Energieeffiziente Produktion Die Summe der Maßnahmen macht´s

Dr.-Ing. Peter Heidemeyer Dr.- Ing. Karsten Kretschmer 2. Juli 2014

Die energieeffiziente Kunststoff- Fabrik

2

3

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Einfache Maßnahmen

• Zusammenfassung

4

Aktivitäten

5

Das SKZ – Zahlen und Fakten

Hauptsitz Ausbildungsstätten FuE Standorte

• Mitglieder: >300 Firmen, Institute, Behörden

• 300 Mitarbeiter (davon 85 in FuE)

• Umsatz: 27,8 Mio. EUR (2013) (davon ca. 7,0 Mio EUR in FuE)

• Hauptsitz in Würzburg

• 8 Ausbildungsstätten weltweit 3 FuE Standorte in Deutschland

Arbeitsgebiete der Forschung und Entwicklung

6

Material- entwicklung

Compoun- dieren/

Extrudieren

Spritzgießen

Fügen

Forschung

Bauteil- eigen-

schaften

Nach- haltigkeit

Messtechnik

Composite

Dispersions- technologien

7

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Maßnahmen

• Zusammenfassung

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Konjunkturtrendumfrage

99%

83%

Stand Q1 2014; Quelle: http://www.kunststoffverpackungen.de/2014___bessere_konjunkturerwartungen__hoehere_rohstoffpreise_und_steigende_energiekosten_5350.html

Energieeffizienz ist wichtig/sehr wichtig

Einführung eines Energiemanagements

ist geplant

Die besten Absichten

8

UnbekanntEinmaligJährlichMonatlichTäglichKontinuierlich

43 %

26 %

9 %

6 %

16 %

Energieverbrauchsmessung (SKZ-Umfrage)

9

Plan Do Check Act

Energiepolitik

Energieplanung

Kontrolle

Management-Review

Interne Auditierung des EnMS

Einführung und Umsetzung

Nichtkonformitäten, Korrekturen, Korrektur-

und Vorbeugungs-maßnahmen

Überwachung, Messung und

Analyse

Kontinuierliche Verbesserung

Energiemanagement nach ISO 50001

10

Einsparung durch intelligentes Design

11

•12% ↗ productivity

•28,8€/ton ↙ cost

•13 kg CO2 emissions/ton

savings

Case Study: 1 cavity mould – 60 l container with shot weight 1410 g

Verbesserungen durch optimierte Materialien

* Average energy cost : 0,11 €/kwh ** Machine cost : 25 €/h and labour cost : 5 €/h *** CO2 emissions from fossil fuels consumed for electricity, combined heat and power and main activity heat plants divided by the output of electricity CO2 emision/kWhr Energy produced (2006-2008 global avg according IEA 2010 report): 504g CO2 /kWh (source: www.IEA.org)

Migration Organoleptic

Flowability

Processing speed Demoulding

Quelle: Borealis

High flow and BNT leads to savings

12

13

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Maßnahmen

• Zusammenfassung

Erfassungsrate von Kennzahlen (SKZ-Umfrage)

KontinuierlichMonatlichVierteljährlichJährlichEinmalig

54 %

15 %

8 %

8 %

15 %

14

Energieoptimierte Produktionsplanung

Messen

Maschinen- und produktspezifische Erfassung aller Prozess- und Energiedaten

Berechnen

Berechnung des Energieverbrauchs für jede Produkt/Maschine/Losgröße-Kombination

Kennzahlen Datenbank mit Kennzahlen zu jeder bekannten Kombination

Effizienz

Auswahl der effizientesten Maschine bei gegebenem Produkt und gegebener Losgröße

15

Herausforderung Maschinenanbindung

16

Hardwarevielfalt in der Automatisierung

Quelle: http://www.de.endress.com

Quelle: http://www.automation.siemens.com

• Produktionsmaschinen − Extruder (Coperion, Leistritz, Entex, Extricom ...) − Spritzgießmaschinen (Arburg, Engel, Battenfeld ...) − Schmelzepumpen (Kreyenborg, Witte, Automatik ...) − Mischer (Henschel, Mixaco ...) − Granulatoren (Automatik, Scheer ...) − Messgeräte (Göttfert, Dr. Collin ...) − ...

• Messtechnik für Prozessmedien − Kühlwasser (Bürkert, Endress&Hauser, ...) − Druckluft (Flexim, Festo, Sonotec ...) − ...

• Energiemesstechnik − Leistungsmessung (Beckhoff, Siemens, Janitza ...)

17

Lösung der Schnittstellenproblematik

18

19

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Maßnahmen

• Zusammenfassung

20

Energieverbrauchsmessung

• ZES Zimmer LMG 450 • Messung im laufenden Betrieb • Unter 2 % Messfehler • Messung von Strömen bis 3.000 A

Durchflussmessung

• Flexim Fluxus G601 • Messung von Flüssigkeiten und Gase • Fehler bei Standardkalibrierung < 2 %

Energiemessung: Das Equipment zählt!

