlagenbetreibern und Mitarbeitern – einen möglichst transparenten Einblick in die für sie relevanten Energiedaten zu geben. Erfolgreiche Energiemanagement-Spezialisten betreiben das Thema wie ein Geschäft – mit der gleichen Ernsthaftigkeit wie das eigentliche Kerngeschäft des Unternehmens. Der Energieverbrauch kann die Kostenstruktur eines produzierenden Unternehmens maßgeblich beeinflussen und direkten Einfluss auf den Gewinn haben. Investitionen in Energiemanagement- Maßnahmen und -Projekte sollten genauso behandelt werden wie jede andere große Investition – mit einem genauen Blick auf den ROI unter Berücksichtigung der eingesparten Energiekosten.

David W. Humphrey Director bei ARC, München