Energiemanagement-Tools: Anwendung im Industrieunternehmen (VDI-Buch) (German Edition) 3540254781, 9783540254782

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Bernd Schieferdecker (Hrsg.) Energiemanagement-Tools

Bernd Schieferdecker (Hrsg.)

Energiemanagement-Tools Anwendung im Industrieunternehmen

Autoren Prof. Dr. Bernd Schieferdecker, Kapitel 1 und 2 Dr.-Ing. Christian Fuenfgeld, Kapitel 3 Dr.-Ing. Alexis Bonneschky, Kapitel 4

Mit 82 Abbildungen

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Prof. Dr. habil. Bernd Schieferdecker Brandenburgische TU Cottbus Institut für Energietechnik, Lehrstuhl Energiewirtschaft Walter-Pauer-Str. 5, 03046 Cottbus [email protected]

Dr.-Ing. Christian Fünfgeld Centrum für Energietechnologien Brandenburg e.V., c/o BTU Cottbus Friedlieb-Runge-Str. 3, 03046 Cottbus [email protected]

Dr.-Ing. Alexis Bonneschky Lahmeyer International GmbH Friedberger Str. 173, 61118 Bad Vilbel [email protected]

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

ISBN 10 3-540-25478-1 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 13 978-3-540-25478-2 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Verviefältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Satz: Digitale Druckvorlage der Autoren Herstellung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier

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Vorwort

Im Rahmen der weiteren Entwicklung der Liberalisierung in der Energiewirtschaft ist auch in den Bereich Betriebliches Energiemanagement neue Bewegung gekommen. Während in der Vergangenheit die sichere Bereitstellung der Energieträger primäre Aufgabe war, sind zwei neue Aspekte zwingend hinzugekommen. Zum einen begreifen immer mehr Energiekunden/Industrieunternehmen, dass sie im Prozess der Herausbildung der neuen Marktformen eine aktivere Rolle als Partner spielen bzw. spielen müssen. Um aber diese Partnerverantwortung richtig wahrnehmen zu können, bedarf es zunehmend einer detaillierten Kenntnis der energiewirtschaftlichen Zusammenhänge im eigenen Unternehmen. Das geht nicht mehr nebenbei! Es ist ein Energiemanagement erforderlich und zu entwickeln, dass aus den betrieblichen Zusammenhängen heraus qualifiziert mit den anderen Marktpartnern umgehen kann. Zum anderen wird die Möglichkeit des Handels mit CO2-Zertifikaten immer mehr Industrieunternehmen erfassen. Um mit verfügbaren CO2Zertifikaten handeln zu können, muss die CO2-Emission nachhaltig gesenkt werden, so dass ursprünglich zugeteilte Zertifikate auf dem Markt angeboten werden können. Nachhaltige Senkung der CO2-Emission geht nur über die nachhaltige Senkung des Energieverbrauchs, und diese wiederum bedarf eines zielstrebigen Energiemanagements, das Bestandteil des gesamten Unternehmensmanagements ist. Damit zielstrebiges Energiemanagement im Industrieunternehmen nicht nur zum sporadischen Abschalten der Beleuchtung oder ähnlichen vorübergehenden Aktionen führt, muss Werkzeug beschafft, erprobt und dann im ständigen Gebrauch verwendet werden. Im vorliegenden Buch wird der Versuch unternommen, ausgehend von bekannten technischen Grundlagen zunächst die Sensibilisierung des Unternehmens zu vertiefen und auf erprobte Tools zur Verwendung in der betrieblichen Energiewirtschaft aufmerksam zu machen. Aus langjährigen Erfahrungen und Aufschreibungen, umfangreichen praktischen Anwendungen, vielen studentischen Arbeiten und den Kapiteln 3 und 4 zu Grunde liegenden Dissertationsschriften am

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Vorwort

Lehrstuhl Energiewirtschaft der Brandenburgischen Technischen Universität sind diese Ausführungen entstanden. Sie erheben nicht den Anspruch der Vollständigkeit. Hinweise zur Ergänzung und Verbesserung werden dankbar entgegengenommen. Das vorliegende Buch soll vor allem die Betriebsleute ansprechen, die Betriebliche Energiewirtschaft und rationelle Energieverwendung nicht studiert haben, aber meist mit langjährigen Erfahrungen ihr Unternehmen gegenüber dem Energieversorger, bei Preisverhandlungen, bei der begründeten Festlegung der Spitzenlast oder bei Abrechnungen erfolgreich vertreten. Mit den im Buch enthaltenen vielfältigen Anregungen und Beispielen soll der Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft, zu einem permanenten Energiemanagement im Unternehmen vollzogen werden. Es geht hier nicht um das Wie des Energiemanagement sondern um die konkreten Ansätze, damit das Energiemanagement eine langfristige und nachhaltige Aufgabe im Unternehmensmanagement wird. Und, abrechenbare Ergebnisse haben da immer Wirkung. Der Herausgeber bedankt sich ausdrücklich bei seinen beiden Mitautoren und ehemaligen Mitarbeitern, Herrn Dr.-Ing. C. Fünfgeld und Herrn Dr.Ing. Alexis Bonneschky, die in aufwändiger Nebentätigkeit die hier dargestellte praktische Fassung ihrer Dissertationsschrift erstellt haben. Besonderer Dank gilt meinen beiden Mitarbeiterinnen Frau Betr.-Wirt. (VWA) Kirsten Pietsch und Frau Dipl.-Ing. Susanne Wuttge, die mit großer Sorgfalt und mit viel Geduld die druckreife Fassung erstellt haben.

Cottbus, April 2005

Bernd Schieferdecker

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung................................................................................................1 2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement B. Schieferdecker .....................................................................................7 2.1. Die optimale Erzeugung von Nutzenergie .......................................7 2.1.1. Erzeugung, Übertragung und wirtschaftliche Anwendung von Prozesswärme ................................................8 2.1.2. Erzeugung und wirtschaftliche Anwendung mechanischer Energie ....................................................................................29 2.1.3. Die Erzeugung und wirtschaftliche Anwendung von Licht....37 2.2. Kennziffern im industriellen Energiemanagement ........................40 2.2.1. Zum Verwendungszweck........................................................41 2.2.2. Die Aufstellung von Kennziffern............................................44 2.2.3. Wirkungsgrad/Nutzungsgrad ..................................................49 2.2.4. Der spezifische Energieverbrauch ..........................................55 2.3. Der Energiefluss und die Energiebilanz im betrieblichen Energiemanagement.......................................................................62 2.3.1. Energiebilanz einer Produktionsanlage...................................65 2.3.2. Energiebilanz einer Umwandlungsanlage...............................67 2.3.3. Energiebilanz einer Nebenanlage............................................68 2.3.4. Die einfache Energiebilanz eines Betriebes............................69 2.3.5. Das industrielle energetische System......................................74 2.4. Der Bereich Bereitstellung und Umwandlung ...............................76 2.4.1. Druckluftwirtschaft im Industrieunternehmen........................76 2.4.2. Wirtschaftlicher Betrieb von Transformatoren .......................85 2.4.3. Lastmanagement .....................................................................88 2.4.4. Blindstromkompensation ........................................................91 Literatur.................................................................................................97 3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement C. Fünfgeld.........................................................99 3.1. Energieverbrauch und Kosten......................................................102 3.2. Energierelevante Kosten ..............................................................103

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Inhaltsverzeichnis

3.2.1. Energierelevante Nebenkosten..............................................106 3.2.2. Methodische Umsetzung nach dem UPN-Modell ................124 3.2.3. Energierelevanz der Komponenten des industriellen energetischen Systems ..........................................................131 3.2.4. Kumulierte energierelevante Kosten.....................................134 3.2.5. Technische Voraussetzungen zur Umsetzung.......................141 3.3. Umsetzung in der betrieblichen Kostenrechnung ........................143 3.3.1. Verfahren der betrieblichen Kostenrechnung .......................146 3.3.2. Einbettung in die Verfahren der Kostenrechnung.................151 3.4. Bewertung der praktischen Relevanz im Unternehmen...............165 3.4.1. Allgemeine Wirkprinzipien ..................................................166 3.4.2. Die spezielle Situation des Unternehmens............................169 3.5. Optimierung der energierelevanten Kosten .................................173 3.5.1. Optimierungsziele im Rahmen der strategischen Planung....175 3.5.2. Optimierungsziele im Rahmen der operativen Planung .......177 Anhang 3.1. Begriffe der betrieblichen Kostenrechnung...................178 Literatur...............................................................................................183 4 Tools, die den Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit nutzbar machen – Integration energiewirtschaftlicher Aspekte in Systeme der Produktionsplanung und -steuerung A. Bonneschky.187 Einleitung............................................................................................187 4.1. Stellung des Energiemanagement in betrieblichen Planungs- und Steuerungsprozessen ............................................188 4.2. Typologie industrieller Produktionssysteme................................189 4.3. Einbindung von Merkmalen der Energieanwendung in die Produktionsplanung und -steuerung.............................................220 4.3.1. Entwicklungsstand ................................................................222 4.3.2. Relevante konzeptionelle Bereiche von PPS-Systemlösungen ............................................................224 4.3.3. Anforderungen an die Datenverwaltung...............................230 4.3.4 Anforderungen an das Systemumfeld....................................243 4.4. Praxisrelevante Funktionsbereiche zur Unterstützung des betrieblichen Energiemanagements .............................................250 4.4.1. Das Kennzahlen basierte Energiecontrolling........................251 4.4.2. Die programmgebundene Energiebedarfsermittlung ............259 4.5. Einsatz von ePPS® in einem Unternehmen der Grundstoffindustrie ................................................................273 4.5.1. Die Fertigungsstruktur des Unternehmens............................274 4.5.2. Einführung und Ergebnisse...................................................275 Literatur...............................................................................................288 Sachverzeichnis...................................................................................300

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Voraussetzungen für erfolgreiches Energiemanagement in Industrieunternehmen

Energiemanagement ist ein viel verwendeter und leicht über die Lippen gehender Begriff. Er wird häufig ohne nähere Definition im Bereich der Energieversorgung genau so verwendet wie in den Bereichen der territorialen Energiewirtschaft und im Industriebetrieb. Das vorliegende Buch will nicht die in großem Umfang vorhandenen Definitionen, die richtigen und die falschen, analysieren. Es will auch nicht den Gesamtumfang aller Bereiche abdecken. Die Konzentration erfolgt auf das Industrieunternehmen, in dem sowohl das ständige gezielte Versorgen und Verwenden mit allen Energieträgern als auch ausgewählte Energiemanagement-Projekte zu den Bestandteilen des Unternehmensmanagements gehören. Durch das Aufzeigen von komplexen Zusammenhängen und die Darstellung von Werkzeugen zur Verwendung werden das Systematische und das Gezielte als zentrale Aspekte des Energiemanagements im Industrieunternehmen deutlicher. Das Energiemanagement im Industrieunternehmen wird unterschieden in das Energie-Projektmanagement und das permanente Energiemanagement. Die maßgeblichen und noch heute gültigen Grundlagen zum EnergieProjektmanagement wurden bereits 1986 durch den Bd. I der Handbuchreihe Energieberatung/Energiemanagement von Winje/Hanitsch [1] geschaffen. Wie betriebliches Energiemanagement grundsätzlich funktionieren muss im komplexen Betriebssystem, von der Beschaffung über die Produktion bis zum Absatz der Produkte einschließlich der umweltrelevanten Zusammenhänge, das haben Wohinz/Moor [2] in 1989 entwickelt und dargestellt. Es war seiner Zeit voraus und ist erst heute richtig akut. Als Dritte maßgebliche Veröffentlichung als Grundlage für die Einführung eines Energiemanagements im Industrieunternehmen sei hier auf Wanke/Trenz [3] verwiesen, die aktuelle Erfahrungen zum Aufbau und zur Realisierung eines Energiemanagements in mittelständischen Unternehmen einbringen.

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Mit dem Hinweis auf diese Grundlagen soll verdeutlicht werden, dass es in der vorliegenden Ausarbeitung nicht um die weitere Verfeinerung geht. Viel mehr sollen Tools dargestellt werden, die das permanente Energiemanagement im Industrieunternehmen konkret monetär handhabbar machen, die nicht nur beschreiben und anleiten, sondern anzustrebende Ergebnisse messbar machen. Ziel jeglichen Energiemanagements im Industrieunternehmen muss es sein, den gesamten Betriebsablauf, aber auch die einzelnen Prozesse und Anlagen, effizienter zu gestalten bzw. zu betreiben und so über die Energiekosten zur Senkung der gesamten Betriebskosten zu gelangen. Das ist grundsätzlich durch technische, wirtschaftliche und organisatorische Maßnahmen bzw. durch ihre Kombination erreichbar. Im Produktions-, besser Betriebsprozess, haben die drei Grundfaktoren Maschine (Arbeitsmittel), Material (Arbeitsgegenstand) und Personal (Arbeitskraft) insbesondere im Zusammenhang mit der Bereitstellung und der Verwendung von Energie zur Sicherung des Produktionsergebnisses in Menge und Qualität eine unterschiedliche Bedeutung. Es geht darum, mit hochqualifizierten Arbeitskräften (vertretbar wenige) und mit modernen und hocheffizienten Anlagen (Arbeitsmitteln) den Arbeitsgegenstand (Material) möglichst verlustlos und damit mit vertretbar geringem Energieaufwand zu be- bzw. verarbeiten und damit die geforderten Quantitäts- und Qualitätsparameter in optimal kurzer Arbeitszeit zu erreichen oder in vorgegebener Arbeitszeit möglichst viel davon zu erzeugen. In diesem prinzipiell als optimal anzustrebenden Prozess ist die möglichst günstig und verlustlos bereitzustellende und in der Produktionsanlage eingesetzte Energie zur Erzeugung und Sicherung des eigentlichen Energiebedürfnisses (Nutzenergie) von zentraler Bedeutung. Das Arbeitsmittel, die Produktionsanlage, muss dabei einen energetisch optimalen Zustand haben. Es muss genau die technologisch Richtige sein. Sie muss genau die richtige Kapazität und damit Produktionsleistung haben. Sie muss möglichst lange im Neuzustand erhalten bleiben. Das gilt prinzipiell auch für Umwandlungsanlagen, bei denen es um die Effizienz der Erzeugung von Einsatzenergie aus Endenergie geht. Der Arbeitsgegenstand, das Material, ist mit möglichst wenigen, aber hocheffizienten technologischen Stufen verlust- bzw. abproduktarm und damit vergleichsweise mit geringem Energieeinsatz, zu einem Fertigerzeugnis mit gefordert hoher Qualität in geplantem Umfang zu verarbeiten. Die Arbeitskraft, das Personal, bedient, wartet, repariert und ersetzt die Produktionsanlage und sie verarbeitet das Material zum Fertigerzeugnis. Die Arbeitskraft ist die Ursache für mehr oder weniger hohe Qualität, für den mehr oder weniger hohen Ausschuss, in dem Energie ohne Ergebnis steckt, für die richtige und optimale zeitliche und Kapazitätsauslastung der

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Anlage und für die planmäßige Wartung und Instandhaltung. Und genau diese Arbeitskraft, das Bedienungs- und Produktionspersonal, aber auch deren zuständige Leiter müssen motiviert werden, sich genau wie um die Produktion, um den optimalen Einsatz der Energie zu bemühen. Dazu müssen sie qualifiziert werden und aktiv bleiben. Und dazu brauchen sie ein Instrumentarium, damit sie ihrer aktiven Rolle im Produktionsprozess auch zum rationellen Energieeinsatz gerecht werden. Management hat viel mit Agitation und Begreifen zu tun. ManagementTools müssen viel konkreter das Umsetzen in messbare Ergebnisse bewirken. Im Folgenden werden die zu erarbeitenden und darzustellenden Energiemanagement-Tools für Industrieunternehmen in drei Komplexen zusammengestellt. Erstens sollten technische Zusammenhänge dargestellt werden, deren richtige Anwendung die Werkzeugfunktion erfüllt. Gleichzeitig wird deutlich werden, dass auch ohne Kenntnisse der komplexen ManagementZusammenhänge Techniker durch ihre Handlung deutlich beitragen können. Zweitens wird der Schwerpunkt auf wirtschaftliche Zusammenhänge gelegt, die als zentrale Position die Kosten beinhalten. Schließlich wird Drittens versucht, den Zusammenhang zwischen Technik und Wirtschaftlichkeit darzustellen. Management, und damit auch Energiemanagement im Unternehmen, müssen Menschen konzipieren und realisieren. Dabei muss das Energiemanagement ausgewogen in das Management des gesamten Unternehmens, zur Erreichung einer gesamten betriebswirtschaftlichen Effizienz eingeordnet sein. Es geht nicht mehr und es ist auch in den meisten Fällen betriebswirtschaftlich gar nicht effizient, wenn gerade mal dort wo der Schuh drückt, sei es im Einkauf, an einzelnen Produktionsanlagen oder bei jahreszeitlich bedingten niedrigen Außentemperaturen schnell (fast immer ohne Übersicht) mal etwas getan wird, damit auf diesem Gebiet wieder Ruhe eintritt. Energiemanagement verkörpert ein grundsätzliches Prinzip, dass • von der Kenntnis des energiewirtschaftlichen Ist-Zustandes im Unternehmen ausgeht, • eingeordnet in die Unternehmensstrategie, in die Unternehmensphilosophie, ein realistisches Energiekonzept für die nächsten Jahre verfolgt, • den Zusammenhang zwischen dem Materialfluss, dem Kostenfluss und dem Energiefluss im gesamten Unternehmen herstellt und das Unternehmen in Abstimmung dieser Komponenten steuerbar macht, • in die Lage versetzt, aus diesem Unternehmenssteuerungsprozess unter energetischem Aspekt die notwendigen investiven Schlussfolgerungen

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zu ziehen und unter Beachtung betrieblicher Prioritäten planmäßig zu realisieren, • ohne die entsprechend motivierte Einstellung des Personals im Unternehmen nicht in Gang gebracht bzw. nicht aufrechterhalten werden kann. In Anerkennung dieses Prinzips sind grundsätzlich fünf Energiemanagement-Funktionen ableitbar. Erstens gilt es als minimale Anforderung an die energiewirtschaftliche Arbeit im Unternehmen und damit an das Energiemanagement, dass sämtliche Energieverbräuche in Summe und strukturiert aufgeschrieben und abgerechnet werden. Dieser langjährige regelmäßige Vorgang ist die Voraussetzung für den ständigen Überblick, für den Ist-Zustand. Dazu gehört ebenfalls die Kontrolle, wenn von Planungsgrößen ausgegangen wird, und ein definiertes Benchmarking, wenn gezielte Vergleiche gefordert sind. Die Abrechnung und Kontrolle muss sich außer auf die Verbräuche auch auf die gesamten energierelevanten Kosten beziehen. Dadurch wird die Ausgangsbasis geschaffen vom energietechnischen Ansatz (Verbrauch/ Bedarf) über den energiewirtschaftlichen (energierelevante Kosten) zum Gesamtbetriebswirtschaftlichen Ansatz (Jahresbetriebskosten mit energiewirtschaftlichem Bestandteil). Zweitens muss sich hier folgerichtig und geradezu zwingend die Analyse als wichtige Funktion des Energiemanagements im Unternehmen anschließen. Die Analyse muss grundsätzlich die Frage nach dem Warum der registrierten Verbräuche und Kosten beantworten. Das Instrument ist in der Regel der Vergleich – zum einen der Entwicklung über der Zeit, aber zum anderen der Vergleich mit gleicher oder ähnlicher Technik/Technologie – und schließlich das Herausfinden der Ursachen für sich darstellende Unterschiede. Die Verwendung aussagekräftiger Kennzahlen, d.h. die Bezugnahme der Verbräuche bzw. Kosten auf betriebsspezifische Größen ist dabei sehr hilfreich. Das Energiemanagement-relevante an der AnalyseFunktion ist aber schließlich die Notwendigkeit richtiger und der gesamten Unternehmensstrategie und -führung dienender Schlussfolgerungen. Diese können Ausgangspunkt sein für einen energiewirtschaftlich und betriebswirtschaftlich qualifizierten täglichen Umgang bei der Bereitstellung und Verwendung der Energie (z.B. im Zusammenhang mit der Kapazitätsauslastung oder mit der zeitlichen Inanspruchnahme von Anlagen oder z.B. auch Maßnahmen zum Lastmanagement). Diese Schlussfolgerungen müssen aber auch zwangsläufig Ausgangspunkt sein für notwendige Projekte Aufgaben also, die z.B. den Ersatz einer alten Anlage mit inzwischen nicht

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mehr verantwortbarem Energieverbrauch oder Energiekosten oder z.B. der Bau und Betrieb eines neu zu errichtenden Abhitzekessels, der einen alten Dampferzeuger ablöst, oder z.B. auch die langfristige Planung und Realisierung einer optimalen Wärmedämmung der Gebäude und damit Senkung der Heizungskosten. Solche an Projekte gebundene Schlussfolgerungen führen in der Regel zu einer Prioritätenliste, also zu einem längerfristigen Energiekonzept, das ohne Abstimmung mit der Unternehmensführung nur selten Erfolgschancen hat. Drittens ist damit die Führungsfunktion des Energiemanagement im Unternehmen angesprochen. Dieser wichtige Aspekt wird besonders wirksam, wenn das Unternehmensmanagement, wenn die Unternehmensführung dem Produktionsfaktor Energie einen gebührenden Stellenwert einräumt. Wenn z.B. Gesamtkonzepte zur Senkung der Produktionskosten nicht fast schon latent nur auf zu hohe Personalkosten aufmerksam machen sondern die gesamten energierelevanten Kosten (auch nicht nur die Energiebezugskosten) ebenfalls ihren Platz in diesen Konzepten haben. Wenn z.B. Investitions-, Technologieerneuerungs-, Modernisierungskonzepte auch abgestimmt sind mit den langfristigen investiven Notwendigkeiten im energiewirtschaftlichem Bereich. Mit der Wahrnehmung dieser komplexen, in das gesamte Unternehmensmanagement eingeordneten, Führungsfunktion kann man erst statt von energiewirtschaftlicher Arbeit vom Energiemanagement im Unternehmen sprechen. Aus den aufgeführten Beispielen wird auch deutlich, dass die Führungsfunktion des Energiemanagement eine zwar zweiseitige aber in der Hauptverantwortung durch die Unternehmensleitung wahrzunehmende Funktion ist. Die im Unternehmen tätigen Energiefachleute schaffen inhaltliche Grundlagen (Abrechnung und Kontrolle, Analyse, Schlussfolgerungen für den täglichen Umgang mit Energie und für gezielte Programmschritte zur Realisierung von Projekten) und darauf aufbauend müssen in der Unternehmensleitung Entscheidungen getroffen werden, die sich dann im gesamten betrieblichen Leitungsprozess niederschlagen. Viertens ergibt sich an dieser Stelle der Hinweis auf den Personalfaktor und damit auf die Organisationsfunktion des Energiemanagement im Unternehmen. Der Produktionsfaktor Energie braucht, genau wie alle anderen Produktionsfaktoren, eine rationelle und funktionierende Organisation. Betrachtet man das Energiemanagement vordergründig nicht als Prinzip sondern als organisatorische Einrichtung, dann ist Organisation - als Gegenpol zur Improvisation - dabei grundsätzlich auf das Schaffen eines allgemeingültigen Ordnungszusammenhangs, also genereller Regeln gerichtet. Dabei legt eine bestimmte Aufbauorganisation das Kompetenz- und Kommunikationssystem fest und regelt die Aufgabenverteilung und die Zusam-

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menarbeit der verschiedenen Stellen. Eine notwendige Ablauforganisation umfasst das Zusammenwirken von Personal mit den Betriebsmitteln und Arbeitsgegenständen. Und eine besondere Organisationsform erfordert die Durchführung zeitlich befristeter und damit nicht kontinuierlicher Vorhaben wie sie einzelne Energieprojektaufgaben darstellen. Sie erfordern also eine spezielle Projektorganisation, auch als Energie-Projektmanagement zu verstehen. Die Notwendigkeit und der Umfang der Aufbau-, Ablauf- und Projektorganisation in einem Unternehmen richten sich hauptsächlich nach der Betriebsgröße und damit dem Grad der organisatorischen Differenzierung und nach der Energieintensität und der damit energiespezifischen Ausprägung (vgl. Wohinz/Moor [2]). Fünftens aber nicht zuletzt muss hier auf die wichtige Controllingfunktion eingegangen werden. Controlling im Betriebsprozess ist nicht ausreichend, wenn man darunter im engeren Sinne nur Kontrolle versteht. Controlling bedeutet hier vielmehr beherrschen, in Schranken halten, leiten, lenken, verwalten. Und genau um das Beherrschen des optimalen Energieflusses in Korrespondenz mit dem optimalen gesamtbetrieblichen Materialfluss, Produktionsprozess j a gesamten Reproduktionsprozess von der Beschaffung bis zum Absatz, genau um das Beherrschen dieses komplexen betrieblichen Systems geht es beim Energiecontrolling. Hier muss im Vergleich zur herkömmlichen energiewirtschaftlichen Arbeit im Unternehmen der Steuerungsaspekt wirksam werden. Moderne Produktionsplanungs- und steuerungssysteme berücksichtigen Energie in dieser hier dargestellten Form bisher nicht, bestenfalls völlig unzureichend. Management hat viel mit Agitation und Begreifen zu tun. ManagementTools müssen viel konkreter das Umsetzen in messbare Ergebnisse bewirken. Im Folgenden werden die zu erarbeitenden und darzustellenden Energiemanagement-Tools für Industrieunternehmen in drei Komplexen zusammengestellt. Erstens sollen technische Zusammenhänge dargestellt werden, deren richtige Anwendung die Werkzeugfunktion erfüllt. Gleichzeitig wird deutlich werden, dass auch ohne Kenntnis der komplexen ManagementZusammenhänge Techniker durch ihre Handhabung deutlich dazu beitragen können. Zweitens wird der Schwerpunkt auf wirtschaftliche Zusammenhänge gelegt, die als zentrale Position die Kosten beinhalten. Schließlich wird Drittens versucht, den Zusammenhang zwischen Technik und Wirtschaftlichkeit herzustellen.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement B. Schieferdecker

Der folgende Abschnitt bildet im Wesentlichen den Inhalt der vom Verfasser in den Jahren 1993-2005 an der Brandenburgischen Technischen Universität gehaltenen Vorlesung „Wärmewirtschaft und Energiekonzepte“. Bestandteil dieser Lehrveranstaltung sind auch eine Reihe praktischer Versuche.

2.1. Die optimale Erzeugung von Nutzenergie Es wurde bereits einleitend darauf hingewiesen, dass das eigentliche Energiebedürfnis ein bestimmtes Quantum Nutzenergie ist, das aus der eingesetzten End- bzw. Einsatzenergie zu erzeugen ist. Wärme − zur Erwärmung oder zum Schmelzen eines Arbeitsgegenstandes, − zum Erwärmen bzw. Kochen von Flüssigkeiten, − zur Erwärmung eines Raumes und Schaffung von Behaglichkeit. Mechanische Energie zum Antrieb − von stationären Maschinen und Geräten, − von Fahrzeugen, Schiffen und Fluggeräten. Licht und andere Wellen − − − −

zur Verlängerung des Tages, zur besseren Verrichtung von Arbeiten, zur Übertragung von Nachrichten und Informationen, zur Bearbeitung von Gegenständen (Laser).

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2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Elektrochemische Energie − zur Realisierung elektrolytischer, elektroerosiver und galvanischer Prozesse in der Produktion. In der Vorbereitungsphase, bei der Konzipierung von Produktionsverfahren und Anlagen, und beim anschließenden Betreiben der Anlagen gibt es aus den physikalischen Zusammenhängen Ansätze zur optimalen Erzeugung der Nutzenergie aus dem eingesetzten Energieträger, auch im Zusammenhang mit der Wirtschaftlichkeit des Prozesses. 2.1.1. Erzeugung, Übertragung und wirtschaftliche Anwendung von Prozesswärme Prozesswärme wird leichter oder schneller, im Sinne von produktivitätssteigernd, zur besseren Bearbeitung des Werkstückes (Arbeitsgegenstandes) erzeugt. Grundsätzlich läuft das in zwei Stufen ab: − die Erzeugung der Wärme durch Verbrennung eines fossilen Energieträgers oder durch die Anwendung elektrotechnischer Prinzipien, − die Übertragung der erzeugten Wärme auf den Arbeitsgegenstand. Beide Stufen können mit einem notwendigen technischen Aufwand die gestellten Forderungen an Temperatur, übertragene Leistung, geforderte Produktqualität erfüllen. Aber beide Stufen können wirtschaftlich völlig unterschiedliche Aufwendungen zur Erreichung des Produktionszieles notwendig machen. Zur Erreichung eines optimalen Energieeinsatzes im Produktionsprozess, als einen maßgeblichen Bestandteil des betrieblichen Energiemanagements, sind die im Folgenden dargestellten Grundzusammenhänge von Bedeutung. Wärmeerzeugung durch Verbrennung

Die Verbrennung ist ein chemischer Vorgang, bei dem der Brennstoff und der Sauerstoff aus der Verbrennungsluft nach vorangegangenen Umwandlungsprozessen unter Wärmeentwicklung miteinander reagieren. Es entstehen gasförmige Verbrennungsprodukte (Verbrennungsgase), die in einer geeigneten technischen Konstruktion ihren Wärmeinhalt auf den Arbeitsgegenstand übertragen müssen. Hat der Brennstoff nicht brennbare Bestandteile, bleiben diese nach der Verbrennung in aufgewärmtem Zustand zurück (Schlacke, Asche) und entziehen somit dem Wärmeerzeugungsvorgang Wärme, die zur Übertragung auf den Arbeitsgegenstand nicht wirksam werden kann.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

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Jeder Verbrennungsvorgang beginnt bei Erreichen der Zündtemperatur des Brennstoffs und ausreichend vorhandenem Sauerstoff aus der Verbrennungsluft. Die Zündtemperatur ist ein Energieträger-spezifisches Kriterium. Leichtes Heizöl (HE-L) zündet bereits bei 200°C, Erdgas erst bei 350°C und Steinkohlekoks bei 550°C. Der Luftsauerstoff muss zur Verbrennung − genügend (quantitativ) vorhanden sein, − gut mit den brennbaren Teilen des Brennstoffes reagieren können. Das Maß für die richtige Luftsauerstoffdosierung ist das Luftverhältnis.

λ= Lstöch Ltats

Ltats . Lstöch

(2.1)

aus der chemischen Reaktionsgleichung resultierender stöchiometrischer Luftbedarf zur Auslösung und Aufrechterhaltung des Verbrennungsvorganges in einer technischen Anlage tatsächlich erforderlicher Luftbedarf

Für feste Brennstoffe rechnet man, abhängig von der Anlage mit Ȝ=1,3...1,5, bei flüssigen Brennstoffen mit Ȝ=1,1...1,15 und bei Gasen mit Ȝ=1,05...1,1. Ist nicht genügend Sauerstoff vorhanden oder die Durchmischung von Brennstoff und Sauerstoff nicht ausreichend oder wird sie strömungstechnisch nicht optimal gehalten, dann spricht man von unvollständiger Verbrennung. Sie führt dazu, dass noch brennbare Bestandteile im Abgas (vor allem CO) bzw. in den Rückständen enthalten sind. Energiewirtschaftlich ist die unvollständige Verbrennung ineffizient. Sie führt zu einem steigenden Energieverbrauch und damit zu höheren Energiekosten. Des Weiteren führt sie zu vermeidbaren Schadstoffen im Abgas. Zur Vermeidung unvollständiger Verbrennung wird häufig vorsichtshalber mehr Verbrennungsluft (Sauerstoff) zugeführt als technisch erforderlich. Das führt zwar zu vollständiger Verbrennung, aber zugleich wird vergleichsweise viel mehr Abgas mit hoher Temperatur erzeugt. Das bedeutet, sofern das Abgas ungenutzt abgeführt wird, Prozessverlust und führt zu einem deutlich schlechteren Prozess-Wirkungsgrad (vgl. Abschn. 2.2.3). Die Werkzeuge zur Erreichung einer optimalen Verbrennung sind − eine regelmäßige, möglichst permanente Abgasanalyse, − laufende Kontrolle der Abgastemperatur.

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2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Ein zweiter maßgeblicher Aspekt der wirtschaftlichen Energieanwendung in verbrennungstechnischen Anlagen ist das Vermeiden von Falschluftzufuhr. Bei mit Unterdruck betriebenen Verbrennungsräumen (z.B. bei natürlichem Zug ohne Technik) führen Undichtheiten zum Ansaugen von kalter Umgebungsluft. Diese Falschluft beeinflusst den Verbrennungsvorgang durch ungewollte Reaktionen. Vor allem aber entsteht das bereits erwähnte erhöhte Abgasvolumen mit hoher Temperatur und damit erhöhter Abgasverlust. Des Weiteren muss kalte Falschluft erwärmt werden. Das bedeutet erhöhten Energiebedarf. Falschluft bei der Verbrennung kann vermieden bzw. auf ein technisch nicht vermeidbares Minimum reduziert werden durch − Einstellung eines leichten Überdruckes im Verbrennungsraum, − ständige Kontrolle der Anlage auf Undichtheiten und sofortige Beseitigung derselben, − Vermeidung von extremen Temperatur-Wechsel-Beanspruchungen, besonders bei An- und Abfahrvorgängen. Ein dritter Aspekt der wirtschaftlichen Energieverwendung bei der Verbrennung ist die Minimierung des Abgaswärmeanfalls und die Abwärmenutzung. Verbrennungsgase verlassen den Ofenraum mit Temperaturen höher als die Prozesstemperatur. Sie beinhalten damit beträchtliche Teile noch arbeitsfähiger und damit noch nutzbarer Energie. Dieser Abwärmeverlust kann bei hohen Prozesstemperaturen bis ca. 50% des eingesetzten Brennstoffes betragen. Der Abgaswärmeanfall lässt sich verringern durch − optimale Verbrennung (optimales Luftverhältnis), − eine dichte Verbrennungsanlage, − durch Erhöhung der Speicherwärme der Anlage bei diskontinuierlich ablaufenden Prozessen (Chargenbetrieb), − technische Einbauten, die durch Wärmetausch zumindest eine teilweise Abwärmenutzung möglich machen. Die Speicherwärmekapazität einer Ofenanlage kann erhöht werden durch − die Verwendung hoch wärmedämmender Materialien zur Ausmauerung, − die Ermittlung einer wärmewirtschaftlich optimalen Ofenwand-Dicke, − den Einbau von sog. künstlich-porösen Mauerwerk, durch das das hoch erhitzte Verbrennungsgas nach der Einwirkung auf das zu erwärmende Gut strömt und die Speicherwärme erhöht. Eine Abwärmenutzung, also die Nutzung der Abgasenthalpie, kann primär und sekundär erfolgen. Dabei bedeutet primär die Nutzung der Abga-

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senthalpie in der Anlage, in der sie entsteht. Und sekundär bedeutet demzufolge Nutzung der Abgasenthalpie in einer Anlage außerhalb der Verbrennungsanlage. Abwärmenutzung erfolgt physikalisch immer durch Wärmetausch, außer wenn der Abgasvolumenstrom chemisch gebundene Enthalpie enthält. Primäre Möglichkeiten zur Nutzung der Abgasenthalpie sind die Vorwärmung des Einsatzgutes, z.B. in dem der Abgasvolumenstrom über das Einsatzgut geleitet wird, und die Vorwärmung der Verbrennungsluft, in der Regel durch einen Wärmetauscher (Regenerator oder Rekuperator). In beiden Fällen wird Enthalpie wieder in den Prozess eingebracht und dadurch die Bilanzgröße Einsatzenergie reduziert und den Brennstoffverbrauch senkt. Diese Nutzungsmöglichkeiten und damit Brennstoffeinsparungen sind nicht unbegrenzt, da man auch im Bereich der wirtschaftlichen Energieverwendung kein perpetuum mobile erreichen kann. Ein vierter Aspekt der wirtschaftlichen Energieverwendung an industriellen Anlagen ist die richtige Kapazitätsbemessung und -auslastung sowie die zeitliche Auslastung, worauf noch im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch eingegangen wird. Weitere Brennstoff-spezifische Ansätze zur rationellen Energieverwendung sind: feste Brennstoffe − − − − −

richtige Sorte auswählen Zerkleinern, Mahlen, Vortrocknen, Sicherung einer guten Mischung mit Verbrennungsluft, Optimale Zündung und Wärmeabgabe auf das zu erwärmende Gut, Sicherung minimaler Umschlag- und Lagerverluste.

flüssige Brennstoffe − Heizölvorwärmung, − Sicherung der optimalen Viskosität im Zusammenhang mit dem Brennertyp (eventuell Vorwärmen) − Beachtung und Optimierung des Energiebedarfs zur Ölzerstäubung; im praktischen Betrieb von Industrieanlagen werden 1...8 kWh pro 100 kg Ölzerstäubung benötigt (abh. vom Brennertyp) gasförmige Brennstoffe − richtige Brennerwahl, abhängig vom geforderten Wärmeübergang auf das Werkstück (Fläche/Punkt), − zweckmäßige Brenneranordnung und –einbau (keine Behinderung und Wandberührung),

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− richtige Bemessung der Querschnitte für Gas, Luft und Abgas, − auch hier möglichst Brenngasvorwärmung. Wärmeerzeugung mittels Elektroenergie

Die Nutzung spezifischer Gesetzmäßigkeiten der Elektrotechnik bietet die Möglichkeit, Wärme als Nutzenergie zu erzeugen und dabei ein sehr breites Temperaturspektrum zu nutzen. (vgl. Abb. 2.1.) Vorzüge gegenüber den Brennstoffen sind − Zeitersparnis durch kurze Erwärmungszeiten, − daraus resultiert grundsätzlich eine hohe Produktivität des Prozesses (große Ausstoßmengen in kürzerer Zeit bei konstanter Qualität), − geringerer Materialverlust, weil weniger Abbrand, − keine Verbrennungskomponenten und damit völlig andere Abgasverhältnisse (Abgas entsteht lediglich aus möglichen chemischen Reaktionen des Einsatzmaterials) − Sauberkeit in der Bedienung, genauere Qualitätsparameter, sehr gute Regelung. Andererseits ist Elektroenergie ein energetisch wie ökonomisch sehr aufwändiger Einsatzenergieträger, dessen Erzeugung hohe Umwandlungsverluste verursacht. Zum Einsatz einer Einheit Elektroenergie muss bis zum Dreifachen an Primärenergie bereitgestellt werden. Das Erzeugen von Elektroenergie aus Primärenergie ist mit beträchtlichen Umweltproblemen (Emissionen) verbunden. Das macht deutlich, dass die Anwender von Elektroenergie weniger im Focus von Umweltauseinandersetzungen stehen. Gelöst ist das Umweltproblem als Ganzes damit aber nicht. Im industriellen Bereich der Wärmeerzeugung aus Elektroenergie sind die − − − − −

Widerstandserwärmung, Induktive Erwärmung, Kapazitive Erwärmung, Infraroterwärmung, Lichtbogenerwärmung (Schmelzen)

von energie-wirtschaftlichem Interesse. Auch hier bedarf es konkreter Ansätze im Sinne von Tools zum optimalen Prozessmanagement. Die elektrische Widerstandserwärmung wird in mittelbare (indirekte) und direkte Widerstandserwärmung unterschieden.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

13

kapazitive Erwärmung

Infraroterwärmung induktive Erwärmung Widerstandserwärmung

Lichtbogenerwärmung

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500 °C

273

773

1273

1773

2273

2773

3273

3773

K

Abb. 2.1. Prozesstemperaturbereiche elektrischer Erwärmungsverfahren

Die elektrische Widerstandserwärmung wird in mittelbare (indirekte) und direkte Widerstandserwärmung unterschieden. Bei der indirekten Widerstandserwärmung wird die, in speziellen Heizelementen (Heizleiter) erzeugte Wärme, ähnlich wie von der Flamme, durch Strahlung, Konvektion und Leitung auf den zu erwärmenden Gegenstand übertragen. Zur Intensivierung findet die Widerstandserwärmung in einem Ofenraum statt (vgl. Abb. 2.2.). Sie findet in der Industrie vielfältige Anwendung, z.B. beim Glühen, Trocknen, Brennen von Keramik und Porzellan, aber auch im Haushalt, z.B. Kochen, Toasten, Bügeln. Die Erzeugung der Nutzenergie Wärme findet prinzipiell nach dem Joulschen Gesetz statt.

(2.2)

P = I2 ⋅R

ρ ⋅"

[Ω] F º I 2 ⋅ ρ ⋅ " ª A ⋅ A Ω ⋅ mm 2 m 1 A ⋅ A ⋅V = ⋅ ⋅ ⋅ = =W » « 2 1 mm F m A ¼ ¬ 1 R=

ȡ

" F I R

Ω ⋅ mm 2

spezifischer Widerstand in m Länge des Heizleiters in Meter (m) Querschnitt des Heizleiters in mm2 Stromstärke in Ampere (A) ohmscher Widerstand in Ohm (Ω )

14

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Damit sind die Hauptkriterien zur Erzielung einer hohen Leistung die richtige Wahl des Heizleiters nach seinem Querschnitt, seinem spezifischen Widerstand und nach seiner Länge. Die Hauptgröße für die Wahl des Temperaturbereiches, abhängig von der technologischen Forderung, ist der spezifische Widerstand. Vor allem ist zu berücksichtigen, dass der spezifische Widerstand bei allen Heizleiterwerkstoffen temperaturabhängig ist. Bei metallischen Heizleitern (vor allem Chrom-Legierungen, Molybdän, Wolfram) steigt der spezifische Widerstand mit zunehmender Temperatur. Das ist wichtig, da es sich hier um mögliche Prozesstemperaturen von 1200...2500°C handelt. Bei nichtmetallischen Heizmaterialien (Siliciumcarbid, Kohle, Graphit z.B.) verhält sich diese Tendenz umgekehrt bei Prozesstemperaturen von 1.500... 2.500°C). Bei nichtmetallischen Heizmaterialien. Wird das zu erwärmende Werkstück hinsichtlich seiner Abmessungen (F, l) und der Materialqualität vorgegeben (ȡ), z.B. Rohr, Stab, dann bietet sich an, diesen Gegenstand im System als Heizleiter zu betrachten ihn also zwischen zwei Elektroden zu spannen (Abb. 2.3.). Damit entfallen alle energetischen Probleme beim Wärmeübergang vom Heizleiter zum Werkstück (Strahlung, Konvektion, Leitung), die ja verlustbehaftet sind. Ausgehend vom Joulschen Gesetz wird im System der direkten Widerstandserwärmung (auch als konduktive Erwärmung bezeichnet), ausgehend von den vorgegebenen Abmessungen und von der Materialqualität, die Stromstärke zur entscheidenden energetischen Größe. Andererseits sind anzustrebende hohe Stromstärken von bis zu 80 kA (hohe energetische Leistung bei konstanter Spannung) mit erheblichen technischen Problemen verbunden, die sich auf die Kontaktflächen, aber vor allem auch auf den sog. Skin-Effekt konzentrieren. Eine Stromverdrängung an die Werkstückoberfläche und damit eine schnellere Erwärmung derselben gegenüber dem Werkstück-Kern kann erhebliche Qualitätsprobleme bewirken, kann aber auch dem Erwärmungszweck entsprechen und damit sehr effizient sein. Auf der anderen Seite zeichnet sich die direkte Widerstanderwärmung aus durch − sofortige Betriebsbereitschaft (kein Anwärmen, keine Anfahrverluste, keine Verluste durch Aufbau der Speicherwärme), − vergleichsweise (zur indirekten Erwärmung und Brennstofferwärmung) extrem kurze Erwärmungszeiten, die eine sehr hohe Produktionsleistung erwarten lassen, − nur sehr geringe Materialverluste (geringer Abbrand, geringe Randentkohlung).

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

15

4 1 3

5

2

1 2 3 4 5

Heizleiter Werkstück Beschickung Isolierung feuerfeste Auskleidung

Abb. 2.2. Mittelbare Widerstanderwärmung

Ausgangspunkt für die Darstellung der wirtschaftlichen Zusammenhänge bei der Induktiven Erwärmung ist das Induktionsgesetz nach Maxwell. e=ω Ȧ e f

dΦ dt

dΦ dt

(2.3)

Kreisfrequenz (2ʌf) elektrische Spannung, deren Höhe von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses abhängt Frequenz d. Wechselstroms zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss

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2

3 1

1 - Werkstück 2 - Elektrode 3 - Niederspannungstransformator Abb. 2.3. Direkte Widerstanderwärmung

Ist die Leiterschleife elektrisch geschlossen, so bewirkt der Potenzialausgleich einen elektrischen Stromfluss (I2) im Werkstück, der nach dem Joulschen Gesetz in Wärme umgesetzt wird (Abb. 2.4.). I1 1

2 I2

1 - Werkstück 2 - Primärspule (Induktor)

Abb. 2.4. Induktives Erwärmen

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

17

Der in der Induktionsspule fließende Wechselstrom (II) erzeugt einen zeitlich veränderlichen Magnetfluss. Die dadurch induzierte Spannung erzeugt im Spulenkern (Werkstück) den Strom I2, der ein eigenes (sekundäres) Magnetfeld aufbaut, das dem sog. Primärfeld entgegen wirkt. Das hat zur Folge, dass der durch II induzierte Magnetfluss (Feldstärke) auf I2 schwächend wirkt. Diese Schwächung ist von der Außenfläche zur Mittelachse hin zunehmend. Die damit verbundene Stromverdrängung zur Werkstückoberfläche hin ist umso größer, je höher die Frequenz des Wechselstromes II ist. Es tritt wiederum der sog. Skin-Effekt auf, der hier technologisch genutzt wird (z.B. Oberflächenhärten, -vergüten), in dem eine genau bemessene Eindringtiefe eingestellt werden kann. Die Einstellgröße ist die Frequenz (f) im Zusammenhang mit dem spezifischen Widerstand (ȡ) des zu erwärmenden Materials und der sog. magnetischen Leitfähigkeit (µ). Somit ist die Erwärmungstiefe umso größer, je − höher der spezifische Widerstand des Materials, − geringer die relative magnetische Leitfähigkeit des Materials, − niedriger die Netzfrequenz ist.

Die ersten beiden Kriterien sind zusätzlich temperaturabhängig. Damit ist die Frequenz die frei wählbare Variable. Aus energie-wirtschaftlichen Gründen muss abgewogen werden zwischen den erzielbaren Energieeinsparungen bei genauer Einstellung der Eindringtiefe und dem Aufwand zur genauen Einstellung der Frequenz. Hinzu kommt, dass bei hohen Leistungskonzentrationen gekühlt werden muss. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass mit einer induktiven Erwärmungsanlage erhebliche Blindleistung erzeugt (cos ij 0,5...0,2) wird. Demzufolge muss die Technik und der Aufwand zur Blindleistungs-Kompensation in die energiewirtschaftlichen Untersuchungen einbezogen werden. Die Physik der Lichtbogenerwärmung wird durch die Gesetze der Gasentladung begründet. Erfolgt ein Stromübergang zwischen zwei Elektroden (Anode/Kathode) in Gasen bzw. Dämpfen, so entstehen hohe Temperaturen. Bei Wechselstrom ist im Rhythmus der Frequenz jede Elektrode wechselnd Anode bzw. Kathode. Nach Kurzschluss und anschließendem Auseinanderziehen der Elektroden beginnt die Ionisation des Gases bzw. Dampfes. Der Ionisationsgrad von Gasen und Dämpfen ist stark temperaturabhängig. Dabei entstehen Prozesstemperaturen von 2400...4200°C, weshalb eher das Lichtbogenschmelzen von energiewirtschaftlichem Interesse ist.

18

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Die möglichen hohen Prozesstemperaturen bewirken eine sehr hohe Wärmeleistung, da die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Strahlung erfolgt [Temperaturen in der vierten Potenz]:

qEW = ε EW TL TW İEW qEW

ª§ T · 4 § T · 4 º ⋅ 4,9«¨ L ¸ − ¨ W ¸ » «¬© 100 ¹ © 100 ¹ »¼

in kJ / h ⋅ m 2

(2.4)

Lichtbogentemperatur Temperatur des Wärmegutes (Schmelze) resultierendes Emissionsverhältnis von der Elektrode auf das Wärmegut übertragene spezifische Wärmeleistung

Mit einer Lichtbogenanlage können in Folge der extrem erzielbaren Energiedichte (Leistungskonzentration auf kleiner Fläche) in vergleichsweise kleinen Anlagen sehr hohe Produktionsleistungen erzielt werden. Damit wird ein niedriger Energieverbrauch pro hergestelltem Produkt (spezifischer Energieverbrauch) erreicht (Degressionseffekt). Aber auch hier läuft der Prozess nicht automatisch ohne jede Einflussnahme. Ansätze im Sinne von Tools sind − die richtige Entscheidung für die optimalen technisch-physikalischen Ausgangsgrößen und damit für die richtige Anlage zur Realisierung des richtigen Prozesses, − die organisatorischen Ansätze zum optimalen Produktionsablauf und damit zur Erreichung eines optimalen Energieverbrauchs. Zu den technisch-physikalischen Ansätzen, vor allem beim Einrichten neuer Anlagen und ihrer Einordnung in die technologische Kette, gehören: − die Wahl der Stromart (Gleich-, Wechselstrom), die sowohl in der Prozesscharakteristik als auch in der technischen Ausrüstung der Peripherie niederschlägt (Trafo, Gleichrichter, Netzwirkung usw.), − die Strom-Spannungs-Charakteristik weil, abhängig von der erreichbaren Stromstärke, sog. Niederstrom-Bogen eine fallende Leistungskennlinie haben. Beim sog. Hochstrom-Bogen ist das umgekehrt (Abb. 2.5), − schließlich Fragen der Wahl des richtigen Elektrodenmaterials und der Technik zur Lichtbogenstabilisierung.

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19

1,0 cos j 0,8 0,6

Wirkleistung PW

hges cos j

hges

0,4 PW Arbeitsbereich

0,2

0

Stromstärke PW IK hges cos j

Ik

- Wirkleistung - Stromstärke - Gesamtwirkungsgrad - Leistungsfaktor

Abb. 2.5. Arbeitskurven eines Lichtbogen-Stahlschmelzofens

Mit den technisch-physikalischen Entscheidungen wird das Niveau des künftigen Energieverbrauchs einer neuen Anlage bestimmt. Die organisatorischen Ansätze sind gültig für den dann folgenden laufenden Betrieb der Anlage. Hier kann der Energieverbrauch unmittelbar beeinflusst werden. Es sind dies speziell beim Lichtbogenschmelzen: − das Erreichen und Einhalten des optimalen Arbeitsbereiches, begründet dadurch, dass der Bestpunkt der Wirkleistung nicht identisch ist mit dem Bestpunkt des Wirkungsgrades (Abb. 2.5). Bei der Durchführung des Schmelzbetriebes wird angestrebt, dass die Stromstärke (Elektrodenabstand) im Arbeitsbereich zwischen beiden Bestwerten bleiben soll. Bei Schmelzbeginn wird mit maximaler Leistung (rechts) gefahren und in der metallurgischen Phase (links) auf einen maximalen Wirkungsgrad und damit niedrigsten spezifischen Energieverbrauch orientiert. Die zweite, energiewirtschaftlich bedeutende Phase wird häufig nicht exakt erreicht. − Die Technik und Organisation der Ofen-Beschickung, der Zeitaufwand für das Beschicken mit neuem Schmelzgut und damit die zeitabhängi-

20

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

gen Wärmeverluste sind energetisch relevante Größen. Sie sind positiv beeinflussbar durch bereits vorgesehene große Öffnungen, die das Füllen in einem Vorgang ermöglichen (z.B. Tiegel mit Deckel). Weiter ist auf ein dichtes Setzen des Schmelzgutes zu achten, damit zur Erreichung einer hohen Kapazitätsauslastung möglichst wenig nachgesetzt werden muss. Hier ist ein Vorsortieren des Schmelzgutes hilfreich. Organisatorisch zu beachten und damit energiewirtschaftlich relevant ist ebenfalls das Vermeiden von Stillstandszeiten und Ausfällen. Stillstand bedeutet bei Hochtemperaturprozessen Abkühlung und damit Wärmeverluste, die bei Wiederaufnahme der Produktion erst wieder aufgebracht werden müssen, wodurch der spezifische Energieverbrauch steigt. Auf die Ansätze zur Vermeidung elektrischer Verluste, im Bereitstellungsbereich durch die Wahl der richtigen Primär- und Sekundärspannungen, die Länge der Sekundärleitungen bis zu den Elektroden, im Anwendungsbereich durch saubere und flächige Elektrodenanschlüsse, wird hier nicht ausführlich eingegangen. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass derart energieintensive, diskontinuierlich ablaufende Prozesse maßgeblichen Einfluss auf den gesamten Lastgang (Leistungsverlauf) des Betriebes haben. Auf diesen speziellen energiewirtschaftlichen Bereich wird noch eingegangen (vgl. Punkt 2.4.3.). Die Kapazitive Erwärmung ist als moderne technische Möglichkeit der Wärmeerzeugung im industriellen Bereich vor allem interessant, weil hier in vergleichbar kurzer Zeit und damit mit hoher Produktivität Produktionsvorgänge wie Trocknen von Holz, Nahrungsmitteln, Arzneimittel und landwirtschaftlichen Produkten, das Auftauen gefrorener Güter, das Vorwärmen von Prozessmassen wie z.B. Pulver, Granulat, Peletts und auch das Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe realisiert werden. Kapazitive Erwärmung heißt praktisch, dass ein Werkstück als Dielektrikum zwischen zwei Kondensatorplatten platziert wird. Durch Anschließen einer Hochfrequenz-Spannungsquelle wird dieses Werkstück in Folge seiner ihm eigenen Dielektrizitätskonstante erwärmt. Ausgangspunkt ist das verlustbehaftete Dielektrikum (Werkstück) zwischen den Platten. Dieser Verlustwiderstand wird bestimmt:

Rp = 2ʌf

Kreisfrequenz

1 2πf ⋅ C ⋅ tan ϑ

(2.5)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement f C

tanϑ

Frequenz der Spannungsquelle Kondensator-Kapazität stoffabhängiger Verlustwert

C = εo ⋅ εr ⋅ İo İr F s

21

(2.6)

F s

Dielektrizitätskonstante relative Dielektrizitätskonstante Plattenfläche Plattenabstand

Die im zu erwärmenden Gut umgesetzte elektrische Leistung ist:

P=

U2 = U 2 ⋅ 2πf ⋅ C ⋅ tan ϑ Rp

in Watt

(2.7)

= E ⋅ U ⋅ 2π ⋅ f ⋅ ε 0 ⋅ ε r ⋅ F ⋅ tanϑ U E

an den Platten angelegte Spannung elektrische Feldstärke

E=

U s

(2.8)

in V / cm

Für die in einer Volumeneinheit (cm3) des Wärmegutes angesetzte elektrische Leistung gilt als praktisch anwendbarer Anhaltswert nach Riesner/Sieber [4]. P = 55,6 ⋅10 −12 ⋅ f ⋅

U2 ⋅ ε r ⋅ tan ϑ s2

in W / cm3

(2.9)

Damit bewirkt eine hohe Wärmeleistung − eine hohe Spannung bei geringem Plattenabstand, also hohe elektrische Feldstärke, hier sind allerdings Grenzen gesetzt durch die zunehmende Durchschlags- bzw. Überschlagsgefahr, − die Auswahl von Materialien (Wärmegut) mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante und hohem stoffabhängigem Verlustwert, also keine Metalle, − hohe Frequenzen, die möglichst in weiten Grenzen variabel sein sollten, da hier eine Regelgröße gegeben ist. Besonders vorteilhaft ist, dass in jeder Volumeneinheit zeitgleich die gleiche Wärme erzeugt wird, woraus sich eine gleichmäßige und schnelle Durchwärmung ergibt. Nicht immer lässt sich allerdings das zu erwärmen-

22

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

de Gut vollständig und ohne Luftspalt zwischen die Platten bringen, was dann einen höheren Leistungsbedarf erfordert bzw. Umsetzungsverluste bewirkt. Schließlich ist die günstigste Wahl des Anschlusses der Kondensatorplatten zu beachten. Bei großen Abmessungen (technologisch bedingt) kann es zu ungleichmäßiger Spannungsverteilung und damit ungleichmäßiger Erwärmung kommen. Mehrere Anschlüsse über die Fläche verteilt können dieses Problem beheben. Die Strahlungserwärmung wird mittels elektromagnetischer Wellen realisiert, die von geeigneten Gegenständen (Werkstücken), aber auch vom Menschen und anderen Lebewesen, zum großen Teil absorbiert werden. Absorbierte Strahlen erzeugen Wärme, die technologisch gezielt nutzbar ist. Strahlungsquellen sind Infrarotstrahler, die in Hell- und Dunkelstrahler unterschieden werden, abhängig von der Wellenlänge der Strahlung, der daraus resultierenden Strahlertemperatur und der Strahlungsenergie (vgl. Abb. 2.6.). Hellstrahler (Strahlertemperatur ca. 2000°C) haben ein ausgeprägtes Strahlungsenergie-Maximum im Bereich des sichtbaren Lichtes. Dunkelstrahler (ca. 1000°C) haben ein breites Wellenband. Glühlampen sind ebenfalls Hellstrahler, die 95% der abgestrahlten Energie im infraroten Bereich abgeben. Abhängig von bestimmten Eigenschaften wie Farbe, Beschaffenheit, Oberflächenrauheit sind bestrahlte Gegenstände unterschiedlich reflektierend und durchlassend. Entscheidend ist das Absorptionsvermögen, das sich mit der eingestellten Wellenlänge ändert. Zur Erzielung eines hohen energetischen Wirkungsgrades ist eine Abstimmung zwischen dem Emissionsspektrum des Strahlers und dem Absorptionsspektrum des Wärmegutes erforderlich. Anwendungsgebiete der Strahlungserwärmung sind die Trocknung, insbesondere die Lacktrocknung, weil hier die Strahlen vom Blech absorbiert und die Wärme dann von unten auf den Lack übertragen wird, aber auch die Trocknung von Textil- und Papierbahnen, die Holztrocknung, Keramiktrocknung und die Trocknung landwirtschaftlicher Produkte. Strahlungsdecken-Heizung, Tieraufzucht und Medizin-Heilkunde sind weitere Anwendungsgebiete.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

23

relative Strahlungsenergie [%]

100 % 1 80

60 2 40

5 3

4

20

0

1

2

3 4 Wellenlänge [mm] 12345-

5

6

7

Sonne Glühlampe Hellstrahler Dunkelstrahler Gasstrahler

Abb. 2.6. Spektrale Energieverteilung ausgewählter Strahler (bezogen auf die gleiche Gesamtemission)

Ansätze zur rationellen Energieanwendung im Bereich der Strahlungserwärmung sind − die Gestaltung des Strahlungsfeldes nach der Erwärmungsaufgabe. Die Anordnung vieler Strahler kleiner Leistung sichert eine Flächenerwärmung. Die Anordnung von Reflexionsflächen intensiviert die Erwärmung besonders an den Randzonen. − die Auswahl von Materialien bzw. die Sicherung einer hohen Absorption in den Materialien. Beispiele dafür sind die Erwärmung von hellen Backwaren auf dunklen Blechen und die Erwärmung von dunklen Gegenständen (Pflanzen) auf hellen Aluminiumblechen. Die Farbe bestimmt die Eindringtiefe der Strahlung, die wiederum beeinflusst die Wärmeverteilung im Produkt. − bei Spannungsschwankungen ändern sich die Temperaturverhältnisse im Strahlungsfeld. Abhilfe schaffen technische Einrichtungen zur Konstanthaltung der Spannung oder zur Variation der Bestrahlungszeit. In beiden Fällen wirkt das energieverbrauchs- und damit kostensteigernd.

24

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− die Minimierung der Verlustwärme durch Auskleiden der Seitenwände mit reflektierenden Flächen, Sauberhaltung der Strahler und Reflektoren (regelmäßige Reinigung), Sicherung einer geringen Wärmeaufnahme durch die Werkstückauflagen und zum Beispiel auch durch das Sortieren unterschiedlicher Werkstücke nach Größe, Wandstärke, Farbe. Die Übertragung erzeugter Prozesswärme

Nach der Erzeugung der Prozesswärme muss diese auf den Arbeitsgegenstand übertragen werden. Dieser ur-technische Bereich ist der Ausgangspunkt für die insgesamt rationelle Energieverwendung. Hier wird das mehr oder weniger hohe Quantum Einsatzenergie als Voraussetzung für den optimalen Prozessablauf bestimmt. Neben der optimalen Übertragung der erzeugten Prozesswärme gibt es in diesem Zusammenhang einen zweiten, energiewirtschaftlich interessanten Bereich. Es ist die Forderung nach Verlustminderung im Prozess. Daraus folgt, dass die aus den thermodynamischen Grundlagen bekannten gleichzeitigen Abläufe der Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung je nach Aufgabenstellung sowohl maximal als auch minimal angestrebt werden. Im Folgenden werden die Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung nacheinander dargestellt. Die Wärmeleitung ist ein intermolekularer Wärmetransport von einem hohen Temperaturniveau zu einem niederen. Der Wärmestrom (Leistung) eines aus einer oder mehreren Schichten aufgebauten Werkstücks bestimmt sich nach Fourier:

Q =

n

¦ i =1

i Ȝi si F ǻT

λi si

⋅ F ⋅ ∆T

in Watt

(2.10)

Zahl der unterschiedlichen Schichten (1...n) Wärmeleitzahl der Schicht i in W/m·K Wandstärke der Schicht i in m Fläche der Wand in m2 Temperaturdifferenz von Innen- zu Außenfläche in K

Bei der Zielstellung, möglichst T1 = T2 zu erreichen, wirken sich die Festlegung der geometrischen Abmessungen (F und s) sowie die Materialauswahl (Ȝ) auf die Investitionen und auf das Niveau des Energieverbrauches aus. Die Fläche richtet sich maßgeblich nach dem technologischen Ablauf des Prozesses und kann durchaus groß angesetzt werden. Die Wandstärke ist ein temperatur- und prozessabhängiges Materialproblem, ebenso die

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

25

Materialsauswahl. In Frage kommen Stahl (ca. 0,5·102 W/m·K), Kupfer (3,9·102 W/m·K), aber auch Aluminium (2,3·102 W/m·K). Während des Betriebes werden, ausgehend vom festgelegten Energieverbrauchsniveau, s

F

l

·

Q T2 T1 DT Abb. 2.7. Wärmeleitung durch eine einschichtige Platte

die Energiekosten vor allem beeinflusst von der regelmäßigen Wartung und Sauberhaltung der Heizflächen. Verschmutzte Heizflächen können die Wärmeleitzahl entscheidend verschlechtern. Durch Kesselstein (1,2·10-1 W/m·K) oder Ruß (0,6·10-1 W/m·K) zum Beispiel kommt jeweils eine zweite Schicht hinzu, die deutlich zur Verschlechterung der Wärmeleistung führt bzw. bei angestrebter konstant bleibender Wärmeleistung den Energieverbrauch erhöht. Bei der Zielstellung, möglichst T1»T2 zu erreichen, sind die Hauptgrößen Materialien mit niedriger Wärmeleitzahl (z.B. Ziegel 0,5 W/m·K, Schamotte 1,0 W/m·K, Glas 0,8 W/m·K, Glaswolle 3,5·10-2 W/m·K, Luft 2,3·10-2 W/m·K) und große Wanddicken, bestehend aus mehreren Schichten. Moderne Wohn- und Zweckbauten werden z.B. mehrschichtig errichtet. Zumindest werden mit Luft gefüllte Hohlräume (Hohlziegel, Gasbeton) vorgesehen. Auch zwei bzw. dreifache Verglasung von Fenstern mit einem Gas bzw. Vakuum zwischen den Scheiben sind sehr wirksam. Die Energiekosten werden vor allem ausgehend vom mit der Investition festgelegten Energieverbrauchsniveau durch das Dichthalten der Wandkonstruktion bestimmt.

26

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Der Wärmetransport durch konvektiven Wärmeübergang erfolgt zwischen einem strömenden Medium und einer festen Wandfläche. Der Enthalpietransport erfolgt also von einer aufgeheizten Fläche auf ein darüber strömendes Medium oder umgekehrt. Q = α ⋅ F ⋅ ∆T Į F ǻT

in Watt

(2.11)

Wärmeübergangszahl in W/m2·K Wärmeübergangsfläche in m2 Temperaturdifferenz zwischen Fläche und Strömungsmedium in K

Übertragungsfläche und Temperaturdifferenz werden durch die Aufgabe und demzufolge die Wahl der Anlage bestimmt. Sie wirken grundsätzlich auf die Investition und das Energieverbrauchsniveau. Die Wärmeübergangszahl ist eine sehr komplexe Größe. Sie bietet zugleich viele Ansätze zur Einflussnahme. Grundsätzlich resultiert sie − aus der Oberflächenbeschaffenheit der anzuströmenden Fläche sowie aus der Anordnung und Gestaltung der Übertragungsfläche. Aufgerauhte Oberflächen erhöhen die Turbulenz der Strömung woraus eine erhöhte Übertragungsleistung resultiert. Aber dies führt andererseits zu erhöhter Transportleistung für das Strömungsmedium und zu schnellerer Verschmutzung der Fläche. Ähnliche Wirkung hat das Anbringen von Rippen oder Noppen auf der Oberfläche. Hinzu kommt die Anströmrichtung. Der Wärmedurchgang in Rohren erfolgt unter besonderen Bedingungen. Hier kann nach Faltin [6] die Wärmeübergangszahl ermittelt werden

α=

ϑ

d

ϑ 0 ,8 d

0 ,25

in W / m 2 ⋅ K

(2.12)

Strömungsgeschwindigkeit des Mediums Rohrdurchmesser

− aus den Stoffeigenschaften des strömenden Mediums. Die Wärmeübergangszahl ist abhängig vom Aggregatzustand des Strömungsmediums. Unter weiterer Beachtung der Stoffeigenschaften, der Strömungsart (laminar, turbulent) und der Oberflächenbeschaffenheit ist von folgenden Größenordnungen auszugehen: Luft (8...80) W/m2·K Wasser (0,1...4)·103 W/m2·K siedendes Wasser (1...30)·103 W/m2·K

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

27

kondensierender Wasserdampf (5...25)·103 W/m2·K kondensierende organische Dämpfe (0,5...2)·103 W/m2·K. 1,0

1,0 0,9

resultierendes Emissionsverhältnis eSG

0,9 0,8

eSG=

0,7

1 1 1 eS + eG - 1

0,8 0,7 0,6

0,6

0,5

0,5

0,4

0,4

0,3

0,3

0,2

0,2

Emissionsverhältnis eG= 0,1

0,1 0

0,1 0,2

0,3

0,4

0,5 0,6

0,7

0,8 0,9 1,0

Emissionsverhältnis eS

Abb. 2.8. Resultierendes Emissionsverhältnis, abhängig von İS , nach [4, S. 156]

Energiewirtschaftlich sind die Einflussmöglichkeiten begrenzt und indirekt in der Vorbereitungsphase neuer Anlagen möglich. Bei der Wärmeübertragung durch Strahlung werden, wie bereits bei der Darstellung der Erzeugung, elektromagnetische Schwingungen mit Lichtgeschwindigkeit auf den zu erwärmenden Gegenstand übertragen Treffen diese Wellen auf den Gegenstand auf, werden sie teils absorbiert ( α ), teils reflektiert (ȟ), teils hindurch gelassen ( τ ), wobei gilt:

α + ξ +τ =1

(2.13)

28

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement Stoff (Metall)

Temperatur in K

en

Aluminium -roh -poliert

298 296

0,070 0,052

Eisen -blank -verrostet

293 293

0,240 0,850

Kupfer -poliert -oxydiert

293 403

0,030 0,760

Silber -poliert

503

0,020

Stoff (Nichtleiter)

Temperatur in K

en

Eis Glas Holz Schamottesteine Verputz Aluminiumbronze Heizkörperlack

273 293 293 1273 293 373 373

0,96 0,94 0,80...0,90 0,75 0,93 0,20...0,40 0,93

Abb. 2.9. Emissionsverhalten ausgewählter Stoffe, nach [4, S. 154]

Der zwischen zwei parallelen Flächen unterschiedlicher Temperatur übertragene Wärmestrom wird bestimmt: ª§ T · 4 § T · 4 º Q = ε SG ⋅ C s ⋅ F «¨ S ¸ − ¨ G ¸ » ¬«© 100 ¹ © 100 ¹ »¼ İSG CS F TS TG

in Watt

(2.14)

resultierendes Emissionsverhältnis Strahler/Gegenstand constante Strahlungszahl des definierten schwarzen Körpers bestrahlte Fläche Temperatur des Strahlers Temperatur des bestrahlten Gegenstandes

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

ε SG =

1

εS

+

1 1

εG

29

(2.15) −1

Emissionsverhältnis des Strahlers Emissionsverhältnis des Gegenstandes

İS İG

Das Emissionsverhältnis İG ist Ausdruck für das Strahlungs- und Absorptionsverhalten eines Körpers. Es ist stoff- und temperaturabhängig. Das Absorptionsverhalten des zu erwärmenden Gegenstandes muss als Erstes ermittelt werden. Es muss bekannt sein, bei welcher Wellenlänge das Absorptionsvermögen maximal ist. Daraus folgt die Wahl des Wärmestrahlers, der diese elektromagnetischen Wellen erzeugen kann. Damit ist das Niveau des Energieverbrauchs festgelegt. Im laufenden Betrieb muss die Wärmequelle sauber gehalten und nicht verstellt bzw. verbaut werden. Auf die Spezifika der Gasstrahlung wird hier nicht eingegangen. 2.1.2. Erzeugung und wirtschaftliche Anwendung mechanischer Energie

Jeder Körper ist grundsätzlich in der Lage, Energie in Form von kinetischer Energie (Energie der Bewegung) oder potentieller Energie (Energie der Lage) aufzunehmen oder abzugeben. Mechanische Energie kann also kinetische oder potentielle Energie sein. Als kinetische Energie wird die Arbeitsfähigkeit eines Systems infolge seiner Bewegung bezeichnet: Akin = Akin m v

1 ⋅ m ⋅ v2 2

in kg ⋅ m 2 / s 2

(2.16)

Arbeitsfähigkeit, kinetisch Masse des Körpers in kg Geschwindigkeit des Körpers in m/s

Potentielle Energie ist die Arbeitsfähigkeit eines Systems, die durch seine Lage oder seinen Zustand gegeben ist, z.B. durch das Heben eines Körpers entstanden ist und dann durch Herabfallen Arbeit verrichten kann. Apot = m ⋅ g ⋅ h

in kg ⋅

m ⋅ m = kg ⋅ m 2 / sec 2 sec 2

(2.17)

30

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement Apot m g h

- Arbeitsfähigkeit, potentiell - Masse des Körpers in kg - Erdbeschleunigung in m/s2 - Fallhöhe in m

Mechanische Energie kann aus dem Einsatz von flüssigen Brennstoffen und Gasen (z.B. Verbrennungsmotoren, Gasturbinen) und vor allem aus Elektroenergie (Motoren) erzeugt werden. Bei ortsfesten Antrieben ist Elektroenergie der dominierende Energieträger zur Erzeugung mechanischer Energie. Eine Analyse aller wesentlichen Funktionsverläufe gestattet die Feststellung, dass dabei prinzipiell unterteilt werden kann in

− rotierende, − geradlinige (lineare), − bahnförmige Bewegungsformen. Jeder Bewegungsverlauf ist zeitabhängig und in verschiedenen Formen feststellbar:

− Geschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit, − Weg, Winkel, − Kombination und Verbindung mit der Beschleunigung. Allgemeingültig kann festgestellt werden, dass die Bewegungsformen fast ausschließlich durch rotierende Maschinen gedeckt werden und durch geeignete technische Einrichtungen aus der rotierenden Bewegung der Bedarf an geradliniger und bahnförmiger Bewegung gedeckt wird (Ausnahme Linearmotor). Dadurch lassen sich für die Erzeuger von mechanischer Energie folgende Feststellungen treffen: 1. Die Erzeugung mechanischer Energie erfolgt hauptsächlich in rotierenden Maschinen. 2. Hauptmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie ist der Elektromotor. 3. Mechanische Energie wird in den meisten Fällen durch eine Kombination von Antriebs- und Arbeitsmaschine zur Anwendung gebracht. Die Aufgabe der Antriebsmaschine besteht in der genauen Bereitstellung der mechanischen Energie, die die Arbeitsmaschine zur Erfüllung der technologischen Zielstellung braucht. Die Arbeitsmaschine ist also durch die Antriebsmaschine in die Bewegung zu versetzen, die zu einer bestimmten Zeit an einer bestimmten Stelle benötigt wird. Die allgemeinen Forderungen, die an den Energieträger gestellt werden, um mechanische Energie als Nutzenergie zu erzeugen sind:

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

31

1. Es muss eine von der Arbeitsmaschine geforderte Umlaufgeschwindigkeit erreicht und eingehalten werden und dabei durch die Antriebsmaschine ein bestimmtes Drehmoment gedeckt werden. Das Drehmoment (Motormoment) ist abhängig von der Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl):

M D = f (t , ω )

nD = Ȧ t nD

in Nm

(2.18)

ω π

Winkelgeschwindigkeit in 1/s Zeit in s Drehzahl

Die Energiedichte ist bei der mechanischen Energie dem Drehmoment proportional (Edmech~MD). 2. Die Antriebsmaschine muss die aus den unterschiedlichen Betriebsweisen entstehenden, mechanischen und thermischen Belastungen beherrschen. Typische Betriebsweisen sind - Dauerbetrieb, auch mit kurzzeitiger Hoch- bzw. Überlast; - Aussetzerbetrieb - Kurzzeitbetrieb, auch mit aussetzender Belastung. Hier kommt das sog. Beschleunigungsmoment hinzu, das im nichtstationären Betriebszustand auftritt. M Db =

dω = 0, stationärer Betriebszustand dt

(2.19)

M Db =

dω > 0 , Beschleunigung (Anfahren) dt

(2.20)

M Db =

dω 2 < 0, Bremsung dt

(2.21)

3. Die Arbeitsmaschine setzt der Antriebsmaschine das sog. Widerstandsmoment entgegen, das durch Energiezufuhr aufgebracht werden muss. Das Widerstandsmoment ist das Drehmoment der Arbeitsmaschine. Es unterteilt sich in ein - aktives Widerstandsmoment, das auch von sich aus treibend wirken kann (Hangabtrieb, durchziehende Lasten, Schwungmasse...)