21

Betriebspunkt

- M = 80 %, n = 600 min-1, m = 67 kg/h

- 40 Gew.-% Ruß, Rußtyp ELFTEX® 220

- 5 Gew.-% Gleitmittel

- Ruß über Side-Feeder

Energieverbrauchsanalyse am Beispiel Compoundieren

• Antrieb und Heizung verursachen ca. 80 % des Energieverbrauchs • Vakuumpumpe, Side-Feeder, Temperiergerät, Dosierung, Granulator und

Strangabsaugung sind nahezu betriebspunktunabhängige Verbraucher

Energiemessung: Wo sind die größten Potenziale?

Strangabsaugung+ Granulator(1,57 kW)

7 %

Temperiergerät(0,89 kW)

4 %

Dosierung (0,36 kW)

1 %

Side-Feeder(0,14 kW)

1 %

Antrieb(15,5 kW)

66 %

Heizung(2,94 kW)

13 %

Vakuumpumpe(1,96 kW)

8 %

22

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 50 100 150 200 250 300

dh in

kW

h/kg

Temperatur in °C

Enthalpie in kWh/kg

PP Copo

HDPE

PP Homo

LLDPE

ABS

Materialenthalpie: Weniger geht nicht

• Enthalpieerhöhung von Kunststoffen = theoretische Untergrenze des Energieverbrauchs im Prozess

• Kann mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) gemessen werden

Benchmarking: Die Suche nach Best-Practice

Ziel • Standortbestimmung / Wettbewerbsvergleich

verschiedener Technologien Vergleich des Energieverbrauchs:

• von Maschinen oder Prozessen verschiedener Hersteller,

• einer Maschine vor und nach der Energieoptimierung

Voraussetzung für Benchmarks:

• Definierte Qualitätskriterien und Prozessparameter Vergleichbarkeit der Verfahren und Prozesse

23

24

Scope min. Scope max.

0,092 kWh/kg 0,28 kWh/kg

Ergebnis Prozess xy

0,163 kWh/kg

Beispiele aus dem SKZ: • Rohrextrusion • rPET- Aufbereitung • Antriebskonzepte für Extrusionsmaschinen

Ergebnisse eines Benchmarkings: • Ranking von Maschinen / Technologien • Einordnung im Wettbewerb für die Hersteller • Aufdecken von Optimierungspotentialen

Benchmarking: Die Suche nach Best-Practice

Antriebskonzepte

Gleichstromnebenschlussmotor + Thyristorsteller + Getriebe

Drehstrom Synchronmotor + Frequenzumrichter + Getriebe

Drehstrom Asynchronmotor + Frequenzumrichter + Getriebe

Torque Motor + Frequenzumrichter ohne Getriebe

Knödler CMG Antrieb (Motor + Getriebe) + Frequenzumrichter

25

Ökonomische und Ökologische Bewertung unterschiedlicher Antriebskonzepte:

Quelle: Wikipedia

Quelle: Faurndau

Quelle: Baumüller

Quelle: Oswald

Quelle: Knödler

ExtruDrive – Bewertung von Extrusionsantrieben

26

Ergebnis: Praxistool zur Auswahl und Bewertung von Extrusionsantrieben

Eingabe:

• Extrusionsbetriebspunkte (M,n) • Betriebsstunden • Strompreis Ausgabe:

• Auswahl des Antriebs mit dem für den eingegebenen Anwendungsfall optimalen Wirkungsgrad aus der Datenbank

• Lebenszykluskosten im Detail und Amortisationsrechnung im Vergleich zum günstigeren Antrieb

• Umweltindikatoren und Ökoeffizienz-Portfolio

ExtruDrive – Bewertung von Extrusionsantrieben

27

Ergebnis: Ökoeffizienzbewertung der Antriebskonzepte

Randbedingungen: Drehmoment: 3000 Nm Drehzahl: 80 1/min Anteil im Betrieb: 60 % Betriebsstunden: 6500 h Anlagenlaufzeit: 20 Jahre Strompreis: 0,15 €/kWh Wirkungsgrade: Frequenzumrichter 97 % Getriebe 96 %

ExtruDrive – Bewertung von Extrusionsantrieben

28

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Maßnahmen

• Zusammenfassung

Case Study: Shot weight : 160 g 2 cavity mould

Verbesserungen durch optimierte Antriebe

* Average energy cost : 0,11 €/kwh ** Machine cost : 25 €/h and labour cost : 5 €/h *** CO2 emissions from fossil fuels consumed for electricity, combined heat and power and main activity heat plants divided by the output of electricity CO2 emision/kWhr Energy produced (2006-2008 global avg according IEA 2010 report): 504g CO2 /kWh (source: www.IEA.org)

Quelle: Borealis/ Engel

Vollelektrische SG – Maschine ist effizienter

29

Hydraulic Speed 380/80

Savings All electric EM2440/380T

Material Block MFR 45 Block MFR 45

Total energy 74,951 kWh/h 30,515 kwh/h Specific Energy 0,792 kWh/kg 0,4639 kwh/kg 0,323 kWh/kg

Cycle time 6,1 sec 6,1 sec

Energy cost /ton* 51 €/ton

Production cost / ton**

CO2 emission savings*** 234 kg CO2 /ton

Heizen mit dem Kompressor

• Recycling von ca. 100 t PET – Flaschen pro Tag (Sortieren, Mahlen, Waschen, Trocknen)

• Betriebssichere Druckluftversorgung durch drei Schraubenkompressoren mit

Öleinspritzkühlung (94% der Antriebsenergie in Wärme (Öl/ 72%; Druckluft/ 13%)

• Wärmerückgewinnung durch integrierte Wärmetauscher

• Speicherung der Wärme in „Wasserpuffern“ (80oC, 6000 l)

• Einspeisung in das Heizsystem nach Bedarf

• Einsparung Heizenergie bis zu 73% / 18000 €/a

• Wartungskosten über 20000 €/a niedriger

Gesamteinsparung ca. 40000 €/a

Quelle: Kunststoffe 6/2014 S. 84 ff

30

31

Effizienzsteigerung durch BHKW am SKZ

Installation eines Blockheizkraftwerkes (BHKW)

• Leistungsdaten: 70 kW elektrisch und 115 kW thermisch

• Vollständiger Verbrauch der erzeugten elektrischen Energie

durch die Grundlast im SKZ

• Verbrauch der thermischen Energie über mindestens

6.500 h/a für Gebäudebeheizung + Trocknung feuchter Luft

zur Laborraum-Klimatisierung

• Inbetriebnahme in KW 21/22 2013, Vertragsart: Contracting

• Bisher produzierte Strommenge: ca. 350.000 kWh

• Wärmemenge bisher: ca. 565.000 kWh

• Gesamtwirkungsgrad: ca. 75%

•BHKW Viessmann

Erfahrungen aus Energieaudits

• Allgemeine Tipps: • Energieeinkauf (ct/kWh; Spitzenlast-Berechnungsmodalitäten)

• Beschaffung: Lebensdauerbetrachtung mit Energie- und Wartungskosten

• Granulattrockung: z. B. PET: Ist: 0,17 kWh/kg…..möglich: 0,10 kWh/kg

• Spitzenlast reduzieren (Info an Mitarbeiter; Ampel; Spitzenlastmanagement)

• Hallenbeleuchtung (Amortisation oft < ein Jahr; heller und angenehmer)

• Pumpen (Lebenszykluskosten: Anschaffung 5 %; Wartung 10 %; Energie 85 %)

• Wärmerückgewinnung

• Kühl- und Temperiertemperaturen (Kühl- und Heizkreisläufe) kritisch hinterfragen

• Druckluft

• „Druckluftbesen“ teuer und laut und Dreck ist nicht weg • Druckluftniveau: Senkung um 1 bar: 7 % Energiekosteneinsparung • Leckagen: 1 mm Loch kostet ca. 600 €/a

2 mm Loch kostet ca. ??? €/a 32

33

Agenda

• SKZ – Das Kunststoff-Zentrum

• Energieeffizienz

• Steigerung durch Energiemonitoring

• Bewertung durch Benchmarking

• Maßnahmen

• Zusammenfassung

Zusammenfassung

34

• Das Thema Energie- und Ressourceneffizienz ist von hoher Bedeutung

• Durch geeignetes Monitoring können versteckte Potenziale aufgedeckt werden

• Eine Zertifizierung nach ISO 50001 systematisiert diesen Vorgang (außerdem kann ein Teil der EEG-Umlage ggf. zurückgewonnen werden)

• Der neutrale Vergleich der eigenen Produktion mit der ähnlicher Betriebe ermöglicht die realistische Bewertung von Einsparpotenzialen

• Es stehen schon heute viele Möglichkeiten zur Verfügung, den Energieverbrauch signifikant zu reduzieren (ROI u.U. << 1a)

Ausblick

35

• Das SKZ plant die Errichtung einer Modellfabrik

• Fokus auf die energieeffiziente Produktion in der Kunststoffindustrie

• Wesentlich dabei:

• Innovative Gebäudekonzepte, um eine maximale Energieeffizienz des Gebäudes zu erreichen

• Innovative Kombination von verfügbaren Konzepten/Verfahren, um Teile mit einem minimalen Einsatz von Ressourcen zu produzieren

Quelle: Arburg

Quelle: SKZ

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dr. Peter Heidemeyer SKZ - KFE gGmbH Friedrich- Bergius-Ring 22 97076 Würzburg Tel. +49 931 4104-111 P.Heidemeyer@skz.de www.skz.de