Wege zur energieeffizienten Produktion

Ambitionierte politische Klimaziele sowie horrende Preise für Gas, Öl und Strom zwingen Industrieunternehmen, ihren Energieverbrauch zu senken. Wie dies gelingt, wissen die Nachhaltigkeitsexperten von Siemens.

Ein knappes Drittel aller hierzulande genutzten Energie verbraucht laut Umweltbundesamt die deutsche Industrie. Dieser enorme Bedarf und der entsprechend hohe CO2-Ausstoß setzen Unternehmen in Zeiten von Energie- und Klimakrise zunehmend unter Handlungsdruck. Denn zum einen belasten hohe Energiekosten die Bilanz. Zum anderen rückt das politische Ziel, den CO2-Ausstoß Deutschlands bis 2030 mindestens um 65 Prozent unter den Wert von 1990 zu senken, ohne nachhaltige Transformation des Industriesektors in weite Ferne.

„Bei Energieverbrauch und -kosten drückt der Schuh momentan tatsächlich besonders stark“, so die Beobachtung von Jonas Harant, Vertriebsleiter für Digitalisierungslösungen im Bereich Antriebstechnik beim Technologiekonzern Siemens. Er und seine Kollegen zeigen Unternehmen Wege, diesen Druck zu lindern: Digitale Lösungen für mehr Nachhaltigkeit reichen von der optimierten Produktentwicklung über die effiziente Gestaltung der Produktionsanlagen bis hin zu einem ganzheitlichen Energiemanagement für die gesamte Infrastruktur – und können Energieverbrauch und -kosten teils deutlich senken.

Immer geht es darum, die systemübergreifende Datentransparenz durch Digitalisierung zu erhöhen und die reale mit der digitalen Welt zu verbinden. So erleichtert das Konzept des Digitalen Zwillings die Entwicklung und Optimierung von Produkten enorm, indem es ihr Aussehen und ihre Eigenschaften per Computersimulation realistisch nachbildet.

Effizientere Roboter dank leichterer Greifer

Zulieferer der Automobilbranche können auf diesem Weg beispielsweise Greifarme für Produktionsroboter entwickeln, ohne in großem Umfang Prototypen herstellen zu müssen. Das spart Material, Energie, Zeit und letztlich Geld, wie Harant weiter ausführt: „Wenn Versuche mit realen Anlagen und Werkstücken entfallen, fällt auch kein Ausschuss an.“

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Die Kombination dieser Technik mit neuen Fertigungsmethoden ermögliche es zudem, völlig neue Produktdesigns zu erfinden: „Mittels Additive Manufacturing lassen sich Varianten herstellen, die durch konventionelle Methoden wie Fräsen nicht realisierbar sind.“ Innovative Komponenten aus dem 3-D-Drucker also, die enorme Vorteile bringen, wie sich am Beispiel des Greifers für die Autoproduktion zeigt.

Er besteht aus weniger Teilen, wodurch der Zusammenbau in nur einem Fünftel der ursprünglichen Zeit gelingt. Die Produktionskosten sinken um über 70 Prozent, der CO2-Fußabdruck fällt 82 Prozent kleiner aus. Das um über die Hälfte reduzierte Gewicht freut auch die Autobauer als Abnehmer des Greifers: Sie können ihn an kleinere Roboter montieren, die sich mit einem 54 Prozent geringeren Energieaufwand betreiben lassen.

Energiefresser im Standby-Betrieb

Weiteres Einsparpotenzial jenseits der Produktentwicklung biete die energieeffiziente Gestaltung der gesamten Produktionsanlage, so Harant. Hocheffiziente Motoren beispielsweise ermöglichten Einsparungen von bis zu sechs Prozent der elektrischen Energie. Durch den Einsatz aufeinander abgestimmter Motor- und Umrichtersysteme für den drehzahlvariablen Betrieb von Pumpen, Lüftern und Kompressoren ließen sich sogar Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erzielen.

Innerhalb von Logistikprozessen etwa gebe es oft Maschinen, die Lasten heben, während gleichzeitig an anderer Stelle welche abgesenkt würden, ergänzt Antriebsfachmann Wilhelm Kaiser. „Die generatorische Energie, die beim Senken entsteht, lässt sich mit geeigneten Lösungen im System halten und für das Anheben nutzen“, erklärt er. Auch der Einbau von Energiespeichern zu diesem Zweck sei denkbar.

Auf dem Weg zu mehr Effizienz kann zudem die Suche nach Anlagen, die mit Energieeinsatz dauerhaft bereitgehalten werden, sinnvoll sein. „Das kann eine Hochdruckanlage sein, mit der Mitarbeiter drei Mal am Tag die Produktionshalle reinigen“, nennt Harant ein Beispiel. Viel Energie lasse sich sparen, indem der Druck im System nur punktuell dann aufgebaut werde, wenn eine Reinigung ansteht.

Energiemanagement-Lösungen von Siemens erfassen Echtzeitdaten über alle Verbraucher und stellen sie für Analysen zur Verfügung. So ist laut Christian Schiller, Spezialist für Industrial Energy Management, nicht nur die detaillierte Analyse einer einzelnen Maschine möglich, also eine Prüfung, wann sie in welchem Betriebszustand war und wie viel Energie sie verbraucht hat. Auch für eine gesamte Produktionsanlage wie etwa eine Stanzerei lasse sich die Energieeffizienz mittels berechneter Kennzahlen erfassen und durch die Reduzierung nicht wertschöpfender Zeiten steigern.

Sparmaßnahmen in Gänze betrachten

Insgesamt sind so Energie-Einsparungen von bis zu 60 Prozent bei bestehenden Anlagen möglich, erklärt Schiller. Bei der Neukonzipierung eines Werkes erfahren interessierte Unternehmen mit Hilfe des Digitalen Zwillings, ob sich etwa eine Produktionsplanung unter energetischen Gesichtspunkten rechnet. „Das bedeutet, bei hohen Energiepreisen die Produktion zu drosseln und sie wieder hochzufahren, wenn günstige Energie aus Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen zur Verfügung steht“, erklärt Schiller.

Der wahren Klimabilanz auf der Spur

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Auf jeden Fall ist nach Ansicht der Siemens-Experten neben der Betrachtung möglicher Einsparungen auch ein Blick auf deren Folgen geboten. Eine reduzierte Motordrehzahl senke zwar den Energieverbrauch, könne aber in Einzelfällen zu stärkeren Vibrationen – sogenannten Resonanzen – in einer Anlage führen und so die Lebensdauer von Bauteilen verkürzen, berichtet Harant.

Jede Sparmaßnahme müsse in Gänze betrachtet werden, so seine Empfehlung: „Denn müssen dadurch Teile früher ersetzt werden, schont das weder die Unternehmensbilanz noch die Umwelt.“ Auch der Austausch alter Anlagen gegen effizientere spare zwar vordergründig Energie, verbrauche aber gleichzeitig erhebliche Ressourcen in Produktion und Beschaffung. Eine Entscheidung darüber müsse daher immer auch die Restlaufzeit der bestehenden Systeme berücksichtigen. Hier hilft Digitalisierung, den Zustand der Systeme zu ermitteln und entsprechende Maßnahmen zu definieren.

Smarte Finanzierungsvarianten

Schließlich helfen digitale Lösungen zur Gebäudeautomation und zur Steuerung effizienter dezentraler Energiesysteme, nicht nur Produktionsanlagen allein, sondern im Zuge eines umfassenden Nachhaltigkeitsmanagements auch weitere Gebäude und Infrastruktur in den Blick zu nehmen. Schiller nennt als Beispiel Parkhäuser: „Wenn zahlreiche Mitarbeiter ihr Elektroauto an die Ladesäule anschließen, während gleichzeitig die Maschinen hochgefahren werden, erzeugt das punktuell einen enorm hohen Verbrauch“, sagt er. Eine solche sogenannte Lastspitze sei sehr teuer. Sie lasse sich durch intelligentes Management leicht vermeiden, indem etwa die Autos zeitversetzt geladen würden.

Vielversprechende Lösungen – doch was ist mit Unternehmen, die sie sich angesichts der Krisensituation nicht leisten können? Energiemanagementexperte Schiller verweist auf smarte Finanzierungsalternativen wie Energy Performance Contracting. Dabei kaufen Kunden keine Hardware, sondern schließen einen Vertrag, der die Bereitstellung und Wartung einer individuell angepassten Energie-Management-Lösung beinhaltet. Einsparungen kompensieren die höhere Servicegebühr, so dass von Beginn an unter dem Strich ein Kostenvorteil steht.

Die ganzheitliche Analyse von Produktionsanlagen oder Unternehmen im Hinblick auf das Energiespar-Potenzial amortisiert sich also nicht erst mittelfristig, sondern kann sich durch eine deutliche Senkung von Energieverbrauch und -kosten unmittelbar lohnen. Das gilt erst recht, wenn keine hohen Anfangsinvestitionen notwendig sind. Die Experten von Siemens beweisen damit, dass dank digitaler Lösungen für mehr Energieeffizienz Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit keinen Widerspruch bedeuten müssen – auch und gerade in Krisenzeiten.