32

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

passives Widerstandsmoment, das von sich aus nicht antreibend wirkt (Reibung, Verformung...) Das Widerstandsmoment ist drehzahl-, winkel- und zeitabhängig und wirkt im Allgemeinen bremsend auf die Bewegungsrichtung. Die durch die Bremsung notwendige Energie ist nicht arbeitswirksam und damit Verlust. 4. Aus der technischen Konstruktion zur Nutzung der physikalischen Prinzipien resultieren betriebscharakteristische Merkmale sowohl der Arbeits- als auch der Antriebsmaschinen die als - Drehmomenten-Drehzahl-Kennlinie - Leistungs-Drehzahl-Kennlinie dargestellt werden. Weitere Kennlinien zur quantitativ genauen Charakteristik sind üblich (z.B. ω = f (Md) ; J = f (nD). Typische Kennlinien von Arbeitsmaschinen sind (dargestellt in Abb. 2.10): Die sog. Krancharakteristik (1) M DW = const

(2.22)

P ~ nD zum Beispiel bei: − Fördergeräten :

-sog. Stetigförderer(Förderbänder, typisch ist der Dauerbetrieb)

-sog. Unstetigförderer ( z.B. Krane, Aufzüge, arbeiten in Lastund Leerbewegung) − Werkzeugmaschinen: -Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Umformmaschinen Die sog. Kalandercharakteristik (2) M DW ~ nD P ~ nD 2

zum Beispiel bei: − Kalander

(2.23)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

− Walzgerüsten

M DW

33

-hohe Beschleunigung, kurze Wartezeiten, kurze Pausenzeiten -maximale Verformung → maximale Leistung -ausreichende Überlastbarkeit

2

3

P

3

1 2

1

4

4 nD

nD

MDW - Widerstandsmoment nD - Motordrehzahl P - Leistung

Abb. 2.10. Kennlinien-Charakteristiken von Arbeitsmaschinen

Die sog. Kalandercharakteristik (2) M DW ~ nD

(2.23)

P ~ nD 2

zum Beispiel bei: − Kalander − Walzgerüsten

-hohe Beschleunigung, kurze Wartezeiten, kurze Pausenzeiten -maximale Verformung → maximale Leistung -ausreichende Überlastbarkeit

Die sog. Ventilatorcharakteristik (3) M DW ~ nD 2 P ~ nD 3

(2.24)

34

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

zum Beispiel bei: − Pumpen: − Gebläsen: − Zentrifugen

-aller Art (Kreisel-, Kolbenpumpen) -Lüfter/Ventilatoren

Die Haspel- bzw. Bahncharakteristik (4) M DW ~

1 nD

(2.25)

P = const

zum Beispiel bei − Winden − Aufwickelmaschinen:

− sog. gefesselte Antriebe:

-mit konstantem Zug -unabhängig von Geschwindigkeit, Banddurchmesser, Beschleunigung bzw. Verzögerung -Einzelantriebe -über das Arbeitsgut starr miteinander verbunden ( z.B. Haspeln von Walzdraht, Bändern usw.)

Die sog. Nebenschlusscharakteristik (1) Typisch ist, dass bei Leerlaufdrehzahl das Drehmoment MD Null ist. Fällt die Drehzahl unter diesen Punkt, dann läuft die Maschine in Motorbetrieb, steigt sie darüber an, dann läuft sie in Generatorbetrieb. Typisch ist das bei Gleichstrom-Nebenschlussmotoren. nD = MD nD U ĭ R

1 (U − R ⋅ M D ) Φ

(2.26)

Drehmoment Drehzahl Spannung Luftspalt Ges.-Widerstand ( Erreger + Anker)

ĺ M D = f ( U , nD , Φ )

(2.27)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

35

Typische Kennlinien von Antriebsmaschinen sind (dargestellt in Abb. 2.11.): 3 MD

3

4

P

1 5 2

5

4

2

1 n leer

nD

n leer

nD

MD Motordrehmoment nD Motordrehzahl n leer Leerlaufdrehzahl P Leistung

Abb. 2.11. Kennlinien-Charakteristiken von Antriebsmaschinen

Die sog. Reihenschluss-(Hauptschluss)-Charakteristik (2) MD ~

1 1 ; P= 2 nD nD

(2.28)

Hier ist eine stärkere Veränderung der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl zu erkennen. Bei völliger Entlastung MD=0 wird nD unendlich, d. h. der Motor würde „durchgehen“. Deshalb muss dieser Antrieb dort Verwendung finden, wo bereits bei kleiner Drehzahl ein hohes Drehmoment entwickelt werden soll (z.B. in Bahnen, Pressen, Stellmotoren, Mühlen). Die sog. Synchroncharakteristik (3) Typisch ist ein konstruktionsbedingtes maximales Drehmoment bei konstanter Drehzahl, die sich auch nicht bei veränderter Leistungsaufnahme ändert. Bei Überlast kommt der Motor „aus dem Tritt“, er bleibt stehen und muss angeschoben werden. Es handelt sich hier um ein bremsendes Moment im Motorbetrieb (Bremsung durch Reibung bei geringerer Last reicht).

36

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Das beschleunigende Moment bewirkt Generatorbetrieb (z.B. bei Stromerzeugung). Die Synchronmaschine findet Anwendung in Kompressoren, Schiffsantrieben, Kraftwerksgeneratoren, Phasenschiebern. Bei der Asynchroncharakteristik (4) erfolgt elektrisch eine Verschiebung zwischen dem Feld des Polsystems und dem Ankerfeld. Die unterschiedlich umlaufenden elektrischen Felder bringen den Läufer in Drehbewegung. Das Drehmoment erreicht ein Maximum und fällt danach sofort stark ab. Das erfordert das Einstellen einer Nenndrehzahl bei diesem Maximum, da die Leistung stetig abfallend verläuft. Die Verbrennungsmaschinen (5) werden ebenfalls an der Nenndrehzahl gemessen, dort wo sie das maximale Drehmoment geringfügig überschritten haben. Dieselmaschinen entwickeln bereits bei Unterdrehzahl ein hohes Drehmoment. Das Hauptproblem und der entscheidende Ansatz zur wirtschaftlichen Energieanwendung bei der Erzeugung und Anwendung mechanischer Energie ist die Schaffung einer technischen und wirtschaftlichen Übereinstimmung von Antriebs- und Arbeitsmaschine. So sollen energetische und ökonomische Verluste vermieden oder zumindest reduziert werden. Der erste und maßgebende Ansatz zur Erreichung einer solchen Übereinstimmung ist das Abgleichen der Kennlinien, z.B. Ventilator mit Asynchronmotor (Abb. 2.12.) oder Wasserpumpe mit Dieselmotor (Abb. 2.13.). Weitere sehr wichtige Probleme im Zusammenhang mit mechanischer Energie, erzeugt aus elektrischen Maschinen, sind die energiewirtschaftlichen Schwerpunkte: − Vermeiden eines schlechten cos ij, − Vermeiden eines ungleichmäßigen Lastganges mit hohen Leistungsspitzen. Beide Probleme resultieren daraus, dass die meisten Antriebe (zur Erzeugung mechanischer Energie) Elektromotoren sind und, dass die ökonomischen Regelungen (Preise) so gestaltet sind, dass Leistungsspitzen und ein schlechter cos ij zusätzlich hohe Energiebezugskosten verursachen. Auf den Lastgang und den cos ij aus energiewirtschaftlicher Sicht wird in Abschn. 2.4.3. bzw. Abschn. 2.4.4. eingegangen.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

P

MD

PVD

37

M DV

MDA

PDA

MDA - Motordrehmoment des Asynchronmotors MDV - Motordrehmoment des Ventilators nD - Motordrehzahl PVD - Leistung

nD

Abb. 2.12. Ventilator mit Asynchronmotor

P

MD

P

M DW

MDD MDW MDD nD P

- Motordrehmoment Wasserpumpe - Motordrehmoment Dieselmotor - Motordrehzahl - Leistung

nD

Abb. 2.13. Wasserpumpe mit Dieselmotor

2.1.3. Die Erzeugung und wirtschaftliche Anwendung von Licht

Die Schwerpunkte bei der industriellen Beleuchtung mittels Elektroenergie, nur auf diese wird hier eingegangen, konzentrieren sich auf − die richtige Auslegung der Anlage entsprechend der Sehaufgabe, − die Erreichung einer Einheit von natürlicher und künstlicher Beleuchtung, − die Beachtung beleuchtungs-psychologischer Einflüsse, die außer energiewirtschaftlich vor allem produktionswirtschaftlich relevant sind. Die zweckmäßige Auslegung und die Qualität der Beleuchtung setzen Erkenntnisse über das physiologische und psychologische Verhalten des Au-

38

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

ges voraus. Gleichzeitig muss die Beleuchtung auch ästhetischen und stimmungsmäßigen Forderungen Rechnung tragen. Licht ist eine notwendige Vorraussetzung für die Tätigkeit des Menschen in der Produktion und in peripheren Bereichen. Der Mensch hat grundsätzlich Sehaufgaben zu erfüllen. Wichtige Grundgrößen, die diesen Bereich beurteilbar und damit beeinflussbar machen, sind − der Lichtstrom ĭ in Lumen (lm) als Ausgangsgröße. Es ist die von einer Lichtquelle nach allen Seiten abgegebene Lichtleistung. Sie ist ein Maß für die Bewertung der Strahlungsfähigkeit einer Lampe und spielt eine Rolle bei der Lampenwahl; − die Lichtausbeute in lm/W charakterisiert die Leistungsfähigkeit einer Lichtquelle. Der abgegebene Lichtstrom (die Lichtleistung) wird auf die aufgenommene elektrische Leistung bezogen, was in gewissem Sinn einen Wirkungsgrad darstellt; − die Beleuchtungsstärke E bezieht sich auf die beleuchtete Fläche. Sie quantifiziert die Helligkeit dieser Fläche in Lux (Lx). Ein Lux bedeutet ein Lumen pro m2. Bei allgemeiner Beleuchtung wird die Beleuchtungsstärke auf die waagerechte Ebene in 1m Höhe über dem Fußboden bezogen; − die Schattigkeit S umfasst den Teil der Beleuchtungsstärke, der vom gerichteten Lichtstrom herrührt. Werden in den gerichteten Lichtstrom Gegenstände gebracht, entsteht Schatten. Also dunklere Teilflächen der ursprünglich beleuchteten Gesamtfläche; − die Gleichmäßigkeit G steht im Zusammenhang mit der Schattigkeit. Man versteht darunter das Verhältnis von kleinster zu mittlerer Beleuchtungsstärke auf einer Fläche. Die mittlere Beleuchtungsstärke ist nach DIN 5032 zu bestimmen; − Blendungen resultieren aus starken Lichtunterschieden, die die Sehleistung nachteilig beeinflussen. Das kann zur Beeinträchtigung der Arbeitsleistung, zu Unsicherheit und Unbehagen sowie zu Unfallgefahren führen. Blendungsfreie bzw. blendungsarme Lichtverhältnisse lassen sich durch die richtige Bestimmung der Beleuchtungsstärke und durch technische Abschirmungen (indirekte Beleuchtung) realisieren; − der richtigen Wahl der Lichtfarbe ist ebenfalls große Bedeutung beizumessen. Andererseits ist die erforderliche Beleuchtungsstärke von der Farbe und damit der Farbtemperatur abhängig. Mit steigender Farbtemperatur (Farbe in Richtung blauweiß) erhöht sich die Beleuchtungsstärke. Bei der Bestimmung der optimalen tätigkeitsfördernden Beleuchtungsstärke ist immer von der Summe aus natürlicher und künstlicher Beleuchtung

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

39

auszugehen. Die Nutzung des Tageslichts bedeutet Reduzierung des aus Elektroenergie erzeugten Lichtstroms und damit Energieeinsparung. Die natürliche Beleuchtung wird durch den Tageslichtquotienten Tg quantifiziert: Tg = EA EFh

EA ⋅ 100 EFh

(2.29)

in %

aus der Sehaufgabe resultierende Beleuchtungsstärke nach DIN 5035 in Lx gemessene horizontale Beleuchtungsstärke im Freien nach DIN 5034 in Lx

Das Tageslicht als Lichtquelle ist in seiner Lichtleistung sehr stark schwankend. Bei der Findung eines Bewertungsmaßstabes muss von einer Mindestforderung ausgegangen werden, die auch bei ungünstigsten Bedingungen für die Beleuchtung von Innenräumen ausreichend ist. Zum Beispiel wird vom ungünstigsten Monat Dezember und von der Tageszeit 9.00-15.00 Uhr ausgegangen, weil hier mit einer EFh=3000 Lx gerechnet werden kann. Dieser Betrag ist in über Dreiviertel des Jahres gesichert. Tabelle 2.1. Anhaltswerte für Beleuchtungsstärken und Tageslichtquotienten Daraus ergeben sich die folgenden groben Anhaltswerte: Grobe Arbeiten

EA in Lx 50

Tg in % 1,33

100

2,66

150

5,0

300

10,0

z.B. Transport in der Halle

Mittelfeine Arbeiten z.B. Stapeln, Parken

Feine Arbeiten z.B. Handfertigkeiten allgemein

Sehr feine Arbeiten z.B. Kontrollieren

Mindestwerte bei EFh=3000 Lx

Die künstliche Beleuchtung ist aus genannten WirtschaftlichkeitsGesichtspunkten immer die das Tageslicht ergänzende Beleuchtung. Die technische Auswahl der Lampen, unterschieden nach Temperaturund Kaltstrahlen, nach Allgemein- und Arbeitsplatzbeleuchtung ist äußerst vielfältig. Weiter müssen psychologische und ästhetische Forderungen Beachtung finden, so dass sich die Gesamtbeleuchtung dem hohen Lebens- und Produktionsstandard anpassen kann. Deshalb ist neben der richtigen Beleuchtungsstärke auch die Leuchte für das Gesamtergebnis entscheidend.

40

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Die Einheit von natürlicher und künstlicher Beleuchtung als Summe zur Erfüllung einer Sehaufgabe lässt sich wie folgt berücksichtigen: E A = E An + E Ak E An = EAn EAk

Tg ⋅ EFh 100

(2.30) = 30 ⋅ Tg

Beleuchtungsstärke des natürlichen Lichtes am Arbeitsplatz in Lx Beleuchtungsstärke des künstlichen Lichtes am Arbeitsplatz in Lx

Auf der Basis der nach DIN 5035 zu bestimmenden Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz ist dann die Beleuchtungsanlage so auszulegen, dass je nach Defizit durch natürliches Licht elektrische Leistung zugeschaltet und die geforderte Beleuchtungsstärke erhalten bleiben kann. In modernen Beleuchtungsanlagen erfolgt das Ab- bzw. Zuschalten automatisch, abhängig von der ständigen Messung des natürlichen Tageslichtes.

2.2. Kennziffern im industriellen Energiemanagement Während in Abschn. 2.1. die optimale Erzeugung von Nutzenergie im Mittelpunkt stand, geht es im Folgenden maßgeblich um die Einsatzenergie. Der Bedarf einer betrieblichen Anlage an Einsatzsatzenergie muss aus der optimalen Erzeugung der Nutzenergie, bei optimalem Anlagenwirkungsbzw. Nutzungsgrad, resultieren. Die Einsatzenergie ist im Betrieblichen Energiemanagement eine zentrale, weil durch unterschiedlichste Faktoren beeinflussbare Größe. Erfolgreiches Energiemanagement im Industrieunternehmen bedarf einer umfassenden und vor allem zweckmäßigen Datenbasis. Mit der analytischen Verwendung der regelmäßig erfassten Daten zu den Energieverbräuchen, Energiekosten und mit der Herstellung von konkreten Beziehungen zu den sowieso vorhandenen betriebswirtschaftlichen Daten, wird aus dem beschreibenden und argumentierenden ein aktives Energiemanagement. Ein maßgebliches Instrument zum Praktizieren der aktiven Rolle des betrieblichen Energiemanagements ist die Erstellung und systematische Arbeit mit zweckmäßig erstellten Kennziffern der Energieumwandlung und -anwendung. Derartige Tools sind nicht Selbstzweck. Sie müssen letztlich positive Veränderungen bewirken.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

41

Kennziffern der Energieumwandlung im Betrieb müssen energetisch die Ausbeute charakterisieren, die aus der Umwandlung der bereitgestellten in die im Betrieb benötigten Energieträger erreicht bzw. erreichbar ist. Die technisch und organi-satorisch begründete Verminderung der Differenz zwischen ein- und ausgebrachter Energie, also der Umwandlungsverluste, und der damit zusammenhängenden wirtschaftlichen Auswirkungen, sind das Ziel. Die dazu ermittelten Kennziffern müssen den Ist-Stand und das Ziel deutlich machen. Kennziffern der Energieanwendung müssen an den Prozessen bzw. Prozessstufen im Betrieb, aber auch an Anlagen, die ebenfalls einen Energiebedarf haben, der aber nur indirekt mit der Produktion im Zusammenhang steht, den Effekt des Einsatzes der Energie, messbar, analysierbar und beeinflussbar machen. Grundsätzlich gilt: Kennziffern sind die Kombination von zueinander in Beziehung stehenden Größen. Sie haben immer eine gegenständliche Bezugsbasis. Die ebenfalls verwendeten Begriffe Kennzahlen, Kennwerte zur Unterscheidung nach dimensionslos und dimensionsbehaftet setzen sich so offensichtlich nicht durch. Im Folgenden ist die Kennziffer der Oberbegriff für Kenngrößen zur Beurteilung und Steuerung der Energiewirtschaft im Unternehmen. 2.2.1. Zum Verwendungszweck

Bei der Erstellung von Kennziffern im Betrieblichen Energiemanagement ist das entscheidende Kriterium immer der Verwendungszweck. Daraus folgt, dass erfolgreiche energiewirtschaftliche Arbeit im Unternehmen nicht daran gemessen wird, wie viele solcher Kennziffern regelmäßig erstellt werden, sondern was mit den erstellten Kennziffern anzufangen ist und wie sich dadurch die Effizienz der Energieverwendung verbessert. Die Verwendungsmöglichkeiten von Kennziffern zur rationellen Energieumwandlung und -verwendung sind sehr vielfältig. Sie sollen hier in folgenden Schwerpunkten zusammengefasst werden. 1. Kennziffern bilden die Grundlage für die Erstellung und regelmäßige Pflege der energie-statistischen Unterlagen. Diese Statistik wiederum ist die Grundlage für regelmäßige und operative Analysetätigkeit zur Unterstützung des Betrieblichen Energiemanagement.

42

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

2. Kennziffern sind der Ausgangswert für das Benchmarking, für den Vergleich mit gleichen oder ähnlichen Produkten, Technologien, Aggregaten und Betrieben. 3. Kennziffern sind wichtige Hilfsmittel zur Garantie- und Betriebszustands-Überwachung von Energieumwandlungs- und –anwendungsanlagen. Garantiezusagen des Herstellers müssen durch die Erfassung von Verbräuchen und Erstellung von Kennziffern überprüfbar werden. Im laufenden Betrieb kann aus der zeitlichen Entwicklung des Energieverbrauchs bezogen auf die Produktion, auf den Verschleiß und damit auf die planmäßige Wartung und Instandhaltung geschlossen werden. 4. Kennziffern stellen die Grundlage für die Schlussfolgerung auf den künftigen Energiebedarf im Zusammenhang mit der künftig vorgesehenen Produktion dar. 5. Kennziffern sind ein zentraler Gegenstand im Betrieblichen Energiemanagement. Alle Beteiligten können an erreichten energierelevanten Größen ihre Bemühungen um energiewirtschaftliche Fortschritte messen, analysieren, bewerten und daraus Schlussfolgerungen ziehen. Der klassische Ansatz, aus den Ist-Verhältnissen eines Industrieunternehmens Schlussfolgerungen für die Zukunft zu ziehen, wird im Folgenden dargestellt: Der aus der bisherigen Entwicklung des Unternehmens bekannte Jahresenergieverbrauch im Ist, strukturiert nach produktionsabhängigem und produktionsunabhängigem Verbrauch, ist bekannt. Eist = E0 ist + wFist ⋅ Fist E0 ist wFist Fist

in J / a

(2.31)

gesamter produktionsunabhängiger Ist-Energieverbrauch, z.B. in Joule/a auf die Ist-Produktion bezogener gesamter Ist-Energieverbrauch (alle Energieträger) in Joule/Produktionseinheit (z.B. J/t), auch Effizienz des Energieeinsatzes in der Produktion genannt gesamte Ist-Produktion in Produktionseinheiten pro Jahr

Dieser Verbrauch, insgesamt und in seiner Struktur, ist immer erst nachträglich bekannt. Es lassen sich aber bereits Schlussfolgerungen aus den Zeitreihen der Komponenten und dem Gesamtverbrauch ziehen. Ein maßgebliches Anliegen des Betrieblichen Energiemanagements ist es seit jeher, den künftigen Energiebedarf des Unternehmens im Zusammenhang mit betrieblichen und Produktionsveränderungen voraus zu sa-

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

43

gen. Damit lässt sich die Beschaffung, die Finanzplanung und vor allem auch die vertragliche Übereinkunft mit dem Energieversorger präzisieren. Alle Komponenten des in Gl. 2.31 dargestellten Energieverbrauchs des Unternehmens sind Veränderliche. Unter Beachtung künftig möglicher Entwicklungen ergibt sich:

(

) (

)(

E pl = E0 ist ± E0 pv + wFist ± wF pv ⋅ Fist ± Fpv = E pl E0 pv

wF pv

Fpv

E0 p

+

wF p

⋅

Fp

)

in J / a

(2.32)

in J / a

geplanter Energiebedarf hinzukommende oder wegfallende produktionsunabhängige Energieverbräuche als künftig zu planender bzw. wegfallender Energiebedarf, z.B. Erweiterung oder Reduzierung der Außenbeleuchtung, Hinzubau bzw. Stilllegung von Gebäuden Veränderung der technischen bzw. wirtschaftlichen Effizienz des Energieeinsatzes in der Produktion, z.B. durch energetische Rationalisierung oder durch Energiepreisänderung, aber z.B. auch in Folge von Produktionsveränderungen Veränderung der Produktionsleistung im geplanten Zeitabschnitt, z.B. in Folge konjunktureller Entwicklungen

In der Praxis ändert sich häufig die Produktion bei gleich bleibender Effizienz des Energieeinsatzes und unverändertem produktionsunabhängigen Energieverbrauch. In diesem Fall lässt sich am einfachsten der zu planende Energiebedarf ermitteln. Häufig tritt aber auch der Fall ein, dass der Ist-Verbrauch vom ursprünglich geplanten Bedarf abweicht und es ist zu ermitteln, welche der Komponenten die hauptsächliche Ursache ist. Hier wird zur Analyse weiter die Soll-Größe ermittelt:

ESoll = E0 p + wFp ⋅ Fist in J / a

(2.33)

Bildet man die Differenz von Eist (Gl. 2.31) und ESoll (Gl. 2.33), dann wird die Veränderung der Effizienz des Energieeinsatzes des Unternehmens in der Produktion wFist − wFp quantitativ darstellbar. Technische Verbesserungen, die Senkung spezifischer Energieverbräuche, die Rationalisierung und rationelle Energieverwendung werden sichtbar in ¨ER.

(

)

∆ER = Eist − ESoll

(2.34)

44

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Bildet man die Differenz von ESoll (Gl. 2.33) und Epl (Gl. 2.32), dann wird die Veränderung des Energieverbrauchs durch geänderte Produktion deutlich, ohne dass eine Rationalisierung stattgefunden hat.

∆E p = ESoll − E pl

(2.35)

Diese Zusammenhänge sind aus dem folgenden einfachen Beispiel gut zu erkennen. Die angenommenen Ausgangsdaten sind: Epl = 120 MJ/a + 0,88 MJ/t · 1.000 t/a = 1.000 MJ/a Eist = 120 MJ/a + 0,84 MJ/t · 1.300 t/a = 1.212 MJ/a Es wurde also gegenüber dem Plan eine Verbesserung der Effizienz des Energieeinsatzes um 0,04 MJ/t erreicht und die Produktion wurde um 300 t/a gesteigert. Die Ermittlung von ESoll ergibt: ESoll = 120 MJ/a + 0,88 MJ/t · 1.300 t/a = 1.264 MJ/a Unter Beibehaltung der ursprünglichen Effizienz wäre der Energieverbrauch in Folge einer Produktionssteigerung 52 MJ/a höher gewesen. Das ist auch zu erkennen an: ¨ER = 1.212 – 1.264 = -52 MJ/a Andererseits ist ¨Ep = 1.264 – 1.000 = +264 MJ/a Der im Ist um 212 MJ/a höhere Energieverbrauch kommt also zustande durch eine Erhöhung in Folge Produktionssteigerung um 264 MJ/a minus einer Minderung um 52 MJ/a, in Folge der Verbesserung der Effizienz des Energieeinsatzes. 2.2.2. Die Aufstellung von Kennziffern

Die Arbeit mit energiewirtschaftlichen Kennziffern im betrieblichen Energiemanagement wird nicht an ihrem Umfang sondern an der Wirkung gemessen. Damit das Tool „Kennziffernarbeit“ richtig, also am richtigen Ort zur richtigen Zeit wirkt, sind vor der Aufstellung derartiger Größen wichtige Fragen zu beantworten.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

45

1. Frage:

Was ist notwendig zu messen?

2. Frage:

Welche messtechnischen Voraussetzungen sind vorhanden, bzw. müssen geschaffen werden?

3. Frage:

Welche Bezugsbasis muss festgelegt werden?

4. Frage:

Reicht die regelmäßige statistische Erfassung von Verbrauchs- und Produktionswerten zur Bildung verwertbarer Kennziffern aus?

5. Frage:

Ist es notwendig, die Kennziffer aus der Bilanz des abgegrenzten Systems durch eine Analyse zu bestimmen?

Zur Messnotwendigkeit gilt der Grundsatz: Für die energiewirtschaftliche Arbeit mit Kennziffern muss nicht so genau wie möglich, sondern so genau wie nötig gemessen werden. Die Messnotwendigkeiten leiten sich ab aus der Wertigkeit des Energieträgereinsatzes, aus der Konzentration des Energieeinsatzes im Betrieb und aus dem Aufwand-Nutzen-Verhältnis. Unter Wertigkeit des Energieträgereinsatzes wird die aus der Energie-Einsatz-Struktur erkennbare Rangfolge der Energieträger verstanden. Wenn z.B. in einem Industriebetrieb folgende Struktur ermittelt wurde: 60% 20% 8% 8% 4%

Heizölanwendung in Industrieofen-Anlagen Raumheizung mittels Gas Antriebe Licht Nebenanlagen im Verwaltungsbetrieb

dann wird deutlich, dass im Zusammenhang mit einer möglichen Kennziffernarbeit die Frage der Messnotwendigkeit zuerst auf die Heizöl- und Gasanwendung gerichtet ist. Die Konzentration des Energieeinsatzes im Betrieb ergibt sich aus der Auflösung der gleichen Struktur nicht nach den Energieträgern sondern nach der Zahl und Größe der Anlagen. Bestünde im dargestellten Beispiel die Raumheizung aus vielen kleinen Heizungsanlagen, dann wäre diese im Vergleich zu einer großen Gesamtanlage für die Kennziffernarbeit erst an zweiter Stelle interessant. Die Messnotwendigkeit im Bereich Ölanwendung hätte höhere Priorität. Und wenn z.B. hinter den 8% mechanische Energie eine zentrale Drucklufterzeugungsanlage mit einem mehrstufigen Netz stünde, dann wäre hier die zweite Messnotwendigkeit gegeben.

46

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Mit dem Hinweis auf das Aufwand-Nutzen-Verhältnis soll deutlich gemacht werden, dass jede Erkenntnis zur Messnotwendigkeit mindestens eine Grobkalkulation zum zu erwartenden Nutzen aus der künftigen Möglichkeit der Messung notwendiger Größen verlangt. Hier fließt auch die Forderung nach einer vertretbaren Messgenauigkeit ein. Sind alle Messnotwendigkeiten wie dargestellt entschieden, dann sollte, im Abgleich mit den bereits vorhandenen Messmöglichkeiten, von den folgenden (2. Frage) drei Schwerpunkten zur Schaffung der messtechnischen Voraussetzungen ausgegangen werden. 1. Sicherung der technologischen Grundgrößen als Ausgangsbasis, z.B. an einem gasbeheizten Industrieofen die Regelung der Prozesstemperatur über das Gas-Luft-Gemisch und der technologisch geforderten Durchlaufgeschwindigkeit des Wärmgutes. 2. Sicherung der Kennziffernbildung, -abrechnung und –kontrolle durch zählende bzw. schreibende Energieträgermengen- und Leistungsmessung sowie die Quantifizierung des Produktdurchsatzes (Bedarfsträger); im genannten Industrieofen muss also z.B. pro Sortimentsanteil die Stückzahl Wärmgut pro festgelegter Zeiteinheit (Stunde, Schicht) gezählt und der Gasverbrauch in der selben Zeiteinheit erfasst werden. Daraus ergibt sich der spezifische Energieverbrauch in m3 Gas/Stück für den jeweiligen Sortimentsanteil, der abgerechnet und vor allem im Vergleich kontrolliert wird. 3. Sicherung der Kennziffernbeeinflussung, dazu gehören DetailMessgrößen und ein den Energieverbrauch positiv beeinflussendes Verhalten des Bedienpersonals. Im verwendeten Beispiel muss die Regelung der Durchlaufgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Sortiment bei Einhaltung der technologischen Glühtemperatur möglich sein. Es muss Einfluss genommen werden können auf die Abgaszusammensetzung und weiter müssen zur Erreichung eines optimalen spezifischen Energieverbrauchs die optimale Kapazitäts- und zeitliche Auslastung angestrebt und regelmäßige Wartungsarbeiten ausgeführt werden. Bei der Wahl der Bezugsbasis (3.Frage) gilt der Grundsatz, dass diese sich nach dem Verwendungszweck richtet. Als mögliche Bezugsbasen finden Verwendung: 1. Globale Betriebsgrößen, z.B.: -die energetische Ausstattung der Beschäftigten

Pinst AK

in

kW AK

(2.36)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement Pinst

47

Summe der Nennleistungen aller betrieblichen Anlagen, in kW Anzahl der Arbeitskräfte im Unternehmen (in Personen)

AK

-die energie-ökonomische Effizienz, die den gesamten Energiebedarf/ -verbrauch auf die Gesamtproduktion in €/a bezieht

En j Mj Enj Mj

in

Joule pro Jahr Euro pro Jahr

(2.37)

gesamter Jahresbedarf/-verbrauch des Unternehmens (alle Energieträger), in Joule pro Jahr gesamte Jahresproduktion des Unternehmens (gesamtes Sortiment), in €/a; das sollten die Gesamtkosten oder der Umsatz sein

-Anteil der gesamten Energiekosten des Unternehmens an den Gesamtkosten bzw. Gesamterlösen

Ke K bzw. e Kg E Ke Kg E

in

€/a €/a

(2.38)

gesamte Jahres-Energiekosten in €/a Jahres-Gesamtkosten des Unternehmens in €/a Jahres-Gesamterlöse des Unternehmens in €/a

2. Produktbezogene Größen, bekannter als spezifischer Energieverbrauch. In der Regel wird an einer Anlage/Prozess das in einer Zeiteinheit zur Anwendung gebrachte Quantum Einsatzenergie auf die in der gleichen Zeiteinheit in dieser Anlage erzeugte Produktmenge bezogen, z.B. m3 Gas/t Glühgut, GJ/Stück Schmiedegut, kWh/m2 Fußbodenbelag usw. Auf den spezifischen Energieverbrauch wird in Abschn. 2.2.4 noch näher eingegangen. 3. Aggregat- und prozessbezogene Größen unterscheiden sich von den produktbezogenen in der Regel dadurch, dass die Bezugsbasis aus der Anlagenkapazität abgeleitet ist, z.B. die Energiedichte (dE) oder z.B. die Herdflächenbelastung in GJ/m2Herdfläche und Stunde [GJ/m2*h].

dE =

Q ⋅η A m D

Q m D ȘA

J h 1 J in ⋅ ⋅ = h t 1 t

energetische Leistungsaufnahme Produktionsleistung Anlagenwirkungsgrad

(2.39)

48

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

4. Leistungs- und arbeitsbezogene Größen; dazu gehören z.B. die Betriebsstunden der höchsten Jahresdauerleistung in kWh/kW und die Kehrwerte der meisten globalen Größen (vgl. Gl. 2.37) 5. Temperaturbezogene Größen, die vor allem im klimaabhängigen Nebenverbrauchsbereich, in dem die produktbezogene Bezugsbasis nicht existiert, Anwendung finden. Eine markante Größe ist die sog. Heizkennziffer (HK), wo z.B. bei ausschließlichem Heizwärmebedarf der Energieträgerverbrauch eines Kessels aus mehreren vorangegangenen Heizperioden auf die Heiztage, multipliziert mit der mittleren Temperaturdifferenz innen und außen, bezogen wird: HK = B

Z

ϑam ϑim

B Z (ϑim − ϑam )

in

m3 a 1 m3 ⋅ ⋅ = a d K d ⋅K

(2.40)

Brennstoffbedarf gesamt, bestimmt aus dem IstBrennstoffverbrauch in mehreren vergangenen Heizperioden in m3/a Heiztage in d/a mittlere Außentemperatur der vergangenen Heizperioden in °C mittlere Innentemperatur aller beheizten Räume in °C

Sind solche Größen, wie der stündliche Wärmebedarf des zu beheizenden Gebäudes (berechenbar nach DIN EN 12831) und der Kesselwirkungsgrad bekannt, dann ist die ausführliche Darstellung: Q ⋅ Fz ⋅ z HK = H u ⋅ η K (ϑim − ϑa min ) in Q Fz

z Hu ȘK

(2.41)

3 MJ 1 h mGas 1 m3 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = Gas h 1 d MJ K d ⋅ K

stündlicher Wärmebedarf des zu beheizenden Gebäudes Zuschlagsfaktor für das Anheizen in Abhängigkeit von den täglichen Heizstunden und den Verlusten Fz=1,4 bei 8 Stunden täglicher Heizzeit Fz=1,14 bei 22 Stunden täglicher Heizzeit Anzahl der täglichen Heizstunden mit Volllast (außer Anheizen) in h/d unterer Heizwert des Energieträgers Kesselwirkungsgrad

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

ϑa min ϑim

49

minimale Außentemperatur, festgelegt zwischen -15...-18°C entsprechend der jeweiligen Klimazone mittlere Innentemperatur aller beheizten Räume

6. Auf Struktureinheiten bezogene Größen, z.B. in kWh/Abteilung; kWh/Meisterbereich; kWh/Fertigungsbereich; kWh/Betriebsteil und Jahr. Derartige Größen machen Sinn, wenn ihr zeitlicher Verlauf verfolgt und regelmäßig ausgewertet wird. Vergleiche der Struktureinheiten machen nur Sinn, wenn sie auch vergleichbar sind (gleiche energetische Struktur). Die Entscheidung, ob eine Kennziffer aus den statistischen Aufschreibungen (erfahrungsstatistisch) oder aus der Energiebilanz bzw. aus Versuchen erstellt (technisch-ökonomisch begründet) werden soll (Fragen 4 und 5), richtet sich letztlich nach dem zulässigen ökonomischen und organisatorischen Aufwand zur Erstellung der jeweiligen Kennziffern und nach der zu erwartenden Beeinflussbarkeit der vermeidbaren Verluste. Die sog. erfahrungsstatistische Kennziffer basiert auf vorhandenen Betriebserfahrungen. Dazu gehören ausgewertete Aufschreibungen aus vergangenen Zeiträumen, Vergleiche mit ähnlichen Anlagen und begründete Schätzungen. Gelingt es zudem, Aufschreibungen von untypischen Werten (Anfahren, Drosseln der Produktion, Störungen, äußere Einflüsse) zu säubern und ist dann der Datenumfang statistisch noch verwertbar, dann bilden die verbleibenden Unterlagen eine vertretbar gute Grundlage zur Bildung allgemeingültiger Kennziffern. Die technisch-ökonomisch begründete Kennziffer stellt im praktischen Betrieb den unter den gegebenen Betriebsbedingungen durch analytischrechnerische bzw. analytisch-experimentelle Methoden bestimmten Bestwert dar. Der Vergleich der Istwerte mit den technisch-ökonomische begründeten Kennziffern lässt Schlussfolgerungen zur Betriebsweise, zur Bedienung und zum Zustand der Anlage zu. Zu beachten ist, dass technisch-ökonomische Kennziffern häufig mit hohem Ermittlungsaufwand verbunden sind. Deshalb muss die Aussicht auf eine maßgebliche Beeinflussung des Energieverbrauchs bereits in der Ermittlung (Energiebilanz, Analyse) deutlich werden. 2.2.3. Wirkungsgrad/Nutzungsgrad

Die häufigsten ermittelten und im Energiemanagement verwendeten Kennziffern sind der Wirkungsgrad/Nutzungsgrad und der spezifische Energieverbrauch. Der Wirkungsgrad ist grundsätzlich definiert als das Verhältnis von erzieltem Nutzen zum dafür aufgebrachten Aufwand. An einer

50

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Energieanwendungsanlage ist der erzielte Nutzen die für den erforderlichen Prozessablauf (Erwärmung, Dreh- bzw. Fortbewegung usw.) notwendige Leistung als thermische, mechanische, Lichtleistung oder die notwendige Energieabgabe zur Erfüllung des Energiebedürfnisses pro Zeit, die auf die aufgebrachte Energie in der gleichen Zeit bezogen wird:

ηen = =

zeitbezogener energetischer Nutzen zeitbezogener energetischer Aufwand Q N Q E

Q N Q E

z .B . in

(2.42)

Joule / h Joule / h

für den geforderten technologischen Prozessablauf erforderliche Leistung (Nutzenergie pro Zeit) für den gleichen Prozess zur Erzeugung der NutzenergieLeistung erforderliche Einsatzenergie pro Zeit

Naturgesetzlich bedingt lässt sich die Umsetzung von Einsatzenergie in Nutzenergie in einer technischen Anlage nur im Grenzfall vollständig, d. h. ohne Verluste realisieren. Das bedeutet, dass nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik die eingebrachte Einsatzenergie nur zum Teil in Nutzenergie gewandelt wird. Ein zweiter Teil muss, so weit seine eventuell noch vorhandene Arbeitsfähigkeit nicht zur Verwendung kommen kann, als Verlust verbucht werden. Das heißt in der praktischen Anwendung:

η en ≤ 1

(2.43)

Wenn die Verluste quantifizierbar bzw. konkret durch Messungen belegt werden können (die Nutzenergie ist die zu berechnende Soll-Größe), dann gilt für den Wirkungsgrad:

Q − Q Q ηen = E  V = 1 − V QE QE QV

Der Quotient

(2.44)

bei der Umwandlung von Einsatzenergie in Nutzenergie (beide in der selben Zeit) entstehende und quantifizierte Verluste (Verlustenergie pro Zeit)

QV wird auch als Verlustgrad bezeichnet. Q E

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

51

Die bei der Umwandlung von Einsatzenergie in Nutzenergie in definierter Zeiteinheit entstehenden Verluste, lassen sich grundsätzlich zwei Kategorien zuordnen (vgl. auch Abb. 2.14.). Zur besseren Beurteilung und für Analyseansätze lassen sich nach Abb. 2.14. der thermische ( ηth ) und der anlagentechnische Wirkungsgrad ( η at ) bestimmen: Q

(2.45)

Q

ηth =  0 = 1 −  A Q Q E

Q

E

(2.46)

Q

η at = N =  N  Q0 QN + QVA QE

QO QA

QVA

QN

QE - Einsatzenergie QA - die aus dem Prozeß der Nutzenergieerzeugung direkt abzuführende Energie pro Zeit, z.B. Abluft, Abgas,... QO - die in der Anlage verbleibende Energie pro Zeit Resultierende aus der ersten Verlustgröße QVA - die indirekt abzuführende Energie pro Zeit, z.B. Kühlwasserenthalpie, Wandverluste,... QN - erzeugte Nutzenergie

Abb. 2.14. Verluste in einer Energieanwendungsanlage, die zur Detaillierung des Wirkungsgrades führen

52

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Mit dem thermischen Wirkungsgrad ist die energetische Effizienz z.B. des Verbrennungsvorgangs und damit der Abgasentstehung zu quantifizieren. Zum Beispiel wirkt sich die Nutzung der noch arbeitsfähigen Abgasenthalpie Q A wieder im Entstehungsprozess (primäre Nutzung, z.B. Verbrennungsluftvorwärmung) bei gleich bleibend erforderlichem Nutzenergiequantum pro Zeit verbessernd auf den thermischen Wirkungsgrad aus (vgl. Abb. 2.15. Fall 1) Mit dem anlagentechnischen Wirkungsgrad ist die Bauart und im laufenden Betrieb der Zustand der Energieanwendungsanlage beurteilbar. Die Einflussnahme auf Wandverluste, Ausflammverluste, optimale Wärmedämmung und weitere anlagentechnische Details führen zu einer Senkung von QVA bei gleich bleibendem Q N und sinkendem Q 0 (vgl. Abb. 2.15. Fall 2). Zusammenfassend sei hierzu festgestellt, dass der energetische Wirkungsgrad der Anlage das Produkt aus thermischem und anlagentechnischem Wirkungsgrad ist:

ηen = ηth ⋅ η at =

(2.47)

Q 0 Q N Q N ⋅ = Q E Q 0 Q E

In Abb. 2.15. sind die Veränderungen des Teil- und des Gesamtwirkungsgrades bei konstanter Nutzenergieforderung dargestellt. Mit den bisherigen Ausführungen ist die energetische Effizienz der Erzeugung von Nutzenergie aus Einsatzenergie wirksam zu verdeutlichen und vor allem für analytische Zwecke im betrieblichen Energiemanagement nutzbar. Unberücksichtigt ist aber bisher die Einwirkung der erzeugten Nutzenergie auf den Bedarfsträger (Arbeitsgegenstand), die ebenfalls verlustbehaftet ist. Die tatsächlich wirksame Nutzenergie wird auch als „Aktivenergie“ bezeichnet. In [5] wird der Zusammenhang NutzenergieAktivenergie-Exergie hergestellt. Danach entspricht die nicht wirksame Nutzenergie der Anergie. Sie ist „im Rahmen des betrachteten Systems nicht mehr verwendbar“ [5]. Damit ist die eigentliche Ausgangsgröße, das ursächliche Energiebedürfnis, für den Bedarf an Einsatzenergie nicht schlechthin daraus erzeugbare Nutzenergie sondern die wirksam werdende Nutzenergie, also die Exergie.

QN

QO

Ist- Stand QA - die aus dem Prozeß der Nutzenergieerzeugung direkt abzuführende Energie pro Zeit, z.B. Abluft, Abgas,... QO - die in der Anlage verbleibende Energie pro Zeit; Resultierende aus der ersten Verlustgröße QVA - die indirekt abzuführende Energie pro Zeit,z.B. Kühlwasserenthalpie, Wandverluste,... QN - erzeugte Nutzenergie

QVA

QA

QE

QN

Fall 1: Primäre Nutzung von Anfallenthalpie QN - unverändert QA - ¯ , weil ein Teil zur Lufterwärmung genutzt QE - die indirekt abzuführende Energie pro Zeit, z.B. Kühlwasserenthalpie, Wandverluste,... QN - erzeugte Nutzenergie h th ­ weil QA¯ h en ­

QVA

QA

QO

QE

QN

Abb. 2.15. Teilwirkungsgrade und mögliche Veränderungen h at ­ h en ­

Fall 2: Senkung der Wandund Kühlwasserverluste QN - unverändert QA - unverändert QE - unverändert QVA - ¯ ,weil Verluste an Anlage (z.B. Kühlwasser, Wandverluste,...) gesenkt QO - ¯ weil QVA ¯

QVA

QA

QO

QE

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement 53

54

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Damit kommt bei detaillierten Prozessuntersuchungen ein weiterer Wirkungsgrad in die Betrachtung, der exergetische Wirkungsgrad:

Q N wirk

ηex =  Q

=1−

N erz

∆EV

∆EV Q

(2.48)

N erz

Exergieabnahme in Folge Nichtumkehrbarkeit nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Für die Exergie gilt kein Erhaltungssatz. Das Verlustglied ist die Exergieabnahme in Folge der Nichtumkehrbarkeit: ∆EV = Tu ⋅ ∆SV Tu ǻSV

(2.49)

definierte Umgebungstemperatur Entropiezunahme

Die Exergieabnahme resultiert damit aus der Differenz erzeugter ( Q N erz ) und wirksam werdender ( Q N wirk ) Nutzenergie: ∆EV = Q N erz − Q N wirk

(2.50)

Im Betrieblichen Energiemanagement beschränkt man sich in den meisten Fällen auf Tools, die den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, zur Grundlage haben. Für spezielle Anlagenprojekte ist dieser zweite Schritt allerdings erforderlich. Weitere sehr wirksame und in großem Umfang angewandte Werkzeuge erhält man durch die Vergrößerung des Betrachtungszeitraumes. Üblich und am häufigsten verwendet wird das Verhältnis von Jahresverbräuchen statt von momentanen Leistungswerten. Das führt zum Nutzungsgrad (vgl. Gl. 2.44) n = 1− QE = Q E ⋅ TB QV = QV ⋅ TB

QV QE

(2.51)

Jahresverbrauch an Einsatzenergie, resultierend aus der Leistung und den Jahresbetriebsstunden aus den stündlichen Verlusten und Jahresbetriebsstunden resultierende jährliche Verluste

Damit kommt zum Quantum Einsatzenergie und den im betrieblichen Alltag beeinflussbaren Verlusten mit der zeitlichen Inanspruchnahme eine

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

55

weitere beeinflussbare Variable hinzu. Die Begriffe Wirkungsgrad als Momentanwert (z.B. unter idealen Bedingungen) und Nutzungsgrad als integraler Periodenwert der Praxis, werden häufig nicht exakt auseinander gehalten. Wirkungsgrade/Nutzungsgrade lassen sich direkt und indirekt bestimmen. Bei der direkten Ermittlung werden sowohl Zähler aus auch Nenner unmittelbar durch Messwerte belegt, induktiv durch kurzzeitige Leistungsmessungen, deduktiv durch summierende Messungen über einen ausreichend langen Zeitraum. Die indirekte Bestimmung des Wirkungsgrades (Ș) und des Nutzungsgrades (n) erfolgt über die messtechnische Erfassung bzw. Berechnung aller Verluste, die die Anlage direkt verlassen ( Q A / QA , z.B. Abgas, Abluft, Verbrennungsrückstände) und solche, die über Anlagenteile abgeführt werden ( QVA / QVA , z.B. Kühlwasser, Wandverluste durch Strahlung, Konvektion, Leitung). Daraus ergibt sich der indirekte Ansatz:

η = 100 − ¦ QV n = 100 −

¦Q

V

in %

(2.52)

in %

(2.53)

2.2.4. Der spezifische Energieverbrauch

Der spezifische Energieverbrauch einer Anlage bzw. zur Herstellung eines Erzeugnisses ist als die Bezugnahme des Verbrauches an Einsatzenergie pro festgelegter Zeiteinheit auf die in derselben Zeit hergestellten Erzeugnis-Einheiten definiert. Dabei kann auch hier die Zeiteinheit in sehr breitem Maße variiert werden, was zu unterschiedlichen Aussagen führen muss (an die Klärung des Verwendungszweckes sei hier nochmals erinnert).

m D Mp

w=

Q E m D

=

QE Mp

(2.54)

Produktionsleistung pro Zeit, z.B. pro Stunde, hier vor allem kurze Zeitabstände, weil Leistungen ins Verhältnis gesetzt werden sollen hergestellte Produktionseinheiten in größeren Zeiträumen, z.B. Quartal, Jahr

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Spezifischer Energieverbrauch

Produktionsdurchsatz in t/d

56

330

(1)

320 310 300 290 280 270

01. 11. 21. 31. 10. 20. 01. 11. 21. 31. 10. 20. 30. Jan Jan Jan Jan Feb Feb Mrz Mrz Mrz Mrz Apr Apr Apr

3600

(2)

3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900

Spezifischer Energieverbrauch [kJ]

01. 11. 21. 31. 10. 20. 01. 11. 21. 31. 10. 20. 30. Jan Jan Jan Jan Feb Feb Mrz Mrz Mrz Mrz Apr Apr Apr (3)

3650 3600 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200 3150 3100 270

280

290 300 310 Durchsatz in t/d

320

330

Abb. 2.16. Bildung des spezifischen Energieverbrauchs ausgehend vom Verlauf des Durchsatzes (1) über die Bildung des jeweiligen Quotienten aus Durchsatz und Energieverbrauch (2) zum spezifischen Energieverbrauch über dem Durchsatz (3)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

57

Mit der Wahl und Festlegung zunehmend größerer Zeiträume (deduktive Ermittlung) wird die Aussage der Kennziffer „spezifischer Energieverbrauch“ immer komplexer, weil immer mehr Einflüsse wirksam werden, z.B. Zahl der An- und Abfahrvorgänge, unterschiedliche Kapazitätsauslastung, zunehmender Verschleiß und ähnliche Veränderungen. Die deduktive Ermittlung des spezifischen Energieverbrauchs bedarf lediglich einer zählenden bzw. schreibenden Einrichtung zur regelmäßigen Aufnahme des Verbrauchs an Einsatzenergie und der Erfassung der Produktion in denselben regelmäßigen Abständen. Wenn es dann noch gelingt, Unregelmäßigkeiten in der Produktion zeitgenau festzuhalten, dann lässt sich dieses Werkzeug sehr wirksam handhaben. In Abb. 2.16. sind die Möglichkeiten an Hand eines Beispiels aus der Glasindustrie verdeutlicht. Die induktive Ermittlung und Handhabung des spezifischen Energieverbrauchs macht Sinn an großen energieintensiven Industrieanlagen, bei denen bereits eine geringe Abweichung vom Optimum deutliche Wirkung auf die Ökonomie hat. Hier kann die Handhabung, die Betriebsweise, abgeleitet werden aus der ermittelten Funktion des spezifischen Energieverbrauchs. Der Ansatzpunkt ist die Ermittlung des Anlagentyps aus dem Leistungsverlauf über der Zunahme der Produktionsleistung. In Abb. 2.17. sind die grundsätzlichen Anlagentypen dargestellt. Q

2 Q E 1 2 3

QP

1 3 QC

mD

QC - konstante Leerlaufleistung, gilt für alle Typen QP - produktionsproportionale Leistung QE - gesamte Leistung mD - Massendurchsatz

Abb. 2.17. Linearer (1), Progressiver (2) und Degressiver (3) Anlagentyp

58

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Linearer (proportionaler) Leistungsanstieg ist nachgewiesen und typisch an großen elektrischen Antrieben, z.B. Walzwerkanlagen, große Bandanlagen in der Braunkohle. Die Leistung über dem Durchsatz (Produktions D ) lässt sich durch folgende Geradengleichung quantifizieren: leistung m (2.55)

Q E Lin = Q C + a ⋅ m D a

Anstieg (tan) über dem Durchsatz, entspricht dem Lastanstieg bei zunehmender Produktionsleistung

Die daraus abgeleitete Funktion des spezifischen Energieverbrauchs ist: wLin = a + a

Q C m D

(2.56)

Q C m D

lastabhängiger spezifischer Energieverbrauch, wp spezifischer Leerlauf-Energieverbrauch, wC

wlin

wlin wp (= a) Q wc = E mD mD Abb. 2.18. Spezifischer Energieverbrauch über der Produktionsleistung (Durchsatz) beim linearen Anlagentyp

Aus Abb. 2.18. wird deutlich, dass mit der Auswahl der Anlage und ihrer Kapazität (Dimensionierung) das Niveau des lastabhängigen spezifischen Energieverbrauchs wp bestimmt wird. Im laufenden Betrieb kann der spezifische Energieverbrauch durch unterschiedliche zeitliche und Kapazitätsauslastung beeinflusst werden, was gleichzeitig in unterschiedlichen Produktionsleistungen seine Ursache hat. Hier ist der Ansatzpunkt zwischen Produktions- und Energiemanagement im Industrieunternehmen. Frühere Untersuchungen des Verfassers zum Zusammenhang von Betriebsweise, insbesondere unbegründeter Leerlaufzeiten, und spezifischen Energie-

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

59

verbrauch führten in einem Walzwerk [2] zu erheblichen Energieeinsparungen. Beim progressiven Anlagentyp, hierzu sind alle thermischen Energieanlagen, z.B. brennstoffbeheizte Industrieöfen, Kesselanlagen, chemische Anlagen mit hohen Prozesstemperaturen u. ä., zu zählen, lässt sich der gesamD te spezifische Energieverbrauch strukturiert und über dem Durchsatz m wie folgt darstellen: (2.57)

Q E prog = Q C ⋅ eb ⋅ m D w prog =

(2.58)

Q b ⋅ m D e −1 m D

(

)

Q C wiederum der Verbrauch zur Erhaltung der Betriebsbereitm D schaft bzw. Leerlaufverbrauch beschrieben wird und mit der e-Funktion ( eb⋅m D -1) der Produktionsabhängige. Das Maß für die Krümmung der progressiven Kurve ist hier b. Das führt zu folgender Darstellung: wobei mit

w prog wg

wp

wc mD

wprog wg wp wc

- spezifischer Energieverbrauch der Produktion - gesamter spezifischer Energieverbrauch - lastabhängiger spezifischer Energieverbrauch - spezifischer Leerlauf- Energieverbrauch

Abb. 2.19. Spezifischer Energieverbrauch über der Produktionsleistung, progressiver Anlagentyp

Im Vergleich zum linearen Anlagentyp ist ersichtlich, dass die Leerlaufverhältnisse einschließlich der Probleme bei der zeitlichen und Kapazitätsauslastung unverändert die Gleichen sind. Es verändert sich aber der Verlauf des spezifischen produktionsabhängigen Energieverbrauchs über dem

60

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Durchsatz. Dies ist erklärbar und auch nachweisbar mit einer größeren Verlustzunahme bei Durchsatzsteigerung. An einer thermischen Industrieanlage ist eine Prozessbeschleunigung (Durchsatzsteigerung), ausgehend von einer konstant bleibenden Nutzenergie-Anforderung, durch die Erhöhung der Prozesstemperatur möglich, damit der Erwärmungs-, Schmelz-, Trocknungs- oder Brenn-Vorgang schneller abläuft. Dieser Vorgang verursacht mit zunehmender Temperatur progressiv ansteigende Verluste. Zum Beispiel werden die Strahlungsverluste (proportional der Temperatur in der vierten Potenz) immer maßgeblicher. Resultierend aus beiden Anteilen am gesamten spezifischen Energieverbrauch wird je nach Prozess, Temperaturbereich und Anlagenkapazität ein mehr oder weniger ausgeprägtes Minimum bei einer energetisch optimalen Produktionsleistung deutlich. Links vom Minimum sind die Haupteinflüsse auf den gesamten spezifischen Energieverbrauch betriebsorganisatorischer Art, einschließlich der optimalen zeitlichen und Kapazitätsauslastung. Rechts, nach Überschreiten des Minimums, werden Maßnahmen interessant, die nur einen langsamen Anstieg der Verluste bei steigender Prozesstemperatur zulassen. Diese sind aber weniger im täglichen (permanenten) Energiemanagement erreichbar als vielmehr durch technische Verbesserungen (Wärmedämmung, primäre Nutzung noch arbeitsfähiger Energie oder generelle Entscheidung für eine neue, moderne Anlage, bei der der flachere Anstieg bereits garantiert wird). Hieraus resultieren dann konkrete Energiemanagement-Projekte. Beim degressiven Anlagentyp, hierzu sind vor allem Lüfter, Gebläse, Zentrifugen, Pumpen und Verdichter zu zählen, ist ganz charakteristisch eine maximale Anlagenkapazität, der sich die Leistung bei maximaler Produktionsleistung (hier der maximale Förderstrom) asymptotisch nähert (vgl. Kurve 3 in Abb. 2.17.): (2.59)

Q degr = Q K − ( Q K − Q C ) ⋅ e −b⋅m D Q K

maximale Anlagenkapazität

Der spezifische Energieverbrauch ist: wdegr =

[

1  QK − ( Q K − Q C ) ⋅ e −b⋅m D m D

Dieser setzt sich zusammen aus:

]

(2.60)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

wp degr =

Q K − Q C ( 1 − e −b⋅mD )  mD

wc degr =

Q C m D

61

(2.61)

Während der spezifische Energieverbrauch für den Leerlauf unverändert darstellbar ist, lässt sich hier der produktionsproportionale (förderstromproportionale) spezifische Energieverbrauch durch den dargestellten Ausdruck, also mit einem negativen Exponenten in der e-Funktion fassen. Grafisch lässt sich das wie folgt darstellen (Abb. 2.20.): Es ist erkennbar, dass der gesamte spezifische Energieverbrauch des degressiven Anlagentyps eine Mischfunktion aus der Leerlauf-Hyperbel und degressiven e-Funktion ist. Damit ist die energiewirtschaftliche Arbeit an diesen Anlagen von den linearen Anlagentypen methodisch kaum verschieden. Im Gegensatz zum progressiven Anlagentyp gibt es aber für den gesamten spezifischen Energieverbrauch kein Minimum, so dass die maximale Durchsatzkapazität (hier Nennkapazität) das anzustrebende Ziel ist.

wdegr

wg wp wc mDK

mD

Abb. 2.20. Spezifischer Energieverbrauch über der Produktionsleistung beim degressiven Anlagentyp

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass große energieintensive Industrieanlagen immer eine energetische Peripherie haben. Es sind Pumpen, Transporteinrichtungen zwischen einzelnen Anlagenteilen oder im Inneren der Anlage, Stellmotoren und weitere sogenannte Hilfseinrichtungen in mehr oder weniger großer Zahl erforderlich. Diese peripheren Anlagen ha-

62

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

ben alle eine bestimmte Leistung und über ihre zeitliche Inanspruchnahme einen Energieverbrauch, der ebenfalls auf den Produktionsdurchsatz bezogen werden kann bzw. muss. In Summe spricht man hier vom betriebsbedingten Nebenverbrauch, der sich vom produktionsunabhängigen Nebenverbrauch, z.B. im Verwaltungsgebäude, durch die Außenbeleuchtung u. ä. unterscheidet. Es ist eine weitere Aufgabe des betrieblichen Energiemanagements, den betriebsbedingten Nebenverbrauch an der Anlagenperipherie zu quantifizieren, weil dieser mit fortschreitender Automatisierung der Produktion in Summe immer gewichtiger wird. Es gibt bereits Industriebereiche, in denen dieser Anteil bis zu 40% der gesamten Einsatzenergie im Unternehmen ausmacht. Ob der betriebsbedingte Nebenverbrauch auch als spezifische Größe ermittelt werden muss, hängt vor allem von seiner Komplexität und Struktur ab. Eine geeignete Summenmessung ist als analytische Basis möglichst anzustreben. Er kann dann auch als sog. peripherer Zuschlag auf den spezifischen Energieverbrauch des Hauptaggregats verwendet werden. Eine Überlagerung der Funktion des spezifischen peripheren Energieverbrauchs mit dem des Hauptaggregates wird es nur in einzelnen Fällen geben, wie aus mehrfachen eigenen Untersuchungen hervorgeht.

2.3. Der Energiefluss und die Energiebilanz im betrieblichen Energiemanagement Grundsätzliche Ausgangsbasis für ein aktives Betriebliches Energiemanagement ist die Kenntnis vom Energiefluss im Unternehmen. Es muss bekannt und in einem sog. Energiefließschema darstellbar sein, − wo die einzelnen Energieträger eingespeist werden, − ob sie nochmals umgewandelt werden müssen bevor sie zur Anwendung kommen, − in welchen Prozessen/Anlagen sie direkt oder nach Umwandlung zur Anwendung kommen, − ob nach den Prozessen/Anlagen eventuell noch Energieträger zur Verfügung stehen, die genutzt oder nicht genutzt werden können, − ob nach der Umwandlung von Energieträgern die Umwandlungsprodukte außer im Unternehmen auch außerhalb zur Verfügung gestellt (verkauft) werden können.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

63

Beim Energiefließschema geht es darum „was wohin geht“. Es geht noch nicht darum „wie viel wohin geht“. Räumliche Anordnungen und Entfernungen sollten prinzipiell erkennbar sein. Das Hauptproblem ist die Abgrenzung des Betriebssystems, insbesondere dann, wenn das Betriebsterritorium nicht genau abgrenzbar ist. In Abb. 2.21. ist ein Energiefließschema als Beispiel dargestellt. Aus dem Energiefließschema werden die maßgeblichen Energieumwandlungs-, Energieanwendungs- und sog. Nebenanlagen erkennbar und es rückt folglich die Frage nach dem „Wie viel“ in den Vordergrund. Mit der Bilanzierung sollte man an einzelnen, aus dem Fließschema als maßgeblich erkennbaren Anlagen beginnen. Es ist nicht ratsam, umgekehrt zu verfahren und als erstes die gesamte Betriebsbilanz in Angriff zu nehmen. Im industriellen Energiemanagement werden aus praktischen Erwägungen Energiebilanzen nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik erstellt. Das heißt, an der Anwendungsanlage wird der Bedarf an Nutzenergie bestimmt und unter Berücksichtigung der entstehenden Verluste bzw. des Wirkungsgrades wird das Quantum Einsatzenergie ermittelt. Energiebilanzen von technischen Systemen stellen demzufolge im Zusammenhang mit dem betrieblichen Energiemanagement die Energieinhalte der in einer bestimmten Zeit in ein System eintretenden, die den in derselben Zeit austretenden Energieströmen gegenüber. Auch hier ist eine eindeutig festzulegende räumliche und zeitliche Bilanzgrenze maßgeblich. Alle über die Bilanzgrenze über einen einheitlichen Betrachtungszeitraum eintretenden Energien Q Zu sind zugeführte, alle austretenden Q Ab sind abgeführte Energien:

¦ Q

Zu

= ∆Q sp +

¦ Q

ab

(2.62)

∆Q sp ist die Veränderung von in der Anlage thermisch, mechanisch oder auch chemisch gespeicherter Energie, die sowohl ein positives als auch ein negatives Vorzeichen haben kann. Zur Definition des Betriebszustandes einer Anlage ist zunächst eine Leistungsbilanz (Momentaufnahme) zweckmäßig. Bei der Leistungsbilanz ist zwischen zwei Fällen zu unterschieden: ∆Q sp = 0 ∆Q sp ≠ 0

stationärer, d.h. unveränderlicher Zustand der Anlage instationärer, d.h. veränderlicher Zustand der Anlage.

64

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Ein exakt stationärer Zustand energieverbrauchender Anlagen ist nur anzutreffen, wenn der Lastgrad sich nicht verändert, also Q zu und Q ab innerhalb der Bilanzzeit konstant sind, z.B. stationärer Leerlaufzustand.

Elt

Erdgas

Fertigerzeugnis

EG

Druckluft Wasser

Elt- Station Trafo Schaltanlagen

DL Wa

EEf

EE

DL Wa

EEe

Produktionshalle 1 EE

Wa

HKW EE Da

WW

Da WW

Material EE Wa

DL EG Wa

Produktionshalle 2

EE

Da WW

EE

WW

Lager

Material EG DL Wa

Produktionshalle 3 EE

WW

Verwaltung und Sozialgebäude

Material WW

Material

Betriebsgrenze EEf - fremderzeugte Elektroenergie EEe - eigenerzeugte Elektroenergie

Abb. 2.21. Energie-Fließbild eines Industrieunternehmens

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

65

Von quasistationären Verhältnissen spricht man, wenn der Betriebszustand der Anlage am Anfang und am Ende der Gleiche ist und sich innerhalb der Bilanzzeit nicht wesentlich ändert. Wenn z.B. eine wärmetechnische Anlage nicht nennenswert abgekühlt und wieder aufgeheizt wurde. Die Resultate der Bilanzierung unter stationären/quasistationären Bedingungen dienen der energietechnischen Beurteilung einer Anlage unter Nennbedingungen. Enthält die Betrachtungszeit dagegen wechselnde Lastgrade, Aufheizund /oder Abkühlphasen, Leerlauf- und Pausenzeiten, wird also der Betrachtungszeitraum größer, dann können die Resultate nicht mehr in direkten Zusammenhang mit einem bestimmten Zustand gebracht werden. Sie sind mehr auf der betriebstechnischen und -wirtschaftlichen Seite verwendbar, also im permanenten betrieblichen Energiemanagement. 2.3.1. Energiebilanz einer Produktionsanlage

Die energietechnische Zielstellung einer Produktionsanlage ist, ein technologisch/fertigungstechnisch erforderliches Quantum Nutzenergie zur vorgesehenen Einwirkung auf das zu verändernde Produktionsgut (Bedarfsträger, Arbeitsgegenstand) im Prozessablauf so bereit zu stellen, dass die Umwandlung der eingesetzten Energie (Einsatzenergie) verlustarm erfolgt und nach Ablauf dieses Vorgangs nur noch vertretbar wenig noch arbeitsfähige Energie verbleibt. Die Erfüllung dieser Zielstellung sorgt für einen niedrigen spezifischen Energieverbrauch und für niedrige Emissionen von Schadstoffen und CO2. Aus Abb. 2.22. geht hervor, dass die eingesetzte Energie QE (ev. ergänzt durch QS) hauptsächlich in Nutzenergie QNP gewandelt wird. Dabei entstehen Verluste in der Anlage, z.B. Kühlwasser, Ausflammverluste, Wandverlust (vgl. auch Abschn. 2.2.3), und die separat ausgewiesene noch arbeitsfähige Energie QA, die auch als Anfallenergie bezeichnet wird, z.B. Abgas mit hoher Temperatur. Damit lautet die Energiebilanz: QE ( +QS ) = QNP + QVA ( +QA )

(2.63)

Diese prinzipiell dargestellte Energiebilanz ist kompatibel mit den unter Abschn. 2.2.3. und 2.2.4. darstellbaren Nutzungsgraden und spezifischen Energieverbräuchen:

66

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

(2.64)

nen =

QNP QE

w =

Q E Q = m D M j

Hieraus, und verdeutlicht in Abb. 2.22., ist abzuleiten, dass bei konstant bleibendem Nutzenergiebedarf: − eine Senkung der Verluste QVA zu einem geringeren Bedarf an Einsatzenergie führt, − mit dem Produktionsgut eingebrachte Enthalpie QS zu geringerem Bedarf an Einsatzenergie führt, QS

QE

QVA

P

Bilanzgrenze

QNP

QA QE Einsatzenergie QS mit dem Produktionsgut eingebrachte Enthalpie, z.B. vorgewärmtes Einsatzmaterial QVA Anlagenverluste QA Anfallenergie QNP Nutzenergie im Produktionsprozess

Abb. 2.22. Grundsätzliche Energiebilanz einer Produktionsanlage

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

67

− der in Abb. 2.22. und in der Bilanz berücksichtigte Term QA so nur das nutzbare Potential Anfallenergie darstellt. Wird QA genutzt, dann wird es in der Bilanz wirksam, wenn es hier im Entstehungsprozess zur Verwendung kommt (primär, gleiche Wirkung wie zunehmender QS). Wenn es außerhalb der Bilanzgrenze (sekundär) zur Anwendung kommt, dann wirkt sich das hier energetisch nicht aus. − die Möglichkeiten zur Reduzierung der Einsatzenergie (außer zur Erhöhung des Nutzungsgrades) immer zur Senkung des spezifischen Energieverbrauchs führen. 2.3.2. Energiebilanz einer Umwandlungsanlage

Es wurde bereits angedeutet, dass in einem Industrieunternehmen weitere Anlagen erforderlich sind, die vom Energieversorger erworbene Energieträger, z.B. Elektroenergie mit hoher Spannung, Gas mit hohem Druck, in die im Betrieb geforderte Form oder in einen neuen Energieträger umwandeln. Dazu gehören z.B. Transformatoren, Druckreduzierstationen, das Pumpen von Wasser aus Brunnen, die Drucklufterzeugung aus Elektroenergie und die kombinierte Wärme- und Elektroenergieerzeugung im Industriekraftwerk in der Regel aus Brennstoffen. Charakteristisch für Energieumwandlungsanlagen im Industriebetrieb ist, dass diese nur indirekten Bezug zur Produktion haben. Ein spezifischer Energieverbrauch in der bisher verwendeten Weise führt hier zu einer eher zweifelhaften Erkenntnis. Demzufolge unterscheidet sich auch die Energiebilanz von der einer Produktionsanlage (vgl. Abb. 2.23.): QB = QU 1 + ... + QUn + QVU QB QVU QU1...QUn

(2.65)

vom Unternehmen eingekaufte Bezugsenergie, die in U umgewandelt werden soll in der Umwandlungsanlage entstehende Verluste aus der Umwandlung entstandene Energieträger, z.B. Elektroenergie und Dampf/Heißwasser oder Druckluft verschiedener Druckstufen

Auch in Umwandlungsanlagen ist grundsätzlich eine Leistungsbilanz erstellbar und zur Analyse der Umwandlungsanlage ist der Wirkungsgrad/Nutzungsgrad bestimmbar. Die Größe spezifischer Energieverbrauch wird, wenn überhaupt, in modifizierter Form verwendet, weil kein Produktionsausstoß erzielt wird. Es wird aber der spezifische Brennstoff-Wärme-Verbrauch in kg Brennstoff oder m3 Gas pro erzeugte kWh verwendet. Auch m3 Druckluft pro

68

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

kWh eingesetzter Elektroenergie oder m3 Wasser pro eingesetzte kWh sind durchaus üblich und in diesem Bereich für analytische Zwecke hilfreich. Die Output-Energieströme aus der Umwandlungsanlage QU1…QUn werden üblicherweise nach ihren Einsatzbereichen unterteilt: − Energieträger aus der Umwandlungsanlage, die in der Produktion zur Anwendung kommen, kennzeichenbar mit QUP, − Energieträger, die in Nebenanlagen des Betriebes zur Anwendung kommen, kennzeichenbar mit QUN, − Energieträger, die an Dritte außerhalb des Betriebes verkauft werden, kennzeichenbar mit QUD.

QB

QVU

U Bilanzgrenze

QU1

…

QUn

Abb. 2.23. Prinzipielle Energiebilanz einer Umwandlungsanlage im Betriebssystem

2.3.3. Energiebilanz einer Nebenanlage

Eine Nebenanlage ist in der bisherigen Logik der Darstellung von Energiebilanzen typischer betrieblicher Anlagen eine Mischform, insbesondere die Output-Energieströme betreffend. Während der Zusammenhang Einsatzenergie, Verluste, Nutzenergie der gleiche ist wie in der Produktionsanlage kann es notwendig werden, einen sog. „Rücklauf“ einzurichten

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

69

bzw. zu berücksichtigen. Typisch für diese Problematik ist der Heizungsrücklauf. Die Bezugnahme der Einsatzenergie, da kein Produktionsergebnis direkt vorhanden ist, erfolgt hier hauptsächlich auf die jährlichen Betriebsstunden und in bestimmten Fällen auf die Außentemperatur (vgl. auch Abschn. 2.2.2.). QEN

QVN

N Bilanzgrenze

QNR

QNN QEN QVN QNN QNR

Einsatzenergie in der Nebenanlage Verluste in der Nebenanlage erzeugte Nutzenergie in der Nebenanlage technisch notwendige Rückführung eines Outputs aus der Nebenanlage

Abb. 2.24. Grundsätzliche Energiebilanz einer Nebenanlage

2.3.4. Die einfache Energiebilanz eines Betriebes

Als einfache Energiebilanz eines Betriebes wird im Folgenden der Fall dargestellt, dass ein eindeutig abgegrenztes Industrieunternehmen aus einer Umwandlungsanlage U, einer Produktionsanlage P und einer Nebenanlage N besteht. Diese Konstellation kommt im Praktischen eher selten vor.

70

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Es lassen sich an diesem sog. U/P/N-Modell1 alle maßgeblichen energetischen und energiewirtschaftlichen Zusammenhänge und Verflechtungen darstellen und sinnvolle Analyseansätze finden. Außer der Anordnung der drei Anlagetypen entstehen typische Verflechtungen zwischen den Elementen, wodurch sich das grundsätzliche U/P/N-Modell konfiguriert wird: Aus dem U/P/N-Modell lautet die einfache Energiebilanz des Betriebes:

QBU + QBP + QBN ( +QS ) = QVU + QVA + QVN + QNP + QNN + QUDA

(2.66)

Und daraus: ™ Bezugsenergie = ™ Verluste + ™ Nutzenergie + ™ Energie an Dritte (2.66.1) ™ QB

= ™ QV + ™ QN + ™ QD

Diese einfache Energiebilanz nach dem U/P/N-Modell gilt prinzipiell für jeden eindeutig abgrenzbaren Betrieb/Produktionsbereich. Bestenfalls ist sie vereinfachbar, wenn die Umwandlung bezogener Energie dezentral jeweils innerhalb der Bilanzgrenze der Produktionsanlage und Nebenanlage erfolgt. Das ist z.B. der Fall, wenn die Heizungsanlagen dezentral in den Gebäuden installiert sind, oder wenn die Drucklufterzeugung zur Peripherie der Produktionsanlage innerhalb der Bilanzgrenze zugeordnet ist, oder wenn die Trafostation bzw. Druckreduzierstation Eigentum des Energieversorgers sind und damit außerhalb der Bilanzgrenze des Betriebes liegen. Die einfache Energiebilanz eines Betriebes macht bereits deutlich, dass der gesamte Energiebedarf eines Industrieunternehmens nicht nur der für die Produktion (QEP) ist. Er muss ergänzt werden durch den Bedarf der Nebenablagen (QEN) und den Bedarf für die Energieumwandlung (QEU) mit den daraus entstehenden Verflechtungen zur Produktion, zu den Nebenanlagen und unter Berücksichtigung einer eventuellen Energieabgabe an Dritte. Dass sich dieser komplexe Zusammenhang auch auf die ZuDas U/P/N-Modell wurde vom Herausgeber nach langjährigen praktischen Arbeiten in den 80er Jahren entwickelt und am Lehrstuhl Energiewirtschaft der BTU Cottbus seit den 90er Jahren in die endgültige Form gebracht und umfassend in Lehre und praktischer Tätigkeit verwendet. Es ist auch logischer Bestandteil darauf aufbauender wissenschaftlicher Arbeiten, wie sie in den Kapiteln 3 und 4 noch dargestellt werden.

1

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

71

sammensetzung der betrieblichen Energiekosten auswirkt wird im Kap. 3 noch näher untersucht. Abgeleitet aus Abb. 2.25. lässt sich der so dargestellte Industriebetrieb weiter strukturieren. Das ist für analytische Zwecke, aber vor allem auch zur Planung und Prognose des künftigen gesamten Energiebedarfs aus der Struktur heraus außerordentlich hilfreich. Als erstes sind die Bilanzen der Betriebselemente, eingeordnet in das System präziser zu erkennen.

QNRU

QBN

QBP

QBU

QEU QVU

U QUDA

QUD

QUP

QUN

QUPA

QS

QEP QVA

P QNP

QPN

QPNA

QUNA QEN QVN

N QNR

QNN

Bilanzgrenze

Abb. 2.25. Einfache Energiebilanz eines Betriebes, das U/P/N-Modell nach Schieferdecker QBU QBP QBN QEU QNRU

Bezugsenergie für die Anlage U Bezugsenergie für die Produktionsanlage Bezugsenergie für die Nebenanlage in der Umwandlungsanlage eingesetzte Bezugsenergie aus der Nebenanlage rückgeführte und in der Umwandlungsanlage eingesetzte Energie

72 QVU QUN QUP QUD QEP

QUPA QVA QNP QEN QUNA QNN QNR

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement Verluste in der Umwandlungsanlage aus der Umwandlungsanlage abgegebene Energie an die Nebenanlage aus der Umwandlungsanlage abgegebene Energie an die Produktionsanlage aus der Umwandlungsanlage abgegebene Energie an Dritte in der Produktionsanlage direkt eingesetzte Bezugsenergie, unter Berücksichtigung der zwischen Bezug und Einsatz stehenden Verluste (QEP ” QBP) in der Produktionsanlage eingesetzte Energie aus der Umwandlungsanlage (QUPA ” QUP) gesamte Verluste in der Produktionsanlage erforderliche Nutzenergie für die Durchführung des Produktionsprozesses in der Nebenanlage direkt eingesetzte Bezugsenergie unter Berücksichtigung der zwischen Bezug und Einsatz entstehenden Verluste (QEN ” QBN) in der Nebenanlage eingesetzte Energie aus der Umwandlungsanlage (QUNA ” QUN) erforderliche Nutzenergie für die Anwendung in der Nebenanlage nach der Anwendbarkeit rückzuführende Energie aus der Nebenanlage

Aufgelöst nach den Haupt-Bedarfsgrößen lauten sie: QEU = QUP + QUN + QUD + QVU − ( QNRU )

(2.67)

QEP = QNP + QVA − QUPA − ( QS ) QEN = QNN + QVN − QUNA + ( QNR ) Die Summe der Einsatzenergien in der hier dargestellten Form lässt unbeachtet, dass beim Transport und bei der Bereitstellung der Energieträger im Betriebssystem ebenfalls Verluste zu berücksichtigen sind. Im Folgenden werden zum Beispiel Nutzungsgrade2 der Transport- und Bereitstellungseinrichtungen in die Bilanzierung eingeführt. So sind: QB = QBU + QBP + QBN =

QEU QEP QEN + + nBU nBP nBN

(2.68)

Ebenfalls werden die entstehenden Verluste der Verteilung zwischen den Elementen wie folgt berücksichtigt:

2

Gilt auch für Wirkungsgrade bei Leistungsbilanzen

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

nBU

QUP =

QUPA nUP

QUN =

QNRU nNR

QUD =

QUDA nUD

73

(2.69)

Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Bilanzgrenze zur Umwandlungsanlage Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Bilanzgrenze zur Produktionsanlage Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Bilanzgrenze zur Nebenanlage Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Umwandlungsanlage zur Produktionsanlage Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Umwandlungsanlage zur Nebenanlage Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Nebenanlage zur Umwandlungsanlage (Rückführung) Nutzungsgrad der Bereitstellung von Energie von der Umwandlungsanlage zur Bilanzgrenze (Übergabestelle)

nBP nBN nUP nUN nNR nUD

Damit ist der gesamte Bedarf an Bezugsenergie eines einfachen Betriebssystems: (2.70)

¦Q

B

=

Q · 1 1 § 1 ¨¨QVU + UDA¸¸ + (QNP +QVA −(QS )) + (QNN +QVN) nBU © nUD ¹ nBP nBN

§ 1 § 1 1 · 1 · ¸¸ +QUNA¨¨ + ¸¸ +QUPA¨¨ + © nBP nBU ⋅ nUP ¹ © nBN nBU ⋅ nUN ¹ § 1 1 · ¸¸ −QNRU¨¨ + ⋅ n n n © BU BN NU ¹ Das hier dargestellte U/P/N-Modell ist die qualitative Darstellung aller Verflechtungen wie sie im Industrieunternehmen prinzipiell vorhanden sind. Sie teilen sich grundsätzlich in

74

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

− alle Energieflüsse, die als Bezugsenergie (-träger) in die Bilanz eintreten, eventuell ergänzt durch QS, − alle Energieflüsse, die als Verluste die Bilanzgrenze verlassen, − Nutzenergien in P und N, die mathematisch als Output erfasst werden, − alle Energieflüsse, die die Umwandlungsanlage verlassen und in P und/oder N zur Anwendung kommen (in absoluten Einzelfällen eventuell auch von P nach N), − eventuelle Rückführungen aus N (eventuell auch aus P) − eventuelle Abgabe von Energie/Energieträgern aus der Umwandlungsanlage an Dritte (in Ausnahmefällen auch aus P). Nach Gl. 2.70 ist prinzipiell der Gesamtbedarf des Betriebes an Bezugsenergie aus den Bedarfsgrößen des betrieblichen Bereichs (Elemente) unter Berücksichtigung aller betrieblichen Verteilungsverluste und möglicher Energieabgabe quantifizierbar. Grundsätzlich bietet das U-, P-, N-Modell eine strukturierte Basis der allgemeinen, methodischen Abbildung der Energiebilanzen im Einzelnen und im Zusammenhang. Es ist auch die Basis für eine rechentechnische Darstellung des Betriebssystems aus energetischer Sicht. 2.3.5. Das industrielle energetische System

Die quantitative Darstellung des U-, P-, N-Modells wird wesentlich komplexer mit zunehmender Anzahl der Energieträger und mit jeweils mehr als einer Anlage der Elemente U, P und N. Man spricht dann von einem industriellen energetischen System, zu erkennen an der U-, P- und NSchiene. In Abb. 2.26. ist ein industrielles energetisches System, bestehend aus jeweils 1…n Umwandlungs-, Produktions- und Nebenelementen, dargestellt. Mit der Einführung der U-, P- und N-Schiene finden alle Querverbindungen zwischen den nebeneinander liegenden U/P/N-Modellen ihren Ausdruck. Die zunehmende Komplexität ist deutlich zu erkennen. In der praktischen Anwendung findet in den meisten Fällen eine ungleichmäßige Erweiterung des Ausgangssystems statt. Durch die Aufnahme des Bezugs ganz konkreter Energieträger und ihre ebenso konkrete Verwendung fallen einige hier als Möglichkeiten dargestellte Verbindungen heraus. Es entsteht das jeweils modifizierte System für jeden einzelnen Anwendungsfall. Für das betriebliche Energiemanagement des industriellen Systems muss ein Energie-Bezugs-Planungs- und Steuerungssystem (EBPS-System) möglich werden. Ein Ansatz dazu wird in Kap. 4 diskutiert.

QUDAn

QUDA1

QNP1

QUnNn

QP1Nn

QU1Nn

sog. N-Rückkopplung

QU2P2

QU2P1

QBUn

N1

QUnNA1

QU1NA1

QUnN1

QP1N1

P1

QU1PA1 QUnPA1

Un

QN1RUn/ QNnRUn

QBP1

QU1N1

QS1

QU1Pn

QU1P1

sog. U-Schiene

sog. P-Rückkopplung

U1

QBU1

Betriebliche Bilanzgrenze

QNnR

QN1R

QPnR

QP1R

QNnRU1 QN1RU1

Pn

QU1PAn QU2PAn

QNN1

QSn

QBN1

QNPn

QUnUNAn

QU1UNAn

sog. N-Schiene

QPnNn QPnN1

Nn

sog. P-Schiene

QBPn

QNNn

QBNn

QVNn

QVN1

QVPn

QVP1

QVUn

QVU1

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement 75

Abb. 2.26. Das industrielle energetische System, dargestellt mit jeweils n Umwandlungs-, Produktions- und Nebenelementen

76

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

2.4. Der Bereich Bereitstellung und Umwandlung 2.4.1. Druckluftwirtschaft im Industrieunternehmen

Ausgehend von dem im Abschn. 2.3. entwickelten U/P/N-Modell bzw. industriellen energetischen System ist die Erzeugung von Druckluft an zentraler Stelle (Druckluftstation) eine typische Umwandlungsanlage (Element U). Die Verteilung erfolgt über ein mehr oder weniger verzweigtes Druckluftnetz, meist noch in mehreren Druckstufen. Die Anwendung kann in allen Bereichen des Betriebes erfolgen, an Produktionsanlagen in den meisten Fällen in der Peripherie an vielen kleinen Abnahmestellen. Aus dieser Konstellation heraus ist die Energiebilanzierung und vor allem die Erarbeitung und Handhabung energiewirtschaftlicher Kennziffern eine sehr komplexe, in vielen Anwendungsbeispielen als Gesamtsystem nicht lösbare Aufgabe. Das liegt vor allem daran, dass bei einer Vielzahl von Druckluftwerkzeugen, von pneumatischen Steuer- und Regelanlagen usw. auf der Anwendungsseite nicht der energiewirtschaftliche Schwerpunkt liegt. Die Bereiche Trocknung, Kühlung, Belüftung, Reinigung werden hier bewusst nicht in der Anwendungsseite berücksichtigt, weil diese Arbeiten mittels teurer Druckluft (Druckluft ist überhaupt der teuerste Energieträger im Betrieb, weil sie aus der bereits sehr teuren Elektroenergie erzeugt wird) aus wirtschaftlichen Gründen nicht zu verantworten sind. Sie können mit anderen Energieträgern bzw. Anlagen (z.B. Abluft, Gebläse u.ä.) wirtschaftlicher realisiert werden. Damit konzentriert sich die betriebliche Druckluftwirtschaft auf die Drucklufterzeugung und auf das Druckluftnetz. Wirtschaftliche Drucklufterzeugung

Die Wirtschaftlichkeit der Drucklufterzeugung beginnt mit der Anschaffung der Verdichteranlage und der Festlegung der Nenndaten des Gesamtsystems. Dazu gehören − die Wahl des Verdichtertyps (z.B. Hubkolben-, Drehkolben-, Kreisel-, Schraubenverdichter mit unterschiedlichen technischen Parametern und Investitionen); − die Anzahl der Verdichter einschließlich einer erforderlichen Reserveleistung (hieraus resultieren die Auslastung, der Wirkungsgrad, die Versorgungssicherheit), − der festzulegende Enddruck und die Druckstufen nach den Anwendungsanforderungen,

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

77

− die Festlegung des Speichervolumens, woraus die Festlegung der Betriebsweise resultiert. Ist die Verdichteranlage in Betrieb, dann treten Kriterien in den Vordergrund wie − der Vergleich von Aussetzer- und Leerlaufbetrieb, − die Kapazitäts- und zeitliche Auslastung der Verdichter, − die Leistungsaufnahme, der Lastgang und der Leistungsfaktor der einzelnen Verdichter und der Station in Summe, − die Ermittlung von Kennziffern, deren ständige Analyse und Überwachung, − die Nutzung noch arbeitsfähiger Energie aus der Kühlung. Von besonderem Interesse sind der spezifische Energieverbrauch eines Verdichters und seine Funktion im betrieblichen Energiemanagement. Der spezifische Energieverbrauch setzt die im Verdichter in mechanische Energie umgesetzten kWh Elektroenergie zur Erzeugung von Druckluft mit vorgegebenen Parametern ins Verhältnis. Die allgemein gültige Dimension ist everd in kWh / 1000mN3

(2.71)

Mit dieser Kennziffer wird sowohl die Fahrweise des Verdichters (Leerlaufanteil, Leistungsauslastung) als auch sein Zustand (Verschleiß, Dichtheitsgrad) beurteilbar. Zur Ermittlung des spezifischen Energieverbrauchs kann man sehr exakt (und aufwändig) vorgehen, in dem Messtechnik zur laufenden Messung der elektrischen Leistung und des Druckluft-Volumenstroms, kombiniert mit einer ebenfalls laufenden Ermittlung des Quotienten installiert wird. In Erinnerung an den Grundsatz: “Nicht so genau wie möglich, sondern so genau wie nötig“ reicht es aber im Rahmen des betrieblichen Energiemanagements häufig aus, wenn in regelmäßigen größeren Abständen die EltZähler (die sollten dann pro einzelnem Verdichter vorhanden sein) abgelesen werden (pro Schicht oder pro 24 Stunden und eingetragen in das Betriebstagebuch) und ebenfalls in regelmäßigen Abständen mittels der sog. Druck-Auffüll-Methode der Volumenstrom bestimmt wird. Der DruckAuffüll-Versuch ist bei laufendem Betrieb nicht durchzuführen. Deshalb müssen geeignete Zeitabschnitte gewählt werden, in denen der Druckluftbehälter kurzzeitig vollständig entleert werden kann (z.B. nachts oder am Wochenende). Die Durchführung des Versuchs muss von der technischen Konstellation ausgehen, dass der zu untersuchende Verdichter nur auf ei-

78

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

nen Druckbehälter einspeisen kann. Dann wird, ausgehend von Abb. 2.27. wie folgt verfahren: Erstens wird der Behälterausgang zum Netz geschlossen (1). Zweitens wird der Druckluftbehälter auf Umgebungsdruck entspannt (2). Drittens wird der Verdichter (3) in Betrieb genommen um den Behälter aufzufüllen (2 wieder geschlossen). Viertens wird der Druckanstieg über der Zeit aufgenommen (4). Dabei wird eine Druckanstiegsdifferenz definiert (z.B. 0,2 bar) und dann die jeweilige Laufzeit des Verdichters von 0 bar bis Betriebsdruck mit den größer werdenden Zeitabständen aufgenommen. Gleichzeitig wird für die jeweils definierte Druckzunahme (z.B. 0, 2 bar) der Elt-Zähler abgelesen. Aus der aufgenommenen Druckzunahme-Tabelle lässt sich der Förderstrom wie folgt berechnen: V §p p · 1 VN = D ¨¨ 2 − 1 ¸¸ ⋅ t ⋅ R © T2 T1 ¹ ρ ρ

VN

VD t

R p2-p1 T2-T1 ȡN

(2.72)

in mN3 / min 3

Förderstrom, bezogen auf Normzustand, in mN /min Volumen des Druckbehälters einschl. Verbindungsleitungen zum Verdichter, in m3 gemessene Auffüllzeit für die festgelegte Druckdifferenz in Minuten Gaskonstante (29,27 kpm/kg·K) definierte Druckanstiegsdifferenz (z.B. 0,2 bar) dazu gehörende Temperaturdifferenz, in K 3 Dichte der Luft im Normzustand (1,293 kg/ m N )

Der über die gesamte Messreihe ermittelte durchschnittliche (arithmetisches Mittel) Förderstrom, ist zur Ermittlung des Nenners für den spezifischen Energieverbrauch gut verwendbar. In der Praxis wird häufig folgende Vereinfachung verwendet, die alle Konstanten zusammenfasst, die Temperaturveränderung vernachlässigt und bei definierten Druckdifferenzen unter 1bar durchaus verwertbare Ergebnisse liefert: V VN = 264 D t ⋅T

in mN3 / min

(2.73)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

79

4 p T 1 VD

2

3 Verdichter

Druckbehälter

VD T p 1 2 3 4 -

Netz

Druckluftverbraucher

Druckbehältervolumen Temperatur Druck Absperrventil des Druckluftnetzes Entspannungsventil des Druckbehälters zu untersuchender Verdichter Druckablesung

Abb. 2.27. Prinzipdarstellung der Drucklufterzeugung und -verwendung

Steht für den Versuch ein Leistungsschreiber zur Verfügung, dann lässt sich der spezifische Energieverbrauch wie folgt ermitteln: everd =

Pel auf  V ⋅ 60

ª kW min h º in kWh / mN3 = « ⋅ 3 ⋅ » ¬ 1 mN min ¼

N

Pel auf

(2.74)

aufgenommene elektrische Leistung

Steht nur der zur Ausrüstung gehörende Elt-Zähler zur Verfügung, dann wird der zur jeweiligen Druckerhöhung abgelesene Verbrauch in folgenden Ausdruck eingesetzt: everd = Ael

Ael ⋅ T 264 ⋅ VD

in kWh / mN3

(2.75)

während der definierten Druckerhöhung abgelesener EltVerbrauch

80

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Auch sei an dieser Stelle daran erinnert, dass aus der Geschwindigkeit der Drehscheibe eines analogen Elt-Zählers die momentane elektrische Leistung bestimmt werden kann: Pelauf = n Ü

n ⋅ Ü ⋅ 60 K

in kW

(2.76)

Umdrehungen der Zählerscheibe pro Minute Übersetzungsverhältnis bei eingebauten Wandlern (Ü=1 ohne Wandler Zählerkonstante in Umdr./kWh

K

Der spezifische Energieverbrauch des Verdichters ist dann abgeleitet aus Gl. 2.74: everd =

n ⋅Ü K ⋅ VN

ª U kWh min º in kWh / mN3 = « ⋅ ⋅ 3 » ¬ min U mN ¼

(2.77)

Dieses Vorgehen kann hilfreich sein, wenn nicht sofort optische Sensoren o.ä. zur Verfügung stehen. Die hier dargestellten Möglichkeiten zur Ermittlung des spezifischen Energieverbrauchs eines Verdichters (Gln. 2.74, 2.75, 2.77) gelten für den Aussetzerbetrieb, wenn also innerhalb einer eingestellten Druckdifferenz der Verdichter bei Maximum ausschaltet und bei Minimum wieder einschaltet. Ist die Anlage auf Leerlaufbetrieb eingestellt, schaltet der Verdichter bei Maximum auf Leerlauf und bei Minimum wieder auf Last, dann muss die Gl. 2.73 modifiziert werden:

e'verd =

PLast PLeer tFörd tLeer tBetr.

PLast ⋅

t Förd t + PLeer ⋅ Leer t Betr . t Betr . t Förd  ⋅ VN ⋅ 60 t Betr .

(2.78) in kWh / mN3

elektrische Leistung bei Förderbetrieb (Last) elektrische Leerlaufleistung Förderbetriebszeit Leerlaufzeit gesamte Betriebszeit (tBetr.=tFörd+tLeer )

Die während des Leerlaufes in Anspruch genommene Energie (PLeer·tLeer) verursacht ein Steigen des spezifischen Energieverbrauchs. Die Förder- und Leerlaufzeiten sind in der einfachsten Form mit einem Betriebsstundenzähler zu erfassen. Auch die Auswertung des Schreibstrei-

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

81

fens eines Leistungsschreibers (Ermittlung der Fläche unter der geschriebenen Leistung) führt zu sehr gutem Erfolg. Es ist unbedingt ein nicht zu kleiner Zeitraum auszuwählen, damit das unterschiedliche Betriebsgeschehen mit unterschiedlicher DruckluftInanspruchnahme statistisch gesichert ist (mehrere Last- und Leerlaufphasen). Entsprechend den Erkenntnissen zum spezifischen Energieverbrauch des Anlagentyps 3 (vgl. Abschn. 2.2.4.) müssen drei Verläufe des spezifischen Energieverbrauchs über der Druckluft-Erzeugungsleistung ermittelbar werden: Der Verlauf des spezifischen Energieverbrauchs ( everd Nenn ) wird durch Einsetzen der vom Hersteller angegebenen Nenndaten in Gl. 2.73 ermittelt. ǻe1 charakterisiert den Verdichterzustand. Zunehmender Verschleiß bewirkt ein ǻe1. Regelmäßige Kontrollen sorgen für die Regelmäßigkeit und Planbarkeit der Instandhaltung. ǻe2 charakterisiert den Leerlaufanteil an der gesamten Betriebsweise des Verdichters. Mit größer werdendem ǻe2 wird die Grenze der Leerlauffahrweise erreicht. Ein weiteres Gebiet im Zusammenhang mit der Drucklufterzeugung ist die Ermittlung des Lastganges der gesamten Druckluftstation (vgl. Abschn. 2.4.3) und jedes einzelnen Verdichters. e´verd e verd e verd Nenn e2 e1 e´verd e verd e verd Nenn

m3N / Zeit

e´verd - spezifischer Energieverbrauch Leerlaufbetrieb e verd - spezifischer Energieverbrauch Aussetzerbetrieb e verd Nenn - spezifischer Energieverbrauch aus Nenndaten

Abb. 2.28. Spezifischer Energieverbrauch eines Verdichters bei Nennbedingungen im Aussetzer- und Leerlaufbetrieb auf jeweils gleicher Zeitbasis

82

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Der Lastverlauf der gesamten Station gibt Aufschluss darüber, welche Wirkung die Betriebsweise der Drucklufterzeugung auf den Lastgang des gesamten Betriebes hat und inwieweit hier Einflussnahme erforderlich wird. Der Lastverlauf aller einzelnen Verdichter macht die Struktur des gesamten Lastverlaufes der Station deutlich. In der Regel wird so verfahren, dass die größeren und moderneren Verdichter (mit relativ niedrigem spezifischen Energieverbrauch) die Grundlast in Leerlauf-Betriebsweise übernehmen und kleinere sowie ältere Verdichter im Aussetzerbetrieb zur Deckung der Lastspitzen zu- und abgeschaltet werden. Druckluft-Netzverluste

Vor dem Herangehen an die Senkung der Druckluft-Netzverluste müssen diese erst so genau wie nötig bestimmt werden, was in sehr verzweigten und vermaschten Netzen mit vielen ganz unterschiedlichen Abnahmestellen verhältnismäßig aufwendig werden kann. Zunächst sei auch hier vorangestellt, dass die Bestimmung der Druckluft-Netzverluste im laufenden Betrieb nicht möglich ist. Es muss technisch möglich sein alle Anwendungsstellen, Geräte und Anlagen an ihrer Zuleitung aus dem Netz zu verschließen. Desgleichen muss die Druckluftstation am Netzzugang (vgl. (1) in Abb. 2.27) abtrennbar sein. Verluste im Druckluftnetz entstehen durch Undichtheiten. Die Größenordnung der Verluste lässt sich durch die Bestimmung der Förder- und Leerlaufzeiten bei allen geschlossenen Abnahmestellen nach folgendem Ausdruck ermitteln: VVN = = VVN

t Förd ⋅100 t Förd + t Leer t Förd ⋅100 t Betr .

in %

(2.79)

in %

Druckluftverluste des Netzes im Ist-Zustand

Praktisch geschieht das so, dass der Verdichter (bei mehreren Verdichtern in der Station nimmt man nur einen, der alle Verluste decken kann) nach Schließen aller Entnahmestellen den eingestellten Betriebsdruck des Netzes aufbaut und dann auf Leerlauf schaltet. Auf Grund der Verluste im Netz fällt der Druck wieder auf Umschaltdruck ab. Diese Zeit und die bis zur Wiedererreichung des Betriebsdruckes werden gemessen. Die statistische Sicherheit wird durch entsprechend viele Wiederholungen erreicht. Daraus werden Zeit-Mittelwerte gebildet und in Gl. 2.79 eingesetzt.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

83

Druckluftnetzverluste in einer Größenordnung von 30-40% sind in älteren Betriebssystemen, in denen man sich langjährig nur um die Versorgungssicherheit in der Erzeugung gekümmert hat und Druckluft „eben da sein muss“, durchaus öfter anzutreffen. Spitzenwerte von 10...15% sind durch regelmäßige Begehungen, durch Bereinigung der Netzstruktur und z.B. durch die Reduzierung der Zahl der Druckstufen möglich. Ist der Förderstrom des Verdichters bekannt, dann sind die Netzverluste wie folgt zu ermitteln: VVN =

t Förd ⋅ VN t Förd + t Leer

in mN3 / min

(2.80)

Eine weitere Methode die Druckluftnetzverluste zu quantifizieren ist die sog. Druck-Abfall-Methode. Hier geht man von Gl. 2.75. bzw. Gl. 2.77. aus und bildet den folgenden Ausdruck: V VVN = 264 ⋅ N + D ( p1 − p2 ) T ⋅t VN+D p1 p2

in mN3 / min

(2.81)

inneres Volumen des gesamten Druckluftsystems, d.h. Netz plus Druckbehälter in Station Netzdruck zu Beginn der Messung (festgelegter Betriebsdruck) Netzdruck bei Ende der Messung (Wieder- Einschaltdruck)

Die praktische Durchführung geschieht wie folgt: − − − −

Erstens werden sämtliche Verbraucher vom Netz getrennt, Zweitens wird das geometrische Gesamtvolumens des Netzes ermittelt, Drittens wird die Lufttemperatur gemessen, Viertens wird das Netz auf Betriebsdruck hochgefahren und auf Aus bzw. Leerlauf geschaltet, − Fünftens wird die Zeit gemessen für den Druckabfall bis zum WiederEinschalten bzw. Umschalten auf Last. Auch hier muss die Druckdifferenz festgelegt sein. Problematisch, weil in den meisten Fällen kaum realisierbar, ist die Bestimmung des geometrischen Netzvolumens. Man kann sich aber vor der vorschnellen Resignation damit helfen, dass je ein Druckabfall-Versuch mit Druckbehälter und ohne Druckbehälter durchgeführt wird (muss technisch machbar sein). Danach bestimmt sich das Volumen des Netzes:

84

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

VNetz = VD t t’

VD t −1 t'

(2.82)

in m3

Volumen des Druckbehälters wie bereits verwendet, in m3 Druckabfallzeit mit Netz und Druckbehälter Druckabfallzeit nur mit Netz und ohne im System enthaltenen Druckbehälter

Die hier dargestellten Möglichkeiten zur Quantifizierung der DruckluftNetzverluste sind im betrieblichen Energiemanagement wirksame Werkzeuge, wenn ausgehend vom ermittelten Ist-Zustand systematisch Veränderungen angestrebt werden sollen. Dazu gehören: − das Eingrenzen von Verlustschwerpunkten bei Durchführung dieser Versuche in Teilbereichen. Das setzt voraus, dass der Rest des Netzes abgetrennt werden kann. − das systematische Suchen nach Leckstellen bei betriebsbereitem Netz in Zeiten der Betriebsruhe (z.B. Wochenende oder nachts, wenn kein Betriebslärm). Nach jeder Maßnahme zur Senkung erkannter Druckluft-Netzverluste muss ein neuer Druckabfall-Versuch durchgeführt werden, der den Erfolg der Maßnahme verdeutlicht. Das kann wie folgt dargestellt werden: 7,0 p in bar

Idealkurve bei 0% Verlusten

6,8

anzustrebende Betriebskurve bei 10% Verlusten

6,6 nach weiteren Verbesserungen -nach ersten Verbesserungen

6,4

Ist- Zustand 2

6

10

14

t in min

Abb. 2.29. Druckluft-Netzverluste über der Druck-Abfallzeit

Zusammenfassend wird nochmals darauf hingewiesen, dass die betriebliche Druckluftwirtschaft einen maßgebenden Energiemanagement-

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

85

Schwerpunkt darstellt. Jede Senkung der Druckluft-Netzverluste und des spezifischen Energieverbrauchs der Verdichter bedeutetet weniger eingesetzte Elektroenergie und damit weniger CO2- und Schadstoffemissionen am Ort der Elektroenergieerzeugung. Vor allem aber schlägt sich das in sinkenden Energiebezugskosten nieder. 2.4.2. Wirtschaftlicher Betrieb von Transformatoren

Große und in vielen Fällen auch mittelständische Unternehmen betreiben häufig eine eigene Transformatorenstation mit mehreren Transformatoren unterschiedlicher Leistung, die parallel geschaltet sind. Für den Parallelbetrieb von Transformatoren sind elektrotechnische Bedingungen zu erfüllen (dies gilt vor allem für den Neubau bzw. für die Ergänzung von Trafo-Stationen). Diese sind: − − − −

gleiches Leerlauf-Übersetzungsverhältnis gleiche Schaltgruppen gleiche Kurzschlussspannungen Nennleistungsverhältnis der Einzel-Trafos, maximal 3:1.

Die elektrischen Verluste von Transformatoren setzen sich zusammen aus den Leerlauf-Verlusten (sog. Eisenverluste) und den KurzschlussVerlusten (sog. Kupferverluste). Die Leerlaufverluste sind abhängig von der Spannung, der Frequenz und der Masse des Eisenkerns. Sie werden durch den Leerlaufversuch bestimmt und im Folgenden mit PVO bezeichnet. Leerlaufverluste bleiben bei veränderter Leistung konstant (Spannung). Die Kurzschlussverluste sind abhängig von der Stromstärke. Sie werden durch den Kurzschlussversuch bestimmt und im Folgenden mit PVK bezeichnet. Kurzschlussverluste sind leistungsabhängig (Stromstärke). Die Verlustleistung eines Transformators ist:

I IN P PN

PV 1 = PV 0 + PVK

I2 I N2

= PV 0 + PVK

P2 PN2

momentane Stromstärke Nennstromstärke momentane Betriebslast Nennleistung

(2.83)

86

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

PV [kW]

PV 1/2

1

2

PV 01 Pgrenz

P [kVA]

Abb. 2.30. Verlauf der Verlustleistungen zweier gleicher parallel betriebener Transformatoren, Einzeln (1) und in Summe (2)

Die Verlustleistung zweier parallel betriebener Transformatoren in Summe ist: PV1 / 2 = 2 ⋅ PV 0 +

PVK I 2 ⋅ 2 I N2

(2.84)

Stellt man die Entwicklung der Verlustleistungen zweier gleicher einzeln und in Summe parallel betriebener Transformatoren über der Leistungszunahme (Lastzunahme) dar, dann lässt sich der sog. Umschaltpunkt von einem auf zwei Trafos bestimmen (Gl. 2.86):

PVO + PVK ⋅

PVK P 2 P2 2 = P + ⋅ V 0 2 PN2 PN2

PGrenz = 2 ⋅

PV 0 2 ⋅ PN PVK

(2.85)

(2.86)

PGrenz Grenzleistung, bei der von einem auf zwei Trafos umgeschaltet werden soll

Werden Transformatoren mit unterschiedlichen Nennleistungen und Verlustleistungen parallel betrieben, dann ist die gesamte Verlustleistung auf der Basis aller bekannten Nenn- und Verlustdaten (vom Hersteller angegeben):

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

(2.87)

n

PV1 / 2...n =

I INi PVKi PV0i P1/2...n

n

¦P i =1

V 0i

+ I2

87

¦P

VKi

i =1

§ n · ¨ IN ¸ i ¸ ¨ © i =1 ¹

in kW

2

¦

momentane Last in Ampere bei konstanter Spannung Nennstrom des Trafos i aus der Nennleistung bei konstanter Spannung Kurzschluss-Verlustleistung des Trafos i Leerlauf-Verlustleistung des Trafos i gesamte Verlustleistung der Trafostation

PV [kW]

2 1

3 140

2+3 1+2 1+3

1+2+3

6

PTR [MVA]

120

100

80 1+2+3 60

40

20

0

1

2

3

4

5

Abb. 2.31. Wirtschaftlicher Einsatz von Transformatoren – Trafo-Gesamtverluste in Abhängigkeit von der Leistung

88

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Am Beispiel von drei parallel betriebenen Trafos mit Nennleistungen von 5 MVA (Trafo 1), 4 MVA (Trafo 2) und 2 MVA (Trafo 3) wird deutlich (Abb. 2.31.), dass Trafos nach dem Verlauf der Momentanlast zu- bzw. abgeschaltet und die jeweiligen Umschaltpunkte ermittelt werden sollten, damit die Gesamtverluste der Trafostation minimiert werden. Die Trafos werden an der unteren Hüllkurve der Verlustleistung gefahren. Im Beispiel beträgt die Verlustleistung der gesamten Station am Lastpunkt Null bereits 60 kW gegenüber 14 kW, wenn zuerst mit Trafo 3 begonnen wird. Die Last-Umschaltpunkte sind 0,85 MVA (auf Trafo 2), 3,1 MVA (auf Trafo 1+2) und 6,1 MVA (auf Trafo 1+2+3). Über ein Jahr können in diesem Beispiel bei Handhabung dieses Regimes gegenüber dem durchgängigen Betrieb der drei Transformatoren 175.000 kWh Elektroenergie eingespart werden. 2.4.3. Lastmanagement

Der Begriff Lastmanagement ist in seinem ursächlichen Zusammenhang aus der Tatsache entstanden, dass zu beziehende Elektroenergie für das Industrieunternehmen außer nach der in Anspruch genommenen Menge (Mengenpreis/Arbeitspreis) auch mit einem Leistungspreis belegt ist. Der Energieversorger hat damit die Möglichkeit, die bei ihm entstehenden hohen fixen Kosten für die Leistungsvorhaltung zu berücksichtigen. Der Anwender (Abnehmer) der Elektroenergie kann damit seinen Energiebezug und daraus resultierend die Energiebezugskosten nicht nur dadurch beeinflussen, dass er weniger Kilowattstunden pro Abrechnungszeitraum in Anspruch nimmt. Er kann vor allem ein aktives Regime entwickeln, wodurch er während dieses Zeitraumes eine nicht zu hohe und fast gleichmäßige elektrische Leistung in Anspruch nimmt, die mit dem Energieversorger zu vereinbaren ist (Verrechnungsleistung). Das Grundprinzip eines solchen Regimes geht davon aus, dass im Betrieb alle maßgeblichen elektrischen Leistungen der Anlagen und ihre technologisch bzw. betriebsbedingte Einsatzweise bekannt sind. Daraus ergibt sich der gesamte sog. Lastgang des Betriebes im Ist, z.B. dargestellt wie in Abb. 2.32. obere Darstellung. Daraus ist ersichtlich, dass insgesamt neun unterschiedlich große elektrische Anlagen zu unterschiedlichen Zeiten so betrieben werden, dass zwischen 13.00 und 15.00 Uhr eine Leistungsspitze von 1.110 kW entsteht. Diese Leistungsspitze ist die Basis für die Festlegung der sog. Verrechnungsleistung. Für den Betrieb besteht nun die Aufgabe, diese Leistungsspitze im operativen Betrieb nicht zu überschreiten bzw. zu senken. Damit beginnt das Lastmanagement. Es muss ein solches Betriebs- und Produktionsregime

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

89

erarbeitet, organisiert, eingeführt und ständig aufrechterhalten und gepflegt werden, dass die Verrechnungsleistung niedriger ansetzbar und dann nicht überschritten wird. Im dargestellten Beispiel (Abb.2.32.) wurden die Einsatzzeiten der Maschinen acht und neun (Masch. 8 auf 17.00 bis 22.00 Uhr; Masch. 9 auf 0.00 bis 5.00 Uhr) so verschoben, dass die Leistungsspitze auf 620 kW (also um 490 kW) gesenkt werden konnte (Abb.2.32. untere Darstellung). Solche Eingriffe in das Betriebsregime müssen sehr sorgfältig untersucht und mit allen Beteiligten abgestimmt werden bevor diese Veränderung eintritt. Fragen wie z.B.

− wird eventuell die technologische Abfolge der Produktion gestört, − sind durch eine Verlagerung in die Spät- bzw. Nachtschicht eventuelle zusätzliche Arbeitskräfte erforderlich, − rechtfertigen eventuelle zusätzliche Personalkosten die erzielbare Senkung der Energiebezugskosten, sind mit allen Beteiligten zu klären und zu handhaben. Die Aufgabe des Energiemanagements besteht darin, alle Beteiligten zum Konsens zu führen und dann operative Regelungen und Festlegungen zu treffen, die die konzipierte Verfahrensweise garantieren. Das Werkzeug ist hierbei die Technik zur ständigen Einsicht in den momentanen Laststand und Möglichkeiten, die eine Überschreitung des Leistungslimits verhindern. Ist die Gefahr eines Überschreitens des Leistungsmaximums trotz des erarbeiteten Regimes akut, z.B. weil mehrere parallel laufende Anlagen kurzzeitig technologisch bedingt die Leistung vervielfachen können oder weil z.B. ein außentemperaturabhängiger Leistungsbedarf enthalten ist, dann besteht eine weitere Managementaufgabe darin, ein Abschaltregime nach technisch-technologischen, aber auch nach wirtschaftlichen Kriterien zu entwickeln. Daraus muss hervorgehen welche Anlage den geringsten Schaden verursacht und als erste abgeschaltet werden kann und welche Anlagen die technisch notwenige Mindestlast darstellen und zuletzt oder möglichst nicht abgeschaltet werden sollen. Die Prioritäten sind durch das Management zu entwickeln und zu verantworten. Die Abfolge des Abschaltregimes ist rechnerunterstützt realisierbar. Das Lastmanagement im Industrieunternehmen ist der inhaltliche und organisatorische Umgang aller Beteiligten mit der Zielstellung, die mit dem Energieversorger begründet vereinbarte Verrechnungsleistung nicht zu überschreiten. Dabei bedeuten

− „inhaltlich“, die Ermittlung des Ist-Lastganges auf der Basis der Einzelleistungen und Darstellung ihrer Position im Gesamtlastgang;

90

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

1200

HT NT

HT NT

1100

1110 kW

1000 900 800

4.

5.

700 600 500

3.

400 300 200

2.3 2.2

100

2.4

2.1

2.5

1.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1200

HT NT

HT NT

1100

1110 kW

1000 900 800 700 600

640 kW 5.

500

3.

400 300

5.

4.

5. 2.3

200

5.

2.2

100

2.4 2.1

2.5

1.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

1.Beleuchtungsanlagen (50kW) 2. verschiedene Maschinen 2.1 (50kW) 2.2 (180kW) 2.3 (28kW) 2.4 (120kW) 2.5 (50kW)

Abb. 2.32. Lastmanagement

3. Grillkombination (290kW) 4. Kombikammer mit Rauchanlage ( 5 Stunden zusammenhängend 490kW) 5. Elektrokessel ( 5 Stunden zusammenhängend 180kW)

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

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− „organisatorisch“, die genaue Analyse des Ist-Lastganges mit dem Ziel, diesen zu optimieren ohne das Störungen des technologischen Ablaufes entstehen; − „begründet“, die Darstellung eines Leistungslimits aus den inhaltlichen und organisatorischen Managementaspekten und unter Berücksichtigung betriebsspezifischer Erfahrungen und Kenntnisse. Die Technik zur Einhaltung des Limits bzw. zur gezielten planmäßigen Abschaltung einzelner Anlagen in besonderen Situationen ist nicht das Management. Es ist das Werkzeug. Ausführungen zu in diesem Bereich eingesetzten Tools erfolgen in Abschn. 3.1. 2.4.4. Blindstromkompensation

Das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I, bezeichnet als elektrische Leistung P, und das Produkt aus dieser Leistung mal der Zeit t des Stromflusses, bezeichnet als elektrische Arbeit A, ergeben die Hauptgrößen beim Bezug und der Anwendung von Elektroenergie im Unternehmen. Bei einem Drehstromnetz (3-Phasen-Wechselstrom) muss weiter berücksichtigt werden, dass die Frequenz des Wechselstroms im Zusammenwirken mit induktiven und kapazitiven Widerständen im System besondere Merkmale enthält. Es entstehen dadurch:

− die Scheinleistung in VA/ Scheinarbeit in VAh PS = U ⋅ I ⋅ 3

(2.88)

AS = U ⋅ I ⋅ t ⋅ 3 − die Wirkleistung in Watt/ Wirkarbeit in Wh PW = U ⋅ I ⋅ cos ϕ ⋅ 3

(2.89)

AW = U ⋅ I ⋅ t ⋅ cos ϕ ⋅ 3 − die Blindleistung in Var/ Blindarbeit in Varh PB = U ⋅ I ⋅ sin ϕ ⋅ 3 AB = U ⋅ I ⋅ t ⋅ sin ϕ ⋅ 3

(2.90)

92

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Die Wirk- und Blindleistung werden mit einem Wattmeter gemessen. Wirk- und Blindarbeit werden mit einem kWh- bzw. kVarh-Zähler erfasst. Das Messen der Scheinleistung bzw. Scheinarbeit ist nicht üblich. Die vorstehenden Drehstromformeln gelten für gleichmäßige Phasenbelastung. Bei ungleichmäßiger Phasenleistung sind für jede Phase Leistung und Arbeit zu bestimmen. Der Faktor 3 ist der Verkettungsfaktor für Drehstrom. Alle mit elektrischer Energie betriebenen Anlagen, die bei ihrer Funktion magnetische Felder (Induktivitäten) benötigen, haben neben der nach außen wirksamen Leistung (Wirkleistung) einen nach außen nicht wirksamen Leistungsbedarf zum Aufbau des Magnetfeldes (Blindleistung). Induktive Elektroenergieverbraucher sind z.B. Elektromotoren, Leuchtstofflampen, Transformatoren und Induktions-Erwärmungsanlagen. Blindarbeit entsteht aus der Summe der mehr oder weniger großen induktiven Abnehmer im Versorgungsnetz, vor allem auch durch uneffektiven Betrieb der Anlagen, z.B. überdimensionierte Antriebe, Trafos. Blindarbeit muss vom Energieversorger mit erzeugt werden, kann aber vom Abnehmer nicht genutzt werden. Blindleistung belastet die Anschlussleistung und führt zu Verlusten im Versorgungsnetz. Maßstab für die Blindleistung/Blindarbeit ist der cosij, das Verhältnis von Wirk- zu Scheinleistung: PW j PB PS

cos j = tan j = sin j =

PW PS PB PW PB PS

Abb. 2.33. Leistungsdreieck

Bei zunehmender Blindleistung/ Blindarbeit vergrößert sich der Winkel ij, der cosij wird schlechter (kleiner). Diese so benutzte cos-Funktion des Winkels ij wird in diesem Zusammenhang auch als Leistungsfaktor cosij

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

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bezeichnet. Der Leistungsfaktor kann zwischen dem Energieversorger zur Minimierung seiner Netzverluste und dem Industrieunternehmen als Vertragskunden zur Erhöhung seiner effektiv wirksamen Leistung als Sollwert vereinbart werden. Wird dieser Sollwert dann im Abrechnungszeitraum unterschritten, ist ein Zuschlag zu zahlen (wenn vertraglich vereinbart). Ausgangspunkt aller Überlegungen und Vereinbarungen muss die Feststellung des Ist-cosij sein. In den meisten kleinen und mittleren Unternehmen sind nur zur Registrierung des gesamten Elektroenergie-Bezuges ein kWhZähler (Wirkarbeit) und ein kVarh-Zähler (Blindarbeit) vorhanden. Zur Bestimmung der durchschnittlichen Leistung geht man grundsätzlich wie folgt vor: P= P K U Ü

U ⋅ 60 ⋅ Ü K

ª U kWh 60 min º in « ⋅ ⋅ = kW h »¼ ¬ min U

(2.91)

durchschnittliche Leistung in einem kurzen Ablesezeitraum in kW Zählerkonstante in Umdr./kWh, die auf dem Zählerbild angegeben ist gezählte Umdrehungen im Ablesezeitraum (z.B. 1 Minute), in U/min Übersetzungsverhältnis bei Anschluss des Zählers über einen Messwandler (Ü=1 bei direktem Anschluss ohne Messwandler)

Diese Ablesung ist gleichzeitig am Wirkarbeits- und am Blindarbeitszähler vorzunehmen. Daraus lässt sich der tanij errechnen (vgl. Abb. 2.33.) und in entsprechenden Tabellen ist daraus der durchschnittliche momentane cosij im Ablesezeitraum zu ermitteln. Der Ist- cosij ohne jede bereits durchgeführte Kompensation kann durchaus enttäuschend niedrige Werte von 0,50,6 erreichen. Welche betrieblichen Vorteile bringt eine Verbesserung des Leistungsfaktors? Zur Erreichung einer niedrigeren Blindleistung/Blindarbeit und damit eines hohen cosij kann das Betriebliche Energiemanagement in zwei Richtungen wirksam werden: − technisch-technologische und technisch-organisatorische Maßnahmen zur Verbesserung des cosij an den Einzelanlagen, − Einsatz von Kompensationsanlagen, die gegenüber dem Energieversorger jeden beliebig hohen cosij erreichen, innerhalb des Betriebssystems die Verhältnisse aber nicht verbessern.

94

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

Aus Sicht des Betrieblichen Energiemanagements und damit aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sollte mit der Anschaffung und Installation teurer Kompensationsanlagen erst begonnen werden, wenn alle technischtechnologischen und organisatorischen Möglichkeiten ausgeschöpft sind. Ansätze dazu sind: − die richtige Auswahl der Nennleistungen zu betreibender induktiver Anlagen, insbesondere Antriebe. Schlecht ausgelastete (überdimensionierte) Motoren haben einen schlechten cosij. − Auf Grund der teillastabhängigen Verschlechterung des cosij muss auch längerer Leerlauf vermieden werden. Bei großen Motoren (z.B. Walzwerksantriebe) werden Grenzabschaltzeiten ermittelt, die mit der technologischen Abfolge abgestimmt sein müssen und die Schalthäufigkeit (Verschleiß, Leistungsspitzen) nicht unberücksichtigt lassen. − Mehrere parallel geschaltete Trafos sollten niemals in Teillast gefahren werden (vgl. Abschn. 2.4.2.) − Treten, technologisch bedingt, über längere Zeit Leerlauf bzw. Teillast auf, dann sollte man sich an die altbewährte Stern-Dreieck-Schaltung erinnern. Aus Abb. 2.34. ist ersichtlich, wie sich Wirkungsgrad und cosij an einem Drehstromantrieb bei unterschiedlicher Beanspruchung verhalten. cos j h 1,0

0,8

h

h

cos j

cos j

0,6

0,4

PNenn

Leistung

Abb. 2.34. Wirkungsgrad und cos ij, abhängig von veränderter Leistung

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

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Technisch-technologische und organisatorische Arbeiten zur Verbesserung des Leistungsfaktors sind Management-Aufgaben die sich mit der Ursache beschäftigen und zu einer dauerhaften Veränderung führen müssen. Gerade die dauerhafte Veränderung, das dauerhafte Handhaben veränderter Abläufe ist dabei das maßgebliche Problem im permanenten Energiemanagement. Anders funktioniert der Einsatz von Kompensationsanlagen. Hier wird die den cosij bisher niedrig haltende Induktivität durch Parallelschalten einer elektrischen Kapazität kompensiert, also durch Parallelschalten von Leistungskondensatoren: Man unterscheidet zwischen: − Einzelkompensation direkt an der einzelnen Anlage, z.B. an der Leuchtstofflampe, am einzelnen Motor, − Gruppenkompensation, an Einspeisungspunkten in einzelne Stromkreise im Betriebssystem, z.B. gesamte Trafostation, Eingang Elektroofenhalle, − Zentralkompensation an der Einspeisestelle des gesamten Betriebes. Ausgangspunkt für die Bestimmung wirtschaftlicher Kompensationseinrichtungen ist die Ermittlung der erforderlichen Kondensatorleistung. Wiederum aus dem Leistungsdreieck ergibt sich:

PKondensator = PW (tan ϕist − tan ϕ Soll ) PKondensator PW tanijist tanijSoll

in kVar

(2.92)

zu installierende Kondensatorleistung (el. Kapazität) gemessene Wirkleistung dem Ist-cos ij entsprechender tan ij der durch Kompensation zu erreichende und dem anzustreben den cos ij entsprechende tan ij

Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Maßnahme ergibt sich, wenn die sich aus Investition (einschließlich Montage) und durch die Kompensation niedrigeren Energiebezugskosten (unter Berücksichtigung von Wartung und Instandhaltung) ergebende Annuität des Barwertes niedriger ist als die ursprünglich höheren Bezugskosten bei schlechterem cosij: KE Bez ist > iKo ⋅ PKo ⋅ KEbez ist

iKo PKo

qn( q −1) + KE Bez neu qn −1

(2.93)

Elt. Bezugskosten vor der Kompensation in €/a (Ist) spezifische Investitionskosten in €/kVar zu installierende Kondensatorleistung in kVar

96

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement q n

festgelegter Zinsfaktor festgelegte Nutzungsdauer durch die Kompensation zu erzielende niedrigere EltBezugskosten in €/a

KEBez neu

Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass nicht jede Anschaffung von Kompensationsanlagen automatisch wirtschaftlich ist. Soll auf den Vorteil der Einsparungen verzichtet werden, so kann durch eine Blindleistungskompensation auch eine Steigerung der möglichen Wirkleistungsabnahme (Erhöhung der Anschlussleistung) erreicht werden. Man geht im Leistungsdreieck davon aus, dass die Scheinleistung konstant bleibt. Damit bewirkt eine Verbesserung des Leistungsfaktors bei Verringerung der Blindleistung eine Zunahme der Wirkleistung (vgl. Abb. 2.35.) Der wirtschaftliche Nutzen aus der Erhöhung der Anschlussleistung durch Blindstromkompensation wird gemessen an den verschiedenen Investitionen zur Erhöhung der Leitungsquerschnitte und aller zugehörigen Anlagen. P´W PW j´

j

P´B PB

PS = const.

P´W =

PB PW

cos j

PB -P´B -

Senkung der Blindleistung durch Installation einer Kompensationsanlage P´W -PW - Erhöhung der Anschlußleistung ( Wirkleistung) bei konstant bleibender Scheinleistung

Abb. 2.35. Erhöhung der Anschlussleistung durch Verbesserung des Leistungfaktors cosij

Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass nicht jede Anschaffung von Kompensationsanlagen automatisch wirtschaftlich ist.

2 Technische Tools im Industriellen Energiemanagement

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Soll auf den Vorteil der Einsparungen verzichtet werden, so kann durch eine Blindleistungskompensation auch eine Steigerung der möglichen Wirkleistungsabnahme (Erhöhung der Anschlussleistung) erreicht werden. Man geht im Leistungsdreieck davon aus, dass die Scheinleistung konstant bleibt. Damit bewirkt eine Verbesserung des Leistungsfaktors bei Verringerung der Blindleistung eine Zunahme der Wirkleistung (vgl. Abb. 2.35.) Der wirtschaftliche Nutzen aus der Erhöhung der Anschlussleistung durch Blindstromkompensation wird gemessen an den verschiedenen Investitionen zur Erhöhung der Leitungsquerschnitte und aller zugehörigen Anlagen.

Literatur [1]

[2] [3]

[4] [5]

[6]

Winje, D,/ Borch, G./ Fürböck, M./ Mansfeld, L.: Energiemanagement; Handbuchreihe Energieberatung/ Energiemanagement; Winje, D/ Hanitsch, R. (hrsg) SpringerVerlag; Berlin; Verlag TÜV Rheinland; Köln; 1986 Wohinz, J., W./ Moor, M.: Betriebliches Energiemanagement- Investition in die Zukunft, Spinger Verlag; Wien; 1989 Wanke, A./ Trenz, S.: Energiemanagement für mittelständische Unternehmen, rationeller Einsatz in der Praxis, Arbeitsschritte, Planungshilfen, Lösungsbeispiele; Verlag Dt. Wirtschaftsdienst; Köln; 2001 Riesner, W./ Sieber, W.: Wirtschaftliche Energieanwendung; 3. überarb. Aufl.; Leipzig; Dt. Verlag für Grundstoffindustrie; 1985 Schieferdecker, B.: Rationelle Energieanwendung und Energie- Recycling im Industriebetrieb zur Sicherung einer hohen ökonomischen Effektivität unter den Bedingungen der intensiv erweiterten Reproduktion; 1.Aufl.; Leipzig; Dt. Verlag für Grundstoffindustrie; 1987; in Freiberger Forschungshefte: D 174 Faltin, H.: Technische Wärmelehre, Akademie Verlag, 4. Auflage, Berlin 1961

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement C. Fünfgeld1

Die Wirtschaftlichkeit ist, in der Regel sogar mit sehr hohen Renditeanforderungen, entscheidendes Kriterium für jedwedes Investitionsvorhaben im operativen Geschäft eines Industriebetriebes. Hierfür wird im Folgenden der Ansatz der Energierelevanten Kosten beschrieben, der, analog einer Vollkostenrechnung, die Energiekosten quantifiziert und den jeweiligen Anforderungen entsprechend verursachergerecht transparent abbildet - und damit beeinflussbar macht. Die betriebliche Energiewirtschaft wird in der betriebswirtschaftlichen Literatur und Methodik bisher wenig beachtet, da diese klassische Querschnittsaufgabe vordergründig nur geringe Rationalisierungspotentiale verspricht. Steigende Energiepreise, Energiesteuern, Kosten für CO2Emissionen und der wachsende Kostendruck in zunehmend käuferorientierten Märkten, um nur einige Kriterien zu nennen, lassen ihre genauere Betrachtung jedoch sinnvoll erscheinen. Diskussionen über das Niveau der Energiepreise für Industriekunden zeigen, dass hier trotz des in der Regel als gering konstatierten Umsatzanteils der Energie-Bezugskosten eine gewisse Sensibilität besteht. Dies liegt an der Unkenntnis der betrieblichen Entscheidungsträger über die Strukturen der Energiewirtschaft und die mit der betrieblichen Anwendung von Energie in Zusammenhang stehenden Kosten. Manche betriebliche Entscheidungsträger wissen, wie hoch die Gesamtkosten des Energiebezugs im letzten Abrechnungszeitraum waren. Wenige wissen, welche Veränderungen für den laufenden Abrechnungszeitraum (oder für Teilperioden davon) zu erwarten sind. Kaum jemand weiß, welche Kosten wo innerhalb der betrieblichen Energieanwendung entstehen und mit welchem ökonomischen Erfolg diese gegebenenfalls technisch bzw. organisatorisch zu reduzieren sind. 1

Dr.-Ing. Christian Fünfgeld, von 1994-2002 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Energiewirtschaft der BTU Cottbus und von 2002-2004 Inhaber der Juniorprofessur Elektrizitätswirtschaft an der BTU.

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Den meisten Unternehmern erscheinen Investitionen in Maßnahmen der rationellen Energieanwendung nicht lukrativ, weil vermeintlich unproduktiv und nicht direkt wertschöpfend einsetzbar. Dies ist richtig, wenn man ausschließlich den Bereich der Produktion als allein dem Geschäftszweck dienend betrachtet. Dies ist falsch, wenn die Senkung der betrieblichen Kosten als Erhöhung des Unternehmensgewinns und der Wettbewerbsfähigkeit betrachtet wird, was ein erster Schritt zur Integration der Senkung des Energie- und Ressourcenverbrauchs in die Unternehmensziele ist. Das Potential für Rationalisierung, d.h. Kostensenkung im Bereich des Energieverbrauchs, wird heute nur in wenigen Betrieben ausgeschöpft. Hemmnisse sind insbesondere: − Die Strukturen der innerbetrieblichen Energieverteilung sind historisch gewachsen und damit unübersichtlich. − Es handelt sich um komplexe technische Probleme, für deren umfassende Bearbeitung in der Regel die innerbetrieblichen Fachleute fehlen. − Energie wird nicht als Produktionsmittel, sondern in ihrer Nutzbarkeit höchstens als Ergebnis einer internen Dienstleistung betrachtet. − Die Kosten des Energieträgerbezugs haben einen geringen Umsatzanteil. − Das Kostensenkungspotential wird für das gesamte Unternehmen nach wie vor hauptsächlich im Bereich der Personalkosten gesehen. Das liegt nicht zuletzt an der allgemeinen Kostenstruktur mit hohen Personal- und geringen Energiekosten. Der Ansatz der energierelevanten Kosten bietet Vorteile gegenüber dem Ist-Zustand, sowohl hinsichtlich der unzureichenden technischen und wirtschaftlichen Transparenz der betrieblichen Energiewirtschaft als auch bezüglich der Höhe der mit der betrieblichen Energieanwendung in Zusammenhang gebrachten Kosten. Hauptziele des Ansatzes sind dabei die ökonomisch richtige Bewertung der betrieblichen Energiewirtschaft, die Verbesserung der Kalkulationsbasis für Maßnahmen zur Optimierung der betrieblichen Energiewirtschaft und der Nachweis der praktischen Handhabbarkeit sowohl im technischen als auch im ökonomischen betrieblichen Umfeld. Durch die Verbindung von betrieblichem Energie- und Produktionsfluss werden die Kosten der Energieanwendung vollständig und differenziert abgebildet, sie sind verursachergerecht zu verrechnen und gezielt zu beeinflussen. Die Gemeinkosten sinken, und bei voller Umsetzung des Ansatzes im Unternehmen können die Auswirkungen aller internen und externen Einflussfaktoren, denen die betriebliche Energiewirtschaft zunehmend ausgesetzt ist, direkt bis zu den Produktherstellkosten quantifiziert werden.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

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Das erhöht die Reaktionsfähigkeit des betreffenden Unternehmens und stärkt dessen Position im Wettbewerb. Der industriellen Energiewirtschaft kommt als Dienstleistungsaufgabe höchste Bedeutung zu, da sämtliche Abläufe in einem Industriebetrieb vollständig von der Verfügbarkeit von Energie abhängig sind. Ausfälle oder sogar nur Qualitätseinbußen der Energieversorgung können weit reichende Folgen haben für Mensch, Maschine und Produkt. Trotz dieser Bedeutung wird die betriebliche Energiewirtschaft in der Regel auf den schlichten Einkauf von Energieträgern oder auf die allgemeine Energietechnik reduziert, was zu fatalen Fehlinterpretationen der Energiekosten führen kann. Unternehmen urteilen und entscheiden bezüglich der betrieblichen Energiewirtschaft auf Basis von Preisen und nicht von Kosten - also auf Basis von Zahlen, die sie nur wenig beeinflussen können, anstatt auf die Größen zu setzen, die intern beeinflusst werden können - die Kosten bzw. der Aufwand. Die Kosten der betrieblichen Energiewirtschaft entsprechen zumindest den Energiebezugskosten, also dem Produkt aus Energieverbrauch und -preis, und sollten durch den gesamten notwendigen Aufwand von Energieumwandlung, -transport und -bereitstellung ergänzt werden. Stand der Technik, insbesondere in mittelständischen aber auch vielfach in großen Unternehmen, ist, dass unter Begriffen wie Energie- oder LastManagement Konzepte und Systeme eingesetzt werden, die hauptsächlich den Bezug von Elektrizität hinsichtlich der vertraglichen Bedingungen der EVU im Mischpreis des Energiebezugs beeinflussen. Die Ausweitung dieser Systeme auf andere Energieträger erfolgt sehr langsam, wahrscheinlich, weil sich die öffentlich geführte Diskussion um Vor- und Nachteile von Produktionsstandorten sehr stark auf die Industriestrompreise fokussiert. Zwar wurde in jüngerer Zeit hinsichtlich der betrieblichen Energieeffektivität schon einiges beispielhaft erreicht, doch ist die Breitenwirkung bisher ausgeblieben, da die Handlungsfelder hauptsächlich Energieverbrauch aber nicht dessen Kosten betreffen. Systeme zur umfassenden Betrachtung oder gar Beeinflussung der Energiekosten werden konkret weder im kaufmännischen noch im technischen Bereich angeboten [8, 18]. Den marktüblichen Systemen gemeinsam ist, dass sie nachschüssig den Energieverbrauch bewerten und in der Regel keine, auf die betrieblichen Abläufe abgestimmte Reaktionen auslösen. Unterschiede bestehen in der Betrachtungsbreite, also in der Anzahl der einbezogenen Energieträger, und der Betrachtungstiefe, also dem Ausmaß, in dem z.B. Kennzahlen zur Bewertung oder Maßnahmen zur Beeinflussung der betrieblichen Energiewirtschaft angeboten werden. Neuere Entwicklungen erlauben bereits die Zuschlüsselung von Energieverbrauch an einzelnen Anlagen und Kos-

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

tenstellen -und damit die Verursacher gerechte innerbetriebliche Abrechnung. Im wissenschaftlichen Bereich werden Simulationswerkzeuge zur betrieblichen Energieanwendung entwickelt, die jedoch nicht für die konkrete Begleitung und Abwicklung des betrieblichen Alltags, sondern eher für spezielle Beratungsaufgaben entwickelt werden [8]. Die Vielzahl der Systeme2 kann inhaltlich grob untergliedert werden in: − − − − −

Dokumentation und Abrechnung des Energiebezugs und -verbrauchs Lastspitzenbegrenzung und Last-Management Energieverbrauchs-Controlling Simulation Unternehmensspezifische Sonderapplikationen

3.1. Energieverbrauch und Kosten Unternehmen mit ausgeprägter Differenzierung der betrieblichen Zuständigkeiten haben auch das größte Interesse an der umfassenden Differenzierung der Kosten. Inwieweit das auch zur Quantifizierung aller mit der Energiebereitstellung und -anwendung in Zusammenhang stehenden Kosten führt, ist betriebsabhängig. Angefangen bei reinen Energieversorgungsunternehmen (EVU), deren Geschäftszweck die Bereitstellung von Energie ist, werden insbesondere in Großunternehmen mit eigener Energieerzeugung Versorgungsabteilungen, ähnlich einem EVU geschaffen. In beiden Fällen wird zwangsläufig sämtlicher Aufwand erfasst und über Erlöse für das bereitgestellte Produkt (Energie) nach Möglichkeit vollständig gedeckt. Hintergrund dieser Kostenverrechnung ist aber nicht das Bestreben, den Aufwand der betrieblichen Energieanwendung genauer zu erfassen, sondern die Kalkulation der Produkt-Selbstkosten. Oft wird hier der Eigenverbrauch von Energieerzeugern ebenso wenig betrachtet wie der Verbrauch einer Produktions- oder Nebenanlage eines Fertigungsbetriebs. Außerhalb der Versorgungswirtschaft werden Wirtschaftsziele verfolgt, die nichts mit Energie zu tun haben, dementsprechend wird die betriebliche Energiewirtschaft oftmals vernachlässigt. Symptomatisch dafür ist ein wahrscheinlich willkürlich gewähltes Zahlenbeispiel des Betriebsabrechnungsbogens in dem Lehrbuch „Betriebswirtschaft für Ingenieure“ [1]. 2

Die inhaltliche Einordnung muss nicht immer mit Produktnamen übereinstimmen, da die Begriffe in diesem Bereich oftmals eher unter Marketing- denn unter Technikgesichtspunkten vergeben werden.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

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Energie wird zwar sowohl als Kostenart als auch als Vorkostenstelle geführt, aber weder nachvollziehbar noch in gleicher Weise auf die übrigen Kostenstellen verrechnet. Obwohl zwischen der Kostenart3 Energie und der Vorkostenstelle4 Energie ein monetärer Unterschied von 470 % besteht, wird diese Tatsache im Weiteren weder kommentiert noch analysiert. Ansätze zur Quantifizierung der mit der betrieblichen Bereitstellung und Anwendung von Energie in Zusammenhang stehenden Kosten findet man in verschiedenen Unternehmungen und zu verschiedenen Zeiten. Immer geht die genaue Betrachtung entweder auf konkrete Not oder auf das Engagement eines/einiger weniger Menschen zurück, die entweder die hinreichende Entscheidungskompetenz haben oder innerbetrieblich glaubhaft machen können, dass der Aufwand lohnt [8]. So entstanden z.B. durch H.F. Mueller vor und während des 2. Weltkrieges und durch die Institutionen der DDR seit den 70er Jahren, jeweils aus Ressourcenknappheit heraus, viel versprechende Ansätze der umfassenden bzw. detaillierteren Betrachtung des Energieverbrauchs und dessen Kosten. Heute besteht, zumindest in Deutschland, bezüglich der Verfügbarkeit von Energie keine Not, und die Notwendigkeit des Ressourcenschutzes wird klar der fiktiven Notwendigkeit einer kostengünstigen, oftmals sogar billigen, Energiebewirtschaftung untergeordnet. Daraus resultiert, insbesondere für die produzierenden Wirtschaftsunternehmen, ein weitgehendes Defizit hinsichtlich der energiewirtschaftlichen Kennzahlenarbeit, der rationellen Energieverwendung und der verursachergerechten Erfassung, Abrechnung und Analyse der betrieblichen Energieflüsse und -kosten.

3.2. Energierelevante Kosten Dem Schenkelschen Zitat5 folgend, wonach den Kaufleuten das notwendige Handwerkszeug fehlt, die Energiekosten in geeigneter Weise aufzu3

Summiert werden hierunter nur Kosten für den Bezug der Energieträger In diesem Beispiel Summation der Kosten für: Hilfsstoffe, Energie (Teile der Energie - Bezugskosten ), bezogene Leistungen, Gemeinkostenlöhne, soziale Abgaben und Beiträge, Mietaufwendungen, Versicherungen, kalkulatorische Abschreibungen und kalkulatorische Zinsen. Keine Berücksichtigung finden: Gehälter, Postgebühren, Reisekosten und betriebliche Steuern. 5 „Es ist doch so, dass dem Gutdünken der Kaufleute das Aufschlüsseln der Energiekosten auf die einzelnen Kostenstellen überlassen bleibt, ohne dass ihnen Anhaltswerte an die Hand gegeben werden“ [19]. 4

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

schlüsseln und, aufbauend auf den bisher bekannten Ansätzen, die betrieblichen Energiekosten korrekt zu quantifizieren, soll im Weiteren der Ansatz der vorliegenden Arbeit erläutert werden. Wesentliche Ziele der entwickelten Methode sind: − Ökonomisch richtige Bewertung der technischen Zusammenhänge innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft entsprechend ihrer wahren betriebswirtschaftlichen Bedeutung, also des vollständigen Aufwands. − Verbesserung der Kalkulationsbasis für Maßnahmen zur Optimierung der betrieblichen Energiewirtschaft, insbesondere der rationellen Energieanwendung und der Anfallenergienutzung. − Praktische Handhabbarkeit sowohl im technischen als auch im ökonomischen betrieblichen Umfeld, also in der betrieblichen Energiewirtschaft und in der Kostenrechnung. Der beschrittene Weg beruht hauptsächlich auf der Verbindung von technischem und ökonomischem Denken, sowohl begrifflich als auch durch die Zusammenführung von betrieblichem Produktions-, Energie- und Kostenfluss. Der betriebliche Kostenfluss kann schematisch mit den Hauptkomponenten Material-, Personal- und Gemeinkosten dargestellt werden. In Abb. 3.1. erfolgt die Darstellung bereits differenziert hinsichtlich der Kostenanteile, mit denen die Energiekosten üblicherweise vermischt werden, den Hilfsstoffen (mit dem eigentlichen Produktionsmaterial Teil der Materialkosten) und den Gemeinkosten. Die Energie-Bezugskosten haben, wie bereits dargestellt, meist nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten. Ökonomen schätzen daher das Rationalisierungspotential im Bereich der betrieblichen Energiewirtschaft gering ein, wobei alle Kosten für Übernahme, Umwandlung, Verteilung und Anwendung von Energie unberücksichtigt bleiben. Diese energierelevanten Nebenkosten findet man hauptsächlich in den Personal- insbesondere aber in den Gemeinkosten. Die energierelevanten Kosten, als Summe von Energie-Bezugskosten und energierelevanten Nebenkosten, beschreiben damit den gesamten betrieblichen Aufwand, verursacht durch die betriebliche Energieanwendung. Sie schwanken in Abhängigkeit von Energieintensität der Produktion und Qualität der betrieblichen Energiewirtschaft. Die Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den dargestellten Kostenfaktoren ermöglicht die effektive, am Gesamt-Betriebsergebnis orientierte Kostensenkung innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft, denn nur was – zumindest weitgehend – bekannt ist, kann auch gezielt beeinflusst werden.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

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Produktionsmaterial

Hilfsstoffe

Personal

Gemeinkosten

Energiebezug

Energie

Gesamtkosten

Abb. 3.1. Die wesentlichen Komponenten der betrieblichen Kosten [5]

Streng genommen ist die Verwendung des Begriffs „Kosten“, insbesondere für die bisher vernachlässigten Nebenkosten, aus betriebswirtschaftlicher Sicht falsch. Kosten beschreiben in der Betriebswirtschaft auszahlungswirksamen Güterverzehr innerhalb der betrachteten Periode. Wie noch zu zeigen ist, sind wesentliche Bestandteile der energierelevanten Nebenkosten in der betrachteten Periode nicht auszahlungswirksam und somit nicht als Kosten, sondern als Aufwand zu bezeichnen. Obwohl „Kosten“ auch als „laufender Aufwand einer Periode“ bezeichnet werden können, wird in der vorliegenden Arbeit aus didaktischen Gründen der Begriff „energierelevante Kosten“ geprägt, anstatt betriebswirtschaftlich korrekt von „energierelevantem Aufwand“ zu sprechen. Der Begriff „Kosten“ bewirkt die subjektive Verbindung zu den allgemeinen Schlagwörtern „Kostensenkung“ oder „Kostenschraube“, denen etwas gemeinsam ist: Die Minimierung der für betriebliche Aufgaben in Summe über einen bestimmten Zeitraum notwendigen Zahlungen. Die Betrachtung der energierelevanten Kosten schlägt innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft auch eine Brücke zwischen der allgemeinen

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betrieblichen Verrechnung des Energieverbrauchs und der Kalkulation von Investitionsvorhaben nach VDI 20676. Gegenstand der Richtlinie ist ganz allgemein die Investitionsrechnung im Bereich der Energieversorgung mit Schwerpunkt auf der Wirtschaftlichkeitsrechnung zur VORHERSAGE und zum VERGLEICH der Kosten. Die Kosten werden in vier Gruppen eingeteilt, deren Kostenarten jeweils detailliert angegeben sind [21]. − Kapitalgebundene Kosten, hervorgerufen durch die Anschaffung einer Anlage. Darunter sind folgende jährliche Aufwendungen zusammengefasst: − Abschreibungen − Zinsen, Tilgung − Instandhaltung − Verbrauchsgebundene Kosten − Betriebsgebundene Kosten − Sonstige Kosten Nach Abs. 4.4. der Richtlinie ist zur Beurteilung der Jahres-Gesamtkosten prinzipiell die Summe aller Kostenarten der vier Gruppen heranzuziehen, womit grundsätzlich die umfassende Quantifizierung der Kosten der Energieanwendung angestrebt wird. Aus den erwarteten Jahres-Gesamtkosten und der jährlich bereitgestellten Energiemenge ist nun ein interner Preis zur Verrechnung des Energieverbrauchs zu ermitteln, der zumindest eine Grundlage der vergleichenden wirtschaftlichen Bewertung des Investitionsvorhabens ist. Hier nun spielt die Vergleichsbasis eine wichtige Rolle. Werden die betriebsintern verrechneten Energiepreise auf Basis der EnergieBezugskosten bestimmt, was die weit verbreitete Regel ist, so wird das Investitionsvorhaben implizit benachteiligt. Um diesem Vergleich standzuhalten, muss es im korrekten Vergleich hoch rentabel sein. Wirtschaftlich nicht so günstige, aber immer noch rentable Vorhaben bestehen diesen Vergleich nicht und unterbleiben oft. 3.2.1. Energierelevante Nebenkosten Ziel der Zusammenfassung betrieblicher Aufwendungen unter dem Begriff energierelevante Nebenkosten ist die betriebswirtschaftliche Verbindung von inhaltlich mit der betrieblichen Energieanwendung in Zusammenhang 6

VDI – Richtlinie 2067, Blatt 1 einschl. Beiblatt [21]: Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen; betriebstechnische und wirtschaftliche Grundlagen. Das Beiblatt ist weitgehend unverändert als VDI - Richtlinie 6025 publiziert.

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stehendem, jedoch damit bisher nicht in Verbindung gebrachtem Aufwand. Der Begriff Nebenkosten darf dabei nicht im Sinne von Nebensache, sondern eher im mathematisch-technischen Sinn von (notwendiger) Nebenbedingung verstanden werden. Die energierelevanten Nebenkosten umfassen den zur betrieblichen Anwendung von Energie notwendigen Aufwand für Transport und Bereitstellung neben dem für den eigentlichen Energieträgerbezug. Die Energie-Bezugskosten, die immer schon mit der Energieanwendung verbunden wurden, gehören - sofern sie bisher auch als solche erfasst wurden - nicht dazu. Eben diese Einschränkung unterscheidet Wissenschaft und Praxis. Untersuchungen in der Praxis zeigen, dass in der Regel nur ein Teil der tatsächlichen Ausgaben für bezogene Energieträger als Energie-Bezugskosten ausgewiesen wird, so dass die energierelevanten Nebenkosten im hier erläuterten Praxisdarstellung auch die Kosten für den Bezug weiterer Energieträger enthalten. Die energierelevanten Nebenkosten bestehen damit für die betriebliche Praxis aus fünf Komponenten. Diese sind: • • • • •

Bezugskosten weiterer Energieträger und Medien Abschreibungen Personalkosten Umweltaufwendungen Sonstige Nebenkosten

In Abb. 3.2. werden diese energierelevanten Nebenkosten zusammen mit den betrieblich ausgewiesenen Energie-Bezugskosten dargestellt. Im Weiteren werden die (damit insgesamt 6) Komponenten der energierelevanten Kosten in der Gesamtheit näher beschrieben, um anschließend auf mögliche Auswirkungen und Einflussmöglichkeiten eingehen zu können. • Energie-Bezugskosten: In der betrieblichen Praxis werden darunter typischerweise nur die Energieträger Strom, Wärme und Brennstoffe zusammengefasst. Für diese enthalten sie auch die Kosten der innerbetrieblichen Energieverluste durch Umwandlung und Verteilung, die in Abb. 3.2. innerhalb der EnergieBezugskosten besonders hervorgehoben sind, da sie durch investive Maßnahmen (Abschreibungen) zu vermindern sind. Diese Verluste können je nach verwendeten Energieträgern, Umwandlungsarten, Anlagentypen und -zustand unterschiedlich hoch sein.

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement Energie -Bezugskosten für Strom Wärme Brennstoffe

Kosten weiterer Energieträger und Medien

Verluste der Energieumwandlung und verteilung

Wasser Kraftstoffe Technische Gase Druckluft Klima

Energiebezugskosten

Abschreibungen für Umwandlungsanlagen Verteilungsanlagen

Personalkosten für Betrieb der Energieanlagen Wartung und Instandhaltung der Energieanlagen Energiebewirtschaftung und Energie - Controlling

Umweltaufwendungen Emissionsabgaben Reinigungsmaßnahmen

Sonstige Nebenkosten z.B. Externe Dienstleistungen Betriebs - und Wartungsmaterial Gebäudeabschreibungen Versicherungen

Energierelevante Nebenkosten

-verteilung

Wasser

Energierelevante Kosten

Abb. 3.2. Komponenten der energierelevanten Kosten nach Fünfgeld [6]

• Kosten weiterer Energieträger und Medien: Hier sind die Kosten aller durch die betriebliche Energiewirtschaft verarbeiteten und bereitgestellten Energieträger und versorgungstechnischen Medien zusammenzufassen, die, in der Praxis zumeist aus betrieblichen/organisatorischen Gründen, nicht bereits unter EnergieBezugskosten berücksichtigt wurden. Das mutet zunächst überzogen an, erfolgt aber zum Teil schon heute im Wesentlichen aus organisatorischen Gründen. Vorteile liegen insbesondere darin, dass verschiedene betrieblich eingesetzte Medien, ähnlich den klassischen Energieträgern, sowohl vertraglich gebunden sind, als auch zentral beschafft und verteilt werden. Damit werden Synergien nicht nur in organisatorischer, sondern auch in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht erschlossen.

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Zur Einteilung der weiteren Energieträger und Medien ist insbesondere nach ihrer Herkunft zu unterscheiden7: • Energieträger und Medien von externen Lieferanten z.B.: - alle Arten eingesetzter Brennstoffe - Wärmeträger, z.B. Dampf oder Heißwasser - Kraftstoffe - Technische Gase, z.B. Sauerstoff, Stickstoff oder Acetylen - Trinkwasser (Abwasser) • Energieträger, die intern aus eigener Energieumwandlung oder –anwendung bereitgestellt werden, z.B.: − Umgewandelte Energieträger − Wärmeträger, z.B. Dampf, Heiß- oder Warmwasser − Druckluft − Kaltwasser − Brauch- und Brunnenwasser − Kälte und Klima − Anfallenergieträger − Abwärmeströme, z.B. Abgas oder Abwasser − Brennbare Rest- und Abgase − Brennbare Flüssigkeiten − Brennbare Feststoffe, z.B. Holz oder Kunststoffe • Abschreibungen Quantifizierung des Wertverlustes der betrieblich eingesetzten Anlagen zur Umwandlung und Verteilung bezogener und eingesetzter Energieträger und Medien. Je nach Komplexität des Unternehmens können das vielfältige Anlagentypen sein. Beispiele aus verschiedenen Anwendungsbereichen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) sind: − Elektrizitätsversorgung − Schaltanlagen und Übergabestationen − Transformatoren − Verteilerstationen − Netzte − Notstromversorgung 7

Doppelnennungen unter beiden Kategorien rühren daher, dass manche Energieträger sowohl bezogen als auch innerbetrieblich umgewandelt werden können. Überschneidungen zu den unter Energie-Bezugskosten genannten Energieträgern sind möglich.

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− Wärmeversorgung − Heizwerke und Kessel − Brennstoff-Übergabeeinrichtungen und –lager − Wärmeübergabestationen − Hausanschluss-Stationen − Wärmeübertrager − Netze − Pumpen − Druckluftversorgung − Verdichter − Drucklufttrockner − Druckluftkühler − Speicher − Regeleinrichtungen − Netze − Anfallenergienutzung − Energieträgeraufbereitung und –lagerung − Konditionierung (z.B. Häcksler) − Freifläche/Silo − Speicher − Energieträgerumwandlung − Abhitzekessel − Wärmeübertrager − Wärmepumpe − Feuerungsanlage • Personalkosten: Hierzu gehören Löhne und Gehälter für Mitarbeiter, sowohl aus den strategischen Bereichen Energiebewirtschaftung, Energie-Management bzw. Energie-Controlling, als auch aus den operativen Bereichen Betrieb, Wartung und Instandhaltung innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft. • Umweltaufwendungen Heute ist noch nicht abzusehen, ob und in welcher Form umweltbezogene Abgaben auf den Bezug bzw. Einsatz von Energieträgern oder Zwangsmaßnahmen zur besonderen Emissionsminderung politisch eingeführt werden. Beides kann die Kosten der betrieblichen Energieanwendung, sowohl zeitlich als auch finanziell, unkalkulierbar verändern. Diese zusätzlichen Kosten müssen, auch wenn sie später unter Umstän-

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den gemeinsam mit den Energie-Bezugskosten bezahlt werden, heute separat erfasst werden bzw. erfassbar sein. Nur damit besteht für Industrieunternehmen die Möglichkeit zur raschen und gezielten Abschätzung politischer Gedankenspiele8 hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das standortspezifische Betriebsergebnis. Kostenfaktoren in diesem Bereich können sein: • Kostenfaktoren im Bereich Umweltaufwendungen − Gebühren/Steuern für energiebedingte Emissionen − Kosten für spezielle Reinigungsmaßnahmen zur Einhaltung von Grenzwerten − Energiepreiszuschläge/Energiesteuern − Fördergelder der öffentlichen Hand Letztgenannter Punkt der finanziellen Förderung umwelt- und ressourcenschonenden Verhaltens, also z.B. des Einsatzes umweltschonender Energieträger oder -technologien, kann hier ebenso in die Berechnung der Kosten einbezogen werden wie sonstige Erträge bzw. Minderausgaben. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, Investitionszuschüsse direkt vom Finanzierungsbedarf bzw. kontinuierliche Zuschüsse von den Betriebskosten abzuziehen. • Sonstige energierelevante Nebenkosten Auch innerhalb der energierelevanten Nebenkosten sind Kosten zu erfassen, die nach der betrieblichen Kostenrechnung keiner der oben genannten Kategorien voll zugeordnet werden, auf Grund ihrer Höhe unter Umständen keine eigene Kategorie rechtfertigen, aber dennoch der betrieblichen Energiewirtschaft zuzuordnen sind. Sonstige Nebenkosten umfassen damit alle übrigen Aufwendungen der betrieblichen Energiewirtschaft, wie z.B.: • Kostenfaktoren im Bereich „Sonstige Nebenkosten“ − Externe Dienstleistungen für z.B. Instandhaltung und Wartung − Betriebs- und Wartungsmaterial − Anteilige Abschreibungen auf Gebäude und Nutzflächen − Versicherungen für Gebäude und Energieanlagen − Nutzungs- bzw. Förderabgaben 8

Die Bandbreite der Diskussion ist mit leistungs- oder arbeitsgebundenen bzw. davon jeweils unabhängigen Energiepreiszuschlägen für verschiedene oder alle Energieträger, die entweder direkt mit ihrem Bezugspreis über den Versorger oder aber separat vom Gesetzgeber eingezogen werden und von Emissionen oder allgemein vom Energieeinsatz abhängen, noch nicht vollständig wieder gegeben.

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− Kalkulatorische Wagnisse der betrieblichen Energiewirtschaft Nach dieser Aufstellung der einzelnen Komponenten können aus ihren technischen Wechselwirkungen auch ihre betriebswirtschaftlichen abgeleitet werden. So beeinflusst natürlich der Einsatz moderner Anlagen in den Bereichen Energieumwandlung, -verteilung und -anwendung über den besseren Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad den Energiebedarf und damit die Energie-Bezugskosten, um nur ein Beispiel zu nennen. Abbildung 3.3. zeigt schematisch den Aufbau einer Bewertungsmatrix zur qualitativen und anschließend auch quantitativen Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen, getrennt nach Veränderungen vor Inbetriebnahme der Maßnahme und während ihres Betriebs. Dargestellt sind verschiedene Maßnahmen mit Wirkung auf die betriebliche Energiewirtschaft und die energierelevanten Kosten im qualitativen Ansatz. Die Liste der Kostenkomponenten ist beispielhaft und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Für den jeweiligen Einzelfall können die Kostenfaktoren z.B. aus der Investitionsrechnung nach VDI 2067 entnommen werden, um aus den eigenen Daten möglichst rasch konkrete Ergebnisse zu erhalten. Am Beispiel „Brennstoffwechsel und Einsatz moderner Brenner“ werden die Eintragungen erläutert: Reduzierter Energieverbrauch und sinkende Bezugspreise, verbunden mit sinkenden Personalkosten, erhöhten Abschreibungen, höheren Kosten für benötigte Nutzflächen sowie der Investitionsförderung und den zur Realisierung notwendigen Personalkosten, führen zu einer Veränderung der energierelevanten Kosten. Diese Änderung ist im nächsten Schritt durch Untermauerung der Einzelwirkungen an Hand konkreter Zahlen zu quantifizieren. Das skizzierte Schema kann ebenso für den energiewirtschaftlichen Vergleich verschiedener, neu zu beschaffender Maschinen eingesetzt werden, die sich z.B. wie angedeutet, im Hauptenergieträger unterscheiden. Zahlenbeispiele aus der Literatur9 Für verschiedene Beispiele aus der Literatur kann der Anteil der energierelevanten Nebenkosten noch bestimmt werden, womit Analogien und Unterschiede der betrieblichen Energiewirtschaft über Jahrzehnte hinweg bewertet werden können.

9

Für die monetäre Bewertung aller Beispiele wird die neutrale „Geldeinheit“ (GE) als Währung verwendet. Damit tritt der absolute Betrag der Preise/Kosten - und auch die direkte Vergleichbarkeit mit aktuellen Preisen/Kosten - in den Hintergrund, um die Aufmerksamkeit gezielt auf die relativen Anteile und Veränderungen zu lenken. Diese sind weitgehend unabhängig von der Fluktuation der Energiepreise und -kosten.

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Technologische Maßnahmen

Brennstoffwechsel, Einsatz moderner Brenner

Nutzung von Kondensatwärme

113

Betriebsmittel mit hohem Druckluftbedarf

Betriebsmittel mit hohem Elektrizitätsbedarf

Projektbedingte Veränderungen im wirtschaftlichen Bereich Im Zahlungszeit- Vor Inbetrieb- Betrieb punkt nahme Energie- Menge Einsatzenergie Bezugskosten Spezifischer Preis Zusätzliche Menge Energie- Einsatzenergie Spezifischer träger Preis AbSonder-AfA schreivon Altbungen anlagen Neue Anlagen o Laufende o Absetzungen Personal- Projekt/ kosten Einführung Laufender o Betrieb o Umwelt Abgaben Technische o Maßnahmen Öffentliche ( ) ( ) Förderung Sonstige B + W Material Externe Dienstleistungen Gebäude o (AfA, Vers., etc.) Nutzungso o abgaben Summe energierelevanter Kosten

Im Vor Inbetrieb- Betrieb nahme o

Im Vor Inbetrieb- Betrieb nahme

Vor Im Inbetrieb- Betrieb nahme

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Legende: = Erhöhung = Senkung o = Keine zwingende Veränderung - = Keine Veränderung

Abb. 3.3. Beurteilungsschema für Maßnahmen im Bereich der betrieblichen Energiewirtschaft nach energierelevanten Kosten

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Zahlenbeispiele aus der Literatur10 Für verschiedene Beispiele aus der Literatur kann der Anteil der energierelevanten Nebenkosten noch bestimmt werden, womit Analogien und Unterschiede der betrieblichen Energiewirtschaft über Jahrzehnte hinweg bewertet werden können. • Am Beispiel eines Schmiedebetriebs konnten mögliche Auswirkungen des Muellerschen Ansatzes dargestellt werden. Auf Grund der Angaben in [9, 20] konnten die Einflussfaktoren analysiert und auf die Darstellung der energierelevanten Nebenkosten übertragen werden. Tabelle 3.1 stellt die Ergebnisse des Muellerschen Ansatzes dem Ansatz der energierelevanten Kosten gegenüber. Beide Ansätze unterscheiden sich bezüglich dieser Betrachtung nur hinsichtlich der Berücksichtigung der Kosten der Verbraucher durch Mueller. Der Anstieg der anzusetzenden Energiekosten ist nach Mueller für alle Energieträger, bis auf Heizöl, praktisch um den Faktor 4 größer als durch die energierelevanten Nebenkosten. Für Heizöl ist auf Grund der relativ geringeren Kosten der Kategorie „Verbraucher“ nur Faktor 3 anzusetzen. Tabelle 3.1. Wirkung der energierelevanten Nebenkosten auf den in [9] beschriebenen Schmiedebetrieb (1966), Gegenüberstellung mit den Ergebnissen des Muellerschen Ansatzes

Elektroenergie

Bezugskosten

energierelevante Nebenkosten

GE/a

GE/a

12.032

20.150

energierelevante Kosten

Kosten nach Mueller

GE/a

Anstieg

GE/a

Anstieg

32.182

167 %

91.332

659 %

Stadtgas

4.950

1.500

6.450

30 %

10.550

113 %

Heizöl

4.440

3.700

8.140

83 %

14.290

222 %

Schmiedekohle Summe

323

150

473

46 %

873

170 %

21.745

25.500

47.245

117 %

117.045

438 %

Die energierelevanten Nebenkosten liegen im Mittel über den gesamten Betrieb bei 117 % der ausgewiesenen Energie-Bezugskosten. Für Strom,

10

Für die monetäre Bewertung aller Beispiele wird die neutrale „Geldeinheit“ (GE) als Währung verwendet. Damit tritt der absolute Betrag der Preise/Kosten und auch die direkte Vergleichbarkeit mit aktuellen Preisen/Kosten - in den Hintergrund, um die Aufmerksamkeit gezielt auf die relativen Anteile und Veränderungen zu lenken. Diese sind weitgehend unabhängig von der Fluktuation der Energiepreise und -kosten.

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den Energieträger mit dem damals höchsten Umwandlungs- und Verteilaufwand, sogar bei 167 %. Zahlenbeispiele aus spezifischen Untersuchungen: In den 90er-Jahren wurden am Lehrstuhl Energiewirtschaft der BTU Cottbus verschiedene Unternehmen hinsichtlich der energierelevanten Kosten untersucht, was im Folgenden an Hand von Beispielen zusammenfassend zur Erläuterung der verschiedenen Effekte in der Praxis dargestellt wird [6]. Unternehmen 1: Produzierender Dienstleistungsbetrieb mit hauptsächlich Elektroenergiebezug und Nutzanwendung von Strom, Druckluft und Klima Unternehmen 2: 11 Produktionsbetrieb, gleiche energiewirtschaftliche Struktur wie Unternehmen 1 Unternehmen 3: Produktionsbetrieb mit eigenem Heizwerk, Strom- sowie Brennstoffbezug, thermischer Anfallenergienutzung und hauptsächlicher Anwendung von Wärme und Strom Unternehmen 4: Werk der chemischen Industrie mit umfangreicher Energiebewirtschaftung und bereits sehr detaillierter Verrechnung der betrieblichen Energiekosten12. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt, gem. einer Vereinbarung mit dem Unternehmen, anonymisiert und weitgehend in relativen Angaben. Die derart dargestellten technischen Zusammenhänge der betrieblichen Energiewirtschaft erhalten ökonomische Wirkung, insbesondere bezüglich Ausweisbarkeit der betrieblichen Aufwendungen zur Energiebereitstellung und -verrechnung auf die Produkte, aber auch hinsichtlich der Gemeinkostensenkung. Im Folgenden wird diese Wirkung quantifiziert:

11

Unternehmen 1 und 2 stellen denselben Betrieb in unterschiedlichen Jahren und Organisationsstrukturen dar. 1995 fallen, strukturiert als produzierender Dienstleistungsbetrieb, im Gegensatz zum Jahr 1996 nur sehr geringe Kosten für Material und Vertrieb an, so dass der Anteil der Energiekosten am Gesamtumsatz stark verschieden ist. 12 Die Angaben zum Unterschied zwischen den Energiekosten auf Basis des Energieträgerbezugs und des BTU-Ansatzes geben daher die grundsätzliche Sachlage wieder und entsprechen nicht einem Abrechnungsfehler des Unternehmens.

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• Gemeinkostensenkung: Zunächst erfolgt durch Berücksichtigung der energierelevanten Nebenkosten die Senkung des Gemeinkostenanteils, dargestellt an Unternehmen 1 und 2. Tabelle 3.2 zeigt die relative Senkung der Gemeinkosten, differenziert nach verschiedenen Stufen der Berücksichtigung der einzelnen Komponenten. Referenzfall ist die Annahme, dass sämtliche mit Energie im Zusammenhang stehende Kosten als Gemeinkosten verrechnet werden. Der Anteil der mit Energie im Zusammenhang stehenden Kosten ist bei der geringeren Auslastung des Jahres 1995 naturgemäß größer als im Jahr 1996. Damit ist auch eine größere Veränderung zwischen Vernachlässigung und Berücksichtigung der energierelevanten Nebenkosten zu erwarten. Die dargestellten Beispiele weisen Anteile der energierelevanten Kosten zwischen 22 % und 29 % der Gemeinkosten aus, obwohl die Anwendung von Elektroenergie im Produktionsprozess ein wesentlicher Schwerpunkt ist. Tabelle 3.1. Senkung der Gemeinkosten durch verschiedene Stufen der Energiekostendifferenzierung, Alle Angaben in Prozent der Gemeinkosten bezogen auf den Referenzfall, dass sämtliche Energiekosten als Gemeinkosten nicht separat ausgewiesen werden. Senkung der Gemeinkosten durch Verrechnung der ...

Unternehmen 1 1995

Unternehmen 2 1996

... Energie-Bezugskosten

20 %

17 %

... energierelevanten Kosten

29 %

22 %

• Veränderung der ausweisbaren Energiekosten: Durch die Absolutbetrachtung der energierelevanten Kosten werden die strukturellen Unterschiede der gewählten Unternehmen deutlich. Tabelle 3.3 zeigt die „betrieblichen Energiekosten“ auf Basis der Bezugskosten einerseits und auf Basis der energierelevanten Kosten andererseits. Die resultierenden Veränderungen werden bezogen auf die EnergieBezugskosten und entsprechen der ökonomischen Wirkung der energierelevanten Nebenkosten.

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117

Tabelle 3.2. Gesamtbetrachtung der betrieblichen ENERGIEKOSTEN nach Bezugsund energierelevanten Kosten Unternehmen

EnergieBezugskosten

Energierelevante Kosten

Veränderung

1

1.776 TGE/a

2.577 TGE/a

+ 44 %

2

2.083 TGE/a

2.698 TGE/a

+ 30 %

3

1.876 TGE/a

2.823 TGE/a

4

100 %

216 %

+ 50 % + 116 %

Unternehmen 1 und 2 zeigen in der Gesamtbetrachtung mit 44 % bzw. 30 % und den dahinter stehenden absoluten Jahreskosten schon deutliche Wirkung. Der höhere Unterschied von +44 %rel im Jahre 1995 (U. 1) gegenüber +30 %rel im Jahre 1996 (U. 2) liegt nicht nur an der im Jahre 1996 erhöhten Auslastung des Betriebs, sondern auch an den im Jahre 1995 um 27 % höheren absoluten energierelevanten Nebenkosten. Unternehmen 3 zeigt mit einem Aufschlag von 50 % auf die EnergieBezugskosten denselben Effekt. Wird berücksichtigt, dass bisher lediglich 1.427 TGE/a der Energiekosten über Produktionsanlagen direkt verrechnet werden, liegt die Steigerung der ausweisbaren Kosten sogar bei + 98 %13 gegenüber der betrieblichen Praxis. Krass ist der Unterschied zwischen Energie-Bezugskosten und energierelevanten Kosten bei Unternehmen 4. Der Anstieg um 116 % ist darin begründet, dass einerseits große Kostenkomponenten nicht über Bezugskosten erfasst werden (z.B. Kanalisation), und andererseits das betriebliche energetische System auf Grund der Werksgröße insgesamt sehr groß ist. Für alle Beispiele kann aber erst die energieträgerspezifische Betrachtung die Fehler aufzeigen, die durch Vernachlässigung der energierelevanten Nebenkosten bzw. die Ungenauigkeiten der jeweils aktuellen innerbetrieblichen Verrechnung des Energieverbrauchs entstehen. • Energieträgerspezifische Zuordnung der energierelevanten Nebenkosten: Das bedeutet gegenüber der Gesamtbetrachtung erhöhten Aufwand im betrieblichen Rechnungswesen. Dieser ist einerseits durch den Nutzen gerechtfertigt und wird andererseits durch die weitere Verbreitung betrieblicher DV-Systeme heute und in Zukunft immer geringer. Tabelle 3.4. zeigt die anzusetzenden Energie-Mischkosten der bedeutendsten eingesetzten Endenergieträger für die Unternehmen 1 und 2. Die bisher angewandten internen Verrechnungspreise basieren im Wesentlichen auf 13

Die Kostendifferenz wird bisher als Gemeinkosten verrechnet

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den spezifischen Energie-Bezugskosten, die bei den innerbetrieblich erzeugten Energieformen (Druckluft und Klima) über den abgeschätzten Einsatz elektrischer Energie kalkuliert werden. Die Veränderung bei elektrischer Energie ist mit ca. 5 % am geringsten. Für Fernwärme, die praktisch nur zur Beheizung des Verwaltungsbereichs eingesetzt wird, und Wasser, liegt der Anstieg des Verrechnungspreises bereits in der Größenordnung von 20 %. Gravierend ist der Preisanstieg bei den intern erzeugten Energiearten Druckluft und Klima mit bis zu 100 %. Der Verrechnungspreis für Abwasser steigt auf Grund der Kosten zur Bestimmung der Abwassermenge. Das ist betrieblich gerechtfertigt, da die Abwassermenge deutlich unter der des Frischwasserbezugs liegt. Tabelle 3.4. Spezifische Mischkosten der Energieträger auf Basis der EnergieBezugskosten und der energierelevanten Kosten für Unternehmen 1 und 2 [8] spezifische EnergieBezugskosten Strom 0,1399 GE/kWh Wasser 2,1000 GE/m³ Abwasser 5,9500 GE/m³ Druckluft 0,0360 GE/m³N Klima (Prod.) 36,64 GE/h Fernwärme 94,22 GE/MWh Energie-träger

spezifische energierelevante Kosten 0,1466 GE/kWh 2,4626 GE/m³ 8,4399 GE/m³ 0,0719 GE/m³N 60,06 GE/h 112,13 GE/MWh

Veränderung + 4,8 % + 17,3 % + 41,8 % + 99,7 % + 73,4 % + 19,0 %

Tabelle 3.5. zeigt die vergleichbare Kalkulation für das Unternehmen 3, wobei die grundsätzlichen Wirkungen gleich sind. Direkt als nutzbare Endenergieart bezogene Energieträger zeigen einen geringeren Anstieg der spezifischen Kosten, wobei für Gas, auf Grund des höheren apparativen Aufwands der Bereitstellung, gegenüber elektrischem Strom ein stärkerer Anstieg festzustellen ist. Interessant sind verschiedene Abweichungen, die jedoch die generellen Zusammenhänge bestätigen. Der Anstieg im Bereich der Drucklufterzeugung ist gegenüber dem in Unternehmen 1 und 2 geringer, da der apparative Aufwand, also die energierelevanten Nebenkosten, hier wegen des geringeren Druckluftbedarfs grundsätzlich kleiner ist. Die spezifischen energierelevanten Nebenkosten der Wasserversorgung sind, in der relativen Betrachtung, immens. Im Fall der eigenen Wassergewinnung werden als Bezugskosten lediglich die wasserrechtlichen Abgaben angesetzt. Vernachlässigt wird der gesamte innerbetriebliche Aufwand zur Gewinnung und Aufbereitung des Wassers.

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Tabelle 3.5. Spezifische Mischkosten der Energieanwendung auf Basis des Energiebezugs sowie der energierelevanten Kosten für Unternehmen EnergieEnergierelevante Veränderung Bezugskosten Kosten Strom 0,183 0,196 + 7% GE/kWh GE/kWh Brunnenwasser 0,050 1,000 + 1.926 % GE/m³ *1 GE/m³ Trinkwasser 2,28 3,30 + 45 % GE/m³ GE/m³ Abwasser 5,85 6,78 + 16 % GE/m³ GE/m³ 47,40 + 15 % Erdgas 41,37 GE/MWh GE/MWh 0,044 + 48 % Druckluft 0,030 GE/m³N GE/m³N*2 Wärme (Gesamt) 22,32 64,90 + 191 % GE/MWh*3 GE/MWh *1 Eigenförderung; Kalkulationsbasis sind die wasserrechtlichen Abgaben. *2 Kalkulationsbasis ist der Bezugspreis der verbrauchten Elektroenergie. *3 Basis ist der Brennstoffbezug im Heizwerk (BKS und EG). Energieträger

Der Kostenanstieg für die Bereitstellung von Wärme ist mit 191 % sehr hoch, da die Wärmeerzeugung innerbetrieblich erfolgt. Die EnergieBezugskosten berücksichtigen nicht nur den primären Energieträger Braunkohlenstaub (BKS), sondern auch den der Stützfeuerung Erdgas (EG). Die energierelevanten Nebenkosten enthalten darüber hinaus sämtliche Aufwendungen der Wärmeerzeugung und -verteilung, wobei von bereits abgeschriebenen Heiznetzen ausgegangen wird. Primärer Wärmeerzeuger ist das Heizwerk. Zusätzliche Wärmequellen zur Anfallenergienutzung sind ein Holzhackschnitzel-Kessel, in dem Produktionsabfälle verbrannt werden, und zwei als Abwärmequelle genutzte Abluftreinigungsanlagen. Deshalb wird in Tabelle 3.6 nach den einzelnen Wärmequellen unterschieden. Der resultierende Wärmepreis für Lieferungen aus dem Heizwerk liegt mit 76,70 GE/MWh um 243 % über den spezifischen EnergieBezugskosten. Dem gegenüber sind die spezifischen Wärmekosten der beiden anderen Quellen niedriger als die spezifischen EnergieBezugskosten des Heizwerks, so dass der Anstieg der Gesamtbetrachtung Wärme 191 % beträgt.

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Tabelle 3.6. Spezifische Mischkosten der Wärmebereitstellung durch verschiedene Wärmeerzeuger auf Basis des Energiebezugs sowie der energierelevanten Kosten für Unternehmen 3 Energieträger Wärme (Gesamt) davon: im Heizwerk im Holzkessel durch Abwärme

EnergieBezugskosten 22,32 GE/MWh*3

Energierelevante Kosten 64,90 GE/MWh

22,32 GE/MWh - 23,89 GE/MWh*5 0,00 GE/MWh*6

76,70 GE/MWh 16,46 GE/MWh 21,30 GE/MWh

Veränderung +

191 %

+

243 %*4

-

26 %*4

-

5 %*4

*3 Basis ist der Brennstoffbezug im Heizwerk (BKS und EG). *4 Bezogen auf den Bezugspreis, der für die Wärme insgesamt zugrunde gelegt wird. *5 Vergütung für eingesparte Entsorgungskosten. *6 Wärme steht als Abgas der thermischen Nachverbrennung kostenlos zur Verfügung

Für die Anfallenergienutzung muss bezüglich der Energie-Bezugskosten nach den Kosten bei Nichtnutzung der Quellen (d.h. bei Entsorgung oder allgemein der Emission der Stoffe bzw. Stoffströme) unterschieden werden. Die Nutzung des Holzes beispielsweise spart ansonsten fällige Entsorgungskosten, so dass die Energie-Bezugskosten hier negativ (-23,89 GE /MWh) anzusetzen sind. Die Berücksichtigung der energierelevanten Nebenkosten führt zum Wärmepreis für Lieferungen aus dem Holzkessel von 16,46 GE/MWh, was 26 % unterhalb der spezifischen EnergieBezugskosten des Heizwerks liegt. Die Abwärme hingegen steht kostenneutral zur Verfügung, da derzeit noch keine Emissionsgebühren für Wärme erhoben werden und die Wärmequellen produktionsbedingt eingesetzt werden. Die Nutzung der Abwärme verursacht energierelevante Nebenkosten, die den Wärmepreis der Abwärmenutzung bestimmen. Er liegt 5 % unter den spezifischen EnergieBezugskosten des Heizwerks. Den auf die eingesetzten Energieträger bezogenen Vergleich der spezifischen Kosten für Unternehmen 4 zeigt Tabelle 3.7. in relativen Angaben. Die betrachteten Energieträger und Medien können nach dem relativen Anstieg durch die jeweiligen energierelevanten Nebenkosten in 3 Klassen eingeteilt werden.

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Tabelle 3.7. Gegenüberstellung der Mischkosten eines Jahres zur Bereitstellung von Energieträgern auf Basis des Energiebezugs sowie der energierelevanten Kosten für Unternehmen 4 [16] Energieträger Strom Trinkwasser Betriebswasser Deionat Dampf Druckluft Stickstoff

spezifische EnergieBezugskosten 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %

spezifische energierelevante Kosten 116 % 134 % 611 % 9.000 % 213 % 202 % 4.385 %

Veränderung + + + + + + +

16 % 34 % 511 % 8.900 % 113 % 102 % 4.285 %

1. Energierelevante Nebenkosten unterhalb 50 %: Energieträger Strom und Trinkwasser, die mit geringem Aufwand den Verbrauchern zugeführt werden können. Mit 16 % fallen für Strom verhältnismäßig hohe energierelevante Nebenkosten an. Der im Vergleich zu den Unternehmen 1 - 3 hohe Umwandlungs- und Verteilaufwand ist dadurch zu erklären, dass Strom auf 110 kV Ebene bezogen und auf insgesamt 5 verschiedenen Spannungsebenen verteilt und angewandt wird. 2. Energierelevante Nebenkosten von mehreren hundert Prozent: Für die Energieträger Druckluft, Dampf und Betriebswasser sind weit verzweigte Netze und viele bzw. teure Umwandlungsanlagen notwendig. Betriebswasser weicht im Anstieg von den Energieträgern Druckluft und Dampf nach oben deutlich ab. Durch ausschließliche Betrachtung der Bezugskosten werden hier Unterlassungsfehler begangen, da der Aufwand für z.B. Pumpenstrom sowie Aufbereitungs- und Reinigungsanlagen für das aus einem Fluss geförderte Wasser nicht berücksichtigt wird. 3. Energierelevante Nebenkosten von mehreren tausend Prozent: Die hierunter zusammenzufassenden Energieträger und Medien sind in zwei Gruppen einzuteilen. Erstens diejenigen, deren monetäre Bewertung auf Basis der Bezugskosten bedeutende Kostenkomponenten vernachlässigt; und zweitens diejenigen, die im betrieblichen Rechnungswesen völlig unberücksichtigt bleiben. Unter diesem Gesichtspunkt sind hier Stickstoff und Deionat (voll entsalztes Wasser), aber auch Abwasser zu betrachten. Stickstoff wird mit erheblichem Elektrizitätseinsatz aus Umgebungsluft

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direkt im Unternehmen durch Umwandlungsanlagen gewonnen. Bezogen werden lediglich kleine Mengen zur Überbrückung von Havarieund Wartungssituationen, so dass bei Vernachlässigung der Bezugskosten für die Umwandlungsanlage (Elektrizität) Fehler zwangsläufig sind. Der starke Anstieg der spezifischen Kosten für Deionat rührt daher, dass in der bisherigen Praxis der Kostenermittlung a) das Betriebswasser als eingesetztes Medium unterbewertet wurde und b) Kosten für Personal sowie Abschreibungen und Wartung der Anlagen vernachlässigt wurden. Abwasser, in Tabelle 3.7 nicht aufgeführt, kann in der Veränderung nicht quantifiziert werden, da sämtliche Aufwendungen dafür bisher über die Gemeinkosten verrechnet wurden. Als „Bezugskosten“ wären bei konsequenter Erfassung die mit dem Abwasserpreis bewerteten Abwassermengen anzusetzen. Diese jeweils charakteristischen Beispiele aus der Praxis zeigen, dass insbesondere die separate Betrachtung der eingesetzten Energieträger die verursachergerechte Verrechnung des entstandenen Aufwands deutlich verbessern kann. Im nächsten Detaillierungsschritt ist vor der Umlage auf die Kostenträger die Umlage auf die einzelnen Energie verbrauchenden Anlagen vorzunehmen. Am Beispiel des Unternehmens 3 wird dies in Tabelle 3.8. konkret gezeigt. Abb. 3.7. zeigt u. a. die Werte aus Tabelle 3.8. mit Absolutwerten, auf die an anderer Stelle noch Bezug genommen wird. Die in Tabelle 3.8. ausgewiesenen spezifischen Kosten der Energieanwendung beruhen auf Mischwerten aus − den energierelevanten Kosten für die Bereitstellung aller Energieträger, die an der Anlage eingesetzt und in der Periode verbraucht werden − den Jahresproduktionsmengen der Anlagen innerhalb der Periode Die ausgewiesenen Kosten einschließlich ihrer Veränderungen weisen verschiedene Komponenten der Mischkosten nicht aus, z.B. den Leistungspreisanteil des Elektrizitätseinsatzes. Der grobe Mittelwert impliziert, dass alle Verbraucher gleichermaßen am zu entrichtenden Leistungspreis beteiligt sind. Das ist nur eingeschränkt der Fall, doch ist der Fehler gering und der Aufwand zur genaueren Differenzierung hoch. Die Veränderungen der produktionsspezifischen Energiepreise an den Produktionsanlagen sind hauptsächlich von der jeweiligen Produktionsmenge und dem Anteil des Wärmeverbrauchs am Gesamtverbrauch abhängig. Geringe Produktionsmenge und vergleichsweise hoher Wärmeeinsatz haben insbesondere Auswirkungen auf die Betrachtung der HPL-Pressen und der

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Imprägniermaschine 1. Letztere unterscheidet sich interessanterweise im Verbrauch nicht sehr von Imprägniermaschine 6, produziert aber deutlich weniger. Tabelle 3.8. Umlage der Energiekostenverrechnung nach Produktionskostenstellen (Unternehmen 3) Spezifische Mischkosten Veränderung der spezifischen des Energieeinsatzes (eMischkosten nergierelevante Kosten) absolut [GE / m²Produkt] relativ [GE / m²Produkt] Imprägniermaschine 0,1106 0,0426 159,4 % 1 Imprägniermaschine 0,0738 0,0421 75,4 % 6 Polyestergroßanlage 0,3300 0,1869 76,5 % Doppelbandpresse 0,1118 0,0709 57,6 % Paneeleanlage 0,1598 0,0827 93,2 % Elementeanlage 0,2039 0,1568 30,0 % Postforminganlage 0,0450 0,0297 51,5 % HPL-Presse 1 und 2 1,2238 0,4447 175,2 % ABS-Anlage 2,8216 2,1698 30,0 %

An Hand der auf Kostenbasis bestimmten internen Verrechnungspreise an den Energie verbrauchenden Anlagen erfolgt die Verrechnung der energierelevanten Kosten auf die Kostenträger, also auf die Produkte des Unternehmens. Für ein bestimmtes Produkt des Unternehmens 3, das bei gleicher Anlagenbelegung in den Vorstufen der Fertigung auf unterschiedlichen Anlagen fertig gestellt werden kann. Zur Fertigung von 650 m² des Produkts sind bei Nutzung der HPL-Presse 1.162 GE energierelevante Kosten zu verrechnen gegenüber 377 GE bei Nutzung der Doppelbandpresse. Dieser deutliche Unterschied lässt nicht den Schluss zu, die HPL-Pressen abzuschaffen, sondern lediglich sie aus Sicht der Energiekosten bewusst einzusetzen und die anfallenden Kosten der jeweiligen Produktionscharge auch zuzuordnen. Aus produktionstechnischer Sicht ist der Einsatz der HPLPressen notwendig für kleine Aufträge, dickere Materialstärken und hohe Abriebfestigkeit der Produkte. 3.2.2. Methodische Umsetzung nach dem UPN-Modell Nachdem der Nutzen des Ansatzes der energierelevanten Kosten an charakteristischen Beispielen dargestellt wurde, ist nun die Umsetzung zu-

124

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

nächst aus technischer aber auch aus betriebswirtschaftlicher Sicht methodisch zu strukturieren. Das UPN-Modell bietet durch die Möglichkeit zur gleichzeitigen Abbildung von Produktions- und Energiefluss dafür gute Voraussetzungen (vgl. Abb. 2.25. und 2.26.) Gegenüber herkömmlichen Ansätzen der Leittechnik im Bereich der Energieversorgung und der PPS-Systeme im Bereich der Planung und Kontrolle des Produktionsflusses besteht durch den UPN-Ansatz die Möglichkeit, beide Bereiche in ihrer komplexen Verknüpfung in einem Modell darzustellen. Daraus resultiert der Übergang von der eindimensionalen Darstellung innerhalb der Bereiche Produktions- und Energietechnik zur zweidimensionalen Abbildung der gesamten betrieblichen Energiewirtschaft. Zur Erläuterung: • Die eindimensionale Abbildung: Entsprechend dem Produktionsfluss werden in PPS-Systemen die Produktionsanlagen mit ihren logistischen Verbindungen abgebildet. Mit ähnlichen Methoden, jedoch übertragen auf die spezifische verfahrenstechnische Problematik der betrieblichen Energiewirtschaft, können die energietechnischen Anlagen auf Grund des Energieflusses dargestellt werden. Der Energiebedarf der Verbraucher wird in der Regel nachschüssig bestimmt, also auf Grund von Mess- oder Anhaltswerten dokumentiert und ausgewertet. Nur in Sonderfällen mit sehr ausgeprägten Lastspitzen erfolgt die vorherige Anmeldung des Energie- und Leistungsbedarfs durch die in der Produktion verantwortlichen Mitarbeiter. • Die zweidimensionale Abbildung: Ausgehend von den einzelnen Anlagenarten erfolgt auf Grund der technischen Gegebenheiten der betrieblichen Versorgungsnetze (erste Dimension) die konkrete Verbindung der verschiedenen Energie bereitstellenden, transportierenden und verbrauchenden Anlagen (zweite Dimension). Diese direkten Verbindungen helfen, die betriebliche Energiewirtschaft standardisiert in die gesamtbetrieblichen Zusammenhänge einzubinden. Ausgehend von der UPN-Struktur kann jeder der drei Bereiche U, P und N im Fluss der jeweils bestimmenden Hauptprozesse dargestellt werden. Abb. 3.4 zeigt die drei Anlagenebenen, wobei jeder Knoten eine Anlage und jede Linie eine logistische bzw. technische Verbindung im Technologiefluss der Ebene darstellt.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement Umwandlungsanlagen WÜ WW-Verteiler Trafo 2 DL-Station

Q EG Elt

125

Kessel HWTrafo 1

Produktionsanlagen P1 P2

P7

P3 P4

P6

P9

P10

P11

P13 Nebenanlagen

P5

P8

P12 Beleuchtung Heizung

Legende:

GWW

Energieträger: Q - Wärme EG - Erdgas Elt - Elektroenergie HW - Heißwasser WW - Warmwasser DL - Druckluft WÜ - Wärmeübertrager Anlagen: P 1...P13 - Produktionsanlage GWW - Anlagen zur Gebrauchswassererwärmung

Abb. 3.4. Flussdarstellung der Anlagenebenen nach dem UPN-Modell

Mit dem ablauforientierten Darstellungsschema aus Abb. 3.5. gilt folgende Vereinbarung: • In der Darstellungsebene verlaufen: Hauptproduktionsmaterial, Produkte und betrieblich gefertigte Zwischenprodukte der jeweiligen Anlagenart • Die Darstellungsebene durchtreten: gerichtet von oben: Zusatzstoffe gerichtet nach unten: Abprodukte ungerichtet von oben: von einer anderen Ebene gelieferte Leistung ungerichtet nach unten: an eine andere Ebene zu liefernde Leistung Abbildung 3.4. zeigt beispielhaft die fiktive Konstellation von: • Ebene der Umwandlungsanlagen mit: − Fernwärmebezug (Q), eingekoppelt über einen Wärmeübertrager (WÜ) in einen Heißwasser-Verteiler (HW-Verteiler) und weitergeleitet in einen Warmwasser-Verteiler (WW-Verteiler). − Erdgasbezug (EG), eingekoppelt über einen Kessel in die HW- und WW Verteiler − Elektrizitätsbezug, eingespeist für mehrere Spannungsstufen

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− Drucklufterzeugung direkt von Trafo 2 mit Strom versorgt Vernachlässigt wird in dieser Darstellung die Ebenen-interne Deckung des peripheren Verbrauchs anderer Umwandlungsanlagen mit umgewandelten Energieträgern. Einzig dargestellt ist die Belieferung der Druckluftanlage mit Elektrizität. • Ebene der Produktionsanlagen mit: − − − − −

13 Produktionsanlagen 2 Hauptproduktionsmaterialien (eintretend von links) 2 Produkten (austretend nach rechts) Zulieferung von Zwischenprodukten innerhalb P Zulieferung von externen Vorprodukten und Zusatzstoffen an P6 und P7 − Freisetzung von Abprodukten an P8 und P11 − Verschiedenen Zusammenführungen unterschiedlicher Art zwischen einzelnen Produktionsanlagen

• Ebene der Nebenanlagen mit: − 5 Beleuchtungsanlagen, wovon zwei miteinander verbunden sind − 3 Heizungsanlagen − 2 Anlagen zur Gebrauchswarmwasserbereitung (GWW) Abbildung 3.6. zeigt nun, als Zusammenführung von Produktions- und Energiefluss, mögliche Verbindungen zur Lieferung von Energieträgern aus U an P bzw. N am Beispiel der betrieblichen Wärmeverteilung mit Heiß- bzw. Warmwasser14: • Mit Heißwasser versorgt werden • Mit Warmwasser versorgt werden

6 Produktionsanlagen 1 Nebenanlage 1 Produktionsanlage 4 Nebenanlagen

Schon an dieser einfachen Darstellung wird ihre Besonderheit hinsichtlich der charakteristischen Eigenschaften und der verursachergerechten Verrechnung der betrieblichen Energiekosten (begrifflich im Weiteren synonym für energierelevante Kosten verwendet) deutlich:

14

Das kann entsprechend auch für die anderen betrieblich bereitgestellten Energieträger erfolgen, worauf in der Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wird.

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Ablaufrichtungen der Hauptprozesse

Leistung von einer anderen Anlagenebene

Zusatzstoffe

Hauptproduktionsmaterial

(Zwischen-)Produkt Leistung an eine andere Anlagenebene

Zwischenprodukte

Abprodukte

Abb. 3.5. Ablauforientiertes Darstellungsschema des UPN - Modells

• Kosten und damit auch interne Verrechnungspreise können bei sehr detaillierter Betrachtung an unterschiedlichen Orten im Betrieb verschieden sein. • Veränderungen der spezifischen Verrechnungspreise für Energie sind nur an Umwandlungsanlagen bzw. bei Bereitstellung von Energie beim Verbraucher, also nach deren Transport möglich. • Energietransport kann einerseits innerhalb der Anlagenebene Umwandlungsanlagen, andererseits zwischen Umwandlungs- und Energie verbrauchenden Anlagen erfolgen. • Produktions- und Nebenanlagen haben keine direkte Wirkung auf die spezifischen Energiekosten und internen Verrechnungspreise15. • Kosten innerhalb einer betrieblichen Anlagenart können nur dem Produktionsfluss folgend verrechnet werden. Dasselbe gilt für alle Anlagenebenen. • Kosten innerbetrieblich bezogener Leistungen können nur an den beziehenden Knoten (Anlagen) übergeben werden. • Die Übergabe der Energiekosten erfolgt auf Basis von Liefermenge und internem Verrechnungspreis senkrecht zum Produktionsfluss innerhalb der Anlagenebenen U und P.

15

Es besteht eine indirekte Wirkung durch die Veränderung des Fixkostenanteils der spezifischen Verrechnungspreise bei schwankendem Energieverbrauch. Darauf wird an dieser Stelle jedoch nicht eingegangen.

128

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Umwandlungsanlagen WÜ WW-Verteiler Trafo 2 DL-Station

Q Kessel

EG Elt

HW-

Trafo 1

Produktionsanlagen P1

P2

P3

P4

P7

P6

P9

P10

P11

P13

Nebenanlagen P5

P8

P12

Beleuchtung Heizung

GWW

Legende: HW WW P1-P13 GWW Q EG Elt

- Heisswasser - Warmwasser - Produktionsanlage 1-13 - Gebrauchswarmwasserbereitung - (Fern-) Wärme - Erdgas - Elektrizität

Abb. 3.6. Wärmelieferung von U an P und N in der Flussdarstellung des UPNModells

Durch das in dieser Form angewandte UPN-Modell können, abstrahiert vom betrieblichen Produktions- und Energiefluss, sowohl der betriebliche Energie-Kostenfluss als auch die Schwerpunkte der Kostenentstehung und des Leistungsverzehrs dargestellt werden. Am Beispiel des bereits erwähnten Unternehmens 3 wird im Folgenden gezeigt, wie die energierelevanten Kosten auf die Anlagenebenen summiert werden können. Umwandlungsanlagen und Versorgungsnetze werden jeweils energieträgerspezifisch zusammengefasst, da die Verteilanlagen abgeschrieben waren und der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand aus betrieblichen Gründen nicht mehr von dem für die Umwandlungsanlagen zu trennen war. Aufwandsentstehung in der Anlagengruppe Umwandlungsanlagen:

Der Gesamtaufwand der Energieumwandlung (ohne Abzug der innerhalb U bereitgestellten Energiemengen und der Erlöse durch Verkäufe an Dritte) liegt, gegenüber den in Tabelle 3.3. ausgewiesenen energierelevanten Kosten von 2.832 TGE/a, bei insgesamt 3.653 TGE/a. Die Struktur der Aufwandsentstehung ist in Tabelle 3.9. dargestellt und weist, hinsichtlich des Gesamtaufwands in U, die eindeutigen Schwerpunkte Elektrizitätsver-

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129

sorgung (32 %) sowie Wärmebereitstellung und -verteilung im Heizwerk (47 %) aus. Der Aufwand der Wärmeversorgung, zusammengesetzt aus den Werten für die Anfallenergienutzung, für das Heizwerk und für das Verteilnetz, wird summiert auf 50 % des Gesamtaufwands. Tabelle 3.9. Struktur der Aufwandsentstehung zur Energieträgerbereitstellung in der Anlagengruppe Umwandlungsanlagen [8] rel. Anteile am Gesamtaufwand

rel. Anteile am auf P und N zu verrechnenden Aufwand

32 %

20 %

Brunnenwasser

0%

0%

Trinkwasser (einschl. Abwasser)

2%

2%

Kaltwasser

6%

6%

Bereitstellung von: Elektrischem Strom

Erdgas

7%

9%

Druckluft

3%

4%

Wärme (Anfallenergienutzung) Wärme (Heizwerk einschl. Verteilnetz)

3%

4%

47 %

55 %*

*

Dieser Anteil berücksichtigt die mit 4 % anzusetzenden Erträge durch Wärmeverkauf an Dritte

Nach Abzug der innerhalb der Umwandlungsanlagen zu verrechnenden Energiemengen und der durch Energieverkauf an Dritte erzielten Erlöse ist der Anteil der Elektrizitätsversorgung auf 20 % des noch zu verrechnenden Aufwands gesunken. Der Anteil der Wärmeversorgung und -bereitstellung (gesamt) steigt auf 59 % der noch innerbetrieblich zu verrechnenden energierelevanten Kosten. Verbunden mit der Aussage in Tabelle 3.5, dass Wärme und Brunnenwasser entscheidend unterbewertet werden, können Handlungsschwerpunkte abgeleitet werden. Brunnenwasser mit einem Anteil von unter 1 % des zu verrechnenden Aufwands muss klar gegenüber der Wärmeversorgung zurücktreten. Leistungsverzehr in den Produktions- und Nebenanlagen:

Schwerpunkte des Leistungsverzehrs der betrieblichen Energiewirtschaft sind die Produktionsanlagen, denen bei Verrechnung sowohl der EnergieBezugskosten, als auch der energierelevanten Kosten ca. 90 % des Aufwands zuzurechnen ist. In Tabelle 3.10 ist zur Information neben dem in P und N zu verrechnenden Aufwand auch der innerhalb U verrechnete Aufwand angegeben. In letzterem sind sämtliche interne Energielieferungen der Gasreduzierstation sowie der Elektrizitätsverteilung und der Rück-

130

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kühlanlage zusammengefasst. Direkt bezogene Energiemengen (z.B. Brennstoffe und Elektrizität) werden den jeweiligen bzw. den direkt daraus bereitgestellten Energieträgern zugerechnet und nicht innerhalb U geliefert. Trotzdem sind die innerhalb U zu verrechnenden energierelevanten Kosten größer als die in den Nebenanlagen. Tabelle 3.10. Anteile des Leistungsverzehrs der betrieblichen Energiewirtschaft nach Produktionsanlagen und Nebenanlagen in Unternehmen 3 [8] Energiekosten in U zu verrechnen

Energie-Bezugskosten -

energierelevante Kosten -

524.178 GE

-*

in P zu verrechnen

1.278.267 GE

90 %

2.505.285 GE

88 %

in N zu verrechnen

149.116 GE

10 %

342.341 GE

12 %

1.427.383 GE

100 %

2.847.626 GE

100 %

Summe P und N

* Keine relative Angabe, da diese nur auf die in P und N zu verrechnende Arbeit bezogen sind.

Abbildung 3.7. zeigt die Veränderungen im Detail, wobei die Produktionskostenstellen bereits in einzelne große Anlagen untergliedert sind. Unterschiede treten insbesondere bei den wärmeintensiven Prozessen Pressen und Imprägnieren auf. Verbraucher mit hauptsächlich Elektrizitätsanwendungen zeigen nur geringe Veränderungen. 550.000 550.000 500.000 500.000

Kosten nach nach BTUAnsatz Kosten BTU-Ansatz

Verrechnete Energiebezugskosten Verrechnete Energiebezugskosten

Energiekosten in GE/a

450.000 450.000 400.000 400.000 350.000 350.000

Produktionsanlage Produktionsanlagen

Nebenanlagen Nebenanlagen

300.000 300.000 250.000 250.000 200.000 200.000

E n e rg ie k o s te n in D M /a

150.000 150.000 100.000 100.000 50.000 50.000

A

bt

.A D Sbt.Sc op Dc hi popehic ch ts phlb Hbelatsot and toff P e nf LH p H PL Hdprfe PL-- P res - NH essPLrPH res se se Pa e seLPLc s P 1 - hbe-P re N 1ere ss a ssar ch e2 b b Fe e e i o 2 a F tu rbBl rm ng o e e r a Iuitnm cleBhpmat tsäg e g pr hc äsol Im Impäpolgnge ieru pr räeir ie ng ägngun ru Im n pieg ni rär er g 1 gun ng H un g ei1 a Ba r 6 nd ung Harrzfa rBo 6 Pzfa br o ik l a le bPl n rio ye n d sckyle st ro lle M hst n er Ens ate re eid Po chn lem Ma ria er stief lE etr n llag d o e ia t e mll ea er r P rm o ne gain nl st t e g ag foAea r a nl e rm nB l S ag in ag e gA e A A a bB n la n St ge alP -A. T g a An e e nebl c hn .tae P Tge le i a ce an k n A ee nhik lage btle L a. a bo n W G la e ru gA rbaL r eb nd t. V boun stü W e r g rs e c r an G ke bu F ru unng inVea d n d asr nz d G e F tüs inednb n a ä kce n u ze d u nKa e n d nt G in e K e b a ä n u itn d e e

00

Abb. 3.7. Verrechnung der Energiekosten auf Produktions- und Nebenanlagen

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

131

Aus der Analyse beider Anlagenkategorien Umwandlung und Anwendung (in P und N) können schrittweise die Schwerpunkte der energierelevanten Kosten herausgearbeitet werden. Hervorzuheben ist insbesondere die durch die Betrachtung der energierelevanten Kosten herbeigeführte Änderung der Rangfolge der Leistung verzehrenden Anlagen. Unter Berücksichtigung der Energie-Bezugskosten verursachen die Elementeanlage und die Imprägnierung 6 mit praktisch gleichen Anteilen den größten Aufwand (jew. ca. 230 TGE). Bei Verrechnung der energierelevanten Kosten wird deutlich, dass HPL-Presse 2 mit 500 TGE deutlich mehr Aufwand verursacht als Imprägnierung 6 (390 TGE) und Elementeanlage, die hierbei mit ca. 310 TGE nur an 4. Stelle rangiert. Auch werden klare Unterschiede zwischen den beiden HPL-Pressen deutlich, die im technischen Zustand, der Betriebsweise und dem Produktionsprofil begründet sind. Das UPN-Modell ist damit sehr gut geeignet, den Ansatz der energierelevanten Kosten schrittweise, sowohl innerhalb des betrieblichen Rechnungswesens als auch der betrieblichen Leittechnik, umzusetzen und zu visualisieren. Die wesentlichen Schnittstellen der Informationsübermittlung sind: • • • •

Aufwandsentstehung in Umwandlungsanlagen Bestimmung interner Verrechnungspreise für Energie Leistungsverzehr durch Energie verbrauchende Anlagen verursachergerechte Verrechnung des Energieverbrauchs

Analog zur Umsetzung dieser Verknüpfungsmöglichkeiten des UPNModells in einer Energie-Mengen-Funktion des Unternehmens, als Abbildung des Energieflusses, kann auch die verursachergerechte Umlage der energierelevanten Kosten auf Anlagenkategorien und Kostenstellen erfolgen. Die daraus entstehende Energie-Kosten-Funktion, als Abbildung des Energiekosten-Flusses, beschreibt konkret die dargestellten Vorgänge der Aufwandsentstehung und des Leistungsverzehrs. 3.2.3. Energierelevanz der Komponenten des industriellen energetischen Systems Die praktische Umsetzung einer neuen Methode ist stark davon abhängig, inwieweit sie an die Denkweise der nicht inhaltlich damit verbundenen, in die Umsetzung aber maßgeblich mit einbezogenen, Personen (hier die Betriebswirtschaftler) anschließt. Wichtiger diesbezüglicher Faktor ist im Fall der energierelevanten Kosten deren technische Reichweite, also die Frage,

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welche der bisher nicht berücksichtigten Komponenten von nun an mit in die „betrieblichen Energiekosten“ einbezogen werden müssen bzw. sollen. Leitlinien zur Einteilung der betrieblichen Anlagen und Vorgänge hinsichtlich der Energierelevanz ihrer Kosten und Erträge sind: • Klare Beschränkung auf den betrieblichen Einflussbereich • Orientierung am betrieblichen Energiefluss und am Endenergiebedarf • Eindeutige Versorgungsaufgabe einer Umwandlungsanlage für mehrere Verbraucher oder eine Lieferbeziehung zum Verkauf an Dritte • Sowohl Betriebszustand als auch Kosten der Anlagen müssen durch die für die betriebliche Energiewirtschaft zuständigen Mitarbeiter beeinflussbar sein (siehe auch Leitlinien zu Anfallenergie) Damit wird die Bilanzgrenze zur Betrachtung energierelevanter Kosten klar vor der eigentlichen Umwandlung in Nutzenergie (vgl. Kap. 2), also vor dem Letztverbraucher der Endenergie (z.B. dem Antrieb eines Drehautomaten) gezogen. Die Trennung in der gewählten Art und Weise stimuliert die Optimierung sowohl der Konstruktion des Produkts als auch der Gestaltung und Betriebsweise der Produktionsanlagen hinsichtlich des Energieverbrauchs während der Produktionsvorgänge, ebenso die der betrieblichen Energiewirtschaft, jeweils gezielt im entsprechenden Einflussbereich. Das Prinzip der Beeinflussbarkeit durch die Verantwortlichen der betrieblichen Energiewirtschaft hat klare Wirkung, insbesondere bei der Bewertung der Kosten zur Anfallenergienutzung. Anfallenergie ist arbeitsfähige Energie nach betrieblichen Prozessen, die noch einer konkreten technischen Nutzung zugeführt wird. Ist die Nutzung nicht realisiert, so ist die betreffende arbeitsfähige Energiemenge dem Anfallenergie-Potential zuzurechnen. Wird auch für arbeitsfähige Energiemengen keine Nutzungsmöglichkeit realisiert, so sind sie als Energieverluste anzusehen. Energieverluste betrieblicher Prozesse können in drei Ausprägungen auftreten: • Direkt stoffgebunden: z.B. als warmes Abwasser, heißes bzw. brennbares Abgas oder warme bzw. heiße Abluft • Indirekt stoffgebunden: z.B. als Wärmeinhalt von sowohl (Zwischen-)Produkten als auch Abprodukten (z.B. Schlacke) mit Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

133

• Diffus: z.B. als Wärmeverluste an der Oberfläche betrieblicher Anlagen oder als Leckverluste an Rohrleitungen Das betriebliche Anfallenergiepotential besteht in der Regel aus Abwärme von betrieblichen Prozessen, deren stoffgebundene thermische Verluste ganz oder teilweise genutzt werden können. Direkt stoffgebundene Energiemengen können entweder direkt anderen Prozessen als Einsatzenergie zur Bedarfsdeckung zugeleitet oder über zwischengeschaltete Wandler nutzbar gemacht werden. Indirekt stoffgebundene Energiemengen können zum Anfallenergiepotential in der Regel nur durch spezielle Änderungen im Prozessablauf, z.B. durch den Aufbau spezieller Kühlstrecken, zur direkt stoffgebundenen Abfuhr von Wärme beitragen. Der Aufwand, diffus austretende Energieströme nutzen zu können, ist nur bei hohen derartigen Verlusten, in Verbindung mit anderen Nutzeffekten, vertretbar. Beispiele sind Wärmepumpen zur Brauchwasserbereitung oder Raumheizung und die Kombination von Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung. Energieverluste betrieblicher Prozesse sind danach erst als Anfallenergie zu bezeichnen, wenn sie innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft konkret genutzt werden. Erst unter dieser Bedingung ist auch der damit verbundene anlagen- und betriebstechnische sowie personelle Aufwand energierelevant. Die für Anfallenergie anzusetzenden Energieträgerkosten können je nach der betrieblichen Situation sowohl positiv als auch negativ oder null sein. • Anfallenergie aus einem betrieblichen Prozess muss dem Lieferer vergütet werden, wenn die bereitgestellte Energie ebenso wie die eigentliche Aufgabe des Prozesses als Produkt bzw. Vertragsgegenstand angesehen werden kann. Dies ist der Fall, wenn ein Anfallenergie nutzender Prozess ausschließlich von einem anderen betrieblichen Prozess mit Energie versorgt wird und Angebot und Bedarf zeitlich abgeglichen werden. • Anfallenergie wird kostenneutral bereitgestellt, wenn der nutzbare Energiestrom ausschließlich nach Maßgaben des ihn emittierenden Prozesses bereitgestellt wird und die Nutzung als Anfallenergie nicht konkret bedarfsorientiert erfolgt. Beispiel ist die globale Einspeisung eines Abwärmestroms in ein Wärmeversorgungsnetz. • Anfallenergieverwendung ist dem Abnehmer zu vergüten, wenn der entsprechende Energieträger bei unterlassener energetischer Nutzung betrieblichen Aufwand verursacht. Beispiel ist die Nutzung von Holz, das

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alternativ zur energetischen Nutzung kostenpflichtig entsorgt werden muss. Konkret kann dies am Beispiel des Unternehmens 3 (Abschn. 3.2.1.) erläutert werden: • Abfallholz liegt zunächst in unterschiedlicher Größe stückig vor und muss bis zur Entsorgung gelagert werden. Lagerung und Entsorgung sind günstiger, wenn das Holz zerkleinert wird. Der Aufwand für Zerkleinerung und Lagerung ist damit nicht energierelevant. Die Nutzung im Hackschnitzelkessel verursacht Aufwand zur Zwischenspeicherung und Verbrennung des Holzes sowie zur Einbindung der Wärme in das betriebliche Versorgungsnetz. Die Verbrennung des Holzes beruht ausschließlich auf energiewirtschaftlichen Belangen, so dass dieser Aufwand energierelevant ist. Die Nutzung des Abfallholzes als Energieträger ist der betrieblichen Energiewirtschaft mit den alternativ anfallenden Entsorgungskosten zu vergüten. • Abwärme entsteht bei hohen Temperaturen in thermischen Abluftreinigungsanlagen, die mit Gas befeuert werden und Abluft aus der Produktion den gesetzlichen Emissionsgrenzen anpassen. Durch den Einbau von Heizflächen wird Anfallenergie gewonnen und zur Einbindung in das betriebliche Wärmenetz bereitgestellt. Der zusätzliche anlagentechnische Aufwand der Heizflächen und der Netzeinbindung ist damit energierelevant. Der primäre Aufwand der Verbrennungsanlage ohne Heizflächen und der Erdgaseinsatz sind jedoch produktionsbedingt, von der betrieblichen Energiewirtschaft vollkommen unabhängig und damit nicht energierelevant. Der Abgasstrom steht nur bei Betrieb der Produktionsanlage zur Verfügung. Darüber wird ausschließlich nach produktionsorientierten Kriterien entschieden, so dass die Abwärme kostenneutral zur Nutzung bereitgestellt wird. Diese technischen Kriterien zur Reichweite der energierelevanten Kosten dürfen natürlich nicht darüber hinwegtäuschen, dass deren energieträgerspezifische Betrachtung immer vor dem Hintergrund der ökonomischen Relevanz des Energieträgerverbrauchs erfolgen sollte. Die Differenzierung sollte nicht unbedingt so weit wie möglich, aber doch so weit, wie für die Verbesserung der produktspezifischen Aussagen nötig, gewählt werden. 3.2.4. Kumulierte energierelevante Kosten Die Frage, welche produktspezifischen Aussagen und schließlich auch energiewirtschaftlichen Verbesserungen aus der Summation der energierelevanten Kosten abgeleitet werden können, führt über die Verbindung von

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

135

Produktions- und Energiefluss schließlich zur Kumulation der energierelevanten Kosten eines Unternehmens im Sinne einer Kostenträgerrechnung. Die am Markt angebotenen Produkte eines Wirtschaftsunternehmens sind der sicherste gemeinsame Nenner im Denken aller betrieblichen Mitarbeiter. Sie geben dem Geschäftszweck als Ziel allen betrieblichen Handelns Gestalt und ermöglichen durch den Bezug auf ihre Selbstkosten bzw. ihren Erlös eine allgemeinverständliche Basis zur Normierung des betrieblichen Aufwands. Eines der Ziele des Ansatzes der energierelevanten Kosten ist die Schärfung des Bewusstseins im Umgang mit Energie durch die betriebswirtschaftliche Aufwertung ihres Verbrauchs. Verbreitet ist die Annahme, man könne durch das eigene Handeln an den Gesamtkosten ohnehin nichts ändern. Das wird unterstützt durch die gängige Praxis, Energiekosten durch die ausschließliche Angabe einer Gesamtsumme der EnergieträgerBezugskosten für ein ganzes Geschäftsjahr auszuweisen. Die abteilungs- bzw. kostenstellenbezogene Summation der energierelevanten Kosten in kürzeren Zeiträumen kann einzelne Mitarbeiter hinsichtlich ihrer jeweiligen Arbeitsprozesse stimulieren. Als allgemeinverständliche unternehmensweite Zielvorgabe eignet sich jedoch keine der beiden Angaben, denn auf das Handeln der Gesamtheit der Mitarbeiter hat hauptsächlich die Angabe der produktbezogenen Kostenanteile, die sog.n Kostenträgerkosten, Einfluss. Die Kumulation der energierelevanten Kosten zeigt also dem Manager wie dem Arbeiter, wie viel Geld im Bereich der betrieblichen Energiewirtschaft ausgegeben werden muss, um das Produkt am Markt anbieten zu können. Verbunden mit zusätzlichen Angaben zu den Kosten der einzelnen Energieträger aus der Kostenstellenrechnung kann das persönliche Handeln konkret in Beziehung gesetzt werden. Hinsichtlich der Verrechnung der Energiekosten auf die Kostenträger ist zwischen den Kosten, verursacht durch die Produktionsanlagen und denen, verursacht durch die Nebenanlagen, zu unterscheiden. Generell kann nach der produktionsorientierten Notwendigkeit der Energiekosten folgende Unterscheidung getroffen werden: • Energiekosten in Produktionsanlagen dienen direkt der betrieblichen Wertschöpfung. Sie kumulieren mit dem Produktionsfluss. • Energiekosten in Nebenanlagen dienen der Betriebs- und damit auch Produktionsbereitschaft. Sie kumulieren in Form einer Umlage, ähnlich der Verrechnung von Gemeinkosten. Die Entwicklung der auf die Herstellung einer Produktionseinheit bezogenen Energiekosten kann, wie in Abb. 3.8 schematisch gezeigt, mit dem Produktionsfluss kumulativ abgebildet werden. Die spezifischen, kumulierten energierelevanten Kosten der Produktion (kEKp) eines Produkts be-

136

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

schreiben den gesamten produktionsbedingten Aufwand der betrieblichen Energiewirtschaft. Produktionsanlagen P1

P3

P7

P9

P10 kEKp

P6

P4

P2

P5

P8

P11

P13

P12

kEK - kumulierte Energiekosten der Produktion Index ( p ) - eines Produktes.

Abb. 3.8. Kumulative Entwicklung der zur Herstellung einer Produkteinheit notwendigen Energiekosten

Die spezifischen, kumulierten energierelevanten Kosten der Produktion eines Produkts können mathematisch, analog der grafischen Darstellung in Abb. 3.8., in der Energie-Kosten-Funktion eines Produkts abgebildet werden. Gl. 3.1 beschreibt diese Funktion für die technologische Kette eines Produktionsprozesses zur Herstellung eines Produkts mit Hilfe der Produktionsanlagen i und unter Einsatz der Energieträger j:

kEK p = ∑∑ wij ⋅ kij i

j

= ∑∑ i

i j kEKp w k

m w w •

PE

[-] [-] [GE/PE] [kWh/PE]

j

•

Wij •

mij

⋅ kij

⎡ kWh ⋅ € = € ⎤ ⎢⎣ PE kWh PE ⎥⎦

(3.1)

⎡ kWh ⎤ h⋅ € = € ⎥ ⎢ ⎢ PE kWh PE ⎥ h ⎣ ⎦

Produktionsanlage Eingesetzter Energieträger energierelevante Kosten der Produktion eines Produkts spezifischer Energieverbrauch, bezogen auf die Produktionseinheit [GE/kWh] spezifische Energiekosten der Energieträger am Ort der Anwendung [PE/h] Produktionsleistung [kWh/h] zeitbezogene Menge des Gesamt-Energiebezugs eines Verbrauchers (mittlere Leistung) [Stk, t] Produktionseinheit

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Zur mathematischen Beschreibung der gesamten energierelevanten Kosten (KEK) einer Periode τ muss, gem. Gl. 3.2, die Summe des Produkts aus kEKp und den jeweiligen Produktionsmengen über alle Produkte des Unternehmens gebildet werden und zur Summe der im selben Zeitraum in den Nebenanlagen verursachten Kosten (Produkt aus zu verrechnenden spezifischen Kosten und Verbrauch an den einzelnen Anlagen) addiert werden. Hinsichtlich der Berücksichtigung der in den Nebenanlagen verursachten energierelevanten Kosten besteht auch die Möglichkeit, diese nach Gl. 3.3 durch zusätzliche Produktumlage schon konkret in der Produktfunktion (Gl. 3.1) abzubilden. Über die konkrete Gestaltung dieses Umlageverfahrens ist, wie auch über dessen Nutzen, betriebspezifisch zu entscheiden. Bei geringen Kosten und/oder sehr ausgeprägter gemeinsamer Nutzung von Nebenanlagen kann eine allgemeine Umlage analog zu den üblichen Gemeinkosten (aber gekennzeichnet als Energie-Gemeinkosten) erfolgen.

KEK = ∑ kEK p ⋅ PE pτ + ∑ k N ⋅ VNτ

⎡€⎤ ⎢⎣ τ ⎥⎦

(3.2)

KEK = ∑∑∑ w pij ⋅k pij ⋅ PE pτ + ∑ k N ⋅ VNτ

⎡€⎤ ⎢⎣ τ ⎥⎦

(3.3)

p

p

N

i

j

N

Legende (ergänzend zu Gl. 3.1): p Produkt (Index) τ Betrachtungszeitraum z.B. 1Jahr N Nebenanlage V [kWh] Energieverbrauch PEpτ

[PE/τ]

VNτ

[kWh/τ]

Produktionsmenge eines Produkts im Betrachtungszeitraum Energieverbrauch einer Nebenanlage im Betrachtungszeitraum

Die separate Umlage ist sinnvoll bei: • Konkreter Beziehung einzelner Nebenanlagen zu einer Produktionsanlage oder einer Gruppe von Produktionsanlagen, die an demselben Teilziel arbeiten (z.B. einer Kostenstelle). Hier ist aber der produktionsbezogene Verbrauch in den Nebenanlagen, in Abwandlung von Gl. 3.3, ausschließlich auf die Produktionsmenge der Anlagengruppe bzw. Kostenstelle zu beziehen. • Hohem Anteil der energierelevanten Kosten in Nebenanlagen an den gesamten energierelevanten Kosten des Unternehmens.

138

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Aus der mathematischen Abbildung der gesamten energierelevanten Kosten eines Unternehmens in Abhängigkeit von der Produktionsmenge kann durch Einsetzen der Funktionen für die Verrechnungspreise, also der Kostenstruktur der betrieblichen Energiewirtschaft, die direkte Verbindung zwischen Energiebezug und Produktionsmenge hergestellt werden. Das ist die Zielfunktion zur Optimierung der gesamten betrieblichen Energiewirtschaft, deren Ermittlung zwar möglich, aber heute weder praktikabel noch sinnvoll ist. Diese produktionsorientierte mathematische Gesamtfunktion der betrieblichen Energiewirtschaft würde eine Feingliedrigkeit der möglichen Einflussnahme versprechen, ohne jedoch alle Schnittstellen der betrieblichen Energiewirtschaft zu den Gesamtkosten des Unternehmens zu berücksichtigen. Letzteres ist bei dem heute realisierbaren Detaillierungsgrad der mathematischen Abbildung der konkreten Kosten von Industrieunternehmen nicht möglich. Bezogen auf die Produkte, also die traditionellen Kostenträger in einem Unternehmen, ist mit der dargestellten Kumulation eine Überprüfung der Rentabilitätsbedingungen insbesondere bei stark unterschiedlich energieintensiven Produktionsketten sinnvoll und möglich. Wie in Abb. 3.9. skizziert, erfolgt die freie, kostenbasierte Preisbildung eines Produkts aus der Summe von Produkt-Einzelkosten, Gemeinkosten und dem Gewinnziel. Die beispielhaft skizzierten Produkte A und B erhalten nach gängiger Praxis denselben Gemeinkostenzuschlag (jeweils linke Balken). Werden die energierelevanten Kosten aus diesen Gemeinkosten extrahiert (jeweils rechte Balken), so reduziert sich der Gemeinkostenzuschlag entsprechend. Zuzüglich der, je nach produktionsbedingtem Energieverbrauch verrechneten, Energiekosten werden damit vom Ausgangszustand unterschiedliche Produkt-Herstellkosten erzielt, die insbesondere bei geringer Marge und stark unterschiedlicher Energieintensität die Rentabilitätsbedingungen verändern können. In der Prinzipdarstellung von Abb. 3.9. würde durch die verursachergerechte Verrechnung der energierelevanten Kosten deutlich, dass die Erlöse für Produkt B unterhalb der wahren Herstellkosten liegen. Das lässt sich bei der Preisbildung am Markt nicht immer verhindern, doch müssen derartige unternehmerische Entscheidungen bewusst und nicht in Unkenntnis eingegangen werden.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement Gewinn

Kosten

139

Defizit

Gemeinkosten ohne Energie

Gemeinkosten ohne Energie

Gemeinkosten

Erlös A

Gemeinkosten

Erlös B

Energierelevante Kosten

Energierelevante Kosten

Einzelkosten B

Einzelkosten A Produkt A

Produkt B

Abb. 3.9. Verschiebung der Rentabilitätsbedingungen durch Quantifizierung der energierelevanten Kosten ( Prinzipskizze)

Die Bedeutung der energierelevanten Kosten eines Produkts oder einer Anlage als Mischkosten über alle eingesetzten Energieträger

Die Aussagemöglichkeiten werden durch die Angabe eines Mischkostenwertes nach Gl. 3.1 gemindert. Interne Verrechnungspreise der einzelnen Energieträger (kj), auf Basis der energierelevanten Kosten umfassend ermittelt, werden gewichtet durch die relativen Verbrauchsanteile (wij) an den einzelnen Bezugsobjekten (Produkt aber ebenso auch Anlage) und sind nicht mehr separat darstellbar. Wesentliche Vorteile dieser Darstellungsart gegenüber der wissenschaftlich korrekten Fortführung der Einzeldarstellung auch auf Produkt- und Anlagenebene sind: • Die Einfachheit der Gesamtdarstellung: Durch einen Zahlenwert wird der mit dem Energieeinsatz in Zusammenhang stehende Gesamtaufwand quantifiziert. Die Einzeldarstellung in Form mehrerer Zahlen würde die Abbildung unnötig komplizieren und die Umsetzung in der Praxis behindern. • Die Zielgenauigkeit der Information: Die Zielgruppe der betrieblichen Entscheidungsträger ist vor dem Hin-

140

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

tergrund der übrigen betrieblichen Kosten nur an konzentrierten betrieblichen Zahlen und nicht an Detailangaben der betrieblichen Energiewirtschaft interessiert. Für jede Art von gezielter energiewirtschaftlicher Untersuchung stehen die Detaildaten der Energieträger-Betrachtung zur Verfügung. Abgrenzung der kumulierten energierelevanten Kosten zum kumulierten Energieaufwand (KEA) nach VDI-Richtlinie 4600

Der Begriff kumulierter Energieaufwand wurde maßgeblich von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in München, unter Leitung von H. Schaefer, geprägt. Er beschreibt die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwands, der im Zusammenhang mit Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines ökonomischen Gutes entsteht bzw. diesem ursächlich zugewiesen werden kann [22, 12, 10]. Ziele des KEA-Ansatzes sind: • Ganzheitliche Beurteilung und Vergleich von Produkten und Dienstleistungen an Hand des Energieverbrauchs • Darstellung von Prioritäten zur Gesamt-Energieeinsparung KEA, eine hoch aggregierte Zahl, die den gesamten Lebensweg eines Produkts beschreibt, ist eine weit über die betrieblichen Einflussmöglichkeiten hinaus gerichtete Größe zur vergleichenden Bewertung von Produkten und Prozessketten. Damit widerspricht sie einer strengen Orientierung auf ein einziges Unternehmen, was im vorliegenden Ansatz realisiert wurde. Abbildung 3.10. zeigt den wesentlichen Unterschied deutlich: • Nach KEA werden bereits bezogene Waren mit energetischem Aufwand belegt, der innerbetrieblich erhöht wird und im Endprodukt sowohl den Energieaufwand innerhalb des Betriebs als auch aller Vorstufen beinhaltet. Dieses erfolgt schließlich normiert in Form eines allgemeinen Primärenergieäquivalents, was den betrieblichen Mitarbeitern in der Vorstellung fremd ist. • KEK dagegen beginnen bei der ersten und enden bei der letzten Handhabung bzw. Bearbeitung bezogener Waren und gefertigter Produkte durch betriebliche Mitarbeiter. Damit ist absolut jede Stufe in der Entwicklung der kumulierten energierelevanten Kosten innerbetrieblich verursacht und zu verändern.

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141

Produktionsanlagen P7 P1

P9

P10

P3

kEKp

P6

P2

P13

P4 P8

P11 P12

P5

kEA

Abb. 3.10. Vergleich der kumulierten betrieblichen Energiekosten (kEK) mit dem kumulierten Energieaufwand (kEA)

KEA kann also kein probates Mittel zur Unterstützung von Entscheidungen bezüglich der betrieblichen Energiewirtschaft sein und sollte dies wohl auch nie, was schon H.F. Mueller im Jahre 1970 erkannt hatte [15]. 3.2.5. Technische Voraussetzungen zur Umsetzung Eines der wichtigsten Kriterien, Änderungen an bestehenden Systemen einleiten zu können ist, neben der subjektiv empfundenen Notwendigkeit zur Veränderung, der mit ihrer Einführung verbundene betriebliche Aufwand. Bezüglich der betrieblichen Energiewirtschaft ist die Sensibilisierung der Entscheidungsträger in der Regel noch unzureichend, so dass hoher Aufwand und umfangreiche Voraussetzungen der Umsetzung leicht zur Unterlassung führen können. Im rein technischen Bereich ist die Anwendung des Ansatzes der energierelevanten Kosten Bestandteil effektiv kostenorientierten betrieblichen Energie-Managements. Wie beschrieben, können die Schwerpunkte der sowohl betriebs- als auch anlagentechnischen Optimierung festgestellt und korrekt monetär bewertet werden. Der Ansatz ist aber auch ausschließlich im betrieblichen Rechnungswesen umsetzbar, was schließlich zur Sensibilisierung der Ökonomen, und im zweiten Schritt gegebenenfalls zu Umsetzung im technischen Bereich führt. Im Folgenden soll daher, im Hinblick auf die Spezifikationen eines betrieblichen Energie-Management-Systems, auf die zur Umsetzung des Ansatzes notwendigen technischen Voraussetzungen eingegangen werden. Die betriebswirtschaftlichen Voraussetzungen und Umsetzungsmöglichkeiten werden in Abschn. 3.3. dargestellt.

142

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Unabhängig von der Art (technisch oder ökonomisch) der Einführung des Ansatzes, sind die notwendigen Voraussetzungen in zwei Gruppen einzuteilen: • Berichts- und Dokumentationswesen • Messwesen Umfang und Konsistenz des Berichts- und Dokumentationswesens bestimmen maßgeblich die mögliche Detaillierung der Abbildung der betrieblichen Energiewirtschaft sowohl im technischen wie auch im wirtschaftlichen Bereich. Nur betrieblich dokumentierte Daten und Zusammenhänge können auch systematisch nach dem Ansatz der energierelevanten Kosten abgebildet werden. Notwendige Angaben sind: • • • •

Liste der betrieblich verwendeten Energieträger und Medien Liste aller Lieferbeziehungen der betrieblichen Energiewirtschaft Vertragsbedingungen für Bezug und Verkauf von Energie Strukturelle Beschreibung des betrieblichen energetischen Systems, einschließlich Ort und Qualität vorhandener Verbrauchsmessstellen • Verbraucherliste mit zumindest folgenden Informationen: − Bisheriger Energieverbrauch − Zugeordnete Messstelle des Energieverbrauchs − Kostenstellenzuordnung − Verantwortlicher Mitarbeiter Das betriebliche Messwesen liefert sowohl dem ökonomischen als auch dem technischen Bereich die notwendigen Grunddaten zur Quantifizierung und schließlich verursachergerechten Verrechnung der energierelevanten Kosten. Geordnet nach der angestrebten Detaillierung des Ansatzes sind folgende Daten bereitzustellen: • Bezugs- und Liefermengen von Medien der betrieblichen Energiewirtschaft. • Produktionszahlen nach Kostenstellen bzw. Anlagen. • Ausbau des betrieblichen Messwesens, um zunächst verwendete empirische Schätzwerte durch konkrete Verbrauchswerte ersetzen zu können. Unabhängig vom Umfang des Messwesens sind die ermittelten Verbrauchsdaten zeitnah den verantwortlichen Mitarbeitern bereitzustellen, um die schnelle Rückkopplung zwischen dem Verbrauch und den damit verbundenen Kosten sicherzustellen. Dies ist eine weitere wesentliche Aufgabe des betrieblichen Berichtswesens als Grundvoraussetzung einer erfolgreichen Umsetzung des Ansatzes der energierelevanten Kosten in einem Unternehmen.

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143

3.3. Umsetzung in der betrieblichen Kostenrechnung Die Umsetzung des theoretisch erworbenen Wissens in die Praxis ist oberstes Ziel der anwendungsorientierten wissenschaftlichen Arbeit. Es gilt, dafür nicht nur den Nachweis der Machbarkeit und der aus der eigenen Überzeugung erwachsenen Notwendigkeit zu führen, sondern im Detail die Bedeutung für das jeweils betroffene Gesamtsystem aufzuzeigen. Im vorliegenden Fall ist den im betrieblichen Management verantwortlichen Personen, in der Regel Ökonomen, der Zusatznutzen aus der Betrachtung energierelevanter Kosten prägnant darzustellen und auf den dafür notwendigen Aufwand zu beziehen. Nachdem die Methode in Abschn. 3.2. umfassend dargestellt ist und die Praxisrelevanz in Abschn. 3.4. zur Sensibilisierung der Ökonomen führt, soll im Folgenden auf die konkreten Verbindungen zu den verwendeten Werkzeugen des betrieblichen Rechnungswesens und dessen notwendige Veränderungen eingegangen werden. Dies ist einer der wichtigsten Schritte innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft, der die sprachliche und methodische Brücke zwischen Technikern und Ökonomen schlagen soll. Für die konkret verwendete Definition betriebswirtschaftlicher Begriffe sei auf Anh. 3.1. hingewiesen. Der Ist-Zustand des betrieblichen Rechnungswesens in Deutschland ist charakterisiert durch die Vielzahl der spezifischen Ausprägungen der auf dem Betriebsabrechnungsbogen (BAB) basierenden kostenstellenorientierten Periodenrechnung mit Zuschlagskalkulation [11]. Dieses Verfahren der Vollkostenrechnung ist typisch für den Maschinenbau und damit übertragbar auf den gesamten Bereich der produzierenden Industrie. In den Grundstrukturen ist es geprägt von den Mangelbedingungen der Nachkriegszeit und hat daher einen stärkeren Leistungsbezug (im Sinne von am Produkt erbrachter Wertschöpfung) als beispielsweise die Kostenrechnung in den USA [14]. Dort bewirkt die zunehmende Trennung der Produktionsmenge vom Fertigungslohn, der bisher am weitesten verbreiteten Zuschlagsbasis, durch Automation den inakzeptablen Anstieg der Fix- und der Gemeinkosten. Diese Entwicklung wird heute auch in Deutschland beobachtet. Bereits in den 80er Jahren wurden in den USA, im Rahmen des Cost Management System (CMS), Anstrengungen unternommen, die betriebliche Kostenrechnung auf die Gegebenheiten der automatisierten (CIM-) Fabriken der Zukunft abzustimmen. Heute liegen daher aus den USA schon praktische Erfahrungen mit verschiedenen CMS-Verfahren vor [2, 14]. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Umsetzung des Ansatzes der energierelevanten Kosten nicht nur auf die traditionellen, sondern auch auf

144

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

diese innovativen Kostenrechnungsverfahren auszurichten. Die jeweils spezifischen Möglichkeiten zur Umsetzung sind gezielt herauszuarbeiten und zu nutzen. Schwerpunkt der folgenden Betrachtungen bilden aber die heute in Deutschland betrieblich am häufigsten angewandten Verfahren, da in den bestehenden und sehr komplexen Strukturen der betrieblichen Kostenrechnung Änderungen nur sukzessive erfolgen können. Vollständig neue Unternehmungen mit neuen unternehmerischen Strukturen haben bessere Voraussetzungen, neue Ansätze von vornherein zu implementieren, so dass die Umsetzung hinsichtlich der innovativen Kostenrechnungsverfahren nur angedeutet wird. Die grundsätzlichen Ziele der praktischen Anwendung bleiben von dem berücksichtigten Kostenrechnungsverfahren unberührt und seien im Folgenden nochmals kurz genannt: • Verursachergerechte Verrechnung des gesamten, mit dem Energieverbrauch verbundenen Aufwands als betriebliche Energiekosten • Eingang der Energiekosten in die Einzelkosten der Kostenträger • Zumindest verbrauchsorientierte Umlage möglicher Energie-Gemeinkosten Das führt schließlich zu: •
Erhöhung des Anteils der direkten Produkt-Herstellkosten um die energierelevanten Kosten. •
Erhöhung der betrieblichen Reaktionsfähigkeit auf Veränderungen der internen und externen Faktoren, die die betriebliche Energiewirtschaft beeinflussen, diese sind z.B.: - Zustand der Energieanlagen - Energieintensität der energieverbrauchenden Prozesse - Energiepreise - energieverbrauchsbedingte Abgaben •
Feste Verankerung des Energieverbrauchs und der damit verbundenen Kosten im betrieblichen Rechnungswesen und somit Stärkung der rationellen Energieverwendung in den unternehmerischen Zielen Die praktische Umsetzung im betrieblichen Alltag wird im Wesentlichen durch folgende Faktoren behindert, die sich nach ihrer Herkunft in systematische, betriebs- und energiewirtschaftliche Hemmnisse klassifizieren lassen: • Systematische Hemmnisse: − Das Problembewusstsein der Ökonomen ist unzureichend.

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145

− Umweltschutz und rationelle Energieverwendung sind noch zu wenig Bestandteil der Unternehmenskultur und der unternehmerischen Ziele. − Energie, Energieverbrauch, -verlust und -verschwendung sind in der Regel nicht sichtbar. − Die mit der Energieanwendung in Zusammenhang stehenden auszahlungswirksamen Kosten, in der Regel nur die Energie-Bezugskosten, sind, sowohl gemessen am betrieblichen Umsatz, als auch bezogen auf die traditionellen Potentialfaktoren Arbeit, Material und Kapital, gering. − Es besteht eine geringe Neigung zur Veränderung eingerichteter komplexer Systeme. − Mangelnde interdisziplinäre Verknüpfung sowohl ökonomischer als auch technischer Denkart. − Die Abbildung der betrieblichen Gesamtkosten ist noch zu wenig detailliert, die Berücksichtigung der Energiekosten ist zu undifferenziert. • Betriebswirtschaftliche Hemmnisse: − Energie ist nach der subjektiven Einschätzung der betrieblichen Akteure mehr Hilfsmittel als Produktionsfaktor. − Externe Energiepreise waren bisher auf Grund der Verbindung von monopolistischer Struktur und öffentlicher Preis- und Kartellaufsicht nur schwer verhandelbar. − Das unternehmerische Hauptproblem wird vielfach nur abstrakt in der Kostensenkung und nicht in der Gewinnmaximierung gesehen, so dass andere Probleme und Ansätze insbesondere zur Kostensenkung als vordringlicher angesehen werden. • Energiewirtschaftliche Hemmnisse: − Energie ist, zumindest heute in Deutschland, in beliebiger Form ständig mit hoher Qualität verfügbar. − Oftmals ist ein hoher Aufwand zur Erfassung des Energieverbrauchs als Grundlage zur verursachergerechten Verrechnung notwendig. − Ökonomen sehen, außer über den Energiepreis, keine direkten Einflussmöglichkeiten auf den Energieverbrauch und dessen Kosten. Diese Einschätzung wird fälschlicherweise auch durch die im Rahmen der Liberalisierung der deutschen Energiemärkte geführten Diskussionen gestützt. − Industrielle energetische Systeme sind in der Regel dynamisch gewachsen, selten auf die momentane oder auch zukünftige Betriebsstruktur optimiert und fortwährenden Veränderungen unterworfen.

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− Durch Arbeitsplatzabbau und Überlastung mit anderen Aufgaben fehlen oftmals geeignete personelle Kapazitäten, die das System der Energieversorgung hinreichend genau kennen und die zur Beurteilung des Nutzens der Einführung des neuen Ansatzes notwendigen Daten bereitstellen können. 3.3.1. Verfahren der betrieblichen Kostenrechnung Bevor konkret auf die Umsetzung des Ansatzes der energierelevanten Kosten eingegangen wird, werden im Folgenden verschiedene Kostenrechnungsverfahren, beginnend mit den klassischen, heute in Deutschland am weitesten verbreiteten Verfahren, dargestellt. Schließlich wird kurz auf die im US-amerikanischen Raum im Rahmen des Cost Management System (CMS) entwickelten Vollkosten-Verfahren, Ziel- und Prozesskostenrechnung und auf den System-Dynamics-Ansatz eingegangen. Diese neuen Ansätze gehen alle davon aus, dass die steigende Verbreitung der betrieblichen DV-Systeme beliebige Datenerfassung und -verknüpfung in ebenso beliebigen Zeitrastern ermöglicht. Der damit verbundene Aufwand ist ein entscheidendes Hemmnis der Ablösung der klassischen Verfahren. • Die „klassische Kostenrechnung“ als Vollkostenrechnung auf Basis des Betriebsabrechnungsbogens (BAB) entstand bereits Anfang des 20. Jahrhunderts. Sie basiert auf den Säulen Kostenart, Kostenstelle und Kostenträger sowie auf der Aufteilung der betrieblichen Gesamtkosten in Einzel- und Gemeinkosten. Das ursprünglich angestrebte Ziel, mit dem BAB das gesamte Betriebsergebnis zu ermitteln, wird nicht erreicht, da der BAB in der Praxis nur zur Ermittlung der Gemeinkosten und deren Verteilung auf die Endkostenstellen genutzt wird [11]. Bereits heute besteht mit den im Folgenden grob dargestellten Wirkungsweisen der einzelnen Komponenten der klassischen Kostenrechnung [1, 23, 13] die prinzipielle Möglichkeit, die Wertbewegungen eines Unternehmens beliebig detailliert darzustellen. Im Ablauf der „klassischen Kostenrechnung“ erfolgt die Kostenverrechnung auf die Kostenträger über die aufeinander aufbauenden Schritte: • Kostenartenrechnung • Trennung zwischen Einzel- und Gemeinkosten • Umlage der Gemeinkosten auf Kostenstellen in der Kostenstellenrechnung • Umlage der auf die Kostenstellen verrechneten Gemeinkosten auf die Kostenträger in der Kostenträgerrechnung

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Die Klassifizierung der innerhalb einer Periode anfallenden Kosten erfolgt in der Kostenartenrechnung zunächst nach ihren jeweils charakteristischen Eigenschaften. Es werden alle, nicht nur dem direkten Wirtschaftsziel dienende, Kosten berücksichtigt. Die Kostenstellenrechnung, als rechnerische Brücke zwischen Kostenart und Kostenträger, erfolgt im Wesentlichen mit Hilfe des Betriebsabrechnungsbogens. Die erfassten Kostenarten werden auf die eingerichteten Kostenstellen verteilt und von den Vorkostenstellen auf die Endkostenstellen verrechnet. Ziel ist die vollständige Zuordnung der KostenstellenGemeinkosten auf die Endkostenstellen und die Berechnung der Gemeinkosten-Zuschlagssätze für jede Endkostenstelle als Hilfsmittel für die Produktkalkulation. Tabelle 3.11. zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau des mehrstufigen BAB mit seinen Funktionsbereichen. • Aufteilung der Kostenarten auf die Vor- und Endkostenstellen: In diesem Schritt werden Leistungen der Kostenarten, die von mehreren Kostenstellen in Anspruch genommen werden, auf diese verteilt. Als Verteilungsgrundlage für diese Gemeinkosten kommen z.B. Verbrauch (Entnahmescheine, Rechnungen), Lohn- und Gehaltslisten, beanspruchte Nutzflächen oder empirische Verteilungsschlüssel in Betracht. − Die Zeilensumme entspricht der Gesamtsumme der jeweiligen Kostenart − Ergebnis bildet die Summe der primären Gemeinkosten, sowohl summarisch als auch aufgeteilt auf die Kostenstellen • Umlage der Vor- auf die Endkostenstellen: Verrechnung der auf den Vorkostenstellen angefallenen Leistungen auf die Endkostenstellen auf Basis ähnlicher Verteilungsgrundlagen wie im ersten Schritt • Auswertung: Dieser Schritt dient der Ermittlung der Gemeinkosten-Zuschlagssätze aber auch dem Plan-Ist-Vergleich. Zunächst wird die Bezugsgröße für die jeweilige Endkostenstelle eingetragen (z.B.: Fertigungslohn, Materialkosten, Arbeitsstunden oder Herstellkosten), um anschließend die angefallenen Gemeinkosten darauf zu beziehen. Verteilt sich eine Bezugsgröße auf mehrere Endkostenstellen, so ist die Aufteilung anteilmäßig vorzunehmen, um die Gemeinkostenzuschläge korrekt berechnen zu können. Der Abschnitt Auswertung des BAB kann grundsätzlich beliebig viele unternehmensspezifische Berechnungen enthalten, wobei aber leicht die Übersichtlichkeit und Aussagekraft verloren gehen kann. Sinnvoll ist auch hier die Beschränkung auf wenige, aber harte Kennzahlen.

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Die Kostenträgerrechnung dient einerseits der periodischen Erfolgskontrolle eines Kostenträgers, also in der Regel eines Produkts (Kostenträgerzeitrechnung), und andererseits der konkreten Ermittlung der Herstellkosten eines Kostenträgers (Kostenträgerstückrechnung). Zwingende Grundlage ist hier das Verursacherprinzip, also die Frage: „Wofür entstanden, dem Geschäftszweck folgend, welche Kosten?“ Nach neueren Theorien können Kostenträger nicht nur Produkte, sondern auch beliebige Bezugsobjekte sein, womit sich die Kostenträgerrechnung in Teilen der Prozesskostenrechnung annähert. Ergebnis der klassischen Kostenrechnung ist die Einteilung der Herstellkosten in die Einzelkosten und die vielfach um mehrere Größenordnungen höheren Gemeinkosten [1]. Beweggründe, die zur Entwicklung der moderneren Kostenrechnungsverfahren geführt hatten, waren hauptsächlich die steigende Gemeinkostenbelastung und das Streben nach höherer Detaillierung, aber auch das Bedürfnis, die Ergebnisse der Kostenrechnung schneller in das Controlling übernehmen zu können. Hauptziele der im Rahmen der CMS entwickelten Verfahren sind [14]: • Entwicklung der Kostenrechnung zum strategischen Instrument innerhalb der Produkt- und Unternehmensplanung • Gezielte Reduktion unproduktiver Gemeinkosten • Direkter Bezug der Aufwendungen auf betriebliche Leistungen und Prozesse • Detaillierte Kostenstelleneinteilung • Verursachergerechte Verrechnung der Kosten Die bedeutendsten Verfahren seien im Folgenden kurz beschrieben: • Die Zielkostenrechnung (target costing) geht von der Überlegung des am Markt erzielbaren oder des vom Kunden vorgegebenen Preises aus und kann in zwei Richtungen erfolgen. Durch Abzug des angestrebten Gewinns können die maximalen Herstellkosten, durch Abzug der Herstellkosten der zu erwartende Gewinn bzw. Verlust des Produkts bestimmt werden. Den wesentlichen Informationsgehalt erhält die Zielkostenrechnung, wenn festgestellt wird, dass durch ein Produkt ein zu niedriger Gewinn oder sogar ein Verlust zu erwarten ist. Notwendige Bedingung zur Realisierung des damit gegebenenfalls festgelegten Rationalisierungsbedarfs ist, die einzelnen Faktoren der Herstellkosten des betreffenden Produkts möglichst genau zu kennen. Das bestehende Rationalisierungspotential innerhalb dieser einzelnen Kostenfaktoren kann damit genau festgestellt werden und als Basis zur strategisch orientier-

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

149

ten ökonomischen Optimierung dienen, um das Ziel - die Kosten- und Gewinnvorgabe - zu erreichen. Tabelle 3.11. Systematik der Verknüpfung von Kostenarten und Kostenstellen im BAB [1] Kosten der Kostenstellen (KST) Vorkostenstellen Kontenbezeichnung

...

Verteilungsgrundlage

Summe

I

II

1

2

3

4

5

6

z.B. Verbrauch, Rechnung, Nutzfläche

Σҏ→

x

x

x

x

x

x

x

x

Σҏ↑→

XI

XII

X1

X2

X3

X4

X5

X6

XI

•

•

•

•

•

•

•

- (XII + •)

•

•

•

•

•

•

0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

A1

A2

A3

C5

C6

Z5

Z6

... ... Sum me

Primäre Gemeinkosten z.B. Verbrauch, Rechnung, Nutzfläche

Σ→

Umlage

Vorkosten-

Umlage

Vorkostenstelle II

Σ→ ҏ= 0

Summe

Gemeinkosten der Endkostenstellen

Σҏ↑→

stelle I

ҏ= 0

1. Bezugsbasis für EndKST

Bezeichnung

Σҏ= A

2. Bezugsbasis für EndKST

Bezeichnung

Σҏ= B

3. Bezugsbasis für EndKST

Bezeichnung

Σ=C

Gemeinkostenzuschlagsätze

% der Bezugsbasis

Legende:

x X • Y A/B/C Z

0

B4

-

-

Z1

Z2

Z3

Z4

direkte Kosten Summe der direkten Kosten einer Kostenstelle Anteil einer Endkostenstelle am Aufwand einer Vorkostenstelle Summe der Endkostenstelle nach Umlage der Vorkostenstellen Bezugsbasis zur Gemeinkostenzulage (Lohnkosten oder Maschinenstunden; Index ist Kostenstelle) Gemeinkostenzuschlagssatz

Aufteilung Kostenarten auf Kostenstellen

KtoNr. IKR

Endkostenstellen

Plan - Ist Vergleich Ermittlung Umlage Vor- auf Gemeinkostenzuschlagsätze EndKST

Kostenarten

150

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Die Herstellkosten sollten, Beispielen aus Japan folgend, entweder nach Produktkomponenten oder Funktionsbereichen des Produkts gegliedert und im Einzelnen bekannt sein, um schließlich nach der Komponentenbzw. der Funktionsmethode der Zielkostenrechnung vorgehen zu können [13]. Dabei ist die Funktionsmethode kundenorientierter als die Komponentenmethode, die eher dazu veranlasst, bestimmte Eigenschaften des Produkts lediglich günstiger herzustellen, aber die Prüfung, ob diese vom Kunden gefordert oder gewünscht werden, unterlässt. Grundsätzlich sind neben der Komponenten- bzw. Funktionsbetrachtung auch andere Kategorien der Kosteneinteilung und damit Kostenoptimierung möglich, so z.B. die Orientierung an den Kostenarten und Kostenstellen der klassischen Verfahren. Immer müssen den für die einzelnen Kostengruppen verantwortlichen Mitarbeitern konkrete, und nach Möglichkeit erfüllbare, Zielvorgaben gemacht werden, um Fortschritte zu erreichen. • Prozesskostenrechnung (PKR), abgeleitet aus dem englischen Begriff Activity-Based-Costing (ABC), ist die Abkehr der Gemeinkostenverrechnung vom direkten Leistungs- und dem am Fertigungslohn orientierten mittelbaren Zeitbezug. Neue Bezugsbasis ist die Tätigkeit (Activity) bzw. deren Ablauf oder Leistung (Prozess), wonach die gesamte Produktentstehung in wertschöpfende (z.B. Gewindeschneiden oder Montage eines Bauteils) und wertschöpfungsneutrale (z.B. Rüsten einer Maschine, Verwalten einer Produktvariante, Realisierung von kundenspezifischem Sonderwunsch oder auch Bereitstellung von Energie) Prozesse gegliedert werden kann [23]. Diese Bezugsgrößen werden im Deutschen, abgeleitet aus dem englischen Begriff cost driver, Kostentreiber genannt. Ihrer Funktion nach wären sie treffender als Kostenauslöser zu bezeichnen. Ein Begriff, der vielfach synonym verwendet wird [1]. Ziel der Prozesskostenrechnung ist es, den Anteil der nicht wertschöpfenden Prozesse im betrieblichen Ablauf zu verringern und die Gesamtkosten wieder stärker mengenabhängig, d.h. variabel abzubilden. Das ist für die indirekten Gemeinkosten von Bedeutung, da ihre bisherige Aufteilung nach Umlageschlüsseln oder dem Gießkannenprinzip bei der zunehmenden Gesamthöhe der Gemeinkosten nicht mehr vertretbar ist [1]. Hier darf jedoch nicht vergessen werden, dass Fixkosten auch als prozessabhängig verrechnete Kosten nur eine scheinbare Variabilität erlangen. Bestimmender Faktor der Gesamtkosten innerhalb der Prozesskostenrechnung ist nicht mehr die Produktions- sondern die Prozessmenge, also z.B. die Anzahl der Rüst- oder Gewindeschneidvorgänge zur Fertigung eines Produkts, oder die Anzahl der Sonderwünsche eines Kunden. Damit sind die Vorgänge, durch die die Kosten konkret entstehen, als Ansatz-

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

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punkte zur Kostensenkung erstmals in einem Kostenrechnungsverfahren standardmäßig dargestellt und quantifiziert [23]. Die Prozesskostenrechnung wird in der Literatur oftmals eher als Kalkulationsvariante denn als vollständiges Kostenrechnungsverfahren angesehen [1], ist aber in jedem Fall eine gute Ergänzung der klassischen Kostenrechnung. Der Prozesskostenansatz, als Quotient aus Kosten aller Prozesse einer Art und der entsprechenden Prozessmenge, kann direkt in den Stückkosten berücksichtigt werden. Damit werden bisherige Gemeinkosten sozusagen zu Einzelkosten. • System Dynamics [4] ist eine Systemtheorie, die auf der Informationsrückkopplung als verhaltensbestimmende Strukturkomponente beruht, und auf der Erfahrung basiert, dass soziologische Systeme in ihrer Komplexität intuitiv nicht zu verstehen sind. Das Zeitverhalten nichtlinearer Modelle wird mit Hilfsmitteln der Regelungstheorie bzw. Kybernetik modelliert und analysiert, um durch einen effektiven Lernprozess das allgemeine Systemverständnis zu erhöhen. Die Systemanalyse mündet in eine Simulation, durch die Konsequenzen von Handlungen und alternative Szenarien gezielt ermittelt und getestet werden können. Anwendungen erstrecken sich zunächst auf gesamtwirtschaftliche Probleme, aber zunehmend auch auf betriebswirtschaftliche sowie natur- und ingenieurwissenschaftliche Fragen. 3.3.2. Einbettung in die Verfahren der Kostenrechnung Moderne Ansätze der Kostenrechnung gehen von einem gegenüber der heutigen Praxis, deutlich höheren Detaillierungsgrad der innerbetrieblichen Kostennachweise aus [14, 11] und erleichtern so auch den Eingang der energierelevanten Kosten in die betriebliche Kostenrechnung. Auf die Entwicklung einer konkreten Strategie zur Umsetzung des Ansatzes in diesen Systemen wird aber zu Gunsten der traditionellen Kostenrechnungsverfahren verzichtet. Ansatzpunkte zur Integration der summarischen Erfassung der energierelevanten Kosten und deren Verteilung auf die Endkostenstellen bestehen bereits. Energie ist in praktisch jedem Kontenrahmen global als Kostenart definiert [1]. Die Erfassung erfolgt nach Industriekontenrahmen in der Kontenhauptgruppe 60 (Betriebliche Aufwendungen; Aufwendungen für Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe und für bezogene Waren) unter Kontenart (Konto) 6050 (Energie). Alternativ dazu ist die Erfassung im Gemeinschaftskontenrahmen der Industrie (GKR) unter Kontenhauptgruppe 47 (Kostenarten; Brennstoffe, Energie und dgl.) möglich.

152

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Die Anlagenabschreibungen, eine der wichtigsten Komponenten der energierelevanten Nebenkosten, können in der Kontenhauptgruppe 07 (IKR; Immaterielle Vermögensgegenstände und Sachanlagen, technische Anlagen und Maschinen) nur gemeinsam mit allen Maschinen erfasst werden. Wenn betrieblich gewünscht, kann die Erfassung auch über eine mögliche Kontengruppe (071..079) erfolgen, was aber bereits eine gewisse Sensibilität und gezielte Motivation der Ökonomen bezüglich des betrieblichen Energieverbrauchs voraussetzt. Der GKR, von dem sich die Industrie durch den IKR faktisch entfernt hat, ist an dieser Stelle etwas genauer. Kontenhauptgruppe 02 (GKR; Anlagevermögen und langfristiges Kapital, Maschinen und Anlagen der Neben- und Hilfsbetriebe) erfasst die Abschreibungen für Anlagen der betrieblichen Energiewirtschaft zwar getrennt von den betrieblichen Hauptanlagen, aber zusammen mit allen Anlagen, die nicht direkt dem Geschäftszweck der Unternehmung zuzuordnen sind. Auch hier wäre die Verwendung von Kontengruppen (021..029) zur Trennung nach Aufgabenbereichen der Hilfs- und Nebenanlagen möglich. Insbesondere Abschreibungen können, als kalkulatorischer Aufwand, auch unter Kontenhauptgruppe 91 (IKR; Kosten- und Leistungsrechnung; kostenrechnerische Korrekturen) verbucht werden. Im Folgenden wird ausschließlich auf die Konteneinteilung nach IKR eingegangen. Die Aussagen sind direkt auf den GKR oder auf andere betrieblich eingesetzte Kontenrahmen (z.B. SKR der Datev) übertragbar. Energie als Kostenart bezieht sich ausschließlich auf die Verrechnung verbrauchter Energieträger, bewertet mit dem Bezugspreis oder dem internen Verrechnungspreis. Unter einer Vorkostenstelle Energie bzw. Energieversorgung können global die Kosten der Energieversorgung subsumiert und schließlich umgelegt werden – im günstigsten Fall verbrauchsgerecht. Das in Tabelle 3.12. mit Hilfe des BAB dargestellte Zahlenbeispiel der Kostenstellenrechnung [nach 1] zeigt bereits die grundsätzlichen Möglichkeiten zur Berücksichtigung der Energie- aber auch der energierelevanten Kosten in der Kostenarten-, Kostenstellen- und Kostenträgerrechnung. Bezüglich der Berücksichtigung der betrieblichen Energiewirtschaft im Rechnungswesen beschreibt es, wahrscheinlich unbewusst, eine Kombination von Kostenarten- und Kostenstellensystematik. Der Verrechnungspreis der Kostenart (also des Verbrauchs) basiert damit ausschließlich auf den Energie-Bezugskosten und vernachlässigt die Kosten der Energiebewirtschaftung, die über die Vorkostenstelle Energie verrechnet und umgelegt werden.

Reiseabrechnungen Reisekosten Schlüssel Versicherungen betriebliche Steuern Schlüssel kalk. Abschreibungen Anlagenkartei kalkulatorische Zinsen Vermögenswerte Primäre Gemeinkosten

6850 6900 7000 9101 9102

Arbeitsstunden Bezugsbasis KST F & E Bezugsbasis KST Verw. u. Vertr. Herstellkosten Gemeinkostenzuschlagsätze % der Bezugsbasis

Summe Verbrauch in kWh Umlage VorKST Energie Umlage VorKST Fertigung Summe Gemeinkosten der Endkostenstellen Fertigungslohn Bezugsbasis KST Fertigung Fertigungsmaterial Bezugsbasis KST Material

Gemeinkostenlöhne Lohnliste Gehaltsliste Gehälter soz. Abgaben, Beiträge Lohn-/Gehaltsliste Mietaufwendungen Raumfläche Schlüssel Postgebühren

6200 6300 6400 6700 6820

6050 6100

6020

Vorkostenstellen

0 70 0 1400 1200

1400 0 136 1200 0 x x x x x

x x x x x

169 619161 -

0 0

0 0 -

303150 7286 XFv 0 - 7286 276 -(XFv + 276) 0 303150 0 0 0 96350 0 0 0 280500

1950 720 2730 35000 46000

88650 72000 25000 19334 316

Verteilungsgrundlage Summe Energie Fertigung Hilfsstoffe Entnahmescheine 8500 1700 x Verbrauch 1550 Energie 120 80 1400 bezogene Leistungen Rechnungen 60 x

Kto- IKR Kontenbezeichnung

Kostenarten

0 0 Z F2

0 0 Z F3

YF3 37150 0

YF2 33800 0 Y F1 25400 0 0 0 Z F1

XF3 1215

x x x x x

x x x x x

x 300 x

XF2 2415

x x x x x

x x x x x

x 400 x

X F1 1965

x x x x x

x x x x x

x 280 x

XM 445

x x x x x

x x x x x

x 50 x

169 0 Z F&E

0 0 ZM

YF&E YM 0 0 0 280500

XF&E 215

x x x x x

x x x x x

x 50 x

Y Vertr 0 0

X Vertr 230

x x x x x

x x x x x

x 130 x

0 0 619161 619161 ZVerw ZVertr

YVerw 0 0

XVerw 525

x x x x x

x x x x x

x 140 x

Fertigung1 Fertigung2 Fertigung3 F & E Material Verwaltung Vertrieb

Kosten der Kostenstellen (KST) Endkostenstellen

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Zahlenwerte in €, sofern nicht anders angegeben, Erläuterungen siehe Tabelle 3.11

153

Tabelle 3.12. Mögliche Berücksichtigung der Energiekosten im Betriebsabrechnungsbogen nach IKR [nach 1]

154

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Dadurch erfolgt die faktische Trennung der betrieblichen Gesamtkosten für den Energieeinsatz in die Komponenten Verbrauchskosten und allgemeiner Aufwand. • Verbrauchskosten: In Geld bewerteter Energieverbrauch durch eine Kostenstelle an Hand der Kosten des Energieträgerbezugs frei Betriebsgrenze. Das entspricht in der Summe den traditionellen Inhalten der Energie-Bezugskosten. • Allgemeiner Aufwand: Vermischung konkret in der betrachteten Periode anfallender allgemeiner Kosten (z.B. Hilfsstoffe 6020 (IKR) oder Mietaufwendungen 6700 (IKR)) mit betrieblichen Aufwendungen, wie z.B. kalkulatorische Abschreibungen 9101 (IKR). Der allgemeine Aufwand entspricht, sofern die Erfassung vollständig erfolgt, den energierelevanten Nebenkosten. In Folge dieser Trennung geht der allgemeine Aufwand, separat von den Energieträger-Bezugskosten, in der Summation der Gemeinkostenzuschläge unter. Die subjektive Verbindung der betrieblichen Mitarbeiter mit dem Begriff „Energiekosten“ besteht lediglich zu der Summe der EnergieBezugskosten, die auch in diesem Zahlenbeispiel aus der betriebswirtschaftlichen Literatur deutlich kleiner ist als die energierelevanten Nebenkosten. Die erforderliche konsequente Integration der energierelevanten Kosten in die Kostenarten- und Kostenstellenrechnung ist analog zu Tabelle 3.13.16 einfach möglich. Sie basiert auf den im Folgenden dargestellten 6 Schritten, die in Tabelle 3.13. entsprechend gekennzeichnet sind: 1. Einrichtung der Vorkostenstelle Energiewirtschaft mit Unterkostenstellen für: − Energiebewirtschaftung: Zusammenfassung der energieträgerübergreifenden Kosten wie z.B. Gehälter 6300 (IKR) oder auch geringfügig eingesetzte Energieträger, die nicht als Kostenstellen-Einzelkosten direkt verrechnet werden können. Darunter fällt auch der Aufwand der betrieblichen Energetik und des betrieblichen Energie-Managements bzw. Energie-Controlling. − Energieträger: Ab einer gewissen Aufwands- bzw. Kostenhöhe ist für jeden bezoge16

Die in Tabelle 3.13. angegebenen Kostenstellen orientieren sich an dem dargestellten Literaturbeispiel ohne Anspruch auf verpflichtende Berücksichtigung und Vollständigkeit.

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155

nen und jeden eingesetzten Energieträger eine Kostenstelle einzurichten. 2. Zuordnung der Kostenarten zu den Unterkostenstellen gemäß Verursacherprinzip als Kostenstellen-Einzelkosten. Kosten des externen Energiebezugs werden direkt und ausschließlich der Unterkostenstelle des betreffenden Energieträgers zugeordnet. 3. Summation der Unterkostenstellen der Vorkostenstelle Energiewirtschaft als Summe der primären Gemeinkosten. Die Summe der Unterkostenstellen entspricht dabei den energierelevanten Kosten, was für allgemeine Aussagen bezüglich des Aufwands der Energiebewirtschaftung als betriebliche Kennzahl ermittelt wird. 4. Umlage der Unterkostenstellen nach dem Stufenleiterverfahren. 5. Summation der Umlage Energiewirtschaft über den belasteten Kostenstellen. Die Umlage Energiewirtschaft quantifiziert, analog zu den üblichen hierarchischen Abläufen des BAB, sämtliche auf Kostenstellen verrechnete energierelevante Kosten. Dies ist notwendig, um die Umlage der energierelevanten Kosten gegenüber den übrigen Gemeinkosten abzugrenzen und für die Kostenträgerrechnung isoliert von den anderen Umlagen zugänglich zu machen. 6. Bestimmung der Gemeinkostenzuschlagsätze. Hier sollte zur Verbesserung der Kostentransparenz differenziert nach den einzelnen Blöcken der Vorkostenstellen vorgegangen werden. Durch Bezug der Summen aus 5. auf die Zuschlagsbasis der jeweiligen Endkostenstelle kann deren Zuschlagssatz für die betriebliche Leistung der Energiewirtschaft ermittelt und ausgewiesen werden. Die Einrichtung der Unterkostenstellen im BAB (1.) erfolgt derart, dass die Umlage nach dem Stufenleiterverfahren erfolgen kann. „Ganz links“ wird zunächst die Energiebewirtschaftung genannt, gefolgt vom qualitativ höchstwertigen Energieträger, da beide auch Anwendung zur Bereitstellung der anderen Energieträger finden. Konkret sind das bezüglich der Energieträger beispielsweise Elektrizität, Brennstoffe oder Dampf. Probleme können bei der Verrechnung nach dem Stufenleiterverfahren auftreten, wenn zweiseitige Beziehungen zwischen Energieträgern bestehen. Bei Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) beispielsweise wird Elektrizität einerseits durch Brennstoffeinsatz bereitgestellt und andererseits zur sicheren Brennstoffhandhabung benötigt. In diesem Fall ist Elektrizitätserzeugung höher zu bewerten als der Verbrauch. Die Unterkostenstelle „Brennstoff“ ist also „links“ von der für Elektrizität einzuordnen.

x x

Gehaltsliste Lohn-/ Gehaltsliste

6300 Gehälter 6400 soz. Abgaben, Beiträge

Verbrauch in t

Umlage ...

Gemeinkosten der Endkostenstellen

Summe -6- ...

Ermittlung der Gemeinkostenzuschlagsätze

Umlage Energiewirtschaft weitere Umlagen

-5- Summe ...

VorKST Dampf ...

VorKST fester Brennstoff Verbrauch in t

Umlage

Umlage

-

... ...

-

+

+

-

... -

+

...

...

() -

-

+

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+

...

-

()

X

x x

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x

x

x x

x x

fester Brennstoff

x x ... X

x

x

x

x

x x

x x

x x ... X

x

x

x

x

x x

x x

-

+

...

+

...

()

-

+

...

+

...

()

. . . . . . . . .

+

...

-

X

Anlagenkartei Vermögenswerte

9101 kalk. Abschreibungen 9102 kalkulatorische Zinsen X

x x ... X

x x

Schlüssel

7000 betriebliche Steuern

Arbeitsstunden/Schlüssel Verbrauch in kWh Verbrauch in m³

x

x

x

Reiseabrechnungen Schlüssel

6850 Reisekosten 6900 Versicherungen

Primäre Gemeinkosten VorKST Energiebewirt. VorKST Elektrizität VorKST Gas

x

x

x x

Raumfläche Schlüssel x

x

x x

6700 Mietaufwendungen 6820 Postgebühren

x

x

x x

x

Rechnungen Lohnliste

x x

6100 bezogene Leistungen 6200 Gemeinkostenlöhne

Summe

x x

Energiebewirtschaftung

(x) (x)

Verteilungsgrundlage Elektrizität

Entnahmescheine Verbrauch

Kontenbezeichnung

Kosten der Kostenstellen (KST)

Gas

6020 Hilfsstoffe 6050 Energie

Kto-Nr. IKR

- 1-

Kraftstoff

Unterkostenstellen der VorKST Energiewirtschaft

Dampf

Kostenarten

-3- Summe Umlage Umlage

- 2-

Kaltwasser

-

+

...

+

...

-

+

...

+

...

x x ... X

x

x

x

x

x x

x

+

-

+

...

-

+

...

+

...

-

Verrechnung der Kosten, bezogen auf Kapitel 3, Abbildung 3.1

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

... ...

... ... ... ... ... Gemeinko. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

... ... Personalko. ... ... Gemeinko. ... ... Gemeinko. ... ... Gemeinko. ... ... ... ... ... Gemeinko. ... ... ... ... ... Gemeinko. ... Gemeinko.

... ... ... ... ... Hilfsstoffe ... ... ... ... ... Energiebezug ... ... ... ... ... Gemeinko ... ... ... ... ... Gemeinko. ... ... ... ... ... Personalko.

Sonstige KST

Z Z Z Z ...

... ... ... ... ... ... + y y y y ... ... ... ... ... ... ... + Y Y Y Y ... ...

x x ... X

x x x ... X

x x ... X

x

x

x

x

x

x

x x

x x

x

x

x x

Frischwasser

x

x

x

x

x x

x

Abwasser

. . . . . . . . . . . . .

x x ... X

x

x

x

x

x x

x x

Druckluft

...

-4 -

Fernwärme

156 3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Tabelle 3.13. Umfassende Berücksichtigung der energierelevanten Kosten im Betriebsabrechnungsbogen (IKR). Schema mit Kennzeichnung der Verfahrensschritte 1-6, Erläuterungen siehe Tabelle 3.11

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157

Der Elektrizitätsverbrauch zur Brennstoffhandhabung kann entweder direkt als Eigenverbrauch von der Erzeugung abgezogen werden oder, sofern er klein gegenüber der Erzeugung ist, vernachlässigt werden. Der entstehende Fehler ist gering und kann akzeptiert werden. Dem beschriebenen Verfahren der Integration der energierelevanten Kosten als Kostenstellen ist gegenüber ihrer Berücksichtigung als Kostenarten oder Kostenträger der Vorzug zu geben, denn die Ergänzung der betrieblichen Kostenrechnung erfolgt entsprechend der gewohnten Denkund Handlungsweise der Wirtschaftler. Konkrete Vorteile der Kostenstellenbetrachtung sind: • Die Anzahl der Unter- und Vorkostenstellen ist prinzipiell nicht beschränkt. • Alle Aufwendungen für den betrieblichen Einsatz von Energie werden in einem Schritt zusammengefasst. • Die Bearbeitung erfolgt über den BAB mit einem Standardverfahren, das der bisherigen Einordnung der Energiekosten als Gemeinkosten nahe ist. • Die Sensibilisierung der Betriebswirtschaftler für Fragen der betrieblichen Energiewirtschaft resultiert schließlich aus den neuen Erkenntnissen, deren Entstehung auf vertrauten Werkzeugen und Techniken beruht und direkt nachvollzogen werden kann. Dem gegenüber stehen die im Folgenden beschriebenen wesentlichen Nachteile der anderen Umsetzungsmöglichkeiten: • Hemmnisse der Umsetzung auf Basis von Kostenarten: − Die Anzahl der Kostenarten ist zunächst beschränkt, da die Kontierung unter 6050 (IKR), ohne Anhängen einer weiteren Ziffer, lediglich 9 Unterkonten (6051..6059) zulässt. Die zusätzliche Ziffer kann Probleme bei der Umsetzung in bestehenden DV-Systemen verursachen, falls diese die Kontennummer als Zahl oder Bezeichnung standardmäßig vierstellig festgelegt haben oder die fünfte Stelle bereits als Kontenunterart vergeben ist [1]. Diese Beschränkung kann die Umsetzung in größeren Unternehmen behindern, da die Anzahl der mit relevantem absolutem Aufwand verbundenen Energieträger zu hoch ist. Diese potentielle Beschränkung sollte schon im Anfang vermieden werden. − Die Verteilung der Kostenarten muss methodisch jeweils als Kostenstellen-Einzelkosten erfolgen. Damit ist die Zurechnung der energierelevanten Nebenkosten nicht mit den bekannten, einfachen Methoden möglich. Darüber hinaus bestehen subjektive Schwierigkeiten,

158

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

z.B. eine Kostenart 6051 (IKR) „Energiebewirtschaftung“ einzuführen, die in der Hauptsache aus Personalkosten, z.B. der Kostenart 6300 (IKR) „Gehälter“, besteht. • Hemmnisse der Umsetzung auf Basis von Kostenträgern: − Kostenträger können nicht nur Produkte, sondern auch beliebige Bezugsobjekte, also auch Leistungen der betrieblichen Energiewirtschaft, sein. Trotzdem ist die Einführung von Dienstleistungs- bzw. Gemeinkostenobjekten als Kostenträger problematisch, da heute die Kostenträgerrechnung im Wesentlichen auf Produkte als Kostenträger ausgerichtet ist. Versorgt eine Unternehmung Dritte mit Energie, so kann der betreffende Energieträger gemeinsam mit allen anderen abzugebenden Produkten als Kostenträger betrachtet werden. Die Berücksichtigung innerbetrieblich verwendeter Energieträger als Kostenträger führt aber durch die Vermischung interner Dienstleistungen mit dem Geschäftszweck der Unternehmung zu sowohl subjektiven als auch objektiven Problemen. Eine Gleichbehandlung aller Energieträger als notwendige Bedingung einer systematischen Energiewirtschaft ist dadurch nicht möglich. − Standardmäßig erfolgt die Kostenzuweisung auf die Kostenträger zweigeteilt. Im ersten Schritt werden die Einzelkosten direkt zugewiesen. Im zweiten Schritt werden die Gemeinkosten über den BAB auf die Endkostenstellen verrechnet und schließlich zeit- oder mengenbezogen auf die Kostenträger verteilt. Der Weg der energierelevanten Kosten über den BAB verhindert durch die Vermischung mit den Gemeinkosten die Möglichkeit zur Zusammenfassung mit den Einzelkosten. Die Verrechnung der energierelevanten Kosten als Einzelkosten würde ihre konkrete Aufteilung schon bei der Kostenentstehung bedingen. Jede Rechnung vom Energieversorger wäre also vor ihrer Zuordnung bereits auf die anderen Kostenträger, also Produkte, aufzuteilen. Dies wäre weder sinnvoll noch standardmäßig abzuwickeln. Durch das in dieser Arbeit zur Umsetzung des Ansatzes bevorzugte Verfahren werden die energierelevanten Kosten kostenstellenorientiert erfasst und ausgewiesen. Energiewirtschaft-Zuschlagssätze beschreiben die Bedeutung der betrieblichen Energieanwendung für die jeweilige Kostenstelle und damit mittelbar für die dort bereitgestellte betriebliche Leistung.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

159

Grundgedanke der Kumulation der energierelevanten Kosten, methodisch in Abschn. 3.2. beschrieben, ist die Verbindung zwischen Energie- und Produktionsfluss. Die Schwerpunkte des betrieblichen Aufwands der Energieanwendung im Produktionsprozess bzw. am Produkt sollen ausgewiesen werden, um sie gezielt optimieren zu können. Diese vollständige, prozessorientierte Kumulation ist mit dem dargestellten (kostenstellenorientierten) Verfahren, von einem Sonderfall abgesehen, nur möglich, wenn: 1. der spezifische Energieverbrauch der einzelnen Fertigungsschritte bekannt ist; 2. ein an den betrieblichen Produktionsfluss angelehntes Verfahren eingerichtet wird, das die spezifischen Verbrauchskosten einschließlich der fertigungsunabhängigen Verbräuche kumulativ bis zum Endprodukt erfasst; 3. kostendeckende interne Verrechnungspreise für jeden Energieträger bereitgestellt werden. Zu 1.: Dies ist Aufgabe einer speziellen betrieblichen Kennzahlenarbeit, auf die an dieser Stelle nur insofern eingegangen werden soll, als dass damit beispielsweise vom Durchsatz abhängige spezifische Energieverbräuche beschrieben werden. Diese sollten für die wesentlichen Fertigungsschritte im Produktionsablauf bekannt sein. Zu 2: Der in Abb. 3.11. dargestellte Ablaufplan ist ein Beispiel, die Verbrauchskosten produktorientiert abzubilden. • In der 1. Ebene werden die Produktionsplanung und der BAB als interne Datenquellen für die Maschineninanspruchnahme (2. Ebene) und die internen Verrechnungspreise (3. Ebene) genutzt. Die Verrechnungspreise werden gemäß der Darstellung zu Punkt III im BAB entwickelt. • Die Messung der Verbrauchsmengen in Produktions- und Nebenanlagen ergänzt die Datenbasis der 2. Ebene. • In der 3. Ebene werden die absoluten Energieverbräuche zur Erstellung des jeweiligen Kostenträgers und die Verrechnungspreise für den Verbrauch der notwendigen Energieträger bereitgestellt und in der 4. Ebene zu den durchsatzabhängigen und vom Durchsatz unabhängigen Energieträgerkosten zur Erstellung der Kostenträger zusammengefasst. • Die Summe beider Kostengrößen beschreibt, differenziert nach Energieträgern, den durch deren Einsatz jeweils verursachten Aufwand (5. Ebene).

160

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• Die Summation über alle Energieträger des Kostenträgers (6. Ebene) führt schließlich zu den kumulierten energierelevanten Kosten des Kostenträgers (7. Ebene). Zu 3: Die Bereitstellung der internen Verrechnungspreise erfolgt bereits implizit in der allgemeinen Umlage der Unterkostenstellen (Punkt 4 der Beschreibung des kostenstellenorientierten Verfahrens), muss aber schrittweise aus dem Ablauf der Kostenstellenrechnung isoliert werden. Nach der vollständigen Erfassung aller zur Bereitstellung eines Energieträgers notwendigen Aufwendungen, konkret beispielsweise nach Verrechnung des Elektrizitäts- und Kaltwasserverbrauchs der Drucklufterzeugung, kann mit dem betrieblichen Gesamtverbrauch des entsprechenden Energieträgers dessen spezifischer Verrechnungspreis bestimmt werden. Empfohlen wird dies standardisiert in zusätzlichen Auswertungszeilen des BAB gemäß Tabelle 3.14. (einzufügende und geänderte Zeilen markiert). Die Erfassung der Kostenarten (oberhalb der Zeile „Summe primäre Gemeinkosten“) und die weitere Umlage der Vorkostenstellen (unterhalb der Zeile „Umlage Energieverbrauch auf andere Vor- und Endkostenstellen“) erfolgt in gewohnter Weise. Die Umlage innerhalb der Kostenstelle Energiewirtschaft erfolgt nur im Rahmen des internen Verbrauchs, was sich vom bisherigen Verfahren der gemeinsamen Umlage auf alle Vorund Endkostenstellen unterscheidet. Durch diese Vorgehensweise können die genauen spezifischen Verrechnungspreise für alle Energieträger auf Basis der energierelevanten Kosten standardisiert zur Verfügung gestellt werden. Ihre Verbindung mit den spezifischen Verbrauchswerten kann analog zur Berechnung der Materialkosten erfolgen: • Berechnung Materialkosten: Als Einzelkosten werden die Materialkosten auf Basis des Mengengerüsts, der Stückliste des Produkts und der im Teilestamm der Produktionsdatenverwaltung abgelegten Preise bestimmt. Für die Vorkalkulation werden Plan- bzw. frühere Preise verwendet, für die Auftragskalkulation gegebenenfalls konkrete Angebotspreise und für die Nachkalkulation die bezahlten Preise, womit die Angaben in den Stammdatensätzen der Produkte (Teilestamm) für die Zukunft korrigiert werden können. Daraus abgeleitete Berechnung der kumulierten energierelevanten Kosten: Ablage der Verrechnungspreise im Teilestamm und der spezifischen Verbrauchswerte (hier am besten anlagen- bzw. prozessorientiert) in der Stückliste bzw. in einer Ergänzung zum Produktionsplan.

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

161

• Die Variabilität der Verrechnungspreise, insbesondere leitungsgebundener Energieträger, kann analog zur Überarbeitung der Materialpreise berücksichtigt werden. − Bildung der Plan-Verrechnungspreise auf Basis der Umlage erwarteter Leistungs- und Arbeitspreise − Turnusmäßige Aktualisierung der Verrechnungspreise durch Nachkalkulation der tatsächlich in einer Periode entstandenen Kosten und Leistungen der Unterkostenstelle

Produktionsplanung

spezifischer Energieträgerverbrauch der Fertigungsmaschinen

BAB

Maschineninanspruchnahme

Fertigungsbedingter Energieträgerverbrauch der Kostenträger

Energieträgerverbrauch der Nebenanlagen

Energieträger Verrechnungspreis

durchsatzabhängige Energieträgerkosten der Kostenträger

Umlage Nebenverbrauch auf Kostenträger

vom Durchsatz unabhängige Energieträgerkosten der Kostenträger

Energieträgerkosten der Kostenträger Summation über alle Energieträger des Kostenträgers

Kumulierte energierelevante Kosten des Kostenträgers

Abb. 3.11. Ablaufplan der Kumulation der energierelevanten Kosten unter Verwendung spezifischer Verrechnungspreise

162

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

− Kostenstellenausgleich am Ende eines Geschäftsjahres (Standardvorgang der Betriebswirtschaft) über die im Geschäftsjahr ermittelten Verbrauchswerte Durch dieses Vorgehen sind die energierelevanten Kosten nicht nur direkt in den Selbstkosten des Kostenträgers nachzuweisen, sondern erhalten darüber hinaus den erwünschten Charakter von ProduktEinzelkosten. Betrieblich verwendbare Näherungswerte der Verrechnungspreise sollten aus heutiger Sicht nur durch die fallspezifische Vernachlässigung geringer Verbrauchsmengen innerhalb der Kostenstelle Energiewirtschaft ermittelt werden. Der entstehende Fehler muss gering bleiben, so dass die quantitative Bewertung der vernachlässigten internen Verbräuche immer fallspezifisch vorzunehmen und im Zeitverlauf zu verfolgen ist. Die denkbare Vernachlässigung der Energielieferung innerhalb der Vorkostenstelle Energiewirtschaft ist nur zulässig, wenn keine nennenswerte interne Energieumwandlung, z.B. Drucklufterzeugung oder die Wärmebereitstellung in Heizkesseln oder Dampf-Heißwasser-Wärmeübertragern, stattfindet. Anderenfalls ist der Nutzen der detaillierten Kostenbetrachtung fraglich, da die Aufwandsentstehung nicht mehr hinreichend genau abgebildet werden könnte. Am Beispiel der Drucklufterzeugung seien die entstehenden Fehler und Probleme grob in zwei Varianten beschrieben: • Allein durch die Vernachlässigung des Elektrizitätsverbrauchs der Drucklufterzeugung würde an der Unterkostenstelle Elektrizität ein fiktiver und unter Umständen sehr hoher Energieverlust festgestellt. Das hätte einen überhöhten Verrechnungspreis für Elektrizität und einem viel zu geringen für Druckluft zur Folge und würde einen Bruch des Verursacherprinzips bedeuten. • Die Vernachlässigung der internen Lieferung von Elektrizität an die Drucklufterzeugung und gleichzeitige Berücksichtigung desselben Elektrizitätsverbrauchs bei der Bestimmung der Verrechnungspreise für Druckluft führt zur doppelten Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs der Drucklufterzeugung. Die Ermittlung des Verrechnungspreises für Elektrizität auf Basis der Liefermenge außerhalb der Vorkostenstelle Energiewirtschaft bewirkt (wie oben beschrieben) überhöhte Verrechnungspreise für Elektrizität, die bereits im Verrechnungspreis für Druckluft enthalten sind. Gerade in diesem, in der Praxis nicht auszuschließenden Fall wäre das Verursacherprinzip ad absurdum geführt. Der oben erwähnte Sonderfall, in dem die am Produktionsfluss orientierte Kumulation der energierelevanten Kosten bereits durch das Verfahren

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

163

nach Tabelle 3.13. erfolgen kann, liegt vor, wenn die Endkostenstellen der Fertigung den Fertigungsprozess bereits detailliert beschreiben. Die Kumulation erfolgt dann in der Kostenträgerrechnung, wobei lediglich die energierelevanten Kosten der nicht in die Fertigung eingebundenen Kostenstellen (z.B. Verwaltung oder Forschung & Entwicklung) gesondert ausgewiesen werden müssen. Die auf den Kostenträger bezogene Kumulation, in Abb. 3.12. schematisch dargestellt, liefert in diesem Fall Detailaussagen nur für den Fertigungsbereich. Der nicht durchsatzabhängige Teil der energierelevanten Kosten kann nur als Gesamtes betrachtet werden. Hinsichtlich der modernen Kostenrechnungsverfahren wird im Folgenden auf die Ziel- und die Prozesskostenrechnung eingegangen. Auf die Umsetzung mit dem System Dynamics Modell wird verzichtet, obwohl es auf Grund seines simulationsorientierten Ansatzes gut geeignet ist, beliebige nichtlineare Zusammenhänge abzubilden. Sowohl Umfang als auch Umsetzung gingen über den Rahmen und die fachliche, nämlich technische Ausrichtung der vorliegenden Arbeit hinaus, und die Bedeutung für die Praxis ist heute noch gering.

Vom Durchsatz unabhängige energierelevante Kosten aus Endkostenstellen von z.B. Verwaltung oder F & E F1 F2 F3 . . .

Durchsatzabhängige energierelevante Kosten nach Fertigungskostenstellen

Summe energierelevante Kosten

übrige Gemeinkosten

Fn

Einzelkosten

Abb. 3.12. Kumulation der energierelevanten Kosten bei detaillierter Kostenstelleneinteilung

164

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

Die Integration der energierelevanten Kosten innerhalb der Zielkostenrechnung kann grundsätzlich aus der beschriebenen Umsetzung in der Kostenstellenrechnung abgeleitet werden. Der Nutzen der Zielkostenrechnung ist dabei entscheidend abhängig vom Detaillierungsgrad und von der Ausrichtung der Abbildung der einzelnen Kostenfaktoren. Die triviale Fragestellung nach allgemeiner Senkung der betrieblichen Gesamtkosten, deren Grundlage natürlich durch die detailliertere Kostenstelleneinteilung verbessert ist, wird dabei nicht als Bestandteil der Zielkostenrechnung angesehen. Die Zielkostenrechnung befasst sich im Folgenden primär mit den Kostenträger-Selbstkosten und sekundär mit den Kosten der Produktion. Die Wirkungsbereiche können wie folgt charakterisiert werden: • Besteht nur eine verhältnismäßig grobe Einteilung der Endkostenstellen (z.B. nach den wichtigsten Fertigungsverfahren eines Betriebs), so können lediglich die entsprechenden Verantwortungs- bzw. Funktionsbereiche in der Zielkostenrechnung betrachtet werden. • Ist die Detaillierung der Endkostenstellen der Fertigung hoch, so kann bereits die „einfache“ Kostenstellenrechnung den durchsatzabhängigen Teil der energierelevanten Kosten gut der Zielkostenrechnung zugänglich machen. Der nicht vom Durchsatz abhängige Anteil ist dabei nur in der Summe, aber nicht in der Struktur zu betrachten. • Die Kumulation der energierelevanten Kosten auf Basis der spezifischen Verrechnungspreise ermöglicht schließlich die Zielkostenrechnung sowohl hinsichtlich des Fertigungsablaufs als auch der eingerichteten Kostenstellen. Im Rahmen der Prozesskostenrechnung kann die Aufgabe betriebliche Energieversorgung, eingeteilt nach Energieträgern, jeweils als separater Prozess definiert werden. Kostentreiber wäre dabei die Bedarfsanforderung im Fertigungs- oder Nebenprozess, was der Betrachtung spezifischer Verrechnungspreise sehr nahe kommt. Die Änderungen gegenüber dem dargestellten kostenstellenorientierten Verfahren lägen daher stärker im Bereich der klassischen Einteilung der betrieblichen Vorgänge als bei der Betrachtung der betrieblichen Energiewirtschaft. Grundsätzlich kommt die Herangehensweise der Prozesskostenrechnung, in Verbindung mit der Zielkostenrechnung, dem Hintergrund der Betrachtung energierelevanter Kosten, nämlich der betriebswirtschaftlich stärkeren Position und Optimierung der betrieblichen Energieanwendung, am nächsten. Für den bereits durch die kostenstellenorientierte Summation der energierelevanten Kosten sensibilisierten Betriebswirtschaftler lassen sich die entscheidenden Informationen auch bereits aus der Nutzung der klassi-

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

165

schen Verfahren ableiten. Die in [19] vermissten Anhaltswerte zur Aufschlüsselung der betrieblichen Energiekosten wurden dargestellt, so dass die Brücke zwischen Technik und Ökonomie in der betrieblichen Energiewirtschaft begangen werden kann.

3.4. Bewertung der praktischen Relevanz im Unternehmen Der Nutzen des Ansatzes der energierelevanten Kosten wurde mit den dargestellten Beispielen für verschiedene, jeweils charakteristische Unternehmen umfassend dargestellt. Das Ausmaß der festgestellten Veränderungen der betrieblich ausweisbaren Energiekosten lässt plausibel erscheinen, dass die Kosten des Energieträgerbezugs als alleinige Basis zu Fehlinterpretationen und damit Fehlentscheidungen führen können bzw. führen. Wie sonst ist zu erklären, dass z.B. Contracting-Firmen mit Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Gewinn erwirtschaften, obwohl der eigentliche Nutzer der Maßnahme diese für sich unter Umständen als nicht wirtschaftlich bewertet hat [17]. Wichtig für die Durchsetzung des neuen Ansatzes in der Praxis ist die möglichst einfache Beurteilung seiner praktischen Relevanz durch betriebliche Entscheidungsträger oder deren Beauftragte, ohne dass bereits tief in die Zusammenhänge der betrieblichen Energiewirtschaft eingestiegen werden muss. Es gilt, neben der in Abschn. 3.3. nachgewiesenen praktischen Anwendbarkeit, den Nutzen des neuen Ansatzes bzw. das Ausmaß der bisher vorgenommenen Fehlinterpretation abzuschätzen und jeweils unternehmensindividuell, d.h. subjektiv zu bewerten, ob eine detailliertere Untersuchung der energierelevanten Nebenkosten sinnvoll ist. Das Problem der Sensibilisierung der Ökonomen für die betriebliche Energiewirtschaft kann dabei in trivialer Form auf die Phrase reduziert werden: Überzeugung eines zunächst Unbeteiligten (des Ökonomen), dass die Auseinandersetzung mit einem Problem (den Energiekosten) lohnt, obwohl man dieses aus der eigenen Sichtweise bisher nicht als solches erkennt. Die Möglichkeit der schon „fast heimlichen“ Analyse der vertrauten Zahlen ist dafür ein wichtiges strategisches Hilfsmittel. Die Bewertung erfolgt getrennt nach den allgemeinen Wirkprinzipien des Ansatzes der energierelevanten Kosten und nach der speziellen Situation des Unternehmens. Die Datengrundlage dieser ersten Schritte der Sensibilisierung betrieblicher Entscheidungsträger ist im Wesentlichen qualitativ und subjektiv. Quantitative Daten sollten, soweit benötigt und verfügbar, auf die letzte Wirtschaftsperiode (z.B. Geschäftsjahr) bezogen werden. Konkrete quantitative Aussagen über die zu erwartenden kalkula-

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

torischen Veränderungen sind in diesem Stadium der Beschäftigung mit dem Ansatz der energierelevanten Kosten nicht zu erwarten, da sie in der Regel bereits genauere Analysen erfordern. Der Nutzen des damit verbundenen zusätzlichen Aufwands kann zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht eingeschätzt werden. 3.4.1. Allgemeine Wirkprinzipien Die allgemeinen Erkenntnisse aus der Betrachtung energierelevanter Kosten setzen an verschiedenen Stellen im Unternehmen an. Grobe qualitative Aussagen können mit den Unternehmenszielen bezüglich der internen Kostentransparenz und betrieblichen Reaktionsfähigkeit in Bezug gesetzt werden. Die charakteristischen Wirkungen auf die im Unternehmen bewirtschafteten Energieträger und technischen Medien bereiten den nicht technisch ausgebildeten Betrachter bereits auf die spezifische Bewertung des konkreten Unternehmens vor, um den Blick für die genauere Betrachtung zu schärfen. Der Ansatz der energierelevanten Kosten führt, wie bereits an anderer Stelle dargestellt, durch die differenzierte Betrachtung zu folgenden allgemeinen Ergebnissen: • Verbesserte Transparenz der betrieblichen Aufwandsentstehung. • Erhöhung der Einzelkosten und gleichzeitige Verringerung der Gemeinkosten bei konstanten Gesamtkosten. • Verbesserung der Basis zur Produktkalkulation. • Steigerung der Reaktionsfähigkeit auf interne und externe Faktoren im Bereich der Energieversorgung und -anwendung. • Möglichkeit zur analytischen Optimierung der betrieblichen Energiewirtschaft, als ein Bereich, der bisher unter Umständen den Gemeinkosten zugeschlagen wird. Entsprechen diese Punkte Teilen der Unternehmensziele, so ist der Ansatz der energierelevanten Kosten ein wirksames Werkzeug, diese zu unterstützen. Mit Blick auf die betriebliche Energiewirtschaft ist festzustellen, dass die kalkulatorischen Effekte insgesamt in Abhängigkeit von der Energieintensität der Produktion einerseits und sowohl von Umfang als auch Qualität der betrieblichen Energiewirtschaft andererseits schwanken. Im Einzelnen (auf die Energieträger bezogen) sind die energierelevanten Nebenkosten abhängig von der betriebsinternen Behandlung der bezogenen Energieträger und technischen Medien. Die im Folgenden dargestellte

3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement

167

charakteristische Einordnung [6] ist geeignet, aus der allgemeinen Wirkung Aussagen bezüglich der konkreten betrieblichen Situation abzuleiten. • Hohe energierelevante Nebenkosten bei: − Hoher Energieintensität einzelner Produktionsprozesse − Betrieb alter Umwandlungs- und Verteilanlagen − Änderung der EnergieART Beispiele dazu sind: − Wärmeerzeuger Umwandlung von chemischer in thermische Energie − (Block-) Heizkraftwerke Umwandlung von chemischer in thermische und elektrische Energie − Druckluftanlagen Umwandlung von elektrischer in potentielle Energie − Klimaanlagen Bereitstellung von Klima durch hauptsächlich Strom Hauptfaktoren sind dabei die kapital- und betriebsgebundenen Kosten, wobei hier Anlagen zur Wärmerückgewinnung (z.B. Wärmepumpen oder Rekuperatoren) eine gewisse Sonderstellung einnehmen. Als Anlagen zur Anfallenergienutzung sind sie heute in der Regel schon, z.B. im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsrechnung eines Investitionsprojekts, vollständig monetarisiert. Damit stehen sie, bei ansonstiger Vernachlässigung der energierelevanten Nebenkosten, in einem ungerechten Wettbewerb zu den konkurrierenden Energieträgern. • Mäßige energierelevante Nebenkosten bei: − Änderung der EnergieQUALITÄT Beispiele dazu sind: − Wärme-Übertragerstationen Absenkung des Temperaturniveaus − Trafostationen einschließlich Schaltanlagen Änderung des Spannungsniveaus Drosseleinrichtungen zur Absenkung des Drucks in z.B. Dampf- oder Druckluftnetzen sind hier nur indirekt zu nennen, da sie mit verhältnismäßig geringem anlagen- und betriebstechnischem Aufwand arbeiten. Der über den eigentlichen Drosselaufwand weit hinausgehende Aufwand ist der unnötige Energieeinsatz in vorgeschalteten Anlagen (Dampferzeuger oder Verdichter) zur Bereitstellung der an dieser Stelle zu hohen Medienparameter.

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• Geringe energierelevante Nebenkosten bei: − DURCHLEITUNG von Energie, was in der Regel nur kleinere betriebliche Netze ohne Schalt- bzw. Umwandlungsanlagen betrifft. Über diese grundsätzlichen Zusammenhänge kann, ausgehend von der Aufteilung in Abschn. 3.2. folgende Klassifizierung bezüglich der Größenordnung der energierelevanten Kosten vorgenommen werden. Relative Veränderungen sind jeweils bezogen auf die Energie-Bezugskosten der bewirtschafteten Energieträger, die zu 100% gesetzt werden. • Anstieg der ausweisbaren Energiekosten unterhalb 5 %: Energieträger, die ohne interne Umwandlung den Verbrauchern zugeführt werden. • Anstieg der ausweisbaren Energiekosten unterhalb 50 %: Leitungsgebundene Energieträger wie z.B. Strom und Trinkwasser, die mit geringem Aufwand für Umwandlung und Verteilung den Verbrauchern zugeführt werden können. • Anstieg der ausweisbaren Energiekosten von mehreren hundert Prozent: Für intern umgewandelte oder erzeugte Energieträger mit weit verzweigten Netzen und vielen bzw. teuren Umwandlungsanlagen, zu nennen sind z.B. Druckluft, Dampf und Betriebswasser. • Anstieg der ausweisbaren Energiekosten von mehreren tausend Prozent: Hierunter sind generell Energieträger und technische Medien zusammenzufassen, deren monetäre Bewertung auf Basis der Bezugskosten wesentliche Kostenkomponenten unberücksichtigt lässt, beziehungsweise die im betrieblichen Rechnungswesen völlig vernachlässigt werden. Beispiele sind: − Drucklufterzeugung Vernachlässigung des Elektrizitätsbedarfs der Verdichter. − Bereitstellung von Brauchwasser aus eigenen Brunnen Vernachlässigung des Elektrizitätsbedarfs der Pumpen, der Wasseraufbereitung und -verteilung. − Stickstoffbereitstellung Ausweis der Kosten für externen Bezug für Havarie- und Wartungsfälle bei überwiegend Eigenerzeugung von Stickstoff unter Einsatz von Elektrizität.

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Auch bei teilweise dramatisch hohen Anteilen der energierelevanten Nebenkosten muss hinsichtlich ihrer Wirkung für das Unternehmen als ganzes immer deren absolute Höhe berücksichtigt werden. Ab einer gewissen Untergrenze, die innerhalb eines jeden Unternehmens selbst festgelegt werden muss, ist die differenzierte Betrachtung betriebswirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Ausgehend von diesen charakteristischen Wirkungen der energierelevanten Kosten kann die – nach wie vor sehr von der subjektiven Empfindung des Betrachters geprägte – Beurteilung der unternehmensspezifischen Situation erfolgen. 3.4.2. Die spezielle Situation des Unternehmens Ziel dieser Betrachtung ist, mit dem bereits geschärften Blick auf die Komponenten der energierelevanten Nebenkosten, zu beurteilen, ob die Detailbetrachtung nach dem Ansatz der energierelevanten Kosten sinnvoll und lohnenswert ist. Schwerpunkte der Betrachtung sind die Bereiche: • Betriebsgröße • Status, Umfang und Organisationsform der betrieblichen Energiewirtschaft • Energieträger-Bezug • Energieverbrauch • Energiekosten-Verrechnung • Innere und äußere Rahmenbedingungen Kritisch ist an jedem dieser Punkte die Gratwanderung der Subjektivität. Zu diesem Zeitpunkt – vor dem bewussten Einstieg in die differenzierte Betrachtung der Kosten der betrieblichen Energieanwendung – besteht leider nicht die Möglichkeit, auf konkrete Zahlen zurückzugreifen. Diese liegen zwar vor, doch wenn sie für die Untersuchung zur Verfügung stünden, wäre dieser Schritt des Herantastens und der Sensibilisierung bereits vollzogen. Die im Folgenden genannten Fragen zu den einzelnen Bereichen sind, sofern möglich, sowohl auf einzelne Energieträger als auch auf die gesamte betriebliche Energiewirtschaft zu beziehen. Im Einzelnen wird dies nicht mehr explizit erwähnt. Antworten mit „ja“ oder „am ehesten ja“ weisen auf, zumindest in der Energieträger-Betrachtung, signifikante energierelevante Nebenkosten hin, abweichende Interpretationen sind gegebenenfalls gekennzeichnet.

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Können Fragen nicht beantwortet werden, so ist das ein Hinweis darauf, dass die grundsätzlichen Zusammenhänge der betrieblichen Energiewirtschaft nicht in ausreichendem Maß bekannt sind, dass die Abbildung der betrieblichen Energiewirtschaft im Rechnungswesen unzureichend ist. Tritt dies gehäuft auf, so ist mit signifikanten Fehlern der internen Verrechnung der Energie- und energierelevanten Kosten zu rechnen, so dass die Detailanalyse wichtige neue Erkenntnisse verspricht. • Fragenkomplex BETRIEBSGRÖßE: Hier sind insbesondere Faktoren von Bedeutung, die auf weit verzweigte und/oder schlecht an den aktuellen Bedarf angepasste Versorgungsnetze sowie im Energiebedarf stark voneinander abweichende Produktionsaufgaben abzielen. Dies sind jeweils Indikatoren für höhere energierelevante Kosten. Fragen sind z.B.: − Erstreckt sich der zu versorgende Standort über eine große Fläche und besteht er aus einer Vielzahl von Gebäuden bzw. Energie verbrauchenden Anlagen im Außenbereich? − Arbeiten im Unternehmen viele Mitarbeiter, insbesondere solche, die über den Einsatz von Produktionsanlagen entscheiden, ohne dass sie entsprechend über die Auswirkung auf die Energiekosten des Unternehmens und die internen Zusammenhänge der betrieblichen Energiewirtschaft informiert sind? − Wurden seit Konzeption, Aufbau und gegebenenfalls Umstrukturierung der betrieblichen Energiebewirtschaftung große Veränderungen des betrieblichen Versorgungsgebiets oder der Produktionskapazitäten vorgenommen? − Sind Produktion und Betrieb des Unternehmens in mehrere voneinander unabhängige Produktionsabteilungen gegliedert? Fragenkomplex STATUS, UMFANG UND ORGANISATIONSFORM DER BETRIEBLICHEN ENERGIEWIRTSCHAFT: In diesem Bereich fallen die eigentlichen energierelevanten Nebenkosten an. Er grenzt sich zum Fragenkomplex der Betriebsgröße insofern ab, als dass hier klare Aussagen zur Organisations- und Versorgungsstruktur sowie zur Komplexität der Energiebewirtschaftung notwendig sind. Fragen sind z.B.: • Liegt die betriebliche Energiebewirtschaftung im Verantwortungsbereich einer Mischabteilung (z.B. Geschäftsführung, Betriebstechnik oder Umwelt)?

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• Ist die Energiebewirtschaftung bei den dafür verantwortlichen Mitarbeitern hauptsächlich von untergeordnetem Rang gegenüber anderen betrieblichen Aufgaben? • Fehlt den für die Energiebewirtschaftung verantwortlichen Mitarbeitern die fachspezifische Ausbildung? • Ist Personal konkret mit Planung, Beschaffung, Umwandlung und Verteilung von Energie und technischen Medien betraut, einschließlich der Wartung der entsprechend notwendigen Anlagen? • Fehlen im Unternehmen Mitarbeiter, die sich konkret mit der Auswertung der Energiekosten und -verbräuche bzw. dem Energie - Controlling beschäftigen? • Werden mehrere Verteilnetze für unterschiedliche, ähnliche oder auch gleiche Energieträger betrieben? • Werden für eine Energieträger-Art (z.B. Dampf, Heißwasser oder Druckluft) mehrere Verteilnetze mit unterschiedlichen Parametern betrieben? • Werden zur Bereitstellung eines Energieträgers mehrere Umwandlungsanlagen betrieben? • Wird eine große Anzahl von Anlagen zur Energieumwandlung und verteilung eingesetzt? • Sind die zur Energieumwandlung und -verteilung eingesetzten Anlagen alt und damit zumindest moralisch verschlissen? • Werden Strom und Wärme im Unternehmen selbst erzeugt? • Bestehen für leitungsgebundene Energieträger, wie z.B. Fernwärme oder Erdgas, gegebenenfalls auch für Strom, abschaltbare Bezugsverträge?17 Fragenkomplex ENERGIETRÄGER-BEZUG: Die in diesem Bereich anfallenden Zahlungen sind als Kosten der jeweils aktuellen Wirtschaftsperiode in der Regel abgebildet. Fragen der internen Verrechnung sind gesondert zu betrachten, so dass hier nur geringer Informationsbedarf besteht, z.B. nach: • Werden die Kosten für den Bezug der Energieträger als zu hoch empfunden? • Kann ein Großteil der bezogenen Energieträger nicht direkt eingesetzt werden, sondern muss gelagert und/oder umgewandelt werden? 17

Die Nutzung dieser Sondervertragsart bedingt, bei günstigeren Bezugspreisen, erhöhten Aufwand innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft, da Abschaltzeiten verwaltet und überbrückt werden müssen.

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• Werden die Kosten für im Betrieb eingesetzte technische Medien sowie Wasserbezug bzw. -förderung und Abwassereinleitung unter dem Stichwort „Energieträger-Bezug“ vernachlässigt? Fragenkomplex ENERGIEVERBRAUCH: Hier werden besonders die Gleichmäßigkeit des Verbrauchs und seine Änderungen gegenüber dem Planungs- oder Revisionszustand des betrieblichen energetischen Systems betrachtet. Beides hat gegebenenfalls nachteilige Auswirkungen auf die Effizienz der Erzeugungs- und Verteilanlagen. Fragen sind z.B.: • Bestehen über die einzelnen Energie verbrauchenden Anlagen große Unterschiede im Verbrauch der bezogenen und umgewandelten Energieträger? • Sind gegenüber dem Zeitpunkt von Konzeption und Aufbau des betrieblichen energetischen Systems deutliche Änderungen des Gesamtverbrauchs sowie des Verbrauchs einzelner Betriebsbereiche oder Anlagen aufgetreten? Fragenkomplex ENERGIEKOSTEN-VERRECHNUNG: Im Mittelpunkt steht hier die Konsistenz der internen Verrechnung, sowohl bezogen auf die Kosten des Energieträger-Bezugs als auch auf die energierelevanten Kosten. Fragen sind z.B.: • Sind die als Energiekosten des Unternehmens z.B. im Betriebsabrechnungsbogen oder im Jahresabschluss ausgewiesenen Kosten kleiner als die Summe der Kosten für den Bezug von Energieträgern und technischen Medien? • Sind die Kosten für den Bezug von Energieträgern und technischen Medien die einzige Basis für die interne Verrechnung der Energiekosten? • Sind für die Energiebewirtschaftung und die wesentlichen im Betrieb bewirtschafteten Energieträger eigene Vorkostenstellen eingerichtet? • Erfolgt die Umlage der Energiekosten auf Basis allgemeiner Umlageschlüssel und nicht an Hand des gemessenen Energieverbrauchs der einzelnen Verbraucher? Fragenkomplex INNERE UND ÄUßERE RAHMENBEDINGUNGEN: In diesem Bereich erfolgt die durch den jeweiligen Betrachter subjektiv vorzunehmende Gesamteinschätzung der eigenen Situation innerhalb der Umgebung. Fragen sind z.B.:

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• Sind Energieverbrauch, Ressourcenschonung und/oder rationelle Energieverwendung beziehungsweise Steigerung der Energieeffektivität im Unternehmensleitbild oder in den Unternehmenszielen verankert? • Wird das Unternehmen nach EU Öko-Audit zertifiziert? • Wird die Kostenstruktur des Unternehmens als stark von den Energieträger-Preisen, oder gar den Preisen nur einzelner Energieträger, abhängig eingestuft?

3.5. Optimierung der energierelevanten Kosten Der hauptsächliche Nutzen einer differenzierten Darstellung liegt in der Auswertung der daraus gewonnenen neuen Erkenntnisse, in der positiven Veränderung und Idealerweise auch in der Optimierung des abgebildeten Systems. Welche Rolle spielt nun die differenzierte ökonomische Abbildung der betrieblichen Energiewirtschaft mit Hilfe der energierelevanten Kosten hinsichtlich einer Optimierung zur Erfüllung der angestrebten Unternehmensziele? Welche Grenzen bestehen, welche neuen Möglichkeiten werden eröffnet, wo ist anzusetzen, um diese auszuschöpfen? Diesen Fragen wird im Folgenden nachgegangen. Ein Verfahren zur Optimierung soll im mathematischen Sinn das Minibzw. Maximum einer Zielgröße in Abhängigkeit der diese beeinflussenden Variablen ermitteln, wobei unter Umständen eine Vielzahl möglicher Rand- und Nebenbedingungen einzuhalten sind. Bezüglich der Kosten der betrieblichen Energiewirtschaft stehen eine Vielzahl von Einflussmöglichkeiten zur Verfügung, um den Gesamtzusammenhang sowohl technisch als auch wirtschaftlich zu optimieren. Bei Berücksichtigung aller Wechselwirkungen zwischen den Kosten der betrieblichen Energiewirtschaft und des Gesamtbetriebs wird deutlich, dass die Zahl der Variablen und einzuhaltenden Bedingungen unüberschaubar wird. Als Beispiel möglicher Auswirkungen von Faktoren der betrieblichen Energiewirtschaft auf die Gesamtkosten des Unternehmens seien die Bezugstarife oder die Volllast-Benutzungsstunden genannt. Zur Annäherung des Kostenoptimums der betrieblichen Energiewirtschaft wäre unter diesen Gesichtspunkten die Verlagerung der Arbeitszeiten angezeigt, was z.B. in direktem Zusammenhang mit der Produktionsplanung und den Personalkosten der Produktionsabteilungen steht. Die Optimierung des Gesamtsystems, abgebildet in einer BetriebsKosten-Funktion, wird also bezüglich der betrieblichen Energiewirtschaft zu einem suboptimalen Ergebnis führen. Die bloße Tatsache der wissenschaftlichen Abbildungs- und Optimierungsmöglichkeit dieser Betriebs-

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Kosten-Funktion darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass sie in der betrieblichen Praxis keinen Bestand haben würde. So wenig wie heute, bezogen auf die betriebliche Energiewirtschaft, der Lastverlauf auch nur eines Energieträgers unter realen Produktionsbedingungen zu 100 % vorgegeben und ausgeregelt werden kann, so wenig können auch die betrieblichen Kosten im Tagesgeschäft optimiert (d.h. minimiert) werden. Zu groß wäre der Aufwand, zu vielfältig die stochastischen Störgrößen und zu ineffektiv das Ergebnis. Damit besteht aus Sicht der praxisorientierten energiewirtschaftlichen Forschung kein Bedarf an Kostenmodellen zur vollständigen ökonomischen Optimierung der betrieblichen Energiewirtschaft. Das darf aber keineswegs davon abhalten, die wesentlichen Rahmenparameter zu betrachten, zu beeinflussen und schließlich das Gesamtsystem einem optimalen Ergebnis näher zu bringen. Dies wird in der Praxis vielfach mit großem Erfolg über auf Modellierung und Simulation gestützte Variantenbetrachtungen realisiert [24]. Durch den Ansatz der energierelevanten Kosten können im Unternehmen die Orte der Aufwandsentstehung und des Leistungsverzehrs innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft und -anwendung klar beziffert werden. Eine entsprechende Prioritätenliste ist die Grundlage eines Handlungsplans zur Detailanalyse und technisch-wirtschaftlichen Optimierung von Einzelprozessen. Dazu liefert die Kumulation der energierelevanten Kosten, ähnlich wie die Kostenträgerrechnung hinsichtlich der Gesamtkalkulation, entweder für jeden Energieträger einen kleineren Anteil oder bei Gesamtbetrachtung einen Summenwert der energierelevanten Kosten an den Herstellkosten. Die energierelevanten Kosten sind dadurch, wie auch z.B. die Einzelkosten der Fertigung oder des Materials, in den ProduktEinzelkosten ausweisbar und im Umkehrschluss für die Verfolgung betrieblicher (Optimierungs-) Ziele nutzbar. In einem Unternehmen können darüber hinaus die Auswirkungen von Änderungen sowohl der bezogenen Energieträger oder eingesetzten Umwandlungsanlagen (Beispiele für interne Faktoren), als auch der Energiepreise bzw. Energiesteuern (externe Faktoren) direkt in den KostenträgerEinzelkosten quantifiziert werden. Gewinnmarge und Deckungsbeitrag der Produkte können schon im Vorfeld bewertet und betriebliche Optimierungsmaßnahmen (hier am ehesten technische Einzelmaßnahmen) frühzeitig vorbereitet werden. Eine Notwendigkeit, die in der aktuellen Diskussion über Energiesteuern, Emissionsabgaben und Liberalisierung der Märkte stärker in das Bewusstsein der betrieblichen Entscheidungsträger rückt. Im Hinblick auf die Optimierung einer Betriebs-Kosten-Funktion bestehen neben den energiewirtschaftlichen Faktoren noch fast beliebig viele

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weitere Einflussfaktoren und -möglichkeiten zur Optimierung. Wesentliche Auswahlkriterien sind dabei die zu unterstützenden Ziele der sowohl operativen als auch strategischen Planung. Letzteres ist der realen Situation der betrieblichen Energiewirtschaft als Infrastrukturaufgabe am ehesten angemessen. Beides soll im Folgenden, ausschließlich bezogen auf Aspekte der energierelevanten Kosten, betrachtet werden. 3.5.1. Optimierungsziele im Rahmen der strategischen Planung Aufgaben der strategischen Planung orientieren sich an langfristig angestrebten, eher abstrakt formulierten und hoch aggregierten Zielen [1] für das Gesamtunternehmen aber auch für einzelne Teilbereiche, z.B. die betriebliche Energiewirtschaft. Ergebnisse der strategischen Optimierung schlagen sich in der Hauptsache in den Fixkosten und dem allgemeinen Niveau der verbrauchs- und betriebsgebundenen Kosten nieder. Strategische Ziele, die betriebliche Energiewirtschaft betreffend, können sein: − Stärkung der Einkaufsmacht Umstellung des Energieträger-Bezugs-Portfolios und Konzentration der bezogenen Energieträger-Arten. − Risikominderung in der Beschaffung Umstellung des Energieträger-Bezugs-Portfolios und Diversifizierung der bezogenen Energieträger-Arten. − Verringerung des Fixkostenanteils der internen Verrechnungspreise. − Vergleichmäßigung des Bezugs leitungsgebundener Energieträger. − Einführung eines Energie-Controlling-Systems zur kontinuierlichen Verbrauchs- und Kostenverfolgung. − Ausbau der Eigenversorgung durch z.B. KWK-Anlagen. − Umstellung des betrieblichen Rechnungswesens auf Bestimmung der energierelevanten Kosten. − Senkung der Energieträger-Bezugskosten beziehungsweise der energierelevanten Kosten z.B. um 15 % bezogen auf die Produktions- und Marktsituation des letzten Geschäftsjahres. − Verringerung der Energieverluste z.B. um 20 % gegenüber dem letzten Geschäftsjahr. Auch wenn viele der strategischen Ziele nicht konkret gefasst sind, so können bereits aus diesen beispielhaft genannten technisch-wirtschaftlichen Zielen die charakteristischen Variablen der strategischen Optimierung dargestellt werden. Als notwendige Bestandteile eines betriebli-

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chen Energiekonzepts, der Grundvoraussetzung einer energiewirtschaftlichen Optimierung, sind folgende strategischen Variablen zu nennen: • Grundsätzliche Auswahl der zu beziehenden und intern herzustellenden Energieträger, jeweils in Art und Qualität. • Umwandlungsbedarf und -aufwand innerhalb der betrieblichen Energiewirtschaft. • Strukturen der betrieblichen Verteilnetze • Transportverluste der Leitungsnetze • Nötige und mögliche Sanierungsmaßnahmen • Investitionsbereitschaft und Kapitalverfügbarkeit • Anlagenauswahl sowohl im Bereich der betrieblichen Energiewirtschaft als auch bei den Produktions- und Nebenanlagen. • Bewirtschaftungsaufwand der Umwandlungsanlagen. Eine Investition verursacht über die Nutzungsdauer der Anlage Abschreibungen. Durch z.B. eine höhere Investition in eine effektivere Anlage sinken sowohl die Personal- als auch die Energie-Bezugskosten bei gleichzeitig höheren Abschreibungen, was insbesondere für den Vergleich mit dem Ist-Zustand aber auch den mit einer „Billigvariante“ ermöglicht. Die Optimierungsspielräume zwischen den einzelnen Kostenkomponenten sind schematisch in Abb. 3.2. zu erkennen, wobei als wesentliche Randbedingungen die Vorgaben des Energiebedarfs aus der Produktion zu berücksichtigen sind. Grundlage der Verfolgung strategischer Ziele ist die Betrachtung längerer Perioden, so dass eine direkte Prozesskopplung im Sinne einer kontinuierlichen Datenerfassung nicht notwendig ist. Eingangsdaten sind z.B. Angaben über die erwartete grundsätzliche Preisentwicklung am Energiemarkt, die Absatzkurve der eigenen Produkte, die Veränderungen des Produktionsprofils, aber auch der subjektiv zu bewertenden Flexibilitätsbedarf des Unternehmens. Sensitivitätsanalysen beschreiben das Systemverhalten bei Veränderung einzelner Variablen und bilden damit eine wichtige Grundlage der operativen Planung. Der Einsatz von Optimierungsverfahren in der strategischen Planung ist in der Praxis wenig verbreitet [1], da diese Aufgaben nicht kontinuierlich bearbeitet werden. Die Abgrenzung der strategischen Optimierung zum einfachen Variantenvergleich (siehe oben) ist unscharf, ihre Ergebnisse fließen in der Regel direkt in die Investitionsplanung des Unternehmens ein.

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3.5.2. Optimierungsziele im Rahmen der operativen Planung Im operativen Tagesgeschäft werden die Vorgaben der strategischen Planung durch konkrete Ziele und detailliert dargestellte Maßnahmen umgesetzt [1]. Die Bandbreite der notwendigen Entscheidungen geht von der mittelfristigen Beschaffungsplanung bis zur kurzfristigen Einsatzplanung zur Befriedigung des aktuellen Bedarfs an Art, Qualität und Menge der einzelnen Energieträger. Der Optimierungsspielraum liegt hauptsächlich im Bereich der betriebstechnischen Größen, deren Beeinflussung sich direkt in den verbrauchs- und betriebsgebundenen Kosten niederschlägt. Ziele der operativen energiewirtschaftlichen Planung sind z.B.: − Niedrige Kosten des Energieträger-Bezugs. − Niedriger bzw. begrenzter Leistungsbedarf leitungsgebundener Energieträger. − Geringe Aufwendungen bei Umwandlung, Speicherung, Verteilung und Anwendung. Das betrifft insbesondere die Bereiche Energieverluste, Personaleinsatz, Anlagenverschleiß. − Geringe Umweltbeeinflussung, einschließlich der Störung des allgemeinen betrieblichen Ablaufs. − Optimierung der zeitlichen Auslastung der Produktionsmittel − Optimierung der Kapazitäts-Auslastung der Produktionsmittel Die resultierenden Variablen der operativen Entscheidungsfindung sind damit im Rahmen der Möglichkeiten des strategischen Energiekonzepts z.B.: • Auswahl des Einzusetzenden (Einsatz-)Energieträgers • Wahl und Einschaltdauer der einzusetzenden Umwandlungsund Verteilanlagen. • Versorgungsweg innerhalb der betrieblichen Netze • Zeitpunkt und Dauer von Wartungs- und Revisionsarbeiten. • Bei umfassender Vernetzung mit dem Produktionsbereich auch Auswahl der für die momentane Aufgabe energieeffizientesten Produktionsanlage. Die effektive operative Optimierung sollte im Rahmen eines integrierten Energiemanagement-Systems, eng gekoppelt mit der Produktionsplanung durch ein PPS-System, erfolgen. Viele der Eingangsparameter sind identisch, und nur durch diese Koppelung kann der Gesamt-Energiebedarf gut prognostiziert und die Summe der Produktionsabläufe (auch) auf den Energie- und Energieträgerbedarf abgestimmt werden.

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Anhang 3.1. Begriffe der betrieblichen Kostenrechnung Zur Überwindung der oftmals auftretenden Kommunikationsprobleme zwischen Technikern und Ökonomen werden im Folgenden verschiedene Begriffe der Kostenrechnung definiert [1, 23, 24]. Für manche Begriffe und Analogien bestehen innerhalb der Industriebetriebslehre unterschiedliche Bedeutungen, auf die in dieser technisch orientierten Arbeit jedoch nicht eingegangen wird, was die Notwendigkeit der Begriffsdefinition unterstreicht. • Aufwand: Sämtlicher in Geld bewerteter, leistungsbezogener Verbrauch von Gütern und Dienstleistungen innerhalb einer Abrechnungsperiode. Aufwand umfasst nicht nur die Kosten einer Periode, sondern sowohl Kosten anderer Perioden, sofern die damals bezahlten Güter und Leistungen erst in dieser Periode verbraucht werden, als auch sämtliche darüber hinausgehende sog. Zusatz- oder Anderskosten. • Ausgabe Siehe auszahlungswirksame Kosten • Beschäftigung: Auch Kapazitätsauslastung oder Beschäftigungsgrad genannt, beschreibt das Ausmaß der Nutzung der betrieblichen Ressourcen (Kapazitäten), wie z.B. Arbeitskraft, Maschinenstunden, Gebäude oder Wissen. • Betriebsabrechnungsbogen (BAB): Durch die tabellarische Verteilung der Kostenarten auf die Kostenstellen und anschließende Verrechnung der Vorkostenstellen auf die Endkostenstellen ist der BAB das Kernstück der Kostenstellenrechnung als betriebliche Periodenrechnung. Tabelle 3.11 zeigt den prinzipiellen Aufbau des mehrstufigen BAB in der Entwicklung bis zur Bestimmung der Gemeinkosten-Zuschlagssätze. • Kostenrechnung: Im weiteren Sinn umfasst sie allgemein die rechnerische Gegenüberstellung von Kosten und Leistungen innerhalb einer Periode, ergänzt durch die kalkulatorische Vermögens- und Kapitalrechnung. Wesentliche Bestandteile sind die Kostenarten-, Kostenstellen- und Kostenträgerrechnung. • Kosten: In Geld bewerteter, betriebsbedingter Verbrauch von Gütern und Dienstleistungen innerhalb einer Abrechnungsperiode. Kosten sind qualitative und quantitative Rechengrößen und ein dynamischer, immer zeitraumbezogener Wertbegriff, verbunden mit der Verfolgung der be-

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trieblichen Wirtschaftsziele. Die Abgrenzung zum Aufwand erfolgt durch die Betrachtung des konkreten Zahlungszeitpunkts. Die Anschaffung von Lagerware für ein bestimmtes Wirtschaftsziel verursacht Kosten in der Periode, in der sie bezahlt wird und Aufwand in den Perioden, in denen man sie verbraucht. − Anderskosten: Kosten, die bilanztechnisch und kalkulatorisch „anders“ bewertet werden (z.B. Differenz zwischen anschaffungs- und wiederbeschaffungsbezogener Abschreibung). − Auszahlungswirksame Kosten: Auch liquiditätswirksame Kosten genannt, beschreiben die variablen Kosten und die Teile der Fixkosten, die konkret ausgezahlt werden (z.B. Löhne und Gehälter). nicht - auszahlungswirksame Kosten sind die restlichen Fixkosten (z.B. Abschreibungen). − Einzelkosten: Auch als Kostenträger-Einzelkosten oder Stück-Einzelkosten bezeichnet, beschreiben die direkt einem Kostenträger (z.B.: Produkt, Leistung oder Tätigkeit) zuzuordnenden Kosten. − Fixe Kosten: Auch Fixkosten genannt, zeitbezogene, beschäftigungsunabhängige Einzel- und Gemeinkosten, die innerhalb eines Zeitraums nicht oder nur schwer beeinflussbar und weder ganz noch teilweise abzubauen sind. − Gemeinkosten: Auch Kostenträger-Gemeinkosten oder Stück-Gemeinkosten, beschreiben die Kosten für Güter oder Leistungen, die durch verschiedene Kostenträger genutzt werden, im BAB zusammengestellt und auf einzelne Kostenstellen verteilt werden. − Kalkulatorische Kosten: Nicht erfolgswirksame Kosten für z.B. die Nutzung eigener Gebäude oder Anlagen, die sich aber auf die Preisgestaltung (Kalkulation) der Unternehmung auswirken. − Primäre Kosten: Direkt einer betrieblichen Leistung zuzuordnende Kosten; als Gemeinkosten werden sie direkt einer Kostenstelle (dem Ort der Kostenentstehung), als Einzelkosten direkt dem Kostenträger zugeordnet. − Sekundäre Kosten: Gemeinkosten, die einer Kostenstelle von einer Vorkostenstelle übertragen werden. − Stückkosten: Auch Mengeneinheitskosten sind Kosten zur Herstellung eines Stücks

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(einer ME) innerhalb einer Periode, zusammengesetzt aus Einzel- und Gemeinkosten, berechnet nach z.B.: Additions-, Divisions-, Äquivalenzziffern- oder Zuschlagskostenrechnung. Teilkosten: Nur teilweise auf die Mengeneinheiten eines Produkts bzw. aller Produkte verrechnete Kosten. Teilkostenrechnung: Nur teilweise Verrechnung der betrieblichen Kosten auf die Mengeneinheiten der Produkte. Variable Kosten: Beschäftigungsproportionale Einzel- und Gemeinkosten. Bezugsgröße ist die Produktionsmenge bzw. die Menge der erstellten Kostenträger. Vollkosten: Vollständig auf die Mengeneinheiten eines Produkts bzw. aller Produkte verrechnete Kosten. Vollkostenrechnung: Verrechnung aller Kosten des Betriebs auf die Mengeneinheiten der Produkte. Zusatzkosten: Kalkulatorische Kosten, denen kein Aufwand gegenübersteht (z.B. kalkulatorischer Unternehmerlohn).

• Kostenart: Differenzierung der Kosten nach ihrer Art, also z.B.: Herkunft, Funktion, Zurechnung, Art der Kostenerfassung, Verhalten bei Beschäftigungsänderung, Ursprung, Liquiditätswirksamkeit, Produktionsstand, Umfang oder zeitlichem Inhalt. Die Anzahl der Kostenarten ist je nach Diversifizierung der Unternehmung und Ausführlichkeit der Kostenrechnung unterschiedlich und kann sich nach verschiedenen Kontenrahmen (gebräuchlich sind Gemeinschaftskontenrahmen der Industrie (GKR) und Industriekontenrahmen (IKR)) unterscheiden. • Kostenartenrechnung: Beschreibt die Gliederung und Zusammenfassung aller anfallenden Kosten nach ihrer Art, um sie der Finanzbuchführung gezielt zuführen zu können. • Kostenstelle: Ort der Entstehung von Kosten und rechnerische Brücke zwischen Kostenart und Kostenträger. Die Verrechnung der Gemeinkosten auf die Kostenträger erfolgt von den Endkostenstellen aus. Kostenstellen sind Verantwortungsbereiche, deren Abgrenzung in der Regel nach funktio-

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nalen, räumlichen, organisatorischen oder personellen Gesichtspunkten erfolgt. − Vorkostenstelle: Auch Hilfskostenstelle genannt, bezeichnet Orte, die nicht direkt in den Wertschöpfungsprozess eingebunden sind und in der Regel von mehreren Endkostenstellen genutzt werden. z.B.: allgemeine Vorkostenstelle oder Fertigungs-Vorkostenstelle. − Endkostenstelle: Auch Hauptkostenstelle genannt, bezeichnet in der Regel Funktionsbereiche der Produktion, deren Leistung direkt auf die Kostenträger umgelegt werden kann. − Kostenstellenrechnung: Sie erfolgt im wesentlichen mit Hilfe des BAB und ist eine Verteilung der erfassten Kostenarten auf die eingerichteten Kostenstellen und anschließende Verrechnung der Vorkostenstellen auf die Endkostenstellen mit dem Ziel der Berechnung von GemeinkostenZuschlagssätzen für die Endkostenstellen. Im Ablauf muss unterschieden werden zwischen: − Zuordnung der Kostenstellen-Einzelkosten, also die direkt einer (Vor- oder End-) Kostenstelle zuzuordnenden Gemeinkosten. Diese Zuordnung erfolgt entweder direkt verbrauchsorientiert oder über Verteilungsschlüssel. − Innerbetriebliche Leistungsverrechnung als Zuordnung der Vorauf die Endkostenstellen. − Bestimmung der gesamten Gemeinkostenbelastung der Endkostenstellen, Festlegung der für die jeweilige Endkostenstelle geeigneten Bezugsgröße (z.B. Lohn, Material, Arbeitsstunden, Zeit oder Herstellkosten) und Bestimmung der Gemeinkosten-Zuschlagssätze. − Kostenträger: In der Regel als Produkte oder Dienstleistungen Ergebnisse der konkreten betrieblichen Geschäftszwecke. Nach neueren Theorien können Kostenträger auch beliebige Bezugsobjekte, z.B. Tätigkeiten, Abläufe oder Zustände sein, so dass die Kostenträgerrechnung heute auch vielfach als Objektrechnung bezeichnet wird. − Kostenträgerrechnung: Als letzte Stufe zur Produktkalkulation werden hier die Kosten dem Verursacher, also dem Kostenträger, zugeordnet. Man unterscheidet zwischen Kostenträgerstück- und Kostenträgerzeitrechnung, wobei jeweils die Einzelkosten mit den in der Kostenstellenrechnung ermittelten Gemeinkosten zusammengefasst werden.

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− Kostenträgerzeitrechnung: Periodenbetrachtung mit dem Ziel der kurzfristigen Erfolgsrechnung, die aus dem Vergleich der durch den Kostenträger verursachten Kosten mit dessen Erlösen entsteht. Gleichzeitig einsetzbar zur kurzfristigen Erfolgskontrolle eines Kostenträgers. − Kostenträgerstückrechnung: Auch Selbstkostenrechnung genannt, bestimmt als Mengenbetrachtung die Selbst- bzw. Herstellkosten eines Kostenträgers, also in der Regel eines Produkts. − Kostentreiber: Bezugsgröße bzw. deren Einheit, auf deren Basis betriebliche Kosten summiert werden, z.B. Menge der Kostenträger oder Geldeinheit Fertigungslohn. − Leistungsverrechnung, innerbetriebliche: Zuordnung der Vor- auf die Endkostenstellen und insofern Teil der Kostenstellenrechnung. Zu unterscheiden ist nach den Verflechtungen der Vorkostenstellen untereinander. Bei einseitiger Beziehungen der Vorkostenstellen erfolgt die Verrechnung nach dem Blockverfahren (auch Anbauverfahren) oder dem Stufenleiterverfahren (auch Treppen-, Stufen- oder Umschlagverfahren von links nach rechts genannt). Bei zweiseitigen Beziehungen der Vorkostenstellen erfolgt die Zuordnung nach dem Festpreisverfahren oder dem Simultanverfahren (auch Gleichungsverfahren). Grundsätzlich kann die Leistungsverrechnung von den Vor- auf die Endkostenstellen nach direktem Verbrauch, also nach der Inanspruchnahme einer Leistung, nach sowohl festen als auch proportionalen Umlageschlüsseln, die auf Schätzungen oder exemplarischen Messungen basieren, erfolgen. Die nicht direkt verbrauchsgekoppelte Umlage ist an sich nur bei konstanter Beschäftigung und gleich bleibendem Produktionsprogramm sowie erfahrungsgemäß kleinen Abweichungen zwischen Kostenanfall und verrechnung zulässig. Die Lohnkosten, als traditionelle Verrechnungsbasis, verlieren durch zunehmende Automatisierung an Bedeutung, so dass die Zuschlagskalkulation heute immer ungenauer wird. − Blockverfahren: Ausschließliche Belastung der Endkostenstellen und Vernachlässigung der Leistungsinanspruchnahme anderer Vorkostenstellen. − Stufenleiterverfahren (siehe auch Tabelle 3.11): Serielle Entlastung der Vorkostenstellen von links nach rechts (bezogen auf die Tabelle des BAB), so dass Vorkostenstellen ohne Leistungsbezug von

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anderen Vorkostenstellen ganz links anzuordnen sind, dies ist das in der Praxis am weitesten verbreitete Verfahren. − Festpreisverfahren: Verrechnung der bezogenen Leistungen zunächst per Festpreis und anschließender Ausgleich der Über- oder Unterdeckung. Festlegung des Preises z.B. durch Abschätzung der Periodenkosten der Vorkostenstelle und Verteilung dieser fiktiven Periodenkosten (auf Basis Verbrauch oder Umlageschlüssel) auf die nutznießenden Kostenstellen. − Simultanverfahren: Rechnerisch genaue Lösung des Gleichungssystems aus den Produkten von Menge und Preis für alle untereinander in Beziehung stehenden Kostenstellen, sehr aufwendig und daher wenig verbreitet. − Zuschlagskalkulation: Produktkalkulation unter Verwendung der Kostenträger-Einzelkosten und der in der Kostenstellenrechnung bestimmten GemeinkostenZuschlagssätze der Endkostenstellen.

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3 Tools zur Wirtschaftlichkeit im Industriellen Energiemanagement [18] [19]

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4 Tools, die den Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit nutzbar machen – Integration energiewirtschaftlicher Aspekte in Systeme der Produktionsplanung und -steuerung A. Bonneschky

Einleitung „Der Mensch war lange Zeit durch seine eigene Muskelkraft selbst der effektivste Energieumwandler und ist es in manchen Regionen des Globus noch heute, wenn ihm keine andere Energiequelle oder -technik zur Verfügung steht. Und er ist bis heute der vielseitigste.“ [98] Mit Zunahme der maschinellen und automatisierten Produktion nimmt der Mensch mehr und mehr die Position des Planenden und Lenkenden ein. Der effiziente Einsatz von Energie erfordert längst nicht allein die Verwendung von zweckmäßigen Betriebsmitteln. Vielmehr stellt sich die Aufgabe an den Menschen, seine Vielseitigkeit und sein geistiges Vermögen dazu einzusetzen, geeignete Instrumente als Grundlage für seine Entscheidungen zu entwickeln und diese in Anwendung zu bringen. Ausnahmslos alle deutschen Industriebetriebe mit mehr als 500 Beschäftigten nahmen bis Anfang der 90er Jahre rechnergestützte Systeme zur Produktionsplanung und -steuerung in Betrieb. Erhöhte Anforderungen an den Produzenten, insbesondere im Hinblick auf Termintreue und Flexibilität bei der Auftragsabwicklung, machen den Einsatz der in der Vergangenheit stark an Leistungsfähigkeit gewonnenen Systeme unumgänglich. Das führt dazu, dass zunehmend auch kleinere Unternehmen Systeme dieser Art einsetzen. Neben der Optimierung von Planungsentscheidungen zu mengen-, zeit- und kapazitätsorientierten Aufgabenstellungen dienen Rückmeldungen aus der Fertigung zur Überwachung und gegebenenfalls zum Auslösen von Korrekturen zum Erreichen der an das aktuelle Produktionsprogramm gestellten Vorgaben. Die Erfahrungen in der Praxis zeigen, dass Einbindungen energiewirtschaftlicher Aspekte im Basisdatengerüst und folglich im darauf zu-

188

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

rückgreifenden Produktionscontrolling nicht zielgerichtet umgesetzt werden. Somit fehlt jegliche Grundlage für eine exakte analytische, sukzessive prognostische Beurteilung des produktionswirksamen Energieaufkommens und der daraus resultierenden Kosten. Erfolgt die Auseinandersetzung mit der aktuellen Situation des betrieblichen Energieträgereinsatzes, so werden die vorhandenen Insellösungen zur Energiedatenerfassung und -aufbereitung in den Unternehmen als ausreichend eingeschätzt. Die Zielstellung lautet: Kosten senken!, wobei die abgeleiteten Handlungsszenarien vielfach Analogien zur übrigen Materialwirtschaft aufweisen, die jedoch mangels Informationen keineswegs umgesetzt werden können. Im Vordergrund steht die Minimierung von Beschaffungskosten durch Verhandlungen mit den Lieferanten, wobei vordergründig Preise für Vorprodukte, in der Fertigung einzusetzender Materialien, Hilfsstoffe und schließlich für Energie in Betracht gezogen werden. Reduziert werden auf diese Weise ausschließlich Energiebezugskosten. Energieverbräuche und deren ökonomische wie auch ökologische Auswirkungen bleiben im günstigsten Fall unverändert. Ausgehend von den am Lehrstuhl Energiewirtschaft der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus (weiter-)entwickelten Ansätzen zur Bewertung der Güte der verschiedenen aufeinander abzustimmenden Prozesse des Energiebezuges, der innerbetrieblichen Energiebereitstellung und -verwendung werden Lösungen vorgestellt, die eine direkte Verknüpfung von produktions- und energiewirtschaftlichen Identifikatoren zulassen. Besteht Klarheit über die grundsätzlichen methodischen Voraussetzungen und die mit ihrer Umsetzung verbundenen Erfordernisse, werden Potenziale und Chancen im Hinblick auf die Koordination von energierelevanten Beschaffungs-, Verrechnungs- und Anwendungsprozessen aufgezeigt. Im besonderen Maße richten sich die Ausführungen an Unternehmen, deren Wertschöpfungsprozesse durch einen hohen Anteil an energetisch bedingten Kosten geprägt sind, also an diejenigen Industriebetriebe, die im allgemeinen Sprachgebrauch den „energieintensiven Wirtschaftszweigen" zugeordnet werden.

4.1. Stellung des Energiemanagement in betrieblichen Planungs- und Steuerungsprozessen Die Voraussetzung für einen bewussten und rationellen Umgang mit Energie im Unternehmen bildet die konsequente Unterstützung seitens der Unternehmensführung. Aufgabenstellungen zur Optimierung der betriebli-

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

189

chen Energieanwendung können nicht am Rande behandelt werden. Sie müssen direkt in die Funktionalbereiche der Planungs- und Entscheidungsebene integriert werden. Aufbauend auf zweckmäßige Instrumente zur Informationsversorgung und -verarbeitung – die im Sinne des Energiecontrollings die Planung und Koordination der betrieblichen Energieverwendung erst ermöglichen - ist es Aufgabe des Energiemanagements, optimale Lösungen für die folgende Bereiche zu finden: − der Bezug von Energie, wobei die am Markt angebotenen Energieträger entsprechend den betriebsoptimalen Vorstellungen zu beschaffen sind, − die Umwandlung von Bezugsenergie in die im Unternehmen benötigten Einsatzenergieträger, − die Fortleitung, Verteilung und Bereitstellung von Energie im gesamten Betriebssystem, − die Wandlung von Einsatzenergie in Nutzenergie und deren Einwirkung auf den Bedarfsträger in der Produktion (Halb- bzw. Endfabrikat), − die Wandlung von Einsatzenergie in Nutzenergie zu Hilfs- und Betreuungsfunktionen, − die Entsorgung, gegebenenfalls die Rückgewinnung und der Verkauf von Energie [101].

4.2. Typologie industrieller Produktionssysteme „Produktion bedeutet allgemein, Sachgegenstände, Dienstleistungen, Informationen sowie andere immaterielle Werte in einer Folge von Bearbeitungs-, Montage- und Transportvorgängen durch das Zusammenwirken von menschlicher Arbeit, Betriebsmitteln und Werkstoffen herzustellen“ [21] Abstrakt lässt sich ein Produktionssystem als Gefüge bestehend aus In-, Through- und Output darstellen [137]. Für eine erste grobe und nicht auf Vollständigkeit ausgerichtete Beschreibung sind dem „I“-Input alle Produktionsfaktoren und dem „O“-Output alle das System verlassende Produkte zuzuordnen. Die Verknüpfung von „I“ und „O“ erfolgt über den Throughput, der auch als Transformations-, Produktions- oder Kombinationsprozess bezeichnet wird [54]. Dabei bestehen zwischen In- und Throughput einerseits und Through- und Output andererseits bestimmte Interdependenzen, die im (abstrakten) I/O-System ihre Berücksichtigung finden müssen. Änderungen zwischen Ein- und Ausgangsgütern werden hervorgerufen durch [20]:

190

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

− Zustandstransformationen, wobei sich Input und Output materiell und/ oder immateriell unterscheiden (zum Beispiel die Produktion von Produkten aus Rohstoffen), − Zeittransformationen, wobei sich die Zeitindizierung von Input und Output verändert (zum Beispiel die Lagerung von Produkten oder Rohstoffen), − Ortstransformationen, wobei sich Input und Output in ihrer räumlichen Zuordnung unterscheiden (zum Beispiel der Transport von Produkten/ Rohstoffen). THROUGHPUT

INPUT

Transformationsprozess

OUTPUT

Abb. 4.1. Abstrakte Makro-Struktur eines Produktionssystems, nach [126]

Alle in der Literatur formulierten Ansätze zur Systematisierung der direkt beziehungsweise indirekt im Produktionssystem eingesetzten Faktoren basieren auf der Gutenberg´schen Systematik [16]. Gutenberg definiert die Produktionsfaktoren als „betriebliche Einsatzgüter, ohne deren Mitwirkung die betriebliche Leistungserstellung nicht vollziehbar erscheint“ [48]. Er unterscheidet in die bereits eingangs erwähnten Elementarfaktoren – also menschliche Arbeit, Werkstoffe und Betriebsmittel – sowie in dispositive Faktoren, zu denen er die Geschäftsleitung und die Instrumente der Planung und Organisation zählen [47]. Bereits zu einer Zeit, in der die betriebliche Produktion kaum Gemeinsamkeiten mit dem modernen in hohen Maße automatisierten und zuweilen nahezu undurchdringbar erscheinenden Produktionsgeschehen aufweist, unterstreicht Gutenberg mit seiner vorgenommenen Unterteilung die Bedeutung der Information und Entscheidung über die geeignetste (im Sinne von wirtschaftlichsten) Kombination der Elementarfaktoren. Für die eingangs wiedergegebene Definition der Produktion, welche uneingeschränkt jede Art der Zustandstransformation beschreibt, ist im Hinblick auf den hier vorliegenden Betrachtungsbereich eine erste Eingrenzung vorzunehmen. Produktion wird folglich als Herstellung, Erzeugung und Fertigung aufgefasst1. Nach Hoitsch betreffen auf diese Weise gekennzeichnete Transformationen jegliche Prozesse der Gewin1

womit die fortlaufend gleichrangige Verwendung der Begriffe begründet wird.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

191

nung, Aufbereitung, substanziellen Umwandlung, substanzerhaltenden Umformung sowie des Zusammenbaus und der Zerlegung von Sachgütern [54]. Produktion wird nachstehend also ausschließlich mit Prozessen der Wertschaffung gleichgesetzt. Der Industriebetrieb ist die Wirtschaftseinheit, welche hauptsächlich zur Wertschöpfung beiträgt [23]. Zur Klassifizierung der verschiedenen Produktionsausrichtungen – etwa nach Branchen beziehungsweise Wirtschaftszweigen – wird gewöhnlich eine Unterscheidung in Produkttypen, also vorzugsweise dem jeweiligen Output des Betriebes vorgenommen2. Umschließen die Systemgrenzen die betriebliche Ebene, so stellt der Industriebetrieb das grundlegende Produktionssystem dar, dessen Innenstruktur selbst bei Branchenangehörenden beziehungsweise –nahen Unternehmen durch oftmals sehr unterschiedlich ausgeprägte Sub- und Teilsysteme beschrieben werden kann3. Unter Einbezug der Ausprägung einzelner Produktionsobjekte und -beziehungen ist eine Klassifizierung der Produktionssysteme nach folgenden Kriterien vorzunehmen [49]: − die Produktionsstruktur, etwa zerlegende Produktion (zum Beispiel Raffinerie) und zusammenbauende Produktion (zum Beispiel Maschinenbau), − die Anordnung der Betriebsmittel, etwa Fließ- oder Werkstattfertigung, − der Bedarf, etwa auftragsgebundene oder nichtauftragsgebundene Produktion, − die Anzahl der Tätigkeitswiederholung (Massen-, Serien- oder Einzelfertigung). Indem innerhalb des Systems verschiedene Teilgebilde abgegrenzt und identifiziert werden, erhält man Subsysteme, beispielsweise Produktionsbereiche, Anlagen oder einzelne Arbeitsplätze [23]. Auf diese Weise lässt sich jeder wertschaffende Teil eines Industriebetriebes selbst wieder als Produktions(sub-)system ansehen und entsprechend dem I/O-System charakterisieren. Je nach Zielorientierung einer analysierenden Betrachtung kann die Zerlegung in Subsysteme nach bestimmten Strukturen beziehungsweise Beziehungen der einzelnen Objekte zueinander ausgerichtet werden (so zum Beispiel nach Materialflüssen oder Energie[träger]- flüs2

Bundesweit bis 1996 eingeführt: die Klassifikation der Wirtschaftszweige (WZ 93) in Ablösung der Systematik des Produzierenden Gewerbes (SYPRO) [117] 3 Allgemein lassen sich je nach Systemgrenze die Produktionssysteme auf der überbetrieblichen Ebene (Produktionsverbund), der betrieblichen Ebene (Betrieb, Abteilung) und der prozess- bzw. anlagenbezogenen Ebene (Anlagengruppe, Prozess, Aggregat) unterscheiden [49]. Im Mittelpunkt der Ausführungen stehen die beiden letztgenannten Ebenen.

192

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

sen). Um eine genaue Einordnung der Erscheinungsformen der Fertigung in einem Industriebetrieb zu ermöglichen, ist der Bezug auf ein einzelnes Kriterium vielfach unzulänglich. Reale Produktionssysteme lassen sich in der Regel nur über die Kombination mehrerer produktionswirtschaftlicher Merkmale beschreiben. In Abb. 4.2. sind in Anlehnung an Hoitsch die wesentlichen elementaren Produktionstypen sowie deren Merkmale ausgewiesen (vergleichbar auch in [137]. Als Produktionstyp wird eine vereinfachte Situationsbeschreibung des Produktionssystems verstanden [54]. Das verwendete Attribut „wesentlich“ soll in diesem Zusammenhang keineswegs als Wichtung, sondern vielmehr als weitere Abgrenzung für diejenigen Produktionssysteme verstanden werden, die hinsichtlich ihrer eingeschätzten Relevanz mehr oder weniger stark zum Gegenstand der folgenden Ausführungen zu zählen sind. Die elementaren Produktionstypen in Abb. 4.2. beziehen sich auf den Transformationsprozess, also den Throughput. Da unterschiedliche Ausprägungen ihrer Merkmale keinen beziehungsweise nur mittelbar Einfluss auf die Relevanz von Aktivitäten zur systematischen (auf Energiekennwerten basierenden) Durchdringung und Bewertung des Produktionsgeschehens nehmen, werden in der Übersicht einzelne Throughputtypen nicht näher behandelt. Diesbezüglich sind die Struktur der Werkstoffbearbeitung sowie die räumliche Anordnung der Betriebsmittel in der Produktion zu nennen. 4.2.1. Produktionsgestaltung: Kern- und Querschnittsfunktionen

Mit Produktionsplanung und -steuerung sind zunächst alle betrieblichen Funktionen angesprochen, die unmittelbar der Bedarfsplanung von Erzeugnissen (Baugruppen, Einzelteile) und Rohmaterialien sowie der Durchsetzung dieser Planung dienen [69]. Angestrebte Ziele sind eine hohe Termintreue und Lieferbereitschaft, hohe und gleichmäßige Kapazitätsauslastungen, kurze Durchlaufzeiten, ein hoher Grad an Flexibilität, geringe Lager- und Werkstattbestände, die Verringerung von Beschaffungskosten und schließlich die Erhöhung der Auskunftsbereitschaft, Transparenz und Planungssicherheit [17].

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

193

EnergiekennwertSystematik

Integration in PPS-Systemen keine mittel

gering

hoch

mittel

hoch

gering

Serienproduktion · mehrere Produktarten werden in mehreren ME nacheinander auf den selben Betriebsmitteln gefertigt

hoch

Wiederholungsgrad der Produktion innerhalb der Planungsperiode

einer Produktart wird in der Planungsperiode hergestellt · wiederholte, in mehreren zeitlich getrennten Perioden wird eine ME einer Produktart hergestellt

keine

Einzelproduktion · einmalige, ausschließlich eine ME

mittel

Elementarer Produktionstyp, Beschreibung

---

produktionswirtschaftlich relevante Merkmale

Erhebungsaufwand

Relevanz

mittel

mittel mittel

· die Verfahrensbedingungen bleiben

keine

Prozesstechnologisch konstante Fertigung

mittel

Konstanz der Produktionsprozessbedingungen

hoch

mit großen ME auf den selben Betriebsmitteln gefertigt

hoch

· eine Produktart wird ununterbrochen

hoch

Massenproduktion

durchgängig gleich

· die Verfahrensbedingungen (z.B. r oder J) sowie gleichsam die Qualität der

hoch

Prozesstechnologisch nicht konstante Fertigung

hoch

hoch mittel

hoch

· das Endprodukt belegt mehrere Betriebsmittel (Fertigungsstufen)

mittel

Betriebsmittel (eine Fertigungsstufe)

hoch

Mehrstufige Produktion hoch

Betriebsmittel

mittel

· das Endprodukt durchläuft nur ein

hoch

Einstufige Produktion Anzahl der zu belegenden

gering

Zwischen- und Endprodukte variieren

Verbundene (Kuppel-)Produktion Verbundenheit des Produktionsprozesses

· mehrere Produktarten werden in einem gewissen Mengenverhältnis auf den selben Betriebsmitteln hergestellt

Unverbundene Produktion · verschiedene Produktarten werden unabhängig voneinander auf verschiedenen Betriebsmitteln hergestellt

Abb. 4.2. Relevanz des Untersuchungsgegenstandes für verschiedene elementare Produktionstypen; Merkmale und Produktionstypen, angelehnt an [52]

194

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Die Kernaufgaben der Produktionsgestaltung im Sinne von operativer Planung und Steuerung bestehen nach [70] im festlegen: − welche Mengen welcher konkreten Produktarten im Planungszeitraum herzustellen sind (Produktionsprogrammplanung), − welche Mengen an Vor- und Zwischenprodukten dafür benötigt werden (Material- insbesondere Sekundärbedarfsplanung), − wie Kundenaufträge bei bestmöglicher Erfüllung der Anforderungen und Wünsche des Kunden effizient erfüllt werden (Auftragsabwicklungsplanung), − ob und gegebenenfalls welche Mengen einer (End-, Zwischen- oder Vor-) Produktart jeweils zu einem Fertigungslos beziehungsweise einer Bestellung zusammengefasst werden sollen (Losgrößen- und Bestellmengenplanung), − zu welchen Zeitpunkten die Herstellung der einzelnen End-, Zwischenund Vorproduktmengen an den Arbeitsplätzen und Produktionsanlagen beziehungsweise die Beschaffung fremdbezogener Produkte erfolgen soll (Terminplanung), − wie die zeitlichen Anforderungen der Fertigung mit der verfügbaren Kapazität optimal in Einklang gebracht werden (Kapazitätsplanung). Die Querschnittsfunktion - das Produktionscontrolling - verfolgt das Ziel, die Produktionsplanung, -steuerung und -kontrolle und die dazu erforderliche Informationsversorgung als Produktionsmanagement-Servicefunktion aufeinander abzustimmen und damit die Adaption und Koordination des gesamten Produktionssystems sicherzustellen [55]. Controlling ist also mehr als die reine Planung und Kontrolle. Vielmehr ist es unter Einbezug der erfassten und zweckmäßig aufbereiteten Informationen in der Planungsphase der Produktion als „kreativ-anregend“ und in der Ausführungsphase als „steuer-impuls-gebend“ einzusetzen [115]. Es stellt als institutioneller Träger eine „Führungshilfe“ zur Formulierung, Durchsetzung und Überwachung der eingangs genannten produktionswirtschaftlichen Zielstellungen dar. Als Servicefunktion des Energiemanagement hat speziell das Energiecontrolling Auskunft zu erbringen für die [80]: − − − −

Analyse und Planung des Energiebedarfs, Bereitstellung und Verwendung der Einsatzenergie, Kontrolle des Energieeinsatzes, Formulierung von Zielen zur optimalen Gestaltung der Energieverwendung, − Erfolgskontrolle umgesetzter Energiesparprojekte.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

195

Umsetzung in der Praxis

Zielstellung einer im Jahr 2001 durchgeführten Recherche war es, nähere Auskünfte über die in der Praxis eingesetzten Instrumente zur Produktionsplanung und -steuerung zu erlangen, wobei im besonderen Maße die von den Unternehmen verwendeten Lösungen zur Kontrolle und Lenkung der Energieanwendung von Interesse waren. Untersucht wurden die produktions- und energiewirtschaftlich ausgerichteten Managementaktivitäten in brandenburgischen Industriebetrieben der energieintensiven Wirtschaftszweige: Ernährungsmittel-, Steine- und Erden-Industrie, chemische, metall- und glasherstellende sowie -verarbeitende Industrie [97]. Ausschließlich eines der zwischen 20 und 2000 Mitarbeitern beschäftigenden Unternehmen gab an, ohne entsprechende Planungstools seine Fertigungsaufgabe umzusetzen. Dabei handelte es sich in diesem Fall um die Veredelung genau eines Vorproduktes zu genau einem Endprodukt, wobei ein seit Jahrzehnten unverändertes Produktionsprogramm umgesetzt wird. Die Mehrzahl der Unternehmen vertraut bei der Erstellung, Koordinierung und Umsetzung ihrer Fertigung Standardsystemen, vorzugsweise Modulen wie PP, MM und CO4 von SAP-Lösungen. Auf konzeptionelle sowie funktionelle Ausprägungen derartiger Applikationen wird in einem späteren Abschnitt näher eingegangen. Tendenziell bevorzugen besonders Töchter- und im Verbund agierende Unternehmen Standardlösungen, was nach Auskunft der Zuständigen vor Ort darauf zurückzuführen ist, dass bei einem unternehmensweiten Einsatz gleicher Systeme die Geschäftsprozesse niederlassungsübergreifend plan-, kontrollier- und im Sinne von Benchmarking vergleichbar sind. Teilweise wird das Produktionsprogramm einschließlich exakter Terminierungen und materialwirtschaftlicher Rahmengrößen bereits durch das Mutterunternehmen erstellt und vorgegeben. Wenngleich einige der Standardsysteme offene Architekturen aufweisen und dadurch mit unterschiedlich hohem programmiertechnischen Aufwand Erweiterungen zulassen (insbesondere Visualisierungen und Protokollierungen von Informationen zum Produktionsgeschehen), wird weder hier noch bei den ohne hin schon individuell zugeschnittenen Systemen eine Verknüpfung von Informationsträgern für die Bereiche Produktionsmanagement und betriebliches Energiemanage4

Der modulare Aufbau vieler Systeme ermöglicht eine kundenspezifische Anpassung und Auswahl von Komponenten. Die von SAP eingeführten Modulbezeichnungen stehen für: PP-Produktionsplanung, MM-Materialwirtschaft, COControlling [88].

196

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

ment vorgenommen. Hinsichtlich der Bewertung des zur Umsetzung des Produktionsprogrammes erforderlichen Energieeinsatzes wird von den Unternehmen der Schwerpunkt auf die Ermittlung und Verrechnung der Kosten für die bezogene Energiemenge gesetzt.

Produktionsmanagement

Ausrichtung

Kopplung zur PPS

Einsatz von Lastabwurfsystemen

Energiekennzahlenbasiertes Controlling(Schwerpunkt Excel-Umsetzungen)

Allgemeines Energiecontrolling (Schwerpunkt Energiekostenverrechnung)

davon Individual-Software

davon Standard-Systeme (Schwerpunkt SAP/R3)

Einsatz eines PPS-Systems

100 [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Energiemanagement

Abb. 4.3. Verteilung eingesetzter Produktions- und EnergiemanagementInstrumente in brandenburgischen Industriebetrieben energieintensiver Branchen [97]

Erfolgt eine automatisierten Erfassung der Energieverbräuche in den einzelnen Fertigungsabschnitten so werden vornehmlich die vom zuständigen Energieversorger offerierten Serviceleistungen in Anspruch genommen. Neben der üblichen Rechnung für die bezogenen Medien stehen dem Kunden in der Regel wöchentlich aufgeschlüsselte Verbrauchsdaten sowie Tageslastgänge zu Zeiträumen mit Verbrauchs- beziehungsweise Leistungsabweichungen zur Verfügung. Die Erfassungszeitpunkte entsprechen den für die Rechnungserstellung geltenden Zyklen (zum Beispiel Elektroenergie in 15-min-Abständen). Jedes fünfte Unternehmen verbindet mit einem bestehenden Energiecontrolling-System Leistungswächter, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes das Abschalten von im betreffenden Zeitraum technologisch nicht maßgeblich erforderlichen Aggregaten veranlassen. Obwohl technisch umsetzbar scheut sich die Mehr-

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

197

zahl der Energiedienstleister vor der Einführung von Tools, die dem Kunden jederzeit Zugriff auf die momentan vorliegenden Verbrauchsdaten ermöglichen (zum Beispiel durch Bereitstellung von für den betreffenden Abnehmer zugänglichen Online-Charts). Begründet werden Vorbehalte zu Lösungen dieser Art damit, dass allzeit verfügbare Informationen über das aktuelle Verbrauchsverhalten nicht nur der transparenteren Darstellung und Aufdeckung von Einsparpotenzialen dienlich sind, sondern vielmehr auch zu einer aussagekräftigen Datenbasis für Portfolio-Erstellungen und damit zur Grundlage für Verhandlungen mit konkurrierenden Versorgern wachsen können. Es ist festzustellen, dass die Bemühungen der Abnehmer zur Minderung der produktspezifischen Energiekosten in erster Linie in der Suche nach dem günstigsten Angebot für die eingeschätzten Energiebedarfsmengen und Spitzenlast innerhalb der nächsten Planungsperiode enden5. Reduziert werden auf diese Weise ausschließlich Energiebezugskosten. Optimierbare Verbräuche und deren Auswirkungen (insbesondere energiebedingte Schadstoffemissionen) bleiben unverändert. Lediglich etwa jedes zweite Unternehmen widmet einer detaillierteren Analyse fertigungsrelevanter energetischer Zusammenhänge Aufmerksamkeit zum Beispiel in Form von wöchentlich / monatlich erhobenen Energiekennzahlen. 4.2.2. UPN-Modellierung der betrieblichen Energieanwendung

Energie erfüllt in der Gutenbergschen Definition durchaus das Kriterium eines Produktionsfaktors, direkte Berücksichtigung finden hierbei jedoch ausschließlich materielle Energieträger [83]. In den zahlreichen Ergänzungen des ursprünglichen Produktionsfaktormodells aus verschiedenen betriebswirtschaftlichen Blickwinkeln wird – wenn überhaupt – Energie als prozessorientierter Verbrauchsfaktor in die Gliederung aufgenommen [vergl. 15, 5]). Es erfolgt eine Gleichstellung zu anderen Verbrauchsfaktoren6 wie Schmierstoffen, Kühl- und Reinigungsmitteln. Eine Auseinandersetzung mit den Besonderheiten des Faktors Energie findet in der fortlaufenden Systematisierung der Produktionsfaktoren jedoch nicht statt. 5

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass sich die wiedergegebenen Ergebnisse der Recherche ausschließlich auf Vertreter energieintensiver Branchen beziehen - darunter Wirtschaftzweige wie die Herstellung von Zement sowie die Herstellung von Kalk mit Energiekostenanteilen von über 14 bzw. 20 % der GesamtFertigungskosten [7] 6 auf Grund der sich ständig wiederholenden Beschaffungsvorgänge werden sie auch als Repetierfaktoren bezeichnet

198

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Potenzialfaktoren

(Nutzungsfaktoren) (Verbrauchsfaktoren)

Repetierfaktoren

Produktionsfaktoren

Nosko schlägt in Anlehnung an Penrose einen Lösungsansatz vor, der sich vom Begriff „Produktionsfaktor“ abwendet [86, 87]. Hier wird eine strikte Unterscheidung des Faktors Energie(-träger) zwischen Einsatzgütern und von diesen abgegebenen „produktiven Beiträgen“ vorgeschlagen. Im Zuge dieser Aufteilung werden dem Produktionsprozess ausschließlich die von den eingesetzten Energieträgern abgegebenen produktiven Anteile zugewiesen. Diese Anteile können mit Nutzenergie gleichgesetzt werden, also nach Winje/ Witt genau mit der Energie, die dem Verbraucher nach der letzten Umwandlung des Endenergieträgers zur Deckung seiner Bedürfnisse zur Verfügung steht [134]. Energie als Bedarfsobjekt ist immer eine Form der Nutzenergie [80], die analog zum Bedarfsobjekt Endprodukt, als gewünschter beziehungsweise geforderter Output eines Fertigungsprozesses aufgefasst wird. Menschliche Arbeitsleistung (personale Potenzialfaktoren) physische Arbeitsleistung

geistige Arbeitsleistung

Betriebsmittel (sachliche und immaterielle Potenzialfaktoren) materielle Betriebsmittel

immaterielle Betriebsmittel

Zusatzfaktoren

Werkstoffe outputorientierte Werkstoffe

prozessorientierte Werkstoffe

Energie (prozessorientierter Repetierfaktor)

Abb. 4.4. Erweiterung des Gutenberg´schen Produktionsfaktormodells [14]

Die von Nosko fortfahrend als Abfallenergie bezeichneten „unproduktiven Beiträge“ entsprechen den während der Umwandlungsprozesse auftretenden Energieverlusten. Zum Teil sind diese Verluste des ursprünglichen Energieinhaltes naturgesetzlich unvermeidbar, zum Teil können sie durch technische Maßnahmen und/ oder persönliches Verhalten vermieden werden [94]. Damit stellt der Umwandlungs- beziehungsweise Nutzungsgrad eines jeden energiewandelnden Prozesses7 den Indikator für den Nutzenergie-Input des Produktions(sub-)systemes dar, wobei in dieser Betrachtung die Betriebsmittel selbst als Energiewandler aufgefasst werden. Da der Einbezug von möglichen zusätzlichen „produktiven Beiträgen“ in Form von Anfallenergienutzung nicht außer Acht gelassen wird (hier begrifflich: Energie[-träger]recycling), kann seitens der untersten Stufe der innerbe7

Vergleiche Abschn. 2.2.3. „Wirkungsgrad/Nutzungsgrad“

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

199

trieblichen energetischen Reihe nach wie vor von einer lückenlosen Erweiterung des ursprünglichen Faktorsystems ausgegangen werden. Die praktische Anwendbarkeit des Konzeptes soll insbesondere unter Berücksichtigung der einhergehenden Notwendigkeit, den Produktionsprozess in kleinste Energieumwandlungseinheiten [83] zu zerlegen, in einem späteren Abschnitt aufgegriffen und bewertet werden. Schieferdecker entwickelt eine Systematik, die alle Prozesse und Bereiche der Energieverwendung im Industriebetrieb umfasst [100]8. Dabei finden auch die ausschließlich in der Produktionsperipherie zum Einsatz gelangenden energetischen Beiträge Berücksichtigung. Fallen diese zusätzlichen Anteile für die bei der Umsetzung einer bestimmten Fertigungssaufgabe aufzubringende Energiemenge wenn überhaupt, dann marginal an (zum Beispiel Stromversorgung für Regel- und Steuereinheiten), so können sie im Hinblick auf die Bezugsenergie – nach VDI 4661 [125] der Energieinhalt aller gehandelter primärer und sekundärer Energieträger – selbst in energieintensiven Produktionsbetrieben durchaus mehr als ein Drittel des Gesamtbezuges ausmachen [27]. Zur allgemeingültigen Modellierung grundsätzlich wiederkehrender industrieller energetischer Systeme ordnet Schieferdecker alle energieverbrauchenden Aggregate den Klassen (U)-Umwandlungs-, (P)-Produktions- und (N)-Nebenanlagen zu. Die Verbindungen zwischen jeder Klasse beziehungsweise - im Ergebnis einer detaillierten Untergliederung in Subsysteme - zwischen jedem Element sind nach [36] sowohl als technische wie auch als logistische und ökonomische Bindeglieder aufzufassen.9 Das Gefüge der Elemente des UPN-Modells und deren im Einzelnen aus den spezifischen technologischen Gegebenheiten des Betriebes resultierenden Verbindungen [120] gibt Auskunft über sämtliche energetisch relevanten Abläufe auf betrieblicher beziehungsweise anlagenbezogener Ebene. Neben der Energieverwendung in Umwandlungs-, Produktions-, Hilfs- und Nebenbereichen gehören hierzu gemäß [102]: − der Energie(träger-)bezug, wobei alle Endenergieträger begrifflich eingeschlossen werden, die in den Betrieb als energetischer Input eingehen. Der Abnehmer erwirbt Endenergie, um aus ihr in einem durchgängigen Prozess Nutzenergie zu gewinnen [13]. − die Energiefortleitung, -verteilung und -bereitstellung im gesamten Betriebssystem, womit alle Prozesse gemeint sind, welche dazu beitragen, 8

Vergleiche Abschn. 2.3.4. „Die einfache Energiebilanz eines Betriebes“ und Abschn. 2.3.5. „Das industrielle energetische System“ 9 Vergleiche Abschn. 3.3.2. „Methodische Umsetzung nach dem UPN-Modell“

200

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

dass die bezogenen aber auch bereits innerbetrieblich gewandelten Energieträger einer weiteren Umwandlungsstufe zugeführt werden (unabhängig ob in einer U-, P- oder N-Klasse). Der Energieträgertransport erfolgt gewöhnlich durch betriebliche Versorgungsnetze. − die Energieentsorgung und der Energieverkauf, wobei alle Energieträger begrifflich eingeschlossen werden, die das Betriebssystem als Output verlassen. Wenn Energieträger an Drittte verkauft werden, so handelt es sich in der Regel um einen im Betrieb bereits gewandelten Anteil der Bezugsenergie (zum Beispiel auf ein bestimmtes Spannungsniveau transformierte Elektroenergie)10. Entsorgt wird Anfallenergie, also die in den energetischen Prozessen als unerwünschte Nebenprodukte anfallende [34] und an die Betriebsumgebung abgegebene Verluste. − die Energierückgewinnung, womit alle Prozesse zur energetischen Verwertung nutzbarer Anfallenergie bezeichnet werden. Je nachdem ob Anfallenergie innerhalb oder außerhalb des Anfallprozesses zum Einsatz gelangt, wird in primär genutzte (beispielsweise für die Vorwärmung von Verbrennungsluft) und sekundär genutzte Anfallenergie (beispielsweise für die Bereitung von Warmwasser) unterschieden. Elementare Bilanzgleichungen Werden die in einem Industriebetrieb bestehenden Einrichtungen mit ihren verschiedenen Funktionen in die Elemente und Verbindungen des UPNModells unterteilt, so lässt sich jede einzelne Klasse als energetisches I/OSystem auffassen. Eine solche Systematik bildet die Voraussetzung für eine rechentechnische Verknüpfung der verschiedenen Subsysteme gemäß ihrer Beziehungen zueinander. Ihre sukzessive Fortführung kann die Betrachtungsgenauigkeit erhöhen [23], ohne dabei den Bezug zum Ganzen zu verlieren (zum Beispiel Unterteilung in Energieträgerarten, Zuordnung von Energiebezugs- und energierelevanten Nebenkosten, Vergleich zu [38]. Gemäß des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt, dass Energie nicht vernichtet werden kann, entspricht der energetische Input mengenmäßig dem energetischen Output. Vorausgesetzt, dass sich das energetische Potenzial des Systems nicht verringert oder erhöht (zum Bei10 Brune stellt diesbezüglich fest, dass die erworbene Energie nicht für einen unmittelbaren Weiterverkauf bestimmt ist [13]. Wenngleich die Möglichkeit dazu besteht, so handelt es sich in diesem Fall jedoch nicht um End- bzw. Verteilungsenergie sondern vielmehr um eine wirtschaftliche Vorstufe in der Kette von Primär- zu Endenergie.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

201

spiel durch Speicherung) [80] lassen sich die UPN-Klassen ausgehend vom Zentrum der Wertschöpfung wie folgt energetisch bilanzieren, wie bereits in den Abschn. 2.3.1. bis 2.3.3. vorgenommen. Die Bilanzgleichungen für die UPN-Klassen bilden das Grundgerüst für weitere bilanzierende, analytische und planungstechnische Arbeiten auf energiewirtschaftlichem Gebiet. Die sich auf den ersten Hauptsatz stützende Beschreibung liefert für die folgende Auseinandersetzung ein ausreichendes Maß an Aussagekraft, da insbesondere die Energieplanung und -beschaffung die Gesamtheit der Energiebedarfsmengen – also auch die nicht wirksam werdende Anergie – umfasst. Für tiefgründigere analytische Arbeiten, insbesondere hinsichtlich der Bewertung einzelner Aggregate, kann sich diese vereinfachte Verfahrensweise durchaus als unzulänglich erweisen. Ursache dafür ist die im zweiten Hauptsatz manifestierte Gesetzmäßigkeit, welche besagt, dass in Abhängigkeit von den jeweiligen thermodynamischen Umgebungsbedingungen die Umwandlung von Energie nicht uneingeschränkt möglich ist. Modellhaft besteht jede Energiemenge aus dem sich prinzipiell in jede andere Energieform wandelbaren Anteil Exergie und dem sich bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen in keine andere Energieform wandelbaren Anteil Anergie [96]. Informationsträger Energiekennzahlen

Allgemein stellen Energiekennzahlen11 eine Vergleichsgröße zur Beurteilung der energetischen Güte eines Prozesses dar [95, 71]. „Die Ermittlung von Energiekennwerten ermöglicht das Bewerten und Analysieren der Erkenntnisse mit dem Ziel, den Gesamtprozess technisch und wirtschaftlich zu optimieren, also Anregungen und Hinweise für die rationelle Anwendung von Energie im weitesten Sinne zu finden“ [125]. Ebenso vielfältig wie das Spektrum der Produktionstypen, Technologien, Vor-, Zwischen- und Endprodukte gestaltet sich die Anwendung von Strategien zur Beurteilung und Optimierung des erforderlichen Energieeinsatzes für konkrete Anwendungsfälle. Eine detaillierte Auseinandersetzung insbesondere unter Berücksichtigung aller in realen Fertigungsprozessen auftretender Einflussgrößen würde weit über den hier angestrebten Bearbeitungsrahmen hinausgehen, zumal sie ein hohes Maß an Fachwissen 11

Wenngleich es verschiedentlich Bemühungen zur Begriffstrennung in Energiekennzahlen, Energiekennziffern und Energiekennwerte gab (z.B. in dimensionslos und dimensionsbehaftet), hat sich in der Literatur keine einheitliche Trennung durchgesetzt. Auch in diesem Beitrag erfolgt eine gleichrangige Benutzung der Begriffe.

202

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

über die branchenspezifischen Transformationsprozesse, also das Zusammenwirken von Fachleuten auf dem jeweiligen Gebiet, erfordert. Die Ausführungen innerhalb dieses Abschnittes verfolgen das Ziel, ausgehend von einem Überblick über die analytische Arbeit in verschiedenen Branchen die grundlegenden Indikatoren zur Abbildung und Bewertung der betrieblichen Energieprozesse – von der Beschaffung, Einsatz bis zur Abgabe – vorzustellen. Sie sind als Elemente der Grundkonzeption des integrativen Energiekennzahlenansatzes aufzufassen. Historischer Abriss und aktueller Stand

Einher mit der zunehmenden Ablösung manueller Arbeit durch maschinelle Fertigungsverfahren gingen verschiedene Bestrebungen zur Beurteilung und Orientierung hinsichtlich der energetischen Effizienz von Anlagen der Energieerzeugung, -wandlung und -anwendung. Schon in den 50er/ 60er Jahren hatten es sich Mueller und Schaefer zur Aufgabe gemacht, geeignete Verhältniszahlen und Relationen zu formulieren, um in ihrer praktischen Handhabung einzelne Prozesse und gesamte Prozessketten entsprechend zu bewerten [81]. Ungeachtet der stetigen Aufwärtsentwicklung des industriellen Endenergieverbrauchs bis Mitte der 70er Jahre (mehr als Verdopplung von 1950 bis 1974, nach [1] fanden Erhebungen dieser Art erst in jüngerer Zeit zunehmende Aufmerksamkeit. Gemessen an heutigen Aktivitäten der Erfassung, Aufbereitung und Interpretation spezifischer Energieverbrauchsgrößen nahm die Kennzahlenarbeit in der DDR nahezu exzessive Ausmaße an. Energiekennzahlen12 verkörperten ein wesentliches Instrument zur technischwissenschaftlichen Begründung für Entscheidungen innerhalb der mittelund kurzfristigen Planung der industriellen Energieverwendung13. Insbesondere für Unternehmen energieintensiver Wirtschaftszweige wurden Kennzahlen unter anderen für die Energiebedarfsprognostik herangezogen. Ihre Erarbeitung erfolgte selbst in mittelgroßen Industriebetrieben oftmals von ausschließlich mit Inhalten des Energiecontrolling befassten Betriebsangehörigen. Bezogen sich die gewonnenen Informationen in erster Stufe unmittelbar auf die betriebsindividuelle Situation, so waren sie, systematisch von staatlichen Gremien zusammengetragen, ebenso aus gesamtvolkswirtschaftlicher Sicht von Bedeutung. 12

Vorrangige Verwendung in Literatur der DDR fanden Begriffe wie energetische oder auch energie-ökonomische Kennziffern, vgl. [122, 109, 35] 13 Einen umfassenden Einblick über das Fertigungs- und Produktprofil der DDRWirtschaft unter energiewirtschaftlichem Aspekt für den Zeitraum 1979 bis 1989 vermittelt Kudevita [67].

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

203

Diesbezüglich entwickelte Heinemann bereits 1962 ein Modell zur Darstellung des Zusammenwirkens aller Energieträger bei ihrer Erzeugung und Einsatz beim Verbraucher, indem er die Bilanzen der Energieträger als System linearer Gleichungen auffasst [53]. Ausgehend von der Zuordnung der spezifischen Energieverbräuche zu den einzelnen Produkten und Leistungen der Volkswirtschaft gibt die kalkulatorische Verknüpfung der nach Energieträgern unterteilten Bilanzen Auskunft über ihren Gesamtverbrauch beziehungsweise -bedarf [82]. Ursprünglich nur auf wenige Endprodukte beschränkt, bildete sich mit Zunahme der Planungstiefe der DDR-Wirtschaft eine immer breiter angelegte normativ festgelegte Einbeziehung des spezifischen Energieverbrauchs in Analyse- und Prognosetätigkeiten. Im zentral gelenkten Planwirtschaftssystem entwickelte sich zwangsläufig und nicht zuletzt als Folge des zunehmend Spannungen ausgesetzten Energiemarktes die Normierung des Energieverbrauchs für die betriebliche Energieverwendung. Die in Energieverbrauchsnormativen [26] in Form von Kennzahlen festgelegten Grenzwerte dienten zur Überprüfung der Effizienz von neu errichteten oder modernisierten Energieanlagen sowie zur Kontrolle der dauerhaften Einhaltung (siehe Abb. 4.5.). Aus heutiger Sicht erscheint eine so stark ausgeprägte EnergiekennzahlenAnalytik nicht durchführbar. Die Bereitstellung öffentlicher Statistiken über einzelne Vertreter einer Branche scheitert am Wettbewerb untereinander. Gerade in energieintensiven Wirtschaftszweigen, in denen die Energiekosten einen sehr hohen Anteil am gesamten Herstellkostenvolumen einnehmen, ließen sich aus Erhebungen über den produktspezifischen Einsatz eines oder mehrerer Energieträger Rückschlüsse hinsichtlich sonstiger Anteile innerhalb der Produktkosten bis hin zu Gewinnmargen ziehen. Bundesweit zunehmende Aufmerksamkeit erfuhr die analytische Kennzahlenarbeit Mitte der 90er Jahre. Das verstärkte Interesse an vergleichbaren Indikatoren über den betrieblichen Energieeinsatz wuchs aus den verschiedenen Bemühungen zur Bereitstellung von in einheitlich abgegrenzten Untersuchungsbereichen evaluierten ökologierelevanten Daten insbesondere im Rahmen der Öko-Auditierung. Hinsichtlich der Technikbewertung und Technikfolgenabschätzung wurde dem kumulierten Energieaufwand (KEA) eine wesentliche Rolle beigemessen, um Aussagen über die Ressourcenbelastung (in Ökobilanzen und Lebenszyklusanalysen sowohl der Energie- als auch der Materialaufwand) und Umweltverträglichkeit von Produktkonstruktion und -fertigung treffen zu können. Der KEA beschreibt insgesamt und in seinen Teilen die Summe aus dem kumulierten Prozessenergieverbrauch und dem kumulier-

204

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

ten nichtenergetischen Aufwand [95]. Dabei umfasst der kumulierte Prozessenergieverbrauch alle gehandelten, primärenergetisch mit Hilfe von Bereitstellungsnutzungsgraden bewerteten Endenergieverbräuche [124].

Jahr

Vorgabe

Ist

1979

432

423

1980

421

416

1981

416

423

1982

421

414

1983

414

428

1984

417

422

1985

420

420

1986

415

409

1987

407

414

1988

403

390

350

375

400

425

450 [kJ/kg]

1979

1981

1983

1985

1987 [Jahr]

Vorgabe Ist- Wert

Abb. 4.5. Auszug aus Gegenüberstellungen spezifischer Energieverbräuche14, Beispiel: Herstellung von Zement (Branche gesamt)

Wenn gleich die Methodik zur Ermittlung des KEA als Bestandteil der ganzheitlichen Bilanzierung im Umfeld der Ökobilanz und letztlich auch die verfolgte Zielstellung nämlich in erster Linie die umweltbewusste Planung und Entwicklung neuer Produkte [31] keine grundsätzliche Konformität zur Herangehensweise nach dem UPN-Modell aufweist15, so bleibt eines gemein: Den Ausgangspunkt für jegliche analytische Aktivitäten bilden die Erarbeitung von im Betrieb praktizierbaren Erhebungsverfahren und die Publizität der gewonnenen spezifischen Energieeinsatzgrößen für alle untersuchten Technologien und Produkte. In jüngerer Zeit wurden hierzu verschiedene Anstrengungen unternommen. Mit der Ausarbeitung der VDI-Richtlinie 466116 wird das Ziel verfolgt, einen allgemein verbindlichen Rahmen für Begriffsdefinitionen, Methoden zur Datenerhebung und -berechnung sowie für die Interpretation 14

Jahres-Normative und Jahres-Ist-Mittelwerte nach [67] Vergleich zu Abschn. 2.3.5. „Das industrielle energetische System“ 16 Zum aktuellen Stand liegt die Richtlinie im Gründruck (Entwurfsform) vor. Vorläufiger Titel: VDI 4661 „Energiekennwerte · Definitionen –Begriffe – Methodik“ [125] 15

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

205

der ermittelten Energiekennzahlen zu schaffen. Im Ergebnis einer Recherche des OPET-Netzwerkes wurden die laufenden Aktivitäten zum Einsatz von Energiechecklisten und Energiekennzahlen im produzierenden Gewerbe (vordergründig KMU) zusammengetragen [84]. Anliegen eines branchenübergreifenden Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes ist es, den spezifischen Energieeinsatz von unterschiedlichen energieintensiven Produktionstechnologien zu ermitteln, seine Einflussgrößen qualitativ und quantitativ zu erheben sowie das Vorgehen bei Vor-Ort-Analysen und die Ergebnisse ausführlich darzustellen [130]. Energiekennzahlen in Veröffentlichungen

Den nach Angaben des Herausgebers geschlossensten Überblick vermittelt Kubessa [66]. Hinsichtlich des produzierenden Gewerbes enthält die Aufstellung Energiekennzahlen des Textil-, Holz-, Papier-, Keramik- und Glasgewerbes, der Chemischen und Ernährungsindustrie sowie der Verarbeitung von Steinen und Erden, Metallerzeugung und Gießerei. Zur Gewährleistung der Plausibilität und Nachvollziehbarkeit der gelisteten Basisdaten wird auf die konkreten Bedingungen für ihren Geltungsbereich eingegangen (Druck, Temperatur, Anlagengröße, Durchsatzmengen, etc.). In Umsetzung des UBA-Vorhabens stellen Layer, et. al. Kennzahlen für eine Reihe von Anlagen, Verfahren und Endprodukten zur Verfügung [71]. Berücksichtigt werden insbesondere Wirtschaftszweige der Ernährungsindustrie, Verarbeitung von Steinen und Erden sowie der Metallerzeugung und -bearbeitung. Anknüpfend an die bisherigen Erhebungen befindet sich zurzeit ein zweites Teilprojekt in Umsetzung. Neben weiteren Vertretern der Grundstoffindustrie zählt die Herstellung von Behälterglas zu den untersuchten Wirtschaftszweigen [106]. Abschließend wird auf diverse verfügbare branchenorientierte Evaluierungen eingegangen17. Eine umfangreiche auf Unternehmensbefragungen und Detailanalysen von Betrieben und Prozessen basierende Erhebung für alle (teilweise zusammengefasste) Branchen der Ernährungsindustrie veröffentlichen Meyer, et al. [78]. Besonderen Wert erlangt die Ausarbeitung auf Grund ihrer Zielgerichteten Auseinandersetzung mit den verschiedenen Querschnittstechnologien, welche vielfach eine breite Anwendung der zunächst für einen konkreten Prozess gewonnenen Ergebnisse ermöglicht (siehe Tabelle 4.3.). 17

Die VDI-Arbeitsgruppe „Energiekennzahlen auf Branchen und Technologieebene / Emissionszertifikate“ erarbeitet derzeit eine Datenbank zu Veröffentlichungen von wirtschaftszweig- und prozessrelevanten Energiekennzahlen [3] (voraussichtlich ab Mitte 2002 zugänglich).

206

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Prozessklasse

WZ - Branche Zerteilen

Mischen

Erhitzen

Trocknen Kühlen

1513 Fleischverarbeitung

Zerlegen Schneiden Wolfen

Mischen Kuttern

Kochen Braten Räuchern Frittieren

Gefrier- Kühlen trocknen Tiefkühlen

1533 Verarbeitung von Obst und Gemüsen

Zerkleinern Schneiden

Mischen

Blanchieren Trocknen Kühlen Gefrieren Vakuumkochen

1541, 1542, 1543 Herstellung von tierischen und pflanzlichen Ölen und Fetten 1551, 1552 Milchverarbeitung und Herstellung von Speiseeis

Zerkleinern

Hydrieren Schmelzen

Trocknen Kühlen

Bruchbereiten

Mischen

Wärmebehandeln

Trocknen Kühlen Gefrieren

Darren Dämpfen

Trocknen Kühlen

1561, 1562

Mahlen Zerkleinern Mahl- und Schälmühlen, Herstellung von Stärke und Stärkeerzeugnissen Schneiden 1581, 1582 Herstellung von Backwaren Herstellung von Dauerbackwaren

Mischen Kneten

Backen

Kühlen

1584 Herstellung von Süßwaren

Zerkleinern Mahlen Brechen

Mischen Kneten

Backen Rösten Kochen

Gefriertrocknen

1585 Herstellung von Teigwaren

Schneiden Stanzen

Mischen

Kochen

Trocknen Kühlen Gefrieren

1591

Mischen

Kühlen

Herstellung von Spirituosen 1597

Darren

Trocknen Kühlen

Herstellung von Malz

Abb. 4.6. Querschnittstechnologien in Branchen der Ernährungsindustrie, Auszug nach [78, 113]

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

207

In diesem Zusammenhang werden die Prozesse der Trocknung, Erhitzung und Zerkleinerung sowie Anlagen zur Wärme-, Kälte- und Druckluftversorgung hervorgehoben [64]. Methodisch ähnlich ausgerichtet nehmen Kruska, et al. die Bewertung von branchenspezifischen Produktionsprozessen und Querschnittstechnologien in der Textilindustrie vor [65]. Basierend auf ein vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) entwickeltes Energie(kosten)-Controlling-Verfahren für den Maschinenbau werden in regelmäßigen Zeitabständen eine Reihe von betriebs- und energiewirtschaftlichen Unternehmensdaten zusammengetragen, anonym der WZ93-Nomenklatur zugeordnet und ausgewertet. Aufbauend auf den Ergebnissen und Erfahrungen mit der hierzu eingesetzten Software MasterLUX (vormals COmLUX [12] erarbeiten Pasquale, et al. ein Branchenkonzept für die metallverarbeitende Industrie [86].

Globale energetische Bewertung von Produktionsbetrieben

Allein der Verweis auf Katalogisierungen von zumeist für eine Branche zutreffenden Prozessparametern ist nicht ausreichend, um den Zuständigen vor Ort dahingehend zu motivieren, Energiekennzahlen als wesentliches Instrument bei der Umsetzung der verschiedenen Aufgaben des Energiemanagement zu begreifen und durch ihre systematische Erarbeitung die Grundlage für eine energetisch optimierte Fertigung zu schaffen. Veröffentlichungen, wie sie einleitend aufgeführt werden, liefern wichtige Hinweise für die Ergebnisfindung im eigenen Unternehmen, sie können aber nicht die Auseinandersetzung mit den individuell vielfach voneinander abweichenden Gegebenheiten ersetzen. Diesbezüglich muss Klarheit über Struktur und Zusammensetzung sowie Erfassungsaufwand und Begrenzungsmöglichkeiten (insbesondere hinsichtlich der messtechnischen Erfordernisse) bestehen. Die Frage – was ist überhaupt als Kennzahl aufzufassen – findet in der Literatur unterschiedliche Beantwortung18. Werden (Energie-)Kennzahlen als Kombination von miteinander in Beziehung stehenden Größen, also als reine Verhältniszahlen verstanden, so hat sich die Unterteilung in Gliederungs-, Beziehungs- und Indexzahlen durchgesetzt [14, 2, 125]. − Unter Gliederungszahlen werden diejenigen Verhältniszahlen aufgefasst, bei denen ein Teil im Verhältnis zum Ganzen nach sachlichen,

18

Vergl. auch Abschn. 2.2. „Kennziffern im industriellen Energiemanagement“

208

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

räumlichen oder zeitlichen Kriterien ausgedrückt wird (zum Beispiel Anteil der Energiebezugskosten an den Gesamtkosten [%]). − Bei Beziehungszahlen handelt es sich um das Verhältnis zweier nicht gleichartiger Zahlen, die zueinander in technischer oder wirtschaftlicher Relation stehen [2] (zum Beispiel Spezifischer Energieverbrauch beziehungsweise Energierelevante Kosten bezogen auf die gefertigte Menge eines Endproduktes [MJ/MEProdukt] beziehungsweise [ €/MEProdukt]). − Als Indexzahlen werden schließlich die Verhältnisse von Zahlen zu einer gleichartigen Zahl verstanden, wobei letztere als ständige Bezugsbasis dient (zum Beispiel der produktbezogene Brennstoff-Verbrauch im Monat September 2003 gemessen am produktbezogenen Brennstoffverbrauch im gleichen Zeitraum des Vorjahres [%]). Teilweise erfolgt eine übergeordnete Trennung unter statistisch-methodischen Gesichtspunkten in die Gruppen der Grundzahlen (absoluten Kennzahlen) und Verhältniszahlen [24, 41, 77]. Grundzahlen basieren auf Mengen- und Wertegrößen in Form von Messzahlen, Summen, Differenzen beziehungsweise Mittelwerten (beispielsweise absoluter oder durchschnittlicher Verbrauch eines Energieträgers über einen bestimmten Zeitraum, zahlenmäßig ausgedrückte Verbrauchsschwankungen, etc.). Wird den Grundzahlen eine besondere Bedeutung bei den im betriebswirtschaftlichen Schrifttum und in der Praxis verwendeten Kennzahlen zugeschrieben [77] (beispielsweise Lagerbestände, Belegschaft, Umsatz- und Gewinngrößen), so wird ihre Aussagekraft hinsichtlich energiewirtschaftlicher Sachverhalte mehrheitlich als gering eingeschätzt [83]. In der Argumentation wird ihr mangelnder Bezug zum Produktionsprozess angeführt. Bauer fasst die wesentlichsten Anwendungsbereiche von Energiekennzahlen in der Analyse und Steuerung einschließlich der Planung und Kontrolle von Unternehmensaktivitäten zusammen. In Abb. 4.7. wird die Verzahnung der verschiedenen Anwendungsbereiche dargelegt, wie sie mehrfach in ähnlicher Form wiedergegeben wird [2, 71]. Danach mündet die Mehrzahl der Kennzahlenanwendungen in vergleichende Untersuchungen. Hierzu zählt die Gegenüberstellung von aktuellen, systembezogenen Größen (Betrieb, gesamtes Produktionssystem, einzelne Subsysteme) zu Größen gleicher oder ähnlicher Systeme, zu historischen Größen innerhalb des gleichen Bilanzraumes oder zu, aus diesen entwickelten und für die Zukunft geltenden, Zielvorgaben. Zur ersten grundlegenden Bewertung der Energieverwendung im Betrieb dienen globale Energiekennzahlen. Der Verbrauch an Energie zur Erfüllung der Produktionsaufgabe wird gleichgesetzt mit dem monatlichen / jährlichen Bezug, wobei keine Unterscheidung in U-, P- oder N-Klassen vorgenommen wird.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Anwendungszweck:

Anwendungszweck:

Analyse

Steuerung

Kontrolle

Planung

Soll-Istvergleich

Kennzahlenvorgabe

209

Kennzahlenvergleich

Zeitvergleich

Betriebsvergleich

Abb. 4.7. Wesentliche Anwendungszwecke von (Energie-)Kennzahlen [2]

Der Aufwand zur Ermittlung des energetischen Inputs ist somit gering, da sein Zahlenwert letztlich aus der Rechnungslegung des zuständigen Energieversorgers hervorgeht [9] (zum Beispiel monatliche Erdgasbezüge in Nm³/Monat oder durch Einbezug von Energiegehalten / Heizwerten äquivalente Grundzahlen in MJ/Monat). Bezugsbasen sind in der Regel Umsatzgrößen oder die über einen gleichen, festgelegten Betrachtungszeitraum produzierte/ verarbeitete Menge an Endprodukten19. Die auf diese Weise ermittelten globalen Kennwerte werden nach dem jeweils zugeordneten Energieträger als Intensitäten bezeichnet und geben folgende Verhältnisse wieder: Brennstoffintensität im Abrechnungszeitraum (AZ) =

19

(4.1)

Brennstoffeinsatz in kWh , t , bzw. MZ im AZ Umsatz in € im AZ

Für betriebseigene Analysen sind Bezugsgrößen, wie die tägliche/ monatliche Produktionsmenge insbesondere zur Bildung von Zeitreihen durchaus umsetzbar. Unternehmens- beziehungsweise Unternehmensverbundübergreifende Gegenüberstellungen scheitern dagegen vielfach an der Bezugsbasis Produktionsmenge, die gegenüber dem Wettbewerber nicht ausgewiesen werden soll.

210

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Elektroenergieintensität im Abrechnungszeitraum (AZ) =

(4.2)

Stromverbrauch in kWh im AZ Umsatz in € im AZ

Als Vergleichsgrößen zu den unternehmenseigenen Intensitäten dienen die entsprechenden Mittelwerte für die betreffende Branche gemäß der Klassifikation der Wirtschaftszweige WZ93. Die mit der vorhergehenden Berichterstattung – der Systematik des produzierenden Gewerbes – nur noch wenige Gemeinsamkeiten aufweisende WZ93 dient dazu, die wirtschaftlichen Tätigkeiten von Unternehmen, Betrieben und anderen statistischen Einheiten in allen amtlichen Statistiken einheitlich zu erfassen. Wenngleich mit der vollzogenen Umstellung statistisch eine vergangenheitsbezogene Gegenüberstellung von Entwicklungsdaten infolge des Abbruchs der Zeitreihen nur mit hohem Aufwand durchführbar ist, bietet nunmehr die WZ93 die Möglichkeit, in Zukunft alle erfassten statistischen Daten europaweit konvergierend zu analysieren [8]. Tabelle 4.1. Klassifikation von Hauptgruppen der Wirtschaftszweige nach SYPRO und WZ93 Sypro Hauptgruppe B G I

V

N

Bezeichnung Bergbau Verarbeitendes Gewerbe Investitionsgüter produzierendes Gewerbe Verbrauchsgüter produzierendes Gewerbe Nahrungs- und Genussmittelgewerbe

WZ 93 Hauptgruppe A B

Bezeichnung Vorleistungsgüterproduzenten Investitionsgüterproduzenten

GG

Gebrauchsgüterproduzenten

VG

Verbrauchsgüterproduzenten

Obwohl gemäß Tabelle 4.1. die Anzahl der Hauptgruppen verringert wurde, der nach dem jeweiligen Produktionsprofil am engsten zusammengefassten Gruppe (sogenannte „WZ-Viersteller“) werden nun statistisch insgesamt 256 Wirtschaftszweignummern zugewiesen. Das hat zur Folge, dass bei der Gegenüberstellung von unternehmensindividuellen globalen Energiekennwerten mit den im Land beziehungsweise bundesweit geltenden Vergleichsgrößen eine deutlich höhere „Treffgenauigkeit“ erzielt wird [91].

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

211

Die Anwendung dieser Methodik ermöglicht einen quantitativen Vergleich des umsatzbezogenen Strom- und Brennstoffverbrauchs zwischen dem jeweiligen Unternehmen und seinen landes- oder bundesweiten Wettbewerbern, die statistisch dem gleichen Wirtschaftszweig zugeordnet sind. Sie stellen damit eine erste Orientierung für das Unternehmen dar, inwieweit es sich einordnet oder Extrempositionen einnimmt [92]. Abb. 4.8. gibt einen Überblick über Energieträgerintensitäten ausgewählter energieintensiver Wirtschaftszweige des Landes Brandenburg. Brennstoff- Elektroenergieintensität intensität WZ 93 Wirtschaftszweig

15 18 20 21 24 25 26 27 28 29 34 35 37

[MJ/ ]

[kWh/ ]

Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden ( )

26,19

1,04

Verarbeitendes Gewerbe ( ) Ernährungsgewerbe Bekleidungsgewerbe Holzgewerbe (ohne Herstellung von Möbeln) Papiergewerbe Chemische Industrie Herstellung von Gummi- und Kunststoffwaren Glasgewerbe, Keramik, Verarbeitung von Steinen und Erden Metallerzeugung und -bearbeitung Herstellung von Metallerzeugnissen Maschinenbau Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen sonstiger Fahrzeugbau Recycling

5,57 1,47 0,88 1,98 8,16 10,64 0,39

0,47 0,14 0,08 0,61 1,06 0,72 0,22

11,81

0,47

32,00 0,59 0,53

1,62 0,10 0,10

0,39

0,18

0,47 0,14

0,06 0,20

Abb. 4.8. Energieträger-Intensitäten ausgewählter Wirtschaftszweige des Landes Brandenburg [8]

Festzuhalten bleibt, dass globale Energiekennwerte keineswegs pauschal einzusetzen sind. Ursachen für ihre eingeschränkte Aussagefähigkeit sind: − unberücksichtigte Unterteilungen energierelevanter Einzelprozesse. Fertigung und Peripherie werden nicht gesondert behandelt. Das Unternehmen wird grundsätzlich als Blackbox aufgefasst. Es finden ausschließlich eingehende Energiemengen (Bezug an Brennstoff, Elektroenergie, Fernwärme etc.) und zumeist in Geldwert ausgedrückte Produktionsmengen Berücksichtigung. − Unsicherheiten hinsichtlich der Konformität der wertmäßigen Bezugsbasen.

212

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Wenngleich die Zuordnung mehrerer Unternehmen zu einer WZNummer auf Grund der Vergleichbarkeit des gefertigten Endprodukts erfolgt, ist keineswegs sichergestellt, inwieweit die jeweiligen Unternehmen ihren Umsatz ausschließlich über den Vertrieb dieser Produkte erzielen. Anteilig können auch Dienstleistungen des Unternehmens im Umsatz enthalten sein. Kennzahlen energetischer (Sub-)Systeme

Der zielgerichtete Einsatz von energetischen Indikatoren, wie er in Abb. 4.9. für die verschiedenen Anwendungszwecke dargestellt ist, erfordert im besonderen Maße für die Planung und Kontrolle der betrieblichen INPUT Energiebezug Energieeinsatz

I/O1 I/O1 Pb1 Pb1

I/O2 I/O2

Energieverluste, Energieabgabe, Energiebedingte Emissionen

U U11

Nutzen

I/O3 I/O3 Pb2 Pb2 Produktion

Energieverluste

I/O4 I/O4 U U22

I/O5 I/O5 Pb3 Pb3 THROUGHPUT I/O6 I/O6 Pb4

OUTPUT

Legende: Pbn - Produktionsbereich Un - Energieumwandlungsbereich I/O - Energetisches Input/ Output- Subsystem

Abb. 4.9. Energiebereitstellung und -anwendung im Fertigungsprozess als energetisches I/O-System

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

213

Energieverwendung einen deutlich höheren Detaillierungsgrad, als er zunächst über die Ermittlung von Grundzahlen erzielt wird. Am Energiefluss ausgerichtet erscheint eine Ordnung von spezifischen Verhältniszahlen nach (1) Input – also im Wesentlichen der Bezugsenergie –, nach (2) Throughput – den verschiedenen Transformationen von Endenergie zu Einsatz- beziehungsweise Nutzenergie – und nach (3) Output – den Energieverlusten, insbesondere Abwärme und energiebedingte Emissionen sowie an Dritte abgegebene (verkaufte) Energie – am geeignetsten. Schließlich lässt sich das allgemeingültige UPN-Modell als energetisches I/O-System auffassen (Vergleich dazu Abschn. 2.3.4.). Die konsequente Einordnung der spezifischen Kennzahlen in die Energieverbrauchsstruktur des Betriebes bildet insbesondere für bilanzierende Analysen die Basis (Vergleich auch Abschn. 2.2.4. und 2.3.4.). Input

Analog zu globalen Energiekennwerten steht die Menge der beschafften Energieträger im Mittelpunkt der Betrachtung. Der energetische Input wird in der Regel durch Gliederungszahlen beschrieben. Für einen festgelegten Zeitraum (Monat, Jahr) wird die Menge eines bezogenen Energieträgers ins Verhältnis zur Gesamtbezugsenergie gesetzt, wie es beispielhaft in den Gln. (4.3) und (4.4) vorgenommen wird. EK I ,1 =

Bezug an Elektroene rgie Summe der bezogenen Energiemen gen

(4.3)

⎡ kWh / ZE ⎤ ⎡ MJ / ZE ⎤ =⎢ ⎥ ⎥; ⎢ ⎣ kWh / ZE ⎦ ⎣ MJ / ZE ⎦

EK I ;2 =

Bezug an Brennstoff Summe der bezogenen Energiemengen

(4.4)

⎡ kWh / ZE ⎤ ⎡ MJ / ZE ⎤ =⎢ ⎥ ⎥; ⎢ ⎣ kWh / ZE ⎦ ⎣ MJ / ZE ⎦

Eine weitere Darstellungsform, die sich insbesondere zum Aufzeigen von Entwicklungen und Tendenzen anbietet, besteht in der fortlaufenden Aufzeichnung von Indexzahlen über den energetischen Input, wie sie in Tabelle 4.2. vorgenommen wird. Aufstellungen dieser Art erbringen Aussagen über Anteilsverlagerungen eines Energieträgers im gesamten Bezugsenergiespektrum während der untersuchten Zeitspannen. Ursachen für etwaige

214

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Veränderungen liefern Input-Kennzahlen freilich nicht. Unter Einbezug der Bezugspreise können sie jedoch als Informationsträger für Investitionsentscheidungen über Maßnahmen zur Energieträgersubstitution dienen (zum Beispiel Brennstoffumstellung in feuerungstechnischen Anlagen von Erdgas auf schweres Heizöl). Tab.e 4.2. Auszug aus Erhebungen über den Erdgasbezug eines Walzwerkes20 [63] Monat

Anteil Erdgas am

Jan

Feb

März

Apr

Mai

Jun

19,6

10,4

13,1

8,1

4,0

5,4

100,0

51,8

65,4

40,7

20,0

27,0

Gesamtenergiebezug [%] Index des Erdgasanteils am Gesamtenergiebezug [%]

Resultieren Input-Kennzahlen aus Prognosen und Planungsgrößen für den Throughputbereich, so können sie wichtige Informationen hinsichtlich der zukünftigen Energiedisposition liefern. Throughput

Den größten Anteil in industriellen Energiesystemen nehmen die Prozesse der Energieumwandlung, -verteilung, -bereitstellung und letztlich der Verwendung in den Fertigungsbereichen ein. Dementsprechend ist auch die Anzahl von energetischen Kennzahlen zu deren Bewertung vergleichsweise hoch. Als Kriterien hinsichtlich der rationellen Energieverwendung stellen energetische Kennzahlen des Throughput die geeignetsten Gliederungs- und Beziehungszahlen dar. Üblicherweise erfolgt die Beurteilung von Prozessen dieser Art mit Hilfe einer physikalisch begründeten Kategorie von Kennzahlen [83], nämlich den Wirkungs- und Nutzungsgraden [65].

η=

20

Zielenergiestrom ⎡ kW ⎤ zugeführter Energiestrom ⎢⎣ kW ⎥⎦

(4.5)

Unter Beachtung der Geheimhaltungsvereinbarungen werden unternehmensindividuelle Daten teilweise skaliert ausgewiesen.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

215

Der Wirkungsgrad bezieht sich gewöhnlich auf einen stationären beziehungsweise quasistationären Prozesszustand. Für die Betrachtung von längeren Zeiträumen hat es sich bewährt, den Nutzungsgrad zu ermitteln [62]. Auf diese Weise finden unterschiedliche Prozesszustände (Anlagenbetrieb in Voll-, Teillast, Beharrung oder Anlauf) über einen festgelegten Zeitraum Berücksichtigung.

ηn =

Zielenergiemenge in einem Zeitraum zugeführte Energiemenge in einem Zeitraum

(4.6)

⎡ kWh / ZE ⎤ ⎡ MJ / ZE ⎤ =⎢ ⎥ ⎥; ⎢ ⎣ kWh / ZE ⎦ ⎣ MJ / ZE ⎦

Wird gemäß der Gln. (4.5) und (4.6) der bewertete Prozess als Kern eines Subsystems aufgefasst (Vergleich auch zu Abb. 4.9), so entspricht der Zielenergiestrom dem energetischen Output, der zugeführte Energiestrom dem energetischen Input. Liefert der Prozess mehrere OutputEnergieströme oder werden unterschiedliche Energieträger als Input zugeführt, so müssen in Gl. (4.5) die Zähler beziehungsweise Nenner durch die entsprechende Summation der Energieströme ersetzt werden [62]. Ein gewichtiger Vorteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass insbesondere über die Ermittlung des Wirkungsgrades eine gängige Größe zur Einschätzung der energetischen Güte einzelner Anlagen zur Verfügung steht. Somit lassen sich Entscheidungen im Hinblick auf den Ersatz eines Aggregats unabhängig von der Zugehörigkeit zu einer U-, P- oder N-Klasse ableiten. Schwierigkeiten bereitet bei der praktischen Umsetzung oftmals die Messung des Zielenergiestromes (zum Beispiel die direkte Messung der Nutzenergie eines Dampferzeugers ebenso wie die indirekte Methode bei Ermittlung aller auftretenden Verluste). Abhilfe schafft diesbezüglich die Anwendung von spezifischen Energieverbrauchsgrößen. Sie geben die Güte des Energieeinsatzes hinsichtlich zweierlei grundsätzlicher Bereiche wieder: Erstens: Die Verwendung eines bestimmten (gewöhnlich bereits sekundären) Energieträgers zur Bereitstellung eines in Art oder / und Qualität veränderten sekundären Energieträgers. Kennzahlen zur Beschreibung von Prozessen dieser Art, wie sie in Aggregaten der U-Klasse ablaufen, setzen die eingesetzte Energiemenge zur nach dem Umwandlungsprozess bereitgestellten ins Verhältnis. Letztere stellt also gewissermaßen das Produkt und damit auch die Bezugsgröße innerhalb eines solchen ThroughputSubsystems dar. Für den spezifischen Energieverbrauch eines Umwandlungsprozesses über einen festgelegten Zeitraum gilt:

216

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

EK T 1 = wu =

(4.7)

eingesetzte Energiemenge nach Wandlung bereitgestellte Energiemenge

⎡ MJ / ZE ⎤ ⎡ kWh / ZE ⎤ z .B . ⎢ ⎥ bzw. ⎢ 3 ⎥ ⎣ Nm DL / ZE ⎦ ⎣ kWhElt / ZE ⎦

Zweitens: Die Verwendung eines Energieträgers zur Erfüllung der an das jeweilige Aggregat der P-Klasse gestellten Produktionsaufgabe. Bei der Bildung von Kennzahlen wird die eingesetzte Energiemenge ins Verhältnis zur gefertigten oder verarbeiteten Menge eines Zwischen- oder Endproduktes gesetzt. Eine wesentliche Prämisse der Theorie betrieblicher Wertschöpfung bezieht sich auf die quantitative Messbarkeit des Umfangs einer Menge von Produkten gleicher Art und gleicher Qualität. Bei einzelnen identifizierbaren Stückobjekten entspricht dies ihrer natürlichen Anzahl. Schüttgüter und sog. Meterware lassen sich mittels physikalischer Maße quantitativ in beliebigen reellen Zahlen erfassen (typische Mengeneinheiten: lfd. Meter, m², m³, kg) [23]. Tabelle 4.3. Auszug aus Erhebungen über den Elektroenergieeinsatz zur Drucklufterzeugung in einem Walzwerk 21[63] Monat Jan

Feb

März

Apr

Bereitgestellte Druckluftmenge [Nm3]

223.565

182.585

256.565

195.831 191.538

214.839

Eingesetzte Elektroenergie [kWh]

27.846

26.825

34.675

28.987

26.657

31.589

0,125

0,147

0,135

0,148

0,139

0,147

100,0

117,5

108,1

118,4

111,3

117,6

Spez. Elt-EnergieVerbrauch der Umwandlung [kWh/Nm3] Index der Drucklufterzeugung [%]

21

Mai

Jun

Unter Beachtung der Geheimhaltungsvereinbarungen werden unternehmensindividuelle Daten teilweise skaliert ausgewiesen.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

217

Für den spezifischen Energieverbrauch eines Fertigungsprozesses über einen festgelegten Zeitraum gilt:

EKT 2 = w =

eingesetzte Energiemenge ⎡ kWh / ZE ⎤ gefertigte / verarbeitete Pr oduktmenge ⎢⎣ ME / ZE ⎥⎦

(4.8)

Tabellarisch zusammengetragen lassen sich energetische Kennzahlen des Throughput in gleicher Weise wie die eingangs aufgeführten Zeitreihen als Beziehungs- und / oder Indexzahlen darstellen (siehe Beispiele Tabelle 4.3 und 4.4.). Tabelle 4.4. Auszug aus Erhebungen über den Brennstoffeinsatz zur Trocknung mineralischer Ausgangsstoffe 22 [111] Monat Jan

Feb

März

Apr

Mai

Jun

401.610

357.518

613.870

590.996

553.090

636.635

2.224

1.593

2.918

3.263

3.758

3.897

180,6

224,4

210,4

181,1

147,2

163,4

Eingesetzte thermische Energie [MJ] Durchgesetzte Fertigungsmenge [ME] Spez. Wärmeverbrauch der Fertigungsstufe [MJ/ME]

Output

Energetische Kennzahlen zur Bewertung des Output korrelieren mit den Throughput-Identifikatoren. Gemäß Abb. 4.5 umfassen sie energiebedingte Emissionen sowie die energetischen (Verlust-)Abgaben der U-, P- und NKlassen. In Abgrenzung zu vereinzelt vorgenommenen Unterteilungen, in denen outputbezogene Kennzahlen die Relationen zum Produktionsausstoß wiedergeben (unter anderen [73]), wird in der hier vorgenommenen Sondierung ein Output-Energiekennwert als eine solche Beziehungszahl verstanden, die ein Abprodukt beschreibt, das infolge eines energetischen Pro22

Auszug aus Erhebungen über den Brennstoffeinsatz zur Trocknung mineralischer Ausgangsstoffe [111]

218

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

zesses auftritt und das Energie(sub-)system anschließend verlässt. Der energetische beziehungsweise energiebedingte Output ist zu unterscheiden in wertlos (energiebedingte Emissionen und energetische Verluste) und wertbesitzend (gewandelte und an Dritte abgegebene Energieträger). Emissionen Im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion steht der Ausstoß von CO2 als Hauptverursacher des Treibhauseffektes. Trotz hochgesteckter Ziele der deutschen Wirtschaft zur Reduzierung der CO2-Emission (z.B. Chemische Industrie: angestrebte Reduktion um 30% bis zum Jahr 2005 gegenüber 1990) ist europaweit statt einem Sinken ein Anwachsen der CO2-Fracht zu verzeichnen [126]. Instrumente wie der Handel mit Emissionszertifikaten sollen dieser Entwicklung entgegenwirken. Emissionen erhalten auf diese Weise einen Marktwert, wodurch ein zusätzlicher, wenn nicht überhaupt der Anreiz geschaffen wird, um Maßnahmen zur rationellen betrieblichen Energiebewirtschaftung zu ergreifen. Eine europaweite Einführung scheiterte bislang jedoch auf Grund des Fehlens von standardisierten Erfassungsverfahren. Gelingt es diesbezüglich, die notwendigen Rahmenbedingungen auch für kleinere Unternehmen zu schaffen (insbesondere bei Einhaltung eines vertretbaren finanziellen Rahmens hinsichtlich der Erfassung und Aufbereitung von Emissionsmessdaten), so werden gleichsam Output-Kennzahlen sprunghaft an Bedeutung gewinnen. Ein dauerhaft einzuhaltender Sollwert, beispielsweise zur Bereitung thermischer Einsatzenergie durch ein Aggregat der U-Klasse, ist gemäß Gl. (4.9) als Kennzahl zu formulieren: EK 01 =

durch eingesetzte Energiemenge bedinge CO2 Emission nach Wandlung bereitgestellte Energiemenge

(4.9)

⎡ t / ZE ⎤ =⎢ ⎥ ⎣ MJ / ZE ⎦

Während beim Einsatz von Brennstoffen die Schadstoffmengen (je nach Betrachtung NO2, NOx, CH4, etc.) den direkten und damit messbaren Schadstoffausstößen entsprechen, finden beim Einsatz von Elektroenergie Emissionsfaktoren Anwendung. CO2 − Emissionsfaktor ⋅ eingesetzte Energiemenge nach Wandlung bereitgestellte Energiemenge t / kWh ⋅ kWh / ZE = MJ / ZE

EK 02 =

(4.10)

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

219

Üblich bei rechnerischen Ermittlungen von Schadstoffbelastungen ist die Anwendung sog. CO2-Äquivalente [39], die in Summe die Wirkung aller Treibhausgase bezogen auf die Masse von CO2 wiedergeben23. Analog zu den Relationen des Throughput lassen sich für die energiebedingte Emissionsabgabe von einzelnen Produktionsanlagen, Produktionsbereichen bzw. der gesamten Fertigung Output-Kennzahlen gemäß Gl. (4.11) bilden. EK 03 =

CO2 − Äquivalent ⋅ eingesetzte Energiemenge gefertigte / verarbeitete Pr oduktmenge

(4.11)

⎡ t / kWh ⋅ kWh / ZE ⎤ =⎢ ⎥ ME / ZE ⎣ ⎦

Wandelt sich der bisherige Status der freiwilligen Selbstverpflichtung der deutschen Wirtschaft zur Senkung des Schadstoffausstoßes durch konkrete Auflagen zur Obligation, so kann über die als EKO1..3 beispielhaft formulierten Output-Kennzahlen der Nachweis darüber erbracht werden, inwiefern umgesetzte Maßnahmen wirksam (zum Beispiel Ersatz ineffizienter thermischer Transformatoren durch KWK-Anlagen) oder in welchem Maße Emissionszertifikate zur Zielerreichung zu erwerben sind. Energieverluste und Abgegebener Energie-Output Bereits die in Gln. (4.5) und (4.6) ausgewiesenen Wirkungs- und Nutzungsgrade decken Verlustanteile bei der innerbetrieblichen Umwandlung, Verteilung und dem Einsatz von Energie auf. Hinsichtlich der Erarbeitung von Energiekennzahlen, die sich mit energetischen Verlusten als Outputgrößen auseinandersetzen, sind in erster Linie diejenigen Verluste zu berücksichtigen, die ein nutzbares Potenzial im Sinne von Anfallenergie aufweisen. Das Rückgewinnungspotenzial lässt sich wie folgt quantifizieren: (4.12) EK 04 =

theoretisch aus Rückgewinnung einsetzbare Energiemenge eingesetzte Energiemenge

Auskunft über potenzielle Einsatzbereiche können wiederum die Kennwerte des Input und Throughput liefern oder die gesonderte Untersuchung der Energieverwendung in der N-Klasse, also den Nebenanlagen (Warm23

CO2-Emissionfaktor für Strom: 0,65 kg/kWh; CO2-Äquivalent für Strom: 0,69 kg/kWh [39]

220

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

wasserbedarf, Heizungsunterstützung etc.), welche vorerst in diesem Abschnitt keine tiefgründigere Betrachtung erfahren. EK 05 =

rückgewonnene eingesetzte Energie eingesetzte Energiemenge

(4.13)

Den real rückgewonnenen Anteil der Einsatzenergie gibt die Gliederungszahl EKO5 nach Gl. (4.13) an. Der Rückgewinnungsanteil ist dahingehend zu interpretieren, dass einerseits Klarheit über den Grad der Ausschöpfung des theoretischen Potenzials besteht, andererseits seine ständige Einhaltung insbesondere bei bivalent versorgten Anlagen oder Bereichen geprüft werden kann. Einen Ausnahmefall der betrieblichen Energiebereitstellung stellte lange Zeit die Energieabgabe an Dritte dar. Mit dem Zunehmen sog. Outsourcing-Aktivitäten, also der Abgabe von ehemals selbst umgesetzten Aufgaben an Fremdfirmen, wuchs die Bedeutung der zunächst mengenmäßigen, sukzessive wertmäßigen, Beurteilung des Aufkommens für die abgegebene, nicht direkt im eigenen Unternehmen genutzte Energie. Eine mengenmäßige Einschätzung lässt sich über den folgenden Energiekennwert vornehmen: EK 06 =

Anteil der abgegebenen Energiemenge Anteil der eingesetzten Energiemenge

(4.14)

4.3. Einbindung von Merkmalen der Energieanwendung in die Produktionsplanung und -steuerung Die Hauptaufgabe der Produktionsplanung und -steuerung (PPS) besteht in der terminlichen, belastungs- und mengenmäßigen Koordination der drei Elementarfaktoren Material, Personal und Betriebsmittel24. Die im Rahmen der PPS anfallenden vielschichtigen und komplexen Aufgabenbereiche bedingen in hohem Maße den Einsatz von Anlagen zur elektronischen Datenverarbeitung (EDV)25. Rechnerunterstützte Systeme der Produktionsplanung und –steuerung (PPS-Systeme) sind nach Fandel darauf ausgerichtet, komplexe Problem24

Vergleich Abschn. 4.3.2. „Relevante konzeptionelle Bereiche von PPS-Systemlösungen“ 25 Da im Sprachgebrauch die Datenverarbeitung (DV) weitestgehend mit der EDV gleichgesetzt wird, erfolgt fortfahrend keine strikte Trennung der Begriffe.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

221

stellungen in modulare Teilaufgaben zu gliedern. Unter Verwendung verschiedener Lösungsverfahren und Datensätze werden sie miteinander abgestimmt und die bestehenden sachlichen und zeitlichen Interpendenzen schrittweise aufgelöst [33]. Geprägt durch vielfältige unternehmensindividuelle Gegebenheiten sind die konkreten Bedingungen und Anforderungen, die an die Einführung von PPS-Systemen gestellt werden, sehr verschieden. Hinsichtlich ihres Einsatzes wird prinzipiell in zwei Richtungen verfahren. Entweder wird ein System speziell für den individuellen Anwendungsfall konzipiert und programmiert oder es wird auf eine, insbesondere auf den betreffenden Fertigungsprozess, zugeschnittene Standardsoftware zurückgegriffen [69]. Ausnahmslos in allen deutschen Industriebetrieben mit mehr als 500 Mitarbeitern wurden bis zum Beginn der 90er Jahre PPS-Systeme installiert und in Betrieb genommen. Größtenteils bestand in der Literatur Einigkeit darüber, dass es in absehbarer Zeit keine reale Alternative zur dvgestützten Produktionsplanung infolge des Marktverlangens nach höherer Variantenvielfalt, kürzeren Lieferzeiten, ständigen Produktinnovationen und gleichzeitig hohen Produktqualitäten auch für kleinere Unternehmen geben wird (siehe Abb. 4.10.) [61]. Wenngleich sich das durch die verschiedenen EDV-Systeme abgedeckte Spektrum der Funktionen zur Gestaltung sowie Optimierung der Produktion und ihres Umfelds kaum in Grenzen fassen lässt und die fortschreitende Entwicklung der Informationstechnologien ständig zu einem weiteren Anwachsen des Funktionsumfanges beitragen wird [45], weisen die jeweiligen Konzepte dennoch wiederkehrende Lösungsverfahren und nahezu standardisierte Elemente insbesondere im Bereich der Informationsversorgung und -aufbereitung auf. Im Anschluss an die Darstellung des derzeitigen Entwicklungsstandes wird die Struktur der sich heute auf dem Markt befindenden Systeme dahingehend geprüft, inwiefern Instrumente des betrieblichen Energiemanagements effizient eingebunden werden können und in welcher Form sich deren Integration weitestgehend systemunabhängig gestalten lässt. Legt man den in der Literatur von verschiedenen Autoren angegebenen Lebenszyklus von PPS-Systemen mit 10 bis 15 Jahren den folgenden Betrachtungen zu Grunde (unter anderen [59]), so stehen gerade zum jetzigen Zeitpunkt viele Unternehmen vor der Entscheidung, ihr bestehendes Konzept zu modifizieren beziehungsweise zu ersetzten. Unabhängig davon, ob bei anstehenden Reorganisationen auf Individual- oder Standardsoftware zurückgegriffen wird, bietet sich zunehmend die reale Chance, innovative Ansätze direkt beziehungsweise modular zu integrieren. Die folgenden Ausführungen sollen dazu einen Beitrag leisten.

222

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Variantenvielfalt

Lieferzeiten

Planungs - und Steuerungsaufwand

Produktlebenszeiten

Qualität & Konsistenz

Datenvolumen

Abb. 4.10. Erhöhte Variantenvielfalt, kürzere Lieferzeiten, kürzere Produktlebenszeiten und erhöhte Qualität erfordern einen höheren Planungs- und Steuerungsaufwand und ein Vielfaches an Datenvolumina

4.3.1. Entwicklungsstand Die Vielfalt der auf dem Markt angebotenen Systeme erscheint grenzenlos. Von Adicom (Systemlösungen für kundenspezifische bis Serienfertigungen für Klein- und Großserien in mittelständischen Betrieben mit max. 500 Mitarbeitern) bis XPPS (Systemlösung für Massen- und Serienfertigung insbesondere zur Planungsunterstützung der Zulieferindustrie in den Bereichen Maschinen- und Fahrzeugbau) sind von einzelnen Modulen zur Bewältigung ganz bestimmter, eingegrenzter Produktionsplanungsaufgaben bis hin zu umfassenden Komplettlösungen alle vorstellbaren PPSVarianten vertreten [43]. Die Anwendungen weisen jedoch gravierende Unterschiede auf, da fast alle Systeme für spezielle Branchen und Anwendungsfälle entwickelt wurden und damit nur für ein gewisses Spektrum von Produktionsunternehmen ohne größere Anpassungen eingesetzt werden können [28]. Schon Anfang der 90er Jahre gab es [nach 57] 300 angebotene EDVLösungen als Hilfsmittel für Planungs- und Steuerungsaufgaben in Produktionsabläufen. In kurzer Zeit (bis 1996) stieg die Anzahl der DV-

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

223

Unterstützungen auf mehr als 600 Produkte [28]. Reduziert man die bestehende Produktanzahl, in der auch einige allein stehende Betriebsdatenerfassungs- (BDE) und Werkstattleitsysteme enthalten sind, auf diejenigen Anwendungen, die grundlegende material- und zeitwirtschaftliche Funktionen der Produktionsplanung und -steuerung unterstützen, so sind derzeit noch annähernd 200 Produkte relevant. Ökologie- und Energieorientierung Im Zuge von gesetzlichen Vorschriften und Verordnungen (Gesetzesgebung zur Abfallentsorgung, Kreislaufwirtschaft, etc. [89]), den damit verbundenen Auskunftspflichten und der drastisch sinkenden Preise für rechentechnische Einrichtungen gingen in den 90er Jahren viele Unternehmen dazu über, die zumeist von externer Seite geforderten Informationen dv-technisch zu erfassen und aufzubereiten. Vermehrt fanden dazu sog. Betriebliche Umweltinformationsysteme (BUIS) Anwendung. Aktivitäten im Rahmen des Öko-Audit, gemäß der EMAS-Verordnung26 der Europäischen Union [30], trugen dazu bei, dass die Verbreitung der BUIS weiter zunahm. In Deutschland verwenden bereits mehr als 2.500 Unternehmen das zurzeit geltende Öko-Audit, das im Rahmen der EMAS II weitergeführt wird [18]. Kaiser fordert, dass bei der Umsetzung von Öko-Audits auch das Thema Energie (beziehungsweise Energieeinsparung) tiefgründiger behandelt werden muss. Dabei verweist er auf Schnittstellen zu den in der Umwelterklärung enthaltenen Punkten, wie Angaben zu Schadstoff-Emissionen, Rohstoff-, Energie- und Wasserverbräuchen [60]. Einige der Betrieblichen Umweltinformationssysteme kommen dieser Forderung nach, indem sie verschiedentlich energierelevante Daten erheben und für die Berichterstattung zur Verfügung stellen [51]. Während die überwiegende Anzahl an Umweltinformationssystemen nach wie vor auf separaten Insellösungen basiert, weisen neuere Anwendungen Integrations- beziehungsweise Kopplungsmöglichkeiten mit PPSSystemen auf. Die betreffenden Lösungen sind insbesondere für Entsorgungsbetriebe zur Katalogisierung und Zuordnung der Artikel sowie branchenübergreifend zur Archivierung von Stoffdaten, zur Kennzeichnung und Bestandsführung von Gefahrenstoffen und deren Abwicklung ausgelegt [107]. Hervorzuheben sind „Umberto“ für die Erstellung von pro26

EMAS – Ecology-Management and Audit Scheme, Die im Februar 2001 verabschiedete EMAS II richtet sich nunmehr neben gewerblichen Unternehmen auch an Dienstleister und Behörden. Zudem lehnen sich die Vorgaben zur Auditierung stärker an die ISO 14001 /ISO96/ an, womit die Prozeduren bei Einsatz beider Szenarien vereinfacht werden [24]

224

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

duktbezogenen Öko-Bilanzen sowie „SUMIS“ als Informationssystem für Unternehmen mit mehreren umweltrechtlich zu verwaltenden Standorten27. Sprunghaft an Bedeutung gewannen im vergangenen Jahr Module des Energiedatenmanagements (EDM)28. Im Gegensatz zu den vorhergehend beschriebenen Anwendungen ist ihr Einsatz weniger am Bedarf des Energieabnehmers, als vielmehr auf die im Ergebnis der Öffnung des Energiemarktes veränderten Anforderungen an die Energielieferanten ausgerichtet. Erste Lösungen werden bereits von verschiedenen Systemanbietern offeriert [129]. Als ein Vertreter sei das „my sap utilities“-EDMModul als Bestandteil von (ev-)unternehmensweiten Gesamtlösungen genannt. Energie (zunächst vorrangig Strom) steht selbst als Produkt und Handelsgut im Mittelpunkt der durch EDM-Anwendungen unterstützten Planungs- und Steuerungsaktivitäten. EDM-Bausteine vereinfachen das Planen der Energieproduktion, -transaktion und -lieferung, verarbeiten immense Datenmengen und automatisieren viele bislang noch manuell ausgeführte Prozeduren insbesondere im Zähler- und Abrechnungswesen. Der hier verfolgte Ansatz bezieht sich auf die Planung und Lenkung der energetischen Prozesse des Industriebetriebes, also des Kunden für die „Produkte“ Strom, Erdgas, Fernwärme, etc. Ergebnisse der unternehmerischen Produktionsplanung, die den genauen Bedarf an Energieträgern eines Kunden sukzessive eines Kunden-Pools wiedergeben, können letztlich als wichtige Informationsträger bei der Festlegung von Eingangsgrößen in der EDM eingesetzt werden. Damit wird eine effizientere Anpassung von Energieangebot und –bedarf unterstützt. 4.3.2. Relevante konzeptionelle Bereiche von PPSSystemlösungen Hinsichtlich des Sprachgebrauchs werden Systeme zur Produktionsplanung und -steuerung (zumindest implizit) regelmäßig mit dem MRP II29 27

Einen umfassenden Überblick über Betriebliche Umweltinformationssysteme in Stand-Alone- beziehungsweise Modulaufbau vermittelt die IKARUS-Datenbank des Fraunhofer Instituts Arbeitswissenschaft und Organisation. 28 Der sich in jüngster Zeit herausgebildete Begriff des Energiedatenmanagements EDM ist in der betriebswirtschaftlich ausgerichteten Datenerfassung und modellierung bereits belegt. Als EDM wird hier das Enterprise-Wide Data Modelling bezeichnet [105]. 29 Allerdings sind in der Literatur im Unterschied zur eindeutigen Zuweisung des Material Requirements Planning zum ursprünglichen MRP-Konzept für das MRP

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

225

gleichgesetzt. Die „MRP II Konzeption“ stellt den Ausbau eines der ältesten dv-gestützten Konzepte von PPS-Systemen dar und wird in rund 95% der anzutreffenden Anwendungen eingesetzt [111, 39]. Ausgehend von den Teilbereichen der Planung und Steuerung der Produktion sind in Tabelle 4.5 die grundlegenden Funktionen sowie die zugehörigen Teilaufgaben der dv-gestützten PPS ausgewiesen. Die starke Verbreitung des MRP II in der Praxis30 erhebt den Anspruch, sich grundlegend an seiner konzeptionellen Gestaltung auszurichten. Das MRP II-Konzept

Während sich das klassische PPS-Konzept weitestgehend auf die mittelfristige Materialbedarfsplanung (beziehungsweise Mengenplanung) beschränkt, basiert das von Wight entwickelte MRP II auf einem hierarchisch gegliederten Planungskonzept [15]. Zäpfel umschreibt die erste, noch einen weiten Planungshorizont aufweisende Phase wie folgt. Auf Grundlage der Geschäfts- und Absatzplanung wird der Produktionsprogrammplan abgeleitet und die damit einhergehenden Ressourcenbelastungen ermittelt. Stellt sich ressourcenbedingt keine Realisierbarkeit ein, so kann der Benutzer in das System eingreifen, die erforderlichen Umplanungen vornehmen und deren Auswirkungen wiederum überprüfen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis ein lösbares und zufrieden stellendes Produktionsprogramm gefunden ist [127]. Innerhalb der Mengenplanung, die nach wie vor auf dem ursprünglichen MRP-Konzept basiert [15], werden ausgehend von einem realisierbaren Produktionsprogramm die Materialbedarfspläne erstellt und zusätzlich auf ressourcenmäßige Zulässigkeiten geprüft.

II verschiedene begriffliche Ausführungen zu finden: a) Manufacturing Resource Planning (siehe unter anderen [122, 83], b) Management Resource Planning 30 Größere Hersteller betrieblicher Software-Systeme bieten seit Ende der 90er Jahre sog. ERP (Enterprise-Resource Planning)-Systeme an. Mit ihnen wird das Ziel verfolgt, alle Unternehmensbereiche in einem übergreifenden Gesamtkonzept zu berücksichtigen (zum Beispiel SAP/R3 und mySAP.com des Marktführers, der SAP AG). Die Module zur Fertigungsplanung und -steuerung basieren dabei weiterhin auf MRP II (beispielsweise PP in SAP/R3) [88].

226

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Tabelle 4.5. Grundfunktionen klassischer PPS-Systeme [112]

Produktionsplanung

Produktionssteuerung

Hauptfunktionen der PPS Produktionsprogrammplanung

Grunddatenverwaltung

Teilbereich der PPS

Mengenplanung (Materialwirtschaft)

Termin- und Kapazitäts- planung (Zeitwirtschaft) Auftragsfreigabe

Auftragsveranlassung Auftragsüberwachung

Teilaufgaben der PPS · Prognoserechnung · Grobplanung · Kundenauftragsverwaltung · Stücklistenauflösung · Bestandsführung · Lagerdisposition · Losgrößenrechnung · Durchlaufterminierung · Kapazitätsbedarfsrechnung · Kapazitätsterminierung · Reihenfolgeplanung · Auftragsfreigabeentscheidung · (Fertigungs-/ Bestellauftrag) · Belegerstellung · Arbeitsverteilung · Kundenauftrags- und · Fertigungsüberwachung · Kapazitätsüberwachung

Die Hierarchiestufe mit dem kürzesten Planungshorizont umfasst die Termin- und Kapazitätsplanung. Im Vordergrund steht hierbei die zeitlich abgestimmte Einlastung der Arbeitsgänge auf die jeweils beteiligten Arbeitssysteme. Die Auftragsfreigabe erfolgt letztlich in der Regel nach Sicherstellung von belastungsorientierten Zulässigkeiten für die verschiedenen Fertigungsbereiche. In allen aufeinander folgenden Planungsebenen wird das Angebot und der Bedarf an Produktionsfaktoren31 innerhalb des MRP II geprüft. Die Teilplanungen werden mit zunehmenden Detaillierungsgrad bei abnehmendem Planungshorizont sukzessive durchgeführt. Die verschiedenen Planungsebenen und deren zeitlicher, räumlicher sowie

31

Verweis auf die Darlegungen zum Gutenberg´schen Produktionsfaktorsystem, in dem Energie trotz des Aufweisens der definierten Faktorkriterien keine, ihr aus Sicht des Energiewirtschaftlers angemessene Berücksichtigung findet.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

227

sachlicher Aggregationsgrad der Informationen sind in Tabelle 4.6 wiedergegeben. Über die Hierarchisierung der einzelnen Planungsaufgaben im MRP II wird einerseits die bereits zu Beginn des Abschnitts erläuterte Aufteilung der Problemkomplexität zur Vereinfachung der Lösungsfindung vorgenommen, andererseits erfolgt eine strikte Aufgaben- und Verantwortungsverteilung von höheren Entscheidungsebenen auf niedrigere. Günther stellt diesbezüglich fest, dass die strategischen Entscheidungen der oberen Ebene (Produktionsstandorte, dazugehörige Produktionskapazitäten etc.) den Rahmen für die taktischen Entscheidungen (Produktionsorganisation, Kapazitätsharmonisierung etc.) festlegen, wobei diese wiederum die Rahmenbedingungen für die operative Ebene bilden [45]. Tab. 4.6. Teilplanung und Aggregationsgrade des MRP II, in Anlehnung an [15] Planungsebene

Aggregationsgrad der Information Räumlich Sachlich Gesamt- unterMonetär Geschäftsplanung nehmen Produktgruppe Programmplanung Monate/ Wochen Werk/ Produktionsbereich für Produktgruppen Produktionsbereich Enderzeugnisse/ Programmplanung Wochen/ Tage / Maschinengruppe Hauptbaugruppe für Enderzeugnisse/ Varianten Mengenplanung Wochen/ Tage Maschinengruppe/ Baugruppen/ Engpassmaschine Komponenten/ Rohstoffe Terminplanung Tage/ Stunden/ Maschinen Arbeitsvorgang und Steuerung Minuten Zeitlich Jahr/ Monat

Eingrenzung von Teilbereichen und -funktionen

Viele der auf dem Markt existierenden EDV-Systeme, die sich mit der Produktionsplanung und -steuerung in Unternehmen befassen, werben mit einem großen Funktionsumfang sowie mit vielfältigen Optionen und Möglichkeiten, die der Benutzer bei Bedarf einsetzen kann. Schwalbe bemerkt, dass gerade in kleinen und mittleren Unternehmen in der Regel weit weniger ausgeprägte Anforderungen an einen derart hohen Funktionsumfang herrschen [103].

228

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Ausgehend von der vorhergehend beschriebenen, in der Literatur vielfach als Stufenkonzept bezeichneten Grundstruktur heutiger PPS-Systeme wird beginnend mit der obersten Managementebene in Abb. 4.11 die zu Grunde liegende Logik dargestellt. Gegliedert nach ihrer zeitlichen Dimension werden die unterschiedlichen Planungs- und Lenkungsaufgaben innerhalb des betrieblichen Energiemanagements in Relation zu den typischen PPSKernaufgaben gebracht und auf Optimierungsmöglichkeiten durch Integration verwiesen. Der dargestellte Aufbau verdeutlicht, dass trotz bestehender Rückkopplungen im Grunde die Entscheidungen der höheren Planungsebenen von den tieferen umzusetzen sind [67]. Der entscheidende Impuls zur dauerhaften systematischen Rationalisierung der betrieblichen Energieverwendung muss also bereits von der obersten Ebene ausgehen (Vergleich [91]). Grundvoraussetzung für eine effiziente energiewirtschaftliche Arbeit im Unternehmen ist dabei die Verankerung von Energiekonzepten und strategien in der Geschäftsplanung, in denen die langfristigen Zielstellungen festgelegt werden. Die sukzessive Verteilung der erforderlichen Aufgabenstellungen auf die taktischen und operativen Ebenen sowie deren Bewältigung als integrierter Bestandteil der dv-gestützten PPS32 werden in den folgenden Abschnitten dargestellt. Die Ausrichtung der Ausführungen erfolgt nach zwei Arten von Merkmalen:

− die Benennung/ Beschreibung von zweckmäßigen Methoden und Verfahren in PPS-Systemen, wobei gleichsam der zu deren Ausführung erforderliche Bedarf an Ein- und Ausgangsdaten geklärt wird, − die Darstellung der Erfordernisse zur Gewinnung und Verwaltung zusätzlicher, über die konventionellen PPS-Grunddaten hinausgehender Informationen. Während auf Anforderungen und Chancen hinsichtlich der Einbindung von Aufgaben des betrieblichen Energiemanagements in die herausgelösten Kernbereiche der dv-gestützen Arbeitssteuerung näher eingegangen wird, muss für weiterreichende Ausführungen insbesondere für die hier nicht detailliert dokumentierten Funktionalitäten auf in der Fachliteratur vielfach zitierte Veröffentlichungen [unter anderen 31, 39, 67]verwiesen werden. Einen ausführlichen Gesamtüberblick über die Funktionsgruppen und Einzelfunktionen der PPS vermittelt die von Hackstein vorgenommene Gliederung [49]. An dieser Stelle sei erneut die Bedeutung der Querschnitts32

Kernaufgaben (5) bis (8) in Rückkopplung zu (2) bis (4) gemäß Übersicht in Tabelle 4.3

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

229

aufgabe – das PPS-Controlling – hervorgehoben. Ohne die Aufbereitung der in den PPS-Datenbanken abgelegten Fertigungsrückmeldungen ist das analytisches Durchdringen des Produktionsgeschehens und damit die bewusste Einflussnahme durch die jeweiligen Management- und Ausführungsebenen praktisch nicht umsetzbar (unabhängig von einer betriebsoder energiewirtschaftlichen Ausrichtung der Zielvorgaben).

Betriebs - und energiewirtschaftliche Aufgabenbereiche In (1) Geschäftsplanung, (2) Absatzplanung

(2)

(3)

(4)

·

Festlegung von Betriebsstätten, Auswahl von Standorten einzelner Betriebsbereiche (in Ausnahmefällen ganze Betriebe),

·

Ausarbeitung erster globaler Energie(versorgungs)konzepte in Abstimmung mit den allgemeinen Unternehmenszielen,

·

Einschätzung der mit der Umsetzung einer Konzept-Variante verbundenen finanziellen, sachlichen und ggf. personellen Erfordernisse.

Innerhalb (6) Materialbedarfsplanung in Rückkopplung zu (5) Produktionsprogrammplanung, Abstimmung mit (4) Grobkapazitätsplanung und Freigabe durch (3) Bedarfsmanagement ·

Ermittlung des zeitlichen und mengenmäßigen Energiebedarfs für die vorgesehene Produktionsleistung,

·

Koordinierung des konkreten Energiebedarfs nach Art des Energieträgers und Ort des Einsatzes (Maschine, Produktionsbereich),

·

Erstellung von Energiebedarfsszenarien als Grundlage zur Bestimmung des Planenergieverbrauchs und der Energieplankosten (verbesserte Prognose Eigenversorgung, verbesserte Verhandlungsposition EVU),

·

Optimierung der Energiebeschaffung

(5)

(6)

(7)

(8)

In (7) Kapazitätsbedarfsplanung, (8) Fertigungssteuerung ·

Energiebedarfsorientierte Losgrößenoptimierung (Effizienzsteigerung durch Minimierung von Stillstand, Vermeidung von Teillast- und Bereitschaftsfahrweisen),

·

Aktives Lastmanagement durch Abstimmung der erforderlichen Arbeitsgänge,

·

Energetisch optimierte Auslastung der beteiligten Produktionsaggregate.

Operative, taktische Ausrichtung

(1)

Strategische Ausrichtung

Logik der PPS

Abb. 4.11. Einordnung von Energieplanungs- und -lenkungsaufgaben in das MRP II-Stufenkonzept, Logik nach [122]

230

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

4.3.3. Anforderungen an die Datenverwaltung Während in den verschiedenen theoretischen Arbeiten zur Modellierung von Produktionsprozessen die Problematik der Datenbeschaffung und -verwaltung praktisch ignoriert wird, nehmen in rechnergestützten Systemen gerade die Komponenten zur Datenverwaltung einen breiten Raum ein [67]. Die Datenverwaltung stellt die Grundlage für die Ausführung aller Kern- und Querschnittsaufgaben der PPS-Systeme dar [75]. In der Regel wird zwischen auftragsunabhängigen Stamm- und auftragsabhängigen Bewegungsdaten unterschieden. In der Vergangenheit verwaltete jede einzelne Programmeinheit ihre Daten33 selbst. Mit der Trennung der Programmfunktionen und der Datenverwaltung entstanden Datenbanksysteme, die über reine Speicherungsund Zugriffsfunktionen hinaus Zusammenhänge zwischen den Datensätzen führen und wiedergeben können. Damit wurden Ad-hoc-Abfragen und von der eigentlichen Systemstruktur losgelöste Auswertungen möglich [67]. Mutter Blech Benennung

Schraube

Wiederbeschaffungszeit

[KW]

Bestellmenge

[Stck.]

Systemseitig vorgegeben

12 1.500

Betriebsseitig eingegeben (oder automatisiert aufgenommen)

Abb. 4.12. Unterscheidung in systemseitige und betriebliche Datenfelder [70]

Die Applikationen von PPS-Systemen geben systemseitig Datenfelder vor, die im Vorhinein festgelegt sind. Gemäß von Loeffelholz [70] stellen sie das Raster der vom Anwender in Form von Datensätzen erfassten betrieblichen Objekte dar (Vergleich hierzu: Abb. 4.7.). Die vom System vorgegebenen Datenfelder sind ausschließlich durch programmiertechnische Anpassungen beziehungsweise Erweiterungen veränderlich. Ihren Inhalt bestimmen jeweils die betriebsseitig einfließenden Daten. Die vorgenommene Unterteilung der Datenverwaltung in die 33

Nach ihrer Struktur nimmt Dworatschek folgende Unterteilung vor: Datenfeld, Datensatz, Datei und Datenbank. Sofern alle vier Strukturebenen gemeint sind, wird allgemein der Begriff „Daten“ verwendet [21].

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

231

Merkmalsausprägungen system- und betriebsseitig bringt zweierlei Arten von Aufgabenstellungen mit sich, die in den anschließenden Ausführungen näher behandelt werden. Erstens: Als Ausgangspunkt sind die wesentlichen energierelevanten Datensätze zu definieren, wobei in ihrer Strukturgebung die wechselseitigen Beziehungen zu berücksichtigen sind. Zweitens: Es ist sicherzustellen, dass die erforderlichen betriebsseitigen Informationen mit der notwendigen Sorgfalt und in einem sinnvollen Aufwand/Nutzen-Verhältnis aufgenommen und in dem definierten, vorgegebenen Rahmen eingefügt werden.

Auftragsunabhängige Stammdaten

Nach Glaser [39] werden unter Stammdaten solche Daten verstanden, die Personen oder Gegenstände identifizieren sowie mit den betreffenden Personen oder Gegenständen verbundene dispositionsrelevante Sachverhalte kennzeichnen. Zeitliche Bezüge in Form von Terminen sind bei den teilweise in der Literatur auch als Grunddaten bezeichneten (unter anderen [52, 67] auftragsunabhängigen Stammdaten nicht gegeben. Die wesentlichen Stammdaten zur Planung und Steuerung der Produktion, die sich in abgewandelter Form in den meisten PPS-Systemen wieder finden, sind nach Kurbel Daten über [67]:

− − − − − −

Teile, Erzeugnisstrukturen, Arbeitsgänge, Arbeitspläne, Betriebsmittel-/Arbeitsplätze, Fertigungsstrukturen.

Wenngleich die Teilestammdatenverwaltung zur Pflege von teile- beziehungsweise artikelspezifischen Informationen (Identifikationsnummern, Benennungen, DIN-Nummern, Abmessungen, Klassifizierungsnummern usw. [75] eine zentrale Rolle in jedem PPS-System einnimmt, werden ausgehend von der Betrachtung der Strukturdaten im Folgenden vordergründig Überlegungen zu einer energieorientierten Ausrichtung und die damit verbundenen Aufgaben und Anforderungen an die übrigen Bereiche zur Datenerfassung, -änderung und -verwaltung erörtert. Darauf aufbauend erfolgt die Deklaration der grundlegenden energierelevanten Stammdaten.

232

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Erzeugnisstrukturdaten

Die häufig als „Bäume“ dargestellten Erzeugnisstrukturdaten erteilen Auskunft darüber, wie sich die jeweiligen Zwischen- beziehungsweise Endprodukte in ihren Bestandteilen zusammensetzen. Abbildung. 4.13 gibt einen einfachen Erzeugnisstrukturbaum im betrieblichen Gesamtsystem wieder. In Anlehnung an Dyckhoff [22] wird eine Unterteilung in die Bereiche Beschaffung, Produktion und Absatz vorgenommen. Je nach Blickrichtung bringen die Äste des Erzeugnisstrukturbaumes die Beziehungen zwischen den End- und Zwischenprodukten zum Ausdruck34. Hierbei kann unterschieden werden in:

− „Besteht aus“ – einem oder mehreren Zwischenprodukten mit einer festgelegten Mengeneinheit, − „Geht ein in“ – ein Zwischen- beziehungsweise Endprodukt mit einer festgelegten Mengeneinheit [67]. Für die Fertigung des Zwischenproduktes „B“ sind also (dem Beispiel in Abb. 4.13. folgend) zwei Mengeneinheiten des Vorproduktes „D“ und eine Mengeneinheit des Vorproduktes „C“ erforderlich. Das im Betrieb selbst nicht gefertigte Vorprodukt „E“ geht dabei zu zwei Mengeneinheiten in „C“ und zu einer Mengeneinheit in „D“ ein. Als wichtigste Einsatzbereiche von erstellten Erzeugnisstrukturdateien gelten die Erstellung von Stücklisten und Teileverwendungsnachweisen sowie die Ermittlung der Sekundärbedarfsgrößen im Rahmen der Materialdisposition [67]. Legt man, der zunächst auf eine rein materielle Zusammensetzung der verschiedenen Zwischen- und Endprodukte ausgerichteten Betrachtungsweise die Überlegung zugrunde, dass zur Fertigung von „B“ neben „C“ und „D“ in der Regel auch ein bestimmter Anteil an Energie zur Verrichtung der vorgesehenen Produktionsaufgabe aufzubringen ist, so lässt sich eine Erweiterung der Strukturdaten zur Berücksichtigung dieses Umstandes in zwei grundlegende Richtungen vornehmen:

34

Zur Unterstützung beider Sichtweisen erfolgt bevorzugt die Darstellung in Netzplänen. Sie ermöglicht die Abbildung von stärker vernetzten Strukturen insbesondere bei Verwendung eines Vorproduktes in mehreren Zwischen- bzw. Endprodukten.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

233

Betriebliches System Absatzbereich

Y 1 ME

Produktionsbereich

Y‘ 2 ME

1 ME

A

1 ME

B 1 ME

2 ME

C

D

2 ME 2 ME

1 ME

4 ME Beschaffungsbereich

G

H

E

F

Abb. 4.13. Erzeugnisstrukturdarstellung im betrieblichen System, Bereichsgliederung nach [22]

1. In horizontaler Richtung; Hierbei werden die energierelevanten Größen der Erzeugnisstruktur parallel folgend zugewiesen. 2. In vertikaler Richtung; Hierbei werden die Prozesse der Energiebereitstellung, -umwandlung, -verteilung sowie schließlich der Energieverwendung aufgegriffen und dem Erzeugnis zugeordnet. Zu 1. : Horizontale Ausrichtung Wie das Schema in Abb. 4.14. verdeutlicht, bestimmen bereits die in den Strukturdaten enthaltenen Produktbeziehungen das Gefüge der zur Fertigung eines bestimmten Zwischenproduktes sowie zur Bewältigung der gesamten Produktionsaufgabe (hier die Fertigung von Y‘) bereitzustellenden Energiemengen. Werden die in der Abbildung vereinfacht als EY‘, EB, EC, etc. ausgewiesenen energierelevanten Größen in die jeweils einzusetzenden Energieträger Strom, Wärme, technische Gase, etc. untergliedert, so lässt sich jedem im Produktionsprozess eingesetzten Energieträger eine genaue Bedarfsgröße zuweisen. Als Beispiel könnte demnach die einzusetzende Elektroenergiemenge bis zur Fertigung des Zwischenproduktes „B“ unter Einbezug der spezifi-

234

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

schen Energieverbräuche gemäß den Gln. (4.15) bis (4.17) ermittelt werden: Legende: (4.15)

Eelt = M B ⋅ eB ,elt + M C ⋅ eC ,elt + M D ⋅ eD ,elt

(4.16)

Elektroenergiebedarf Produkt-Indizes Produktmenge spezifischer Energieverbrauch

Y‘

A

EY‘

EA

B

C

Produktionsbereich

Eelt B, C M Eelt

E B ,elt = M B ⋅ eB ,elt

EB

EC

D

ED

Abb. 4.14. Horizontale Zuordnung des Energiebedarfs zu Zwischen- und Endprodukten im Materialfluss

Während nach Gl. 4.15 genau der Betrag an Elektroenergie zur Fertigung des Zwischenproduktes B ermittelt wird, so beinhaltet Gl. 4.16 die Energiemengen, die bereits für die Vorprodukte aufzubringen sind. Wird die Verfahrensweise in vertikaler Richtung fortgesetzt, so lässt sich kumuliert der gesamte Elektroenergiebedarf zur Produktion einer Mengeneinheit des Endproduktes Y‘ bei Einbezug aller im Vorfeld gefertigter Zwischenprodukte bestimmen: Y'

EY ' ,elt =

∑ p

M P ⋅ e p ,elt

(4.17)

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

235

Vom Beispiel losgelöst gilt für jede beliebige Fertigungsmenge unter Berücksichtigung aller einzusetzenden Energieträger: E j ,τ =

∑∑ p

M p ,τ ⋅ e p , j

(4.18)

j

Für Gln. (4.15) – (4.18) gilt: j p IJ Mp,IJ Ej,IJ

Energieträger Produkt Fertigungszeitraum, z.B. Stunde, Tag Woche Produktmenge Vor-/Endprodukte über den Fertigungszeitraum Energiebedarf über den Fertigungszeitraum

Seine praktische Relevanz erhält der dargestellte Ansatz u. a. dadurch, dass längst vor der Auslösung eines Auftrages mit einer beliebigen Produktionsmenge konkrete Aussagen zur Quantität der einzusetzenden Energieträger getroffen werden können. Voraussetzungen hierfür sind die in der PPS-Mengenplanung vorgenommene Ableitung des Materialsekundärbedarfs und die Durchführung der Nettobedarfsrechnung, in welcher die zum vorgesehenen Zeitpunkt der Fertigungsfreigabe bereits disponierbaren Lagerbestände an Zwischenprodukten ihre Berücksichtigung finden.35 Wenngleich die Umsetzung des im wesentlichen am Erzeugnisstrukturbaum orientierten Ansatzes zur Unterstützung verschiedener Aspekte – insbesondere innerhalb der Energieplanung und Energieverbrauchskontrolle – beitragen würde, bleibt doch festzuhalten, dass die zugrunde liegenden energierelevanten Größen ausschließlich Einsatzenergien verkörpern. Je nach Struktur der Energiebewirtschaftung im Unternehmen sind somit Aussagen im Hinblick auf den eigentlichen Energiebezug nur in Ausnahmefällen, gemäß der in Abschn. 2.3.4. bzw. 2.3.5. aufgezeigten Struktur eines industriellen Energiesystems, zulässig. Dies ist genau dann der Fall, wenn die produktionswirksame Einsatzenergie QEP mit der bezogenen Endenergie QBP gleichgesetzt werden kann. Vergegenwärtigt man sich die in der Praxis mehrheitlich auftretenden industriellen Energiesysteme mit den verschiedenen Prozessen zur innerbetrieblichen Energiebereitstellung, so treten damit die Grenzen des vertikal ausgerichteten Grundschemas zum Vorschein. Abhilfe schafft die Verbindung mit dem in Punkt 2 vorgestellten Lösungsansätzen.

35

Eine genaue Auseinandersetzung mit diesen PPS-Funktionen erfolgt in Abschn. 4.4. „Praxisrelevante Funktionsbereiche zur Unterstützung des betrieblichen Energiemanagement“.

236

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Zu 2. : Vertikale Ausrichtung In Abb. 4.11. wird der Sachverhalt am Beispiel des Energieträgers Druckluft näher gebracht. Es wird unterstellt, dass zur Fertigung des Zwischenproduktes „B“ Nutzenergie in Form von Kraft aufzubringen ist. Ausgehend von der Bilanzgrenze (entspricht bei Fremdbezug der Unternehmensgrenze) ist der Endenergieträger Strom zu beschaffen, um anschließend zur Verdichtung der erforderlichen Luftmenge in einer entsprechenden Umwandlungsanlage eingesetzt zu werden. Nach Zuführung wird das komprimierte Medium zur Verrichtung der mit der Fertigung von „B“ verbundenen Arbeiten verwendet. Um Aussagen hinsichtlich der Bereitstellung von Energieträgern zur Fertigung von Zwischen- und Endprodukten (sukzessive zur Abwicklung des Gesamtauftrages) treffen zu können, sind die sich aus dem ursprünglichen Schema nach Punkt (1) ergebenden Datensätze dahingehend zu erweitern, dass neben der Trennung in die jeweils eingesetzten Energieträger Identifikationsmöglichkeiten zur Unterscheidung in „direkt bezogen“ beziehungsweise „gewandelt bereitgestellt“ eingerichtet werden. Unter Berücksichtigung der Verteilungs- und Umwandlungsverluste lässt sich dann ausgehend vom Einsatzenergieträger auf die Bezugsmenge des Endenergieträgers schließen (hier Druckluft EB,DrL und Strom EB,End) [9]. Eine auf Energiekennzahlen basierende Beschreibung des vertikal ausgerichteten Schemas erfolgt in Gl. (4.20). Ihr liegt der produktbezogene spezifische Energieverbrauch an Druckluft eB,DrL sowie der zur Verdichtung und Bereitstellung des Mediums aufzubringende spezifische Energieverbrauch wU zu Grunde. E B ,End = E B ,Elt = M B ⋅ eB ,DrL ⋅ wu EEnd B M wu

(4.19)

Bezugsenergiebedarf Produkt-Index Produktionsmenge Spezifischer Energieverbrauch des Umwandlungsprozesses

Gemäß Gl. 4.19 kann für genau eine Mengeneinheit des Zwischenproduktes „B“ und damit, je nach Gesamtvolumen eines Fertigungsauftrages, für jede beliebige Menge „B“ der Bezugsenergiebedarf ermittelt werden. Die innerbetriebliche energetische Reihe in Richtung Einsatz- zu Endenergie lässt sich auf diese Weise durchgängig abbilden.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

237

Beschaffung EB, En d

Umwandlung und Verteilung EB, Elt

Verluste Produktion Y´

EB, DrL

B

C

D

Abb. 4.15. Vertikale Zuordnung der erzeugnisbezogenen Energiebedarfsgrößen unter Berücksichtigung der Bereitstellungsprozesse

Unberücksichtigt bleibt jedoch bislang ihre letzte Stufe und zwar die Umwandlung von Einsatz- zu Nutzenergie. Die Nutzenergie stellt nach Moor das eigentliche Energiebedarfsobjekt dar [76]. Erst genaue Kenntnisse über ihren Betrag lassen Aussagen über die Effizienz des Umwandlungsprozesses im Verbraucher und aufgrund der Substituierbarkeit über die geeignetsten Energieträger und -wandler zu. Wenngleich die Quantifizierung der Nutzenergie und folglich die Ermittlung von Wirkungs- und Nutzungsgraden vielfach den Ausgangspunkt für Überlegungen zur Rationalisierung der produktionswirksamen Energieverwendung bilden, werden selbst in energieintensiven Unternehmen oftmals keine Anstrengungen in diese Richtung unternommen. Ursache hierfür ist der gewöhnlich sehr hohe

238

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

messtechnische Aufwand. Zurückkehrend zu dem angeführten Beispiel weist die Gleichung zur vollständigen Beschreibung des vertikal ausgerichteten Lösungsansatzes nunmehr folgenden Charakter auf: E B ,End = E B ,Elt = M B ⋅ ȘPA enutz

eB ,Nutz ⋅ wu η B ,PA

(4.20)

Wirkungsgrad der Produktionsanlage Spezifischer Energieverbrauch

Konzeptionelle Ausarbeitung von Energiestammdaten

Die konsequente Einführung von energiewirtschaftlichen Aspekten in die dv-gestützte Produktionsplanung und -steuerung erfordert die Formulierung von genauen Ordnungskriterien im Hinblick auf eine energierelevante Datenverwaltung und -verarbeitung. Grundsätzlich werden in PPSSystemen sog. Nummernsysteme36 für die Datenhaltung verwendet. Ihre Attribute dienen nach Wiendahl [121]zur:

− Identifizierung eines zugehörigen Objektes oder Sachverhaltes in der Weise, dass eine eindeutige Kennzeichnung erfolgt, − Klassifizierung eines zugehörigen Objektes oder Sachverhaltes in dem Sinne, dass seine Einordnung in eine übergeordnete Klasse möglich ist, − Information über Art und Eigenschaft eines Objektes oder Sachverhaltes im Sinne einer Kurzbeschreibung oder Abkürzung. Nach Kernler sind am weitesten sog. Parallelnummernsysteme verbreitet [59]. Sie verwalten in der Regel klassifizierende und identifizierende Nummern37 voneinander losgelöst [109]. Wie in Abb. 4.16 dargestellt, ermöglichen Parallelnummern somit die Zuordnung mehrerer voneinander unabhängiger Klassifikationen zu einem eindeutig identifizierten Objekt (Teil, Arbeitsgang, Betriebsmittel, Anlage, etc.). Hinsichtlich der Ausarbeitung von energierelevanten Datenstammsätzen lässt sich unter Berücksichtigung der beschriebenen Struktur von Parallelnummern der in Abb. 4.17. schematisch dargestellte Aufbau in Anwendung bringen.

36

Der Begriff „Nummernsystem“ führt zuweilen zu Irreführungen, da er gleichgesetzt wird mit Systemen numerischer Werte. Nach DIN 6763 ist eine Nummer eine festgelegte Folge von Zeichen. Nummernsysteme können sich also aus Ziffern, Buchstaben, Sonderzeichen oder Kombinationen zusammensetzen [18] 37 Teilweise werden Parallelnummern in der Literatur auch als Schlüssel bezeichnet [unter anderen 4]

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit Ident. Teil

239

Klassifizierender Teil

Varianten-Index Einzelprodukt Produkttyp-Gruppe Teileart Zählnummer

Abb. 4.16. Aufbau der Parallelnummer für einen Teilestammsatz, nach [4]

Mit Hilfe der beiden identifizierenden Teile erfolgt die Festlegung der Zugehörigkeit eines beziehungsweise wenn erforderlich nach Ausarbeitung zusätzlicher Energiestammdatensätze mehrerer Energieträger zu einem Objekt. Die Teile des Datensatzes werden wiederum voneinander losgelöst verwaltet, wobei: (1) der identifizierende Objekt-Teil: • die Kennzeichnung des betreffenden Objektes vornimmt (parallel zur Zählnummer in Abb. 4.16) und die Relation zwischen konventionellen und energierelevanten Daten herstellt. (2) der identifizierende ET-Teil: • die Zuordnung des betreffenden Einsatzenergieträgers zu einem bereits in (1) identifizierten Objekt oder auch zu anderen funktionalen Bereichen ermöglicht (beispielsweise in Produktionsbereichen beziehungsweise nach Wohinz in Energiebezirken [124]. (3) der klassifizierende ET-Teil: • die Beschreibung der in (2) vergebenen Energieträgernummer liefert. Die in Abb. 4.17. definierten Bestandteile zur Klassifizierung des Energieträgers mit Zählnummer |e|1|8| sind jeweils als systemseitig vorgegebene Datenfelder aufzufassen. Ohne an dieser Stelle auf mögliche Eingabemasken beziehungsweise Dialogfenster zur Aufnahme der erforderlichen Informationen eingehen zu wollen, werden die in Erwägung zu ziehenden Merkmalsausprägungen innerhalb der klassifizierenden Komponenten des Energiestammdatensatzes erörtert. In Tabelle 4.7. werden den einzelnen Datenfeldern definierte Merkmale sowie mögliche Ausprägungen zugeordnet.

240

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Identifizierende Teile ET Objekt T P 1 2

e 1 8

Klassifizierender Teil ET D L U x x x x x x x x x x x Varianten-Index Umwandlungsanlage Produktionsanlage Spez. Energieverbrauch (U) Spez. Energieverbrauch (P) Direkt/ gewandelt bezogen Energieträgerart Zählnummer(Energieträger) Zählnummer(Objekt)

Abb. 4.17. Aufbau der Parallelnummer für einen energierelevanten Stammsatz

Die Einarbeitung und sukzessive Pflege der Datenfelder (a) bis (d), also die Energieträgerart, der Bereitstellungs-Index und die spezifischen Energieverbräuche der Produktions- und Umwandlungsanlagen sind zur Gewährleistung einer dauerhaften Aussagefähigkeit des energierelevanten Lösungsansatzes unerlässlich. Als weniger zwingend ist die Einhaltung der Merkmale für die in der Übersicht empfohlenen Felder (e) und (f) anzusehen. Grundsätzlich könnte die Zuordnung des betreffenden Energieträgers auch über den identifizierenden ET-Teil innerhalb des Energiestammdatensatzes vorgenommen werden. Die Klassen der Datensätze für die Produktions- und Umwandlungsanlagen müssten dafür bereits die Zählnummern aller Energieträger, welche einem Objekt zugeordnet sind, beinhalten. Hieraus ergibt sich jedoch der Nachteil, dass jede Erweiterung der Energiestammdaten eine Veränderung der Anlagendatensätze nach sich ziehen würde. Als optional ist letztlich die Einführung des Datenfeldes (g) aufzufassen. Der Varianten-Index ermöglicht die Berücksichtigung von Änderungen der Merkmalsausprägungen für ein beziehungsweise mehrere Datenfelder, ohne dass dazu zusätzliche Klassifizierungen innerhalb des Energiestammdatensatzes eingearbeitet werden müssen. Ändert sich beispielsweise der spezifische Energieverbrauch einer Produktionsanlage durch saisonal hervorgerufene Einflüsse (eine durch abnehmende Außentemperaturen hervorgerufene Erhöhung des spezifischen Brennstoffverbrauches eines Trockenofens), so kann diese Abweichung innerhalb des Datensatzes durch einen wechselnden Varianten-Index geltend gemacht werden. Ein solcher Index-Wechsel von zum Beispiel „1“ bzgl. Sommerperiode auf „2“ bzgl. Übergangszeiten und damit gleichzeitig der zugeordneten spezifi-

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

241

schen Verbräuche von Produktions- gegebenenfalls auch von Umwandlungsanlagen ließe sich im Zuge der Produktionsprogrammplanung weitestgehend automatisieren. Ihr unterliegt bereits ein abgegrenzter Fertigungszeitraum, der wiederum einen Varianten-Index vorgibt.38 Die im Vorhergehenden definierten Energiestammdatensätze bilden in ihrer Gesamtheit den Grundbaustein für energieorientierte PPS-Systeme. Während ihre klassifizierenden Nummernteile je nach Auslegung des Informationsgehaltes (beispielsweise Herkunft der Daten, eingesetzte Messgeräte, Rhythmus der Messwertaufnahme, etc.) und Legitimierung des erforderlichen (Ein-)Pflegeaufwandes zweckmäßig erweitert werden können, beinhalten die identifizierenden ET-Nummernteile bereits die notwendigen Informationen zur Integration der eingangs vorgestellten Lösungsansätze. Werden die Merkmalsausprägungen der vom Unternehmen bezogenen sowie im Unternehmen bereitgestellten Energieträger lückenlos in der PPSDatenbank erfasst, so können erste grundlegende Aussagen getroffen werden, über:

− (a) die dem Energiefluss entsprechende (vorerst ausschließlich produktionswirksame) Energieverbrauchsstruktur, − (b) die an der Produktionsstruktur ausgerichtete Bezugs- und Einsatzenergiemengen zur Umsetzung eines beliebigen Fertigungsauftrages. In Abb. 4.19. wird abschließend noch einmal das Beispiel zur Fertigung des Endproduktes Y‘ aufgegriffen. Die Darstellung des Fertigungsablaufes erfolgt im ersten Teil in einer Strukturstückliste. Diese ergibt sich aus der Parallelnummernsystematik und wird in der dv-gestützten PPS vielfach angewendet. Ihr Vorteil besteht darin, dass die Über- und Unterordnungsbeziehungen zwischen den Objekten zum Ausdruck gebracht werden (mittels Stufenziffern: 1, *2, **3 etc.). Über die im Ergebnis der vorgestellten Systematik nunmehr einfache rechentechnische Zuweisung der energierelevanten Stammdaten zu den Objekten der Strukturliste lässt sich die im zweiten Teil der Tabelle aufgeführte Basis-Energiemengenliste erstellen. Gegliedert in die beteiligten Energieträger vermittelt sie in Summe, wie auch im Detail, die Einsatz- und Bezugsenergiemengen. Analog zur Strukturstückliste werden innerhalb der Basis-Energiemengenliste vorerst keine Aussagen über die Verfügbarkeit einzelner Objekte getroffen.

38

Vergleich zu den Aggregationsgraden des MRP II in Tabelle 4.10.

242

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Tab. 4.7. Datenfelder d. klassifizierenden ET-Teils ein. Energiestammdatensatzes Datenfeld

Merkmal

Beschreibung

Mgl. Merkmalsausprägungen

(a) |D|L|

Energieträgerart

• charakterisiert den eingesetzten Energieträger

(b) |U|

Energiebereitstellungs-Index

(c) |x|x|x|

Spezifischer Energieverbrauch der Produktionsanlage

• gibt die Einsatzenergiemenge zur Fertigung/ Verarbeitung einer definierten Mengeneinheit an

Zusammensetzung aus numerischen Ausdrücken und Dimensionen (kWh/Stck., MJ/t, etc.)

(d) |x|x|x|

Spezifischer • gibt die Energiemenge Energiezur Umwandlung/ Bereitverbrauch der stellung eines EinsatzUmwandlungsenergieträgers an anlage

Zusammensetzung aus numerischen Ausdrücken und Dimensionen (kWh/Nm³ Druckluft, m³/MJ, etc.)

(e) |x|

Produktionsanlage

(f) |x|

Beliebige numerische bzw. Umwandlungs• kennzeichnet die Zugehöalphanumerische Ausdrücke, anlage rigkeit zu einer U-Anlage die ggf. einer anderweitig erfolgten Identifikation der U-Anlage entsprechen

(g) |x|x|x|

VariantenIndex

Alphanumerischer Ausdruck, der Rückschlüsse auf die Einsatzenergieträgerart zulässt, zum Beispiel: EL - Elektroenergie, TH - thermische Energie, DL - Druckluft Alphanumerische Ausdrücke, • gibt an, ob Energie direkt U - indirekt über U-Anlage bezogen beziehungsweise P - direkt in P-Anlage gewandelt bereitgestellt wird

Beliebige numerische bezie• kennzeichnet die Zugehöhungsweise alphanumerische rigkeit zu einer P-Anlage Ausdrücke, die ggf. einer anderweitig erfolgten Identifikation der P-Anlage entsprechen

• identifiziert die Version einzelner Datenfelder

Numerischer Ausdruck, zum Beispiel 1, 2, 3

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

243

.

Bezug

Einsatz

Nutz

Abb. 4.18. Wiedergabe der Energieverbrauchsstruktur durch Verknüpfung der Identifikationen der Parallelnummern, zu (a)

4.3.4 Anforderungen an das Systemumfeld Die Erfassung, sukzessive die systematische Aufbereitung globaler Energiekennwerte ist überwiegend mit einem geringen Aufwand für das Unternehmen verbunden. Zum einen werden in der Regel Größen über einen recht ausgedehnten Zeitraum (Monat, Quartal, Jahr) aufgezeichnet, zum anderen gehen diese vielfach aus der Rechnungslegung des EVU hervor. Es entsteht also kein nennenswerter eigener Erfassungsaufwand. Die eingesetzte Elektroenergie beispielsweise entspricht dem Ablesewert des Versorgers, der wiederum in der Rechnung für den Monat Mai, Juni, f. oder für das Gesamtjahr 2001, 2002, f. ausgewiesen wird.

0 n n

0

0 0

A *2

Strukturstückliste

C **3

1

D **3

1

B *2

2

Strukturierte Energiemanegenliste

 EL  TH  DL  Sg.  EG

n

n

n

n

n n

1 0 0 0 1 0 x 0 1 x 0 0 x 0 0 0 x 0 x 0 x x 0 0 0 0 0 P 0 U 0 P U 0 0

P

1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 EL TH DL sonstige EL TH DL sonstige EL TH DL sonstige ... ... ... ... 1 Y´ 1

EL [kWh] [m3/MJ] [kWh/Nm3] [kWh/kWh] [kWh/ME] [MJ/ME] [Nm3/ME] U/P Input Art

Wu .ps ze

n

TH [MJ] esp ze

0

0 0 0

DL [Nm3]

EEin s

sonstige ET- Energieträger

0

EL [kWh] Teile Nr Menge

1

EG [Nm3]

Stufe

n

0 0 0 0 0 0 0 0 0 n 0 0 0 0 0 n 0 n 0 n 0 0 0

sonstige EEn d

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

n

244

Abb. 4.19. Energieträgerzuordnung auf Basis von Strukturstücklisten, zu (b)

Hinsichtlich der Ermittlung belastbarer spezifischer Energiekennwerte ist ein deutlich höherer Aufwand zu betreiben. Der Idealfall zum Erreichen eines hohen Grades an Aussagekraft besteht in einer permanenten messtechnischen Erfassung und einer fortlaufenden Kontrolle der aufgenommenen und weiterverarbeitenden Größen. Aufgrund der stetigen Verbesserung der Rechentechnik, insbesondere der Benutzerfreundlichkeit von Analyse-Programmen sollte dieser Aufwand von den Verantwortlichen vor Ort mehr und mehr als zulässig und erbringbar aufgefasst werden. Kosten

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

245

für umfangreiche Hard- und Software für den Bereich der Produktionsplanung und -steuerung werden zunehmend auch von kleineren mittelständischen Unternehmen als notwendig und unabdingbar angesehen. Der Aufbau von Systemen zur Aufnahme wesentlicher Informationsträger für das betriebliche Energiemanagement hinkt dieser Entwicklung jedoch stark hinterher, wenngleich vielfältige Kopplungsmöglichkeiten im Sinne einer energieverbrauchsorientierten Produktionsgestaltung bestehen. Nicht unerwähnt sollte an dieser Stelle bleiben, dass im Zuge der Liberalisierung des Strom- und Gasmarktes das Angebot an Serviceleistungen seitens der Energieversorger deutlich ausgebaut wurde.39 Insbesondere die Bereitschaft zur Unterstützung des Kunden bei Planungs-, Durchführungsund Auswertungsaktivitäten von Messprogrammen hat sich in jüngster Vergangenheit erhöht. Aufbauend auf den Ausführungen zu den Voraussetzungen, die insbesondere das datentechnische Gerüst für die Einbindung von energiewirtschaftlichen Zusammenhängen in Systeme der Fertigungsplanung und -steuerung betreffen, werden im Folgenden die vom Systemumfeld vorzuhaltenden Informationsträger erörtert. Ohne Zweifel ist der für die konsequente Umsetzung der beschriebenen Methoden erforderliche messtechnische Aufwand nicht durchgängig in jeder Branche, in jedem Unternehmen, für jede Fertigungstechnologie einzuhalten beziehungsweise überhaupt erforderlich. Auch in Produktionsbetrieben mit vergleichsweise gering verzweigten Erzeugnisstrukturbäumen ist das Nutzen-AufwandVerhältnis für die Erhebung der spezifischen Energieverbräuche bis hin zur detailliertesten Ebene – der Ebene der einzelnen Zwischen- und Endprodukte – zu prüfen [9]. Herkömmliche Instrumente zur Informationsversorgung der dv-gestützten PPS werden dahingehend untersucht, inwiefern ihr bestehender Informationsgehalt auch für die verschiedenen Funktionsbereiche des betrieblichen Energiemanagement auszuschöpfen ist. Abschließend werden Lösungswege zur Reduzierung des messtechnischen Aufwandes auf ein vertretbares Maß aufgezeigt. Energierelevante Bewegungsdaten

Während Stammdaten in der Regel einen geringen Änderungsgrad aufweisen, sind Bewegungsdaten aufgrund ihrer Eigenschaft, aktuelle Statusinformationen wiederzugeben, kurzlebig und vielfach durch wechselnde 39

Erfahrungen in der Praxis zeigen, dass kostengünstig Langzeitmessungen sowie zeitlich begrenzte Messungen von Energieverbräuchen teilweise kostenlos von den zuständigen EVU übernommen werden.

246

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

wertmäßige Inhalte gekennzeichnet. Sie weisen einen konkreten zeitlichen Bezug auf. Einerseits werden Bewegungsdaten in Ableitung aus den betreffenden Stammdatensätzen zur terminierten Fertigungsplanung eingesetzt, andererseits dienen sie unter Einbezug der aktuellen Fertigungsrückmeldungen zur Überwachung des Fortschritts eines freigegebenen Produktionsauftrages. Damit stellen Bewegungsdaten das grundlegende Element zur Umsetzung eines PPS-integrierten Energiecontrollings dar. Auf dessen Wirkmechanismus wird in einem späteren Abschnitt näher eingegangen. Loos unterscheidet Bewegungsdaten in Lagerbestandsdaten, Daten zu Bedarf und Fertigungsauftrag sowie Betriebsdaten [71]. Letztere umfassen im besonderen Maße diejenigen Informationen, welche zur Gestaltung einer energiebewussten Produktion aus technischer wie ökonomischer Sicht erforderlich sind. Sie werden am Entstehungsort erfasst und durch moderne Informationssysteme weitergegeben und verarbeitet. Abb. 4.20 zeigt beispielhaft verschiedene rückzumeldende Betriebsdaten eines Fertigungsbereiches, die mit Hilfe einer gewöhnlichen BDE gesammelt, gegebenenfalls gespeichert und aktualisiert werden. Die vormalige Begrenzung der Betriebsdatenerfassung auf Informationen über die an einer Maschine / in einem Fertigungsbereich produzierten Mengen sowie die dazu beanspruchten Zeiten [59] wurde insbesondere durch den zusätzlichen Einsatz von Maschinendatenerfassungssystemen (MDE) aufgehoben. Damit hat sich das dargebotene Informationsspektrum durch eine Reihe von Prozessdaten, die an den Produktionsanlagen automatisch erfasst werden, erweitert. Nach [15] sind typische additionale Betriebsdaten: Umdrehungszahlen, Hubzahlen, Takte, Zeitdauern, Temperaturen, etc. Für die Ableitung von Bewegungsdaten ist folgende rechnergestützte Abhandlung umzusetzen. Steht das grundsätzlich vorgesehene Produktionsprogramm zur Durchführung fest, so ergeben sich im Anschluss an die Materialbedarfsplanung40 die konkreten energierelevanten Bewegungsdaten aus den zunächst für genau eine zu produzierende Mengeneinheit festgelegten Energiestammdatensätzen des Throughput (Betrachtung PKlasse, gegebenenfalls verknüpft mit Datensätzen der U-Klasse). Aus den starren Energiestammdaten entstehen Energiebedarfsgrößen, die je nach Art des vorgesehenen Produktionsprogrammes und den Erfordernissen zur Umsetzung variieren können. Im Ergebnis der terminierten Kapazitätsplanung lässt sich den nunmehr in ihrer Größenordnung feststehenden energierelevanten Bewegungsdaten ein exakter zeitlicher Bezug für jede Fertigungsstufe zuordnen. Die realen Energieverbräuche, die in Form von 40

Vergleich zu Abschn. 4.3.2. „Relevante konzeptionelle Bereiche von PPSSystemlösung“

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

247

Betriebsdaten aufzunehmen sind, dienen schließlich der Gegenüberstellung der aktuellen Informationen über das Produktionsgeschehen zu den ursprünglich einen Plangrößen-Charakter aufweisenden Bewegungsdaten. Fortlaufend rückgemeldete Betriebsdaten geben den Ist-Zustand der Fertigung wieder, decken Abweichungen beziehungsweise Störungen auf und bilden die Voraussetzung für Entscheidungen zur Beeinflussung des weiteren Produktionsfortschritts [43]. Handelt es sich bei einer Abweichung nicht um einen zeitlich begrenzt auftretenden und vermeidbaren Zustand, sondern vielmehr um eine dauerhafte Veränderung der real aufgenommenen Messgrößen zu den abgeleiteten Bewegungsdaten, so dienen die Betriebsdaten in umgekehrter Richtung der Korrektur beziehungsweise Präzisierung der betreffenden Grunddaten. Eine der Aufgabenstellung entsprechende BDE-Lösung (beziehungsweise -Erweiterung) muss also funktionsübergreifend ausgerichtet und in der Lage sein, einerseits den Stand des Produktionsfortschreitens und andererseits die aktuellen Ausprägungen des produktionswirksamen Energieaufkommens abzubilden. Daten beider Ebenen, die in einen sinnvollen (das heißt technisch beziehungsweise ökonomisch begründeten Zusammenhang) in Form von Kennzahlen gebracht werden können, sind miteinander in Relation zu bringen. Reale Rüsten FertigungsArbeitsaktivitäten >>Maschine x gang 1 betriebsmittelbezogene Daten auftragsbezogene Daten

Dauer des Arbeitsganges

Maschine steht leer (evtl. Störung)

Fortsetzen Arbeitsgang 1

Rüsten Arbeitsgang 2

Rüstzeit Laufzeit Stillstand Starttermin Vorgang 1; Vorgangsnummer; Aufragsnummer

Endtermin Vorgang 1; Starttermin Vorgang 2; Vorgangsnummer

Abb. 4.20. Beispiele für rückzumeldende Daten aus einem Fertigungsbereich

Herkömmliche, für den integrativen Ansatz nutzbare Betriebsdaten sind unter Berücksichtigung der vielfach ausgewiesenen Kategorisierung (unter anderen [94, 127, 67] folgende: Aus den Auftragsdaten, als Grundelemente für die spätere Kontrolle des Fertigungsfortschritts sind zu entnehmen:

− Start- und Endtermine von Arbeitsgängen,

248

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

− Differenzierte Zeitkomponenten, wie Liege-, Transport-, Bearbeitungs-, Kontroll- und Unterbrechungszeiten innerhalb der verschiedenen Fertigungsstufen, − Angaben über den Materialeinsatz, differenziert nach Art- und Menge. Aus den Lager- und Materialdaten sind zu entnehmen: − Zugänge, aktuelle Bestände und Verbräuche an Betriebsstoffen. Aus den Maschinen- und Betriebsmitteldaten sind zu entnehmen:

− tatsächlich gefertigte Mengeneinheiten an Zwischen- und Endprodukten, − Stillstands- sowie Laufzeiten der Anlagen, − daraus resultierend: Anlagennutzungsgrade sowie konkrete zeitlich zuordnungsfähige Durchsatzmengen. Begrenzbarkeit des Erhebungsaufwandes

Hinsichtlich der Datenerfassung von energetischen Verbrauchs- beziehungsweise Leistungsmerkmalen gilt wie für jeden anderen Bereich der Bereitstellung von Informationen: Mit der Genauigkeit der Aufnahme und der Tiefgründigkeit der analytischen Auseinandersetzung mit dem zur Verfügung stehenden Datenmaterial steigt die Erfolgsaussicht für einzuleitende Maßnahmen zur Ablösung des derzeitigen Ist-Zustandes durch eine/ mehrere optimierte Varianten. In gleichem Maße wird die Qualität von Aussagen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit nach Einführung erhöht. Zwangsläufig besteht das Dilemma darin, dass eine ausgiebige Detailgenauigkeit mit einem hohen messtechnischen Aufwand, zumeist mit hohen Kosten und einem zusätzlichen organisatorischen also gewöhnlich personellem Einsatz verbunden ist. Demgegenüber steht, dass eine überzogene Auswahl und Anordnung von Messstellen in einer schier unüberschaubaren Datenflut münden kann, womit der tatsächlich nutzbringende Informationsgehalt der aufgenommenen Messreihen in Frage gestellt wird. Tabelle 4.8. gibt nach [125] die wesentlichen energetischen Messgrößen, den generellen Aufwand zu deren Erhebung sowie die Güte der Messungen wieder. Gerade für die Bildung von Energiestammdaten als Ausgangsgrößen für später zu Vergleichs-, Planungs- und Steuerungszwecken anwendbare Bewegungsdaten sind die Genauigkeit und die Fehlerhäufigkeit die bestimmenden Parameter bei der Erarbeitung von Messprogrammen. Zur Erhebung von Maschinen- und Anlagenkennwerten genügt meist eine einmalige (in ihrem Ergebnis bestätigte) Messung. Soll der Energieverbrauch pro Produkt bestimmt werden, so muss für jedes

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

249

Produkt der spezifische Verbrauch zumindest einmal bestimmt werden. Kann das Produkt alternativ auf verschiedenen Maschinen Tabelle 4.8. Messaufwand, Genauigkeit und Fehleranfälligkeit bei den häufigsten Energiemessungen Messgröße Elektrizität Dampf Kälte Druckluft Heißwasser Warmwasser

Messaufwand Niedrig Hoch Hoch Hoch Mittel Niedrig

Genauigkeit Hoch Mittel Mittel Mittel Hoch Mittel

Fehleranfälligkeit Gering Hoch Hoch Mittel Gering Gering

gefertigt werden, so muss für jede Maschine der Verbrauch ermittelt werden [125]. Nach Fünfgeld [35] sind Bezug nehmend auf die UPNModellierung folgende Vereinfachungen für die praktische Anwendung zu überlegen:

• Die Zusammenfassung mehrerer Anlagen der Klassen U und P zu einem Element. Das ist zulässig, sofern die Anlagen gleichartig sind oder demselben Betriebszweck dienen. Separate Aufnahmen innerhalb des Messprogrammes erfordern dagegen Aggregate, die nicht derselben betrieblichen Einheit zugeordnet oder nicht von denselben Kriterien abhängig sind. • Die Vernachlässigung von Transport- beziehungsweise Bereitstellungsverlusten. Das ist zulässig bei Energieträgern (wie zum Beispiel Strom), die innerbetrieblich quasi verlustfrei bereitgestellt werden können. Leitungsgebundene Energieträger (wie zum Beispiel Dampf oder Druckluft) sind innerhalb des Messprogrammes zu berücksichtigen, da sie im realen Betrieb gegenüber dem Auslegungszustand erhebliche Verluste aufweisen können. Unvermeidbare Beeinflussungen der spezifischen Energie(-umwandlungs-)verbräuche, die unmittelbar durch die BDE beziehungsweise MDE, also ohne zusätzliche Messtechnik, aufgedeckt werden können, resultieren gegebenenfalls aus:

− unterschiedlichen Qualitäten des zu ver- beziehungsweise bearbeitenden Materials, − der möglicherweise variierenden Menge des durchgesetzten Materials, − der betreffenden Fahrweise/ Betriebszustände einzelner Produktionsanlagen, − sonstigen, insbesondere äußeren Einflüssen.

250

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Lassen sich für wiederkehrende Veränderungen energetischer Verbrauchsgrößen konkrete Einflussfaktoren ermitteln, so wird mit Hilfe der IndexDatenfelder des Energiestammdatensatzes jedem Kriterium eine Variante des klassifizierenden ET-Teils und sukzessive der betreffenden Einheit, in dem der betreffende Energieträger zum Einsatz gelangen soll, gemäß Abb. 4.21. zugewiesen. Klassifizierender Teil

Identifizierende Teile PA

P

0

ET

ET

1

1

e

1

8

.

. .

x

x

x

Varianten-Index

Abb. 4.21. Zuordnung variierender Energiestammdaten am Beispiel von Produktionsanlagen

4.4. Praxisrelevante Funktionsbereiche zur Unterstützung des betrieblichen Energiemanagements Aufbauend auf die Erörterung der grundlegenden Erfordernisse zur rechentechnischen Verknüpfung von energie- und produktionswirtschaftlichen Informationsträgern werden die nunmehr innerhalb der Produktionsplanungs- und -steuerungsabläufe gleichrangig einzusetzenden Funktionen zur Bewältigung der verschiedenen Aufgabenstellungen des Energiemanagement vorgestellt. Den Schwerpunkt der folgenden Abhandlung bilden jene operativ und taktisch ausgerichteten Funktionen, für die sich bei Anwendung des integrativen Ansatzes im Vergleich zum bisherigen Vorgehen verbesserte Lösungen ergeben. Unterteilt nach ihrem Bezug auf das gegenwärtige beziehungsweise zukünftige Produktionsgeschehen sind sie folgenden Bereichen des betrieblichen Energiemanagement zuzuordnen, die in den Abschn. 4.4.1. und 4.4.2. detailliert beschrieben werden:

• das Kennzahlen basierte Energiecontrolling, • die Energieplanung und Energieträgerdisposition. Analog zum Produktionsmanagement sind jegliche wahrzunehmenden Planungs- und Steuerungsaufgaben des betrieblichen Energiemanagement untrennbar mit der Informationsversorgung verbunden. Ein im Ergebnis

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

251

der Einarbeitung von Energiekennwerten nunmehr direkt auf fertigungsrelevante Informationen zurückgreifendes Energiecontrolling ermöglicht die Verzahnung bislang voneinander losgelöster Führungsfunktionen, woraus mehr Transparenz, mehr Motivation und schließlich mehr Aktivität zur Gewährleistung einer rationellen, wirtschaftlichen und kostengünstigen Energiebewirtschaftung im Unternehmen resultieren muss. Gleiches gilt für Entscheidungen im Hinblick auf den zukünftigen Einsatz und damit auf die Beschaffung von Energieträgern. In der Vergangenheit waren grobe Vorhersagen zur Energieplanung und -disposition durchaus ausreichend. Nahezu jeder Energieträger ist ständig verfügbar. Auf Grund der Monopolstellung der Lieferanten bestand kein (beziehungsweise nur ein geringer) Spielraum zur Reduzierung der Bezugspreise. Die Kostenvorteile, die sich in jüngster Vergangenheit aus der Öffnung des Energiemarktes insbesondere für Strom ergaben, sind erschöpft. Einen wesentlichen Maßstab für die zukünftige Preisbildung des Lieferanten werden verlässliche Bedarfsvorhersagen der Abnehmer bilden. Damit stellt sich die Aufgabe an das Produktionsunternehmen, exaktere Prognosen im Hinblick auf den Einsatz und den Bezug von Energie für die vorgesehenen Produktionsaufgaben zu erstellen. 4.4.1. Das Kennzahlen basierte Energiecontrolling Gegenüber früherer Sichtweisen, bei denen eine klare Trennung zwischen den Funktionen Planung, Steuerung und Kontrolle erfolgt, beschreibt Ullmann [115] den heute angewendeten Controllingansatz in dv-gestützten PPS-Systemen als einen „betont funktionsübergreifenden und integrativen“. Im Hinblick auf die Überwachung der Erreichung von wirtschaftlichen Zielen der Produktion haben sich, auf Kennzahlen basierende, Systematiken weitgehend etabliert. Hoitsch beschreibt diesbezüglich Kennzahlensysteme als Informationsversorgungsinstrumente für das Produktionscontrolling zur Unterstützung von Plankosten-, Erlösrechnungen, Prognosemethoden sowie Nutzwertanalysen [52]. Nach Wiendahl besteht neben der Verwendung von Kennzahlen als Zielgröße ein wesentlicher Einsatzbereich innerhalb der operativen Produktionsplanung im Erkennen von sich abzeichnenden Trends durch den ständigen Vergleich von Sollund Ist-Werten. Somit kann noch vor Eintreten eines festgelegten Grenzwertes dem aufgenommenen Trend durch geeignete Maßnahmen entgegengewirkt werden [121]. Zur Verbesserung der Aussagefähigkeit werden Ziele in Unter- und Teilziele gesplittet und eigene Kennzahlen sowie Werte zur Zielerreichung definiert [unter anderen 85, 119].

252

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Analog zu der hier vorgenommenen Unterteilung von Energiekennwerten nach ihrer globalen oder spezifischen Ausrichtung formuliert Groll Kennzahlen zur:

• Planung, Steuerung und Kontrolle der Unternehmung als Ganzes, wobei zwischen Kennzahlen zur Erfolgslage (Gewinn, Betriebsergebnis, Wirtschaftlichkeit, Wertschöpfung, Substanzerhaltung, Produktivität) und Kennzahlen zur Finanzlage (Cash-Flow, Liquidität, Verschuldungsgrad, Anlagendeckung, Vermögensstrukur) unterschieden wird, • Kennzahlen zur Planung, Steuerung und Kontrolle einzelner betrieblicher Funktionen, also neben der Fertigung für die Beschaffung, Lagerwirtschaft, Personalwirtschaft und den Vertrieb [41]. Im Ergebnis einer stark detaillierten Informationserfassung und -verarbeitung entstehen häufig sehr komplexe Kennzahlensysteme für das Produktionscontrolling. Dies kann zur Folge haben, dass einerseits die Anschaulichkeit vermindert (verursacht Interpretationsprobleme), andererseits ein unnötig hoher Datenbestand aufgenommen und gepflegt wird. Zur Vermeidung der Problematik bestehen folgende Anforderungen an ein Kennzahlen basiertes Controlling [28]:

• • • • •

die Ausrichtung auf ein durchgängig logistisches Prozessmodell, das Zugrundelegen von im Betrieb vorhandenen bzw. erhobenen Daten, die Visualisierung des Prozesses in Form von Grafiken, das Vermögen der Kennzahlen, das Prozessverhalten zu beschreiben, die Fähigkeit der Wirkungsbeschreibung verschiedener Stellgrößen auf die Zielgrößen, • die Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit der Kennzahlen innerhalb des Systems. Die auf Grundlage des UPN-Modells entwickelte Systematik zur Einbindung energierelevanter Informationsträger in das Datengerüst der dvgestützten PPS ermöglicht die durchgängige Beschreibung jeglicher Prozesse der Energieanwendung im Unternehmen. Damit wird die Vorraussetzung geschaffen, ausgehend von einer globalen Beurteilung der energetischen Güte der Wertschöpfungsprozesse, Ausprägungen in einzelnen Teilbereichen zu analysieren, zu kontrollieren und zu steuern, wobei die Zusammenhänge und Wechselwirkungen mit dem Produktionsgeschehen, aber ebenso mit anderen, angrenzenden Bereichen der betrieblichen Energiewirtschaft berücksichtigt werden. Untersetzt durch einzelne Beispiele verdeutlicht Abb. 4.22. die nunmehr innerhalb der PPS-Datenbasis dem Energiecontrolling zur Verfügung stehenden Informationen. Je nach Zielstellung lassen sich an Hand der

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

INPUT

253

Bezogene Energieträger, zum Beispiel: Elektroenergie |e|0|1| ; Erdgas |e|0|2| ; Heizöl leicht |e|0|3|

THROUGHPUT

U

Umwandlungsanlagen Gewandelte Bezugsenergie in Einsatzenergie, zum Beispiel in: Druckluft D|L aus der Kompressoranlage U|0|1 |e|1|0| |D|L| |U| |x|x|x| |x|x|x| |P|0|1| |U|0|1| |x|x|x| Warmwasser WW aus der Kesselanlage U|0|5 |e|3|0| | w|w| |U| |x|x|x| |x|x|x| |N|0|3| |U|0|5| |x|x|x|

Produktionsanlagen

Genutze Einsatzenergie (gewandelt, direkt bezogen oder rückgewonnen), P zum Beispiel für die: Umformung des Zwischenproduktes T|P|0|5 durch die Presse P|2|2 bei Einsatz von e|0|1 pneumatisch unterstützte Erstellung des Endproduktes E|P|1|4 im Extruder P|3|7bei Einsatz von e|1|0 thermische Behandlung des Zwischenproduktes T|P|2|1 im Ofen P|0|4 bei Einsatz von e|0|2

OUTPUT

N

Nebenanlagen Genutze Einsatzenergie (gewandelt, direkt bezogen oder rückgewonnen), zum Beispiel zur: Beleuchtung einer Werkhalle durch N|1|2 bei Einsatz von e|0|1 Warmwasserversorgung von Sanitäreinrichtungen durch N|2|3 bei Einsatz von e|3|0 und e|6|4

Abgegebene Energie beziehungsweise abgegebene energiebedingte Emissionen, zum Beispiel: Wärmeverluste e|6|3 aus U|0|5 und rückgewonnene Anfallenergie e|6|4 CO2-Ausstoß e|8|1 aus P|0|4

Abb. 4.22. Projektion der energierelevanten Informationsträger auf die Bereiche der betrieblichen Energieanwendung

gegenwärtigen und, soweit archiviert, historischen Daten die Ausprägungen der Energieverwendung strukturell für das gesamte Unternehmen, zusammengefasst für die Bereiche des Input, Throughput und Output, detail-

254

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

liert für die Ebenen der Umwandlung, Produktion und Peripherie41 sowie punktuell für konkrete Anlagen und Erzeugnisse abbilden und analysieren. Durch die Verbindung zu den traditionell bestehenden Datensätzen der dv-gestützten Produktionsplanung und -steuerung setzt das Kennzahlen basierte Energiecontrolling die Erfordernisse der Energiebewirtschaftung in direkte Relation zur durchgeführten beziehungsweise vorgesehenen Produktion. Das Energiecontrolling, als informationsversorgende und – verarbeitende Institution des betrieblichen Energiemanagement, erreicht damit eine neue Qualität, da es nunmehr untrennbar mit allen sonstigen analytischen und planerischen Auseinandersetzungen für die Umsetzung der jeweilige Produktionsaufgaben verbunden ist. Analog zu den bestehenden, tagtäglich in Anwendung gebrachten Instrumenten der Produktionswirtschaft stehen dem Planer und Entscheidungsträger geeignete Unterlagen zur Einbeziehung energiewirtschaftlicher Gesichtspunkte zur Verfügung (zum Beispiel in Form von Energiemengenlisten direkt mit der Erzeugnisstruktur korrelierende spezifische Energieverbräuche, in Tabellen und Diagrammen dargestellte Kennwerte über den energetischen Input, Throughput und Output). Die durch das Kennzahlen basierte Energiecontrolling bereitgestellten Informationen, sind zur Lösung folgender Aufgabenstellungen einzusetzen: Erstens: Im Ergebnis von ganzheitlichen Betrachtung der Energieanwendung im Unternehmen mit dem Schwerpunkt des Energie-Input für:

• die Absicherung der Leistungsbereitschaft der Produktion, • die Erhaltung der Flexibilität der betrieblichen Energieversorgung gegenüber Änderungen im Produktionsprogramm, • die Kenntnis der mengenmäßigen Reichweiten einzelner Energieträger zur Vermeidung von Engpässen, • die Optimierung des Energiebezugs gemäß der tariflichen Vereinbarungen mit dem Energieversorger, die Erarbeitung von Planungsgrundlagen für künftige Neubauten und • Investitionen im Sinne der Fabrikplanung. Zweitens: Gemäß dem unternehmerischen Bestreben nach Wirtschaftlichkeit und Effizienz bei der Energieverwendung mit dem Schwerpunkt des Energie-Throughput für:

41

die Auseinandersetzung mit der Energiebewirtschaftung von Nebenanlagen erfolgt im Abschn. 5.1.2. „Gesonderte Behandlung der Produktionsperipherie“ in „Energiekennzahlen in PPS-Systemen“

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

255

• die Analyse von historischen Energiekennzahlen, wobei aus den gewonnnen Erkenntnissen Schlussfolgerungen zur Formulierung der Zielvorgaben für das sich aktuell im Planungszustand befindliche Fertigungsprogramm abzuleiten sind, • die Prüfung von Betriebsdaten der Gegenwart auf Abweichungen zum gültigen Energiebedarfsplan, wobei gegebenenfalls kurzfristig Maßnahmen zur Störungsbeseitigung zu veranlassen sind, • Der Vergleich einheitlich, im Sinne von Benchmarks, aufbereiteter Energiekennwerte zu gleichartigen Fertigungsprogrammen, -bereichen bzw. -anlagen, woraus Entscheidungen zur effizientesten Umsetzung eines Fertigungsplanes, aber auch gegebenenfalls zum Ersatz veralteter Technologien zu treffen sind [8]. Drittens: Zur Bewertung und Reduzierung der Auswirkungen der Energieverwendung auf das Umfeld des Unternehmens mit dem Schwerpunkt des Energie-Output für:

• die Prüfung der Einhaltung von gesetzlich vorgegebenen beziehungsweise selbst auferlegten Grenzwerten im Hinblick auf energiebedingte Schadstoffbelastungen, • die Erhebung und Auswertung der Schadstoffausstöße in Vorbereitung auf die derzeit politisch angestrebten, zukünftig in Anwendung befindlichen Szenarien, wie das Emission-Trading, • die Ermittlung von Potenzialen oder die Quantifizierung bereits bestehender Anteile der Energierückgewinnung beziehungsweise Abgabe an Dritte. Gesonderte Behandlung der Produktionsperipherie

Wenngleich der periphere Energieverbrauch in Industriebetrieben mit Produktionstechnologien hoher Energieintensität nur einen geringen Anteil am Gesamtenergieverbrauch ausmacht, so verkörpert die N-Klasse das bislang fehlende Glied für ein lückenloses, auf dem UPN-Modell aufbauendes, Energiecontrolling, welches alle Bereiche der betrieblichen Energieanwendung durchdringt. Einzeln betrachtet, kann auch der Betrieb einer Nebenanlage einen vergleichsweise hohen energetischen Aufwand erfordern (beispielsweise zur Klimatisierung oder Belüftung von Produktions- oder Verwaltungsabteilungen). Um Einsparpotenziale aufdecken und verlässliche Prognosen erarbeiten zu können, heißt es auch für Unternehmen mit einer vordergründig energieintensiven Produktion, den Energieverbrauch in den Nebenanlagen zu beobachten und insbesondere durch den Vergleich zu Aggregaten mit ähnlichem Zweck und Anforderungsprofil zu bewerten.

256

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Gemäß der in Abschn. 4.2. (Vergleich auch zu 2.3.4.) formulierten Definition der Klasse der Nebenanlagen besteht kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem fortlaufend als Nebenverbrauch bezeichneten energetischen Input der N-Klasse und dem Fertigungsgeschehen. Für die Aufbereitung von Daten über den Energieeinsatz in der Produktionsperipherie empfiehlt sich die Unterteilung in Art des Energieträgers und Form der Bereitstellung (zum Beispiel, wie bereits in Abb. 4.22. vorgenommen in N|x|x und e|x|x direkt beziehungsweise gewandelt bereitgestellt). Anstelle der Bezugnahme auf die Menge eines Zwischen- beziehungsweise Endproduktes empfiehlt sich hinsichtlich der Aufnahme der betreffenden spezifischen Energiekennwerte in die Stammdatensätzen der N-Klasse die Bildung folgender Verhältnisse:

• für die Raumheizung: der Energieverbrauch pro Raumvolumen und Zeiteinheit, zum Beispiel in [m³EG/(m³·ZE)] • für die Beleuchtung: der Energieverbrauch pro genutzter Fläche und Zeiteinheit, zum Beispiel in [kWh/(m²·ZE)] • für die Warmwasserbereitung: der Energieverbrauch pro Nutzer und Zeiteinheit, zum Beispiel in [MJ/(Person·ZE)] • für den Fuhrpark: der Kraftstoffverbrauch pro Nutzer und gefahrener Strecke, zum Beispiel in [L DK/(Person·km)] Im Anschluss an die Bildung von Beziehungszahlen für die Bereiche der Produktionsperipherie umfassen die in Abschn. 4.3.1 aufgezeigten Einsatzfelder von Energiekennwerten nunmehr auch die Klasse der Nebenanlagen. Um insbesondere für die Energieplanung einen zeitlichen Bezug für das Auftreten der Nebenverbräuche herstellen zu können, eignet sich die zusätzliche Bildung von Gliederungskennzahlen (also zum Beispiel: Anteil des Nebenverbrauchs zur Beleuchtung am Gesamtelektroenergieverbrauch für einen Monat, eine Kalenderwoche, ggf. für einen Tag). Befasst sich also die Energieplanung mit einem Zeitraum, der die 40. KW einschließt, so können Änderungen des Nebenverbrauches beispielsweise gegenüber der 20. KW Berücksichtigung finden. Zumindest ein zeitlicher Zusammenhang besteht zwischen Teilen des Nebenverbrauches und der Produktion. Diesbezüglich sind Vor- und Nachbereitungstätigkeiten für einen Fertigungsauftrag angesprochen. Es ist zu prüfen, inwiefern während dem Rüsten von Anlagen und Fertigungsbereichen beziehungsweise während besonderer Anlagenzustände (zum Beispiel Stand-by-Verbräuche Produktionsanlagen) mengenmäßig relevante Nebenverbräuche auftreten. Gegebenenfalls sind diese innerhalb der Energieplanung zu berücksichtigen, wobei sich die Nebenverbräuche

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

257

letztgenannter Art in Form von vor- oder nachgelagerten Arbeitsschritten innerhalb der Maschinenbelegungsplanung zuordnen lassen. Eine detaillierte Auseinandersetzung mit den Problemstellungen der Energiebedarfsermittlung erfolgt in den folgenden Abschnitten. Zur verursachergerechten Energiekostenverrechnung

Waren bislang die unterstützten Funktionen primär auf das Erzielen eines mengenmäßigen Optimums, also vordergründig auf die Optimierung des Energieverbrauchs innerhalb des Throughput ausgerichtet, so ist es auch Aufgabe des Energiecontrolling, die notwendigen Informationen zur Beurteilung der auftretenden Kosten zu liefern. In Anlehnung an Bauer [2] und Fünfgeld [35] lässt sich gemäß Abb. 4.23 das Bestreben nach Wirtschaftlichkeit bei der Energieanwendung in den unternehmerischen Wertschöpfungsprozessen einerseits mengen- und andererseits wertmäßig beschreiben. Hinsichtlich der Schaffung einer geeigneten Grundlage zur Bemessung der wertmäßigen Wirtschaftlichkeit vergegenwärtigt bereits das einfache Schema die Problematik der genauen Quantifizierung von Aufwendungen, die mit dem Umgang von Energie innerhalb des Throughput verbunden sind. In der Praxis werden Energiekosten vielfach als Äquivalent zur aufzubringenden Energiemenge aufgefasst und schließlich mit den Bezugskosten gleichgesetzt. Die Verrechnung von Energiekosten in dieser Form vernachlässigt maßgebliche Aufwendungen im Zusammenhang mit der Energiebewirtschaftung des Unternehmens, lässt keine genauen Rückschlüsse auf die eigentlichen Kostenverursacher zu und kann insbesondere bei der Beurteilung der Rentabilität von investiven Energiesparmaßnahmen zu falschen Schlussfolgerungen führen. Eines der Hauptziele des von Fünfgeld entwickelten Ansatzes der „Energierelevanten Kosten“ ist die Schärfung des Bewusstseins im Einsatz von Energie im Unternehmen durch eine erhöhte Transparenz der Produktherstellkosten, in denen der Aufwand für den betrieblichen Energieeinsatz direkt und umfassend nachgewiesen wird [37]. Die energierelevanten Kosten umfassen gegenüber den bisher in der Abrechnungssystematik der Unternehmen berücksichtigten, reinen Energiebezugskosten folgende zusätzliche Komponenten:

258

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeitsstreben

wertmäßig

mengenmäßig Energieverbrauch

Energiekosten Energieintensität (Energierelevante Bereiche)

Spezifische Energierelevante Kosten

Energieintensität (Energiebezug)

Spezifische Energiebezugskosten

Spezifische Energiemenge

Energieproduktivität

Abb. 4.23. Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und Effizienz des EnergieThroughput, angelehnt an [2, 35]

• Bezugskosten weiterer Energieträger und Medien, die in der Abrechnungssystematik bislang als Kosten für Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe verbucht werden, • Abschreibungen für Energie- und Verteilanlagen, • Personalkosten für die Energiebewirtschaftung, das Energiemanagement und gegebenenfalls für Instandhaltungsmaßnahmen, • Umweltaufwendungen, zum Beispiel für Emissionsmessungen und -gebühren, • Sonstige Nebenkosten, beispielsweise für Betriebs- und Wartungsmaterial, Gebäudeabschreibungen und Versicherungen [36]. Während die Energiekosten in Nebenanlagen in Form einer Umlage (ähnlich der Verrechnung von Gemeinkosten) summiert werden, kumulieren die Energiekosten in Produktionsanlagen direkt mit dem Produktionsfluss. Das in der Abb. 4.24. dargestellte Vorgehen zur Entwicklung der kumulierten Energiekosten verdeutlicht die bestehende Analogie zu der in Kap. 4 auf Grundlage des Erzeugnisstrukturbaumes vorgenommenen Zuweisung der spezifischen Energieeinsatz- und -umwandlungsverbräuche zu den jeweiligen Produkteinheiten und Produktionsbereichen. Unter Einbeziehung der Bezugspreise für die betreffenden Energieträger sowie aller anderen energierelevanten Kostenanteile erweisen sich erarbeitete struktu-

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

259

rierte Energiemengenlisten damit auch als zweckmäßige Instrumente zur verursachergerechten Energiekostenkalkulation. Fünfgeld [35] stellt fest, dass die abteilungs- bzw. kostenstellenbezogene Summation der energierelevanten Kosten einzelne Mitarbeiter hinsichtlich ihrer jeweiligen Arbeitsprozesse stimulieren kann. Die am Produktionsfluss ausgerichtete Kumulation der energierelevanten Kosten erbringt, analog zur Kostenträgerrechnung hinsichtlich der Gesamtkalkulation, entweder für jeden Energieträger einen Anteil oder bei Gesamtbetrachtung einen Summenwert der energierelevanten Kosten an den Herstellkosten. Somit werden jegliche, mit der betrieblichen Energieanwendung verbundene, Energiekosten in den Produkt-Einzelkosten verursachergerecht ausweisbar, was schließlich zu einer exakteren Bemessung der Aufwendungen zur Energiebewirtschaftung des Unternehmens beiträgt. Produktionsanlagen PA1

PA3

PA7

PA9

PA10 kEKp

PA2

PA5

PA4

PA6

PA8

PA11

PA13

PA12

kEK - kumulierte Energiekosten der Produktion Index ( p ) - eines Produktes. PA - Produktionsanlage

Abb. 4.24. Kumulative Entwicklung der zur Herstellung einer Produkteinheit notwendigen Energiekosten [35]

4.4.2. Die programmgebundene Energiebedarfsermittlung Die operative Produktionsfaktorplanung zählt in PPS-Systemen zu den Modulen der Materialwirtschaft (MRP). Sie befasst sich im Rahmen der Bedarfs- und Auftragsplanung mir der Koordination der bereitzustellenden Repitierfaktoren. Nachdem bereits innerhalb der Grobplanung die Entscheidung über Eigenerstellung oder Fremdbezug von Vor- und Zwischenprodukten gefallen ist, erfolgt nun die Bestimmung geeigneter Losgrößen und die damit verbundenen Bedarfe an Repetierfaktoren in den einzelnen Bearbeitungsschritten. Für die Planung der Bereitstellung von Werkstoffen

260

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

im Sinne der Materialbedarfsermittlung sind in verbrauchs- und programmgebundene Verfahren42 unterschieden [52]. Ausgehend von der Auseinandersetzung mit Verbräuchen früherer Produktionsperioden erfolgt innerhalb der verbrauchsgebundenen Bedarfsermittlung die Prognose des zukünftigen Faktorbedarfs. Man unterstellt, dass sich die bisherigen Bedarfsverläufe in der Zukunft fortsetzen werden und extrapoliert sie in zukünftige Perioden [20]. Insbesondere für Hilfsund Betriebsstoffe (unter anderem auch für Werkzeuge, teilweise für Energie) findet die verbrauchsgebundene Bedarfsplanung Anwendung. Zäpfel stellt fest, dass gerade bei Veränderungen des Produktionsprogrammes nach Art und Menge oder der Erzeugnisstruktur an sich der tatsächlich zukünftige Bedarf einer Komponente stark von dem stochastisch aus historischen Größen abgeleiteten Bedarf abweichen kann [127]. Problemsituationen hinsichtlich der Verfügbarkeit von bevorrateten Hilfsstoffen (zum Beispiel Verpackungsmaterial) treten im Hinblick auf den Einsatz von leitungsgebundenen Energieträgern in vergleichbarer Form nicht auf. Sie können jedoch durchaus lagerfähige Medien betreffen (zum Beispiel in Behälter abgefüllte technische Gase). Aufgrund der ständigen Verfügbarkeit von leitungsgebundenen Energieträgern werden die Auswirkungen von Fehlprognosen vielfach unterschätzt. Vergleicht man die einzuhaltende maximale elektrische Leistung mit dem in der Fertigung maximal einsetzbaren Lagerbestand einer Komponente, so kann Elektroenergie im Gegensatz zum erschöpften Materialbestand auch nach Überschreiten des „Fassungsvermögens“ unbegrenzt eingesetzt werden. Außer Acht gelassen wird bei einer solchen Herangehensweise der Anstieg der Energiebezugskosten durch kurzzeitiges Erhöhen der Leistungsmaxima43. Zudem verursacht ein aus Fehlplanungen resultierendes langzeitiges zusätzliches Aufkommen an Einsatz- und letztlich Endenergie weitere Energiekostenbelastungen für das Unternehmen. Bei der programmgebundenen Bedarfsermittlung erfolgt eine exakte Ableitung der Bedarfe an Repitierfaktoren auf Grundlage des Primärbedarfs, also der, für den betreffenden Planungszeitraum vorgesehenen Menge an Enderzeugnissen und deren spezifischen Materialbedarfen. Un42

In der Literatur sind vielfach auch gleichrangige Unterteilungen zu finden, wie: verbrauchsorientiert / programmgesteuert oder stochastisch / deterministisch. 43 Abrechnungsrelevant für den Versorger sind: Die Vorhalteleistung, welche die Leistung ist, die der Lieferant technisch bereitstellen kann und bis zu deren Höhe der Abnehmer die Leistung ohne Zahlung von Zuschüssen erhöhen kann. Die Verrechnungsleitung, die in der Regel der monatlich bestimmten Höchstleistung entspricht und über den Leistungspreis dem Kunden in Rechnung gestellt wird [54].

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

261

ter Einbeziehung der Fertigungsstruktur lassen sich Rückschlüsse von der obersten Stufe – die der Endprodukte – auf die vorher durchzuführenden Bearbeitungsschritte ziehen. Auf diese Weise ist eine genaue Zuweisung der Sekundärbedarfe an Zwischenprodukten, Einzelteilen, Baugruppen, etc. möglich. Ziel ist es, diese Zusammenhänge auf die programmgebundene Energiebedarfsermittlung auszuweiten, um ein funktionelles Zusammenwirken zwischen traditionellen und energiewirtschaftlichen Aspekten innerhalb der Materialwirtschaft zu erreichen. Wechselwirkungen zwischen Energieplanung und Materialwirtschaft

Nachfolgend wird für die Erörterung der Verfahrensweise bei der Durchführung der programmgebundenen Bedarfsermittlung auf das bereits in den Ausführungen zur Integration der spezifischen Energieeinsatz- und -umwandlungsverbräuche in die Datenbasis der dv-gestützten PPS verwendete Beispiel zurückgegriffen44. Wie Abb. 4.25. zu entnehmen ist, wird die Auslieferung von insgesamt 50 ME des Endproduktes „Y“ geplant. Die Schritte zur Umsetzung des Auftrages werden in der Systematik unterteilt in Eingang und Absatz (Vorund Endprodukte) sowie in die Dispositionsstufen DP n bis DP (n-2) (Zwischenprodukte). Die Gliederung in Dispositionsstufen erfolgt unter Berücksichtigung der Gegebenheiten hinsichtlich der Produktbearbeitung und Lagerung. Im Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Fertigung der Zwischenprodukte „B“, „C“ und „D“ innerhalb einer gemeinsamen Bearbeitungsstufe erfolgt, wobei Bevorratungen ausschließlich für das fertig gestellte Zwischenprodukt „B“ möglich sind. Für die übrigen Dispositionsstufen ist eine separate Fertigung und Bearbeitung vorgesehen. Ziel der programmgebundenen Bedarfsermittlung ist es, konkrete Aussagen darüber zu erbringen, welche Materialmengen innerhalb der jeweiligen Dispositionsstufen im Sinne des Nettobedarfs tatsächlich zu fertigen sind und in welchem Maß auf Bestände zurückgegriffen werden kann. Gemäß Gl. (4.21) liegt ein Nettobedarf für ein Zwischen- beziehungsweise Endprodukt erst dann vor, wenn der Bruttobedarf den disponiblen Lagerbestand übersteigt [22].

44

Vergleich zu Abb. 4.8. „Erzeugnisstrukturdarstellung im betrieblichen System“

262

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Identifikation Dispositions-

Lagerverwaltung

MRP

End-/Zwischen- Bruttoprodukte bedarf in [ME] ID

stufen

MRP

physisch Sicherheits- disponibler Nettovorhanden bestand Bestand bedarf in [ME] in [ME] in [ME] in [ME]

Absatz

YEP01

50,0

0,0

0,0

0,0

50,0

DP (n-2)

Y ' ZP01

50,0

10,0

10,0

0,0

50,0

DP (n-1)

A ZP02

100,0

0,0

0,0

0,0

100,0

BZP03

50,0

12,0

0,0

0,0

38,0

C ZP04

50,0

0,0

0,0

0,0

38,0

D ZP05

100,0

0,0

0,0

0,0

76,0

E VP01

200,0

0,0

0,0

0,0

152,0

F VP02

400,0

0,0

0,0

0,0

304,0

G VP03

100,0

0,0

0,0

0,0

100,0

H VP04

200,0

50,0

0,0

0,0

150,0

(3) (1)

(2) DP n

Eingang

Abb. 4.25. Programmgebundene Planung der Bedarfe an Zwischen- und Vorprodukten

{

}

rIDN = rIDB − d ID ,0 ; wobei : d ID = sID − σ ID [ME ] ID

rIDN rIDB dID sID ıID

(4.21)

Produkt-Identifikation Nettobedarf Bruttobedarf Disponibler Bestand Physisch vorhandener Bestand Sicherheitsbestand

In Abb. 4.25. der Achse (1) folgend werden im ersten Schritt auf Grundlage der Erzeugnisstruktur die primären Bruttobedarfe für alle Zwischen und Vorprodukte ermittelt. Würde die Fertigung ohne jegliches Zwischenlagern erfolgen, wären für 50 ME an „Y“ genau 100 ME an „A“, 50 ME an „B“, etc. bereitzustellen. Die Bestimmung des Bruttobedarfs beruht auf die in Abschn. 4.3. vorgestellte Systematik der Erzeugnisstrukturlisten. Der für die Endproduktmenge geltende Faktor wird auf die untergeordneten Produktstufen übertragen.

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

263

In Richtung der Achse (2) wird der Nettobedarf der Zwischenprodukte unter Einbezug der aus der Fertigungsrückmeldung in die Lagerverwaltung eingehenden Informationen gemäß Gl. (4.21) berechnet. Das Ergebnis liefert die eigentliche zu fertigende Produktmenge und, wie im Fall des Zwischenproduktes „B“, neben dem Nettobedarf einen korrigierten, sekundären Bruttobedarf. Dieser wird wiederum der Nettobedarfsermittlung in den untergeordneten Produktstufen „C“, „D“, „E“, etc. zu Grunde gelegt. Ist die Anwendung der Methodik für alle Produktstufen abgeschlossen, so werden beginnend mit dem Eingang gemäß Achse (3) die für den Absatz von 50 ME von „Y“ zu fertigenden Erzeugnismengen in Form des Nettobedarfs festgestellt. Gegebenenfalls ist der Nettobedarf eines Zwischen- oder Endproduktes innerhalb einer Dispositionsstufe um folgende Größen zu erweitern [80]:

• Zusatz- beziehungsweise Sicherheitsbedarfe insbesondere auf Grund einer erwarteten Ausschussquote, • Aufrundungen der Losgrößen aus wirtschaftlichen oder organisatorischen Gründen (Bestellung einer kostengünstigen Vorproduktmenge, Festlegung von Zeitpunkten für Umrüstvorkehrungen). Der innerhalb der MRP ausgewiesene Nettobedarf ist die Ausgangsgröße bei der Ermittlung der einzusetzenden Mengen an Energieträgern für die Abwicklung des vorgesehenen Auftrages. Gibt die strukturierte Energiemengenliste zunächst ausschließlich Auskunft über das generelle Zusammenwirken von Einsatz- und Bezugsenergie bei der stufenweisen Durchführung der Produktionsaufgabe, so wird im Ergebnis der deterministischen Bedarfsermittlung der konkret erforderliche EnergieInput für die P-Klasse und, auf das Basisdatengerüst zurückgreifend, sukzessive der Energie-Input für die U-Klasse festgestellt. Der Kennzahlen-Aufbau, der in Abschn. 4.3. erörterten horizontal und vertikal ausgerichteten Ansätze, ermöglicht durch die hergestellten Bezüge zur Fertigung die direkte Anbindung von Aussagen über den produktionswirksamen Energiebedarf an die Ergebnisse der programmgebundenen Materialbedarfsplanung. Ausgehend von den zur Verfügung stehenden Plangrößen für die zu fertigenden Mengen an Zwischen- und Endprodukten, sowie gegebenenfalls von der Auswahl der einzusetzenden Aggregate, lässt sich das Energieaufkommen einzeln (das heißt für die jeweilige Dispositionsstufe) oder summiert (das heißt für die gesamte Fertigung) ermitteln. In Abb. 4.26. wird das Vorgehen an Hand einer praktischen Umsetzung verdeutlicht. Die Netto-Materialbedarfe der insgesamt sechs Dispositionsstufen werden in der Gliederung als bekannt vorausgesetzt. Teilweise in kumulierter / teilweise in zusammengefasster Form erfolgt die Zuweisung

264

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der spezifischen Energieverbräuche zu den Planungsergebnissen der MRP. Konkrete Zahlenwerte für die in der Abbildung symbolisch wiedergegebenen Energiekennzahlen ergeben sich aus:

• der Identität der Erzeugnisse für das vorgesehene Produktionsprogramm und damit, an Hand der in der Datenbasis hergestellten Relation, der Identität der Energieträger, • der Klassifikation der Energiestammdatensätze, wobei gegebenenfalls auf Grund von Art und Zeitraum der geplanten Produktionsdurchführung mögliche Besonderheiten auf Grundlage der Variantendatensätze Berücksichtigung finden. Würden im Resultat der verbrauchsgebunden Bedarfsplanung grobe, sich auf Verbrauchsgrößen früherer Produktionsperioden stützende, Aussagen getroffen werden, so erbringt die programmgebundene Energiebedarfsermittlung genaue Planungs- und Prognoseergebnisse für die künftig vorgesehenen Produktionsaufgaben. Das gilt uneingeschränkt für jene Aufträge, die bereits in gleicher oder ähnlicher Art umgesetzt wurden, als auch für solche, bei denen völlig neue Anforderungen herrschen und damit keinerlei historische Vergleichswerte für die Planung vorliegen. Ausprägungen im Hinblick auf die Energieträgerdisposition

Die Integration von spezifischen Energiekennzahlen in die programmgebundene Materialbedarfsplanung ermöglicht bislang die direkte Zuweisung des Energieaufkommens zu zunächst einem und im Ergebnis weiterführender Planungen zu mehreren anstehenden Aufträgen. Auf diese Weise werden insbesondere mittelfristig ausgerichtete Aktivitäten und Entscheidungen im Bereich der Energieplanung unterstützt. Grundlage für die Beurteilung der Auswirkungen eines erstellten Fertigungsplanes im Hinblick auf den Energiebedarf in kürzeren Zeitabschnitten ist die terminierte Bedarfsplanung. Werden die erforderlichen Bearbeitungsschritte zur Umsetzung eines Fertigungsauftrages sowie die unmittelbar anstehenden Aufträge nacheinander ausgeführt, so ist unter Berücksichtigung der technologisch vorgegebenen Bearbeitungsreihenfolge die Terminierung der Arbeitsgänge mit vergleichsweise geringem Planungsaufwand durchzuführen. Vorgaben im Sinne von Grobterminierungen resultieren bereits aus der Produktionsprogrammplanung, in der die innerhalb einer Periode umzusetzenden Aufträge festgelegt sind.

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am Prozess beteiligte Anlagen ET IDx Produktionsanlage (PA)

Spezifische Energieverbräuche der Einzelanlagen bzw. Dispositionsstufen eDP2 e PAx eDP0 ePAX eDP1 ePAx ePAx eDP3 ePAx eDP4 ePAx kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ ME ME ME ME ME

001 002 003 004

Verladebandanlagen Siebanlage 1 Siebanlage 2 Entstaubung 1

005 006 007 008 009 010 011 012

Primärlüfter Sekundärlüfter Transportband Eingang Transportband Ausgang Becherwerk Entstaubung 2 Antrieb Dreh-Ofen Übergabeband 

013 014 015 016

Frischwasserpumpe Landbandanlage 1 Landbandanlage 2 Landbandanlage 3

017

Nassklassierung-Siebstrasse 

018 019 020 021

Landbandanlage 4 Landbandanlage 5 Vorsieb Dosierung

Elektroenergie e 0 1



265

eDP5

kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ kWh/ ME ME ME ME ME ME ME

x

x x x x x



x x x x

 022 verschiebbare Bandanlage 1 023 verschiebbare Bandanlage 2 024 Schwimmbagger  N Nettobedarf rDPx

x

[ME]

Elektroenergiebedarf EElt,DPx [kWh] Brennstoffbedarf EBr,DPx [MJ]



Kraftstoffbedarf E sonst.,DPx [IDK]





Gas e 0 2

N [ME] Nettobedarf r DPx

MJ/ ME 025

MJ/ ME

Drehrohrtrockenofen

Sonst. e 0 x

 1 DK/ ME

026

1 DK/ ME

Radlader  Legende: x - zusammengefasste, nicht einzeln erhobene Energiekennzahlen - evaluierte anlagenspezifische Energiekennzahlen - Bedarfsgrößen mit Ursprung der Materialbedarfsplanung

Abb. 4.26. In Dispositionsstufen gegliederte Energiekennzahlenerhebung Ausgangspunkt für die programmgebundene Energiebedarfsermittlung

266

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Zur Vereinfachung wird der Beschreibung des Vorgehens bei der terminierten Energiebedarfsplanung ein derartiger Sachverhalt zu Grunde gelegt. Abbildung 4.27. gibt die Abstimmung der Bearbeitungsschritte für einen Auftrag von 120 ME wieder. In drei Produktionsbereichen erfolgt die Herstellung der Zwischen- und schließlich der Endprodukte, wobei zum Zeitpunkt Null auf keinerlei Produktbestände zwischen den Stufen zurückgegriffen werden kann. Ebenso werden Überschneidungen der Bearbeitungsschritte (zum Beispiel durch Beginn der Bearbeitung im Produktionsbereich 2 vor Beendigung der Herstellung der Gesamtanzahl an Zwischenprodukten im Bereich 1) ausgeschlossen. Die Durchsätze in den einzelnen Fertigungsabschnitten „D n“ ergeben sich aus den Maschinenstammdatensätzen. Im Beispiel weisen die Stammdaten einen spezifischen Durchsatz von 30 ME/ZE für den Bereich 1, 60 ME/ZE für den Bereich 2 und 20 ME/ZE für den Bereich 3 aus. Zur Fertigung der geforderten Endproduktmenge sind demnach für den ersten Bearbeitungsabschnitt 4 ZE, für den zweiten 2 ZE, für den dritten 6 ZE und für den Gesamtauftrag schließlich 12 ZE vorzusehen. Die im vorhergehenden Abschnitt erörterte Methodik zur programmgebundenen Energiebedarfsermittlung ist für den nunmehr in genaue Zeitabstände aufgelösten Auftrag anzuwenden. Jeder Zeiteinheit ist unter Einbeziehung der spezifischen Energieverbräuche der genaue Einsatzenergiebedarf und gegebenenfalls unter Einbeziehung der spezifischen Energieumwandlungsverbräuche der genaue Endenergiebedarf zuzuordnen. Bei einem spezifischen Energieverbrauch von 11 kWh/ME ergibt sich ein Energiebedarf von 330 kWh für die erste Zeiteinheit und 1.320 kWh für die Gesamtzeit der ersten Bearbeitungsstufe. Die zu beziehende Leistung ergibt sich aus dem Quotienten des Energiebedarfs für den ersten Zeitabschnitt und dem Wert der Zeiteinheit. Den Diagrammen in der Abbildung wurde eine Zeiteinheit von genau einer Stunde zu Grunde gelegt. Demnach beansprucht der erste Bearbeitungsschritt eine Leistung von 330 kW, der zweite von 1.240 kW und der dritte von genau 160 kW. Entfällt bei der eingangs gewählten eindimensionalen, schrittweise ablaufenden Fertigung die Auseinandersetzung mit möglicherweise kollidierenden Arbeitsgängen, so ist es Aufgabe der Maschinenbelegungsplanung (Scheduling) innerhalb der Kapazitätsbedarfsermittlung, Aufträge zu Arbeitsträgern und Maschinen unter Beachtung der bestehenden Restriktionen zuzuordnen [20]. Ohne umfassend auf die verschiedenen Modelle und Lösungsverfahren zu Problemstellungen der Maschinenbelegungsplanung in PPS-Systemen

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

267

inzugehen45, werden in Abb. 4.28. beispielhafte Scheduling-Ergebnisse in Form von Gantt-Diagrammen visualisiert. [kW] Leistung

P2 1000 500 0

P1

P3

Energiebedarf

[ZE] [kW] E2

3000 2000 1000 0

E1

E3 [ZE]

30 20 10 0

Produktionsbereiche

spezifischer Energieverbrauch

[kWh/ME]

e3

e2

e1

[ZE] Auftragsfortschritt Pb = 1 0

1

2

2 3

4

3

5

6

7

8

9

10 Zeit [ZE]

Durchsatz

[ME] 150 100 50 0

D1

D2

D3

[ZE]

Abb. 4.27. Terminierte Energiebedarfsermittlung für die Durchführung eines Fertigungsauftrages

45

Einen ausführlichen Überblick über Verfahren zur Planung und Optimierung der Maschinenbelegung für verschiedene Produktionstypen vermittelt unter anderen Hoitsch [52]

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Auftrag

268

PA3,1 =2

3

1

3

2

2

3

1

1 0

1

1

2 2

3

4

5

6

7

3 8

9

10

[ZE]

Produktions anlage / bereich

Zeit

j=2

3 3

2

2

1

1 0

1

1

1 3

2

3

4

5

3

2 6

7

8

9

10

[ZE] Zeit

Legende:

Anlage in Betrieb

Anlage im Stillstand

Abb. 4.28. Auftrags- und anlagenorientierte Gantt-Diagramme, in Anlehnung an [20]

Entfällt bei der eingangs gewählten eindimensionalen, schrittweise ablaufenden Fertigung die Auseinandersetzung mit möglicherweise kollidierenden Arbeitsgängen, so ist es Aufgabe der Maschinenbelegungsplanung (Scheduling) innerhalb der Kapazitätsbedarfsermittlung, Aufträge zu Arbeitsträgern und Maschinen unter Beachtung der bestehenden Restriktionen zuzuordnen [20]. Ohne umfassend auf die verschiedenen Modelle und Lösungsverfahren zu Problemstellungen der Maschinenbelegungsplanung in PPS-Systemen einzugehen46, werden in Abb. 4.28. beispielhafte Scheduling-Ergebnisse in Form von Gantt-Diagrammen visualisiert. Der abgeleiteten auftrags- und anlagenorientierten Darstellung unterliegt die Annahme, dass drei unterschiedliche Aufträge „j“ in drei Arbeitsgängen „h“ auf wiederum drei Produktionsanlagen PAj,h bearbeitet werden. Wartezeiten der Aufträge beziehungsweise Leerzeiten der Produktionsanlagen/ -bereiche entsprechen den Schraffierungen. Als Resultat der Ermittlung der geeignetsten Maschinenbelegung für die Realisierung der gestellten Produktionsaufgaben liegen die Startzeitpunkte der einzelnen Bear46

Einen ausführlichen Überblick über Verfahren zur Planung und Optimierung der Maschinenbelