Energieeffizienz in Industrie, Dienstleistung und Gewerbe: Energietechnische Optimierungskonzepte für Unternehmen

747 Pages·2020·29.959 MB·German

by  Martin Dehli

Martin Dehli
Energieeffizienz in
Industrie, Dienstleistung
und Gewerbe
Energietechnische Optimierungskonzepte
für Unternehmen
Energieeffizienz in Industrie, Dienstleistung und
Gewerbe
Martin Dehli
Energieeffizienz in Industrie,
Dienstleistung und Gewerbe
Energietechnische Optimierungskonzepte
für Unternehmen
MartinDehli
HochschuleEsslingen
Esslingen,Deutschland
ISBN978-3-658-23203-0 ISBN978-3-658-23204-7(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-23204-7
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Lektorat:Dr.DanielFröhlich
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Vorwort
DiesesBuchwendetsichvorallemantechnischorientierteMitarbeitervonUnternehmen–
z. B. an Betriebsingenieure, Wirtschaftsingenieure und technische Betriebswirte, die
unmittelbar oder mittelbar mit Fragen der Energieversorgung ihres Betriebs befasst sind.
DanebensinddiehierdargestelltenThemenfürMitarbeitervonIngenieurbürosimBereich
derEnergieplanungsowiefürMitarbeitervonEnergieversorgungsunternehmenvonInteresse.
ImBuchwerdendiejenigentechnischenundbetrieblichenSachverhaltedeseffizienten
Energieeinsatzes besonders ausführlich behandelt, die sich auf die Bereitstellung und
Nutzung von Wärme, Kälte und elektrische Energie beziehen. Es wird vor allem auf die
folgendenInhalteeingegangen:
(cid:129) OrdnunghatihrennaturgesetzlichenPreis,
(cid:129) derEnergieverbrauchvonIndustrieundGewerbeinDeutschland,
(cid:129) DurchführungeinesEnergieaudits;EinführungeinesEnergiemanagementsystems,
(cid:129) LebenszykluskostenvonMaschinenundAnlagen,
(cid:129) energieeffizienterEinsatzindustriellerWärmeversorgungssysteme,
(cid:129) AbwärmenutzunginIndustrieundGewerbe,
(cid:129) EnergieeinsparungdurchdiegekoppelteErzeugungvonStromundWärmemitBlock-
heizkraftwerken,
(cid:129) Energiespeicherung,
(cid:129) energieeffizienteelektrischeAntriebeinIndustrieundGewerbe,
(cid:129) PumpenundPumpensystemeinIndustrieundGewerbe,
(cid:129) DruckluftsystemeinIndustrieundGewerbe,
(cid:129) lufttechnischeAnlageninIndustrieundGewerbe,
(cid:129) energieeffizienteKältetechnik,
(cid:129) WärmepumpenfürdenindustriellenundgewerblichenEinsatz,
(cid:129) energieeffizienteLichttechnik,
(cid:129) EnergieeffizienzinRechenzentren,
(cid:129) grüneInformationstechnikinUnternehmen,
(cid:129) energieeffizienteGebäudetechnikundGebäudeautomation,
(cid:129) Contracting,
(cid:129) virtuelleKraftwerke.
V
VI Vorwort
Nach einer Zeit von Kurzfristoptimierungen in der deutschen Industrie – und damit
zusammenhängend von Produktionsverlagerungen in Billiglohnländer in den 1990er-
Jahren – wird die Stabilität des Standorts Deutschland inzwischen wieder stärker ge-
würdigt; damit steigt auch der Anreiz für längerfristige Investitionen hierzulande an. Vor
diesem Hintergrund liegt es nahe, dass nicht zuletzt auch bei der Beurteilung von Ener-
giesparinvestitionen in der Industrie wieder von längeren Amortisationszeiten ausgegan-
gen werden kann. Die zurzeit sehr niedrigen jährlichen Zinssätze können ebenfalls dazu
beitragen, dass Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Wirtschaft umge-
setzt werden. Von sehr detaillierten Wirtschaftlichkeitsrechnungen wird im vorliegenden
Buch abgesehen, da in den Bereichen der Energieumwandlung und -anwendung jeweils
unterschiedliche Randbedingungen gelten und sich erfahrungsgemäß im Laufe der Jahre
wichtige Parameter – z. B. die Preise für Strom sowie fossile Energieträger oder der
jährliche Zinssatz – wesentlich verändern können. Damit der Leser einzelne Kapitel
unabhängig voneinander erarbeiten kann, war es unumgänglich, manche Sachverhalte
mehrfachzubehandeln;diesmögederLeserdemAutornachsehen.
Esslingen, Prof.Dr.-Ing.MartinDehli
imDezember2019
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 AnstiegderPrimärenergieproduktivität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 VerbesserungderEnergieeffizienzalsTeilderEnergiewende. . . . . 2
1.3 FörderfähigeKonzepte;RatgeberzurEnergieeffizienz. . . . . . . . . . 2
1.4 GrünbuchEnergieeffizienz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 EnergieeffizienzalsZielvonIndustrieundGewerbe. . . . . . . . . . . 5
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 OrdnunghatihrennaturgesetzlichenPreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 FortlaufendeEntwertungderEnergie.. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. 9
2.2 VonderOrdnungzurUnordnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 DieSpeziesMenschbeschleunigtdieEntropievermehrung. . . . . . . 13
2.4 DasRettendewächstnichtmit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 WegezurBegrenzungderZunahmevonUnordnung. . . . . . . . . . . 15
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 DerEnergieverbrauchinDeutschland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 DerEnergieflussinderBundesrepublikDeutschland. . . . . . . . . . . 21
3.3 ÜbersichtüberdieStrukturdesindustriellenundgewerblichen
Endenergieverbrauchs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 ÜbersichtüberdieStrukturdesEndenergieverbrauchsnach
Anwendungsbereichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 VerschiedenethermodynamischeWertigkeitenvonNutzenergien. . . . 37
3.6 EinsatzbereichevonProzesswärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 AnwendungsbereichefürdieBereitstellungvonProzesswärme
durchdenEinsatzüberwiegendfossilerEnergieträger. . . . . . . . . . . 41
3.8 Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
4 DurchführungeinesEnergieaudits;Einführungeines
Energiemanagementsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 DasEnergieaudit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 GesetzlicheGrundlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 PflichtzumEnergieauditfüralle„Nicht-KMU“. . . . . . . . 48
4.1.3 DasEnergieaudit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4 EnergieauditbeimehrerenStandorten. . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.5 UnterlassungeinesEnergieaudits. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 Energiemanagementsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 ErsterSchritt:StrukturenimUnternehmenaufbauen,
denIstzustandanalysierenundZieledefinieren. . . . . . . . 56
4.2.3 ZweiterSchritt:UmsetzungdervorgesehenenMaßnahmen
undDokumentationderManagementstrukturen. . . . . . . . 63
4.2.4 DritterSchritt:KontrolledurchMessungund
Überwachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.5 VierterSchritt:UrsachenanalyseundKorrekturmaßnahmen. . . 70
4.3 NeueZertifizierungsregelnfürEnergiemanagementsysteme:
ÄnderungenderISO50001;zugeordneteZusatzdokumente. . . . . . 72
4.3.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.2 NeueZusatzdokumenteinErgänzungvonDIN
ISO50003. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 VerbesserungderEnergieeffizienz. . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Beispiel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 LebenszykluskostenvonMaschinenundAnlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 BerechnungsinstrumentfürdieBeurteilungvon
Energieeffizienzmaßnahmen:LifecycleCostEvaluation(LCE). . . . 82
5.3 GrundproblematikbeiKostenbetrachtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.1 KostenartenundEinflussfaktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2 InvestitionskostenCic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.3 InstallationskostenCin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.4 EnergiekostenCe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.5 BedienungskostenCo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.6 InstandhaltungskostenCm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.7 ProduktionsausfallkostenCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.8 UmweltkostenCenv. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.9 ReinigungskostenCcip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.10 QualitätskostenCqu. .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. 93
5.3.11 AußerbetriebnahmekostenCd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Inhaltsverzeichnis IX
6 EnergieeffizienterEinsatzindustriellerundgewerblicher
Wärmeversorgungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 ÜbersichtüberTechnikenderindustriellenWärmeanwendung
mithilfeelektrischerVerfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 ÜbersichtüberTechnikenderWärmebereitstellungmithilfevon
Verbrennungsprozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.1 Dampf-undHeißwassererzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.2 BrennöfenundSchmelzöfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4 MöglichkeitenzurenergetischenVerbesserungvon
Wärmeversorgungssystemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4.2 VerringerungvonWärmeverlusten. . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4.3 EnergieeffizienteWärmeerzeugungundWärmefortleitung. . . 106
6.4.4 EnergieeffizienteundschadstoffarmeBrennertechniken. . . . 107
6.4.5 MaßnahmenzurVerbrennungskontrolle. . . . . . . . . . . . . 115
6.4.6 Dampfkessel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4.7 NiederdruckheißwasserkesselundNiedertemperaturkessel. . . 122
6.4.8 Brennwertkessel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.9 Mehrkesselanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4.10 KesselspeisepumpenundNetzumwälzpumpen. . . . . . . . . 129
6.4.11 BrennöfenundSchmelzöfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.12 Heizstrahler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4.13 BedarfsgerechteAnpassungderWärmeerzeugungan
denVerbrauch. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . .. . 132
6.4.14 Wärmerückgewinnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.15 WeitereenergieeffizienteWärmetechniken. . . . . . . . . . . 134
6.5 Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7 AbwärmenutzunginIndustrieundGewerbe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2 EntstehungundNutzungvonAbwärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2.1 EntstehungvonAbwärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2.2 ZahlreicheNutzungsmöglichkeitenvonAbwärme. . . . . . 147
7.2.3 UntersuchungundBewertungvonAbwärmequellen. . . . 150
7.2.4 UntersuchungundBewertungvonAbwärmesenken. . . . . 151
7.2.5 ArtenderAbwärmenutzungundihreNutzungstechniken. . . 152
7.2.6 TechnikenzurAbwärmenutzung:Technischeund
wirtschaftlicheGesichtspunkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3 TechnikenderAbwärmenutzung:Wärmeübertrager. . . . . . . . . . . . 162
7.3.1 WärmenutzungmithilfevonWärmeübertragern. . . . . . . . 162
X Inhaltsverzeichnis
7.3.2 Lamellenwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.3.3 Rippenrohrwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3.4 Rohrbündelwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.5 Doppelrohrwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.6 Plattenwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.7 Spiralwärmeübertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.8 RegeneratorenmitumlaufenderSpeichermasse
(Rotationswärmeübertrager). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.3.9 RegeneratorenmitfeststehenderSpeichermasse
(Umschaltwärmeübertrager). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.3.10 Wärmerohrwärmeübertrager(Heatpipes). . . . . . . . . . . . . 174
7.3.11 ÜbersichtüberverschiedeneBauartenvon
Wärmeübertragern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.3.12 SpezielleWärmeübertragerzur
Verbrennungsluftvorwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.4 AbwärmenutzungzurStromerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.4.1 StromerzeugungdurchDampfkraftprozesse. . . . . . . . . . . 181
7.4.2 StromgewinnungmithilfevonORC-Anlagen. . . . . . . . . 183
7.4.3 StromerzeugungmithilfevonStirling-Motoren. . . . . . . . 184
7.5 Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8 EnergieeinsparungdurchdiegekoppelteErzeugungvonStromund
WärmemitBlockheizkraftwerken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.2 Gasturbinenanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.3 Verbrennungsmotorblockheizkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.4 Brennstoffzellenblockheizkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.5 OptimaleBetriebsweisevonWärmenetzen:Wärmenetzeals
„Bestandteil“vonKWK-Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.6 Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9 Energiespeicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.2 Wärmespeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.2.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.2.2 Flüssigkeitspufferspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.2.3 WasserspeicherfürLangzeitspeicherung. . . . . . . . . . . . . 261
9.2.4 Kies-Wasser-SpeicherfürLangzeitspeicherung. . . . . . . . 262
9.2.5 LuftdurchströmteGesteinsspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.2.6 ThermalöldurchströmteGesteinsspeicher. . . . . . . . . . . . . 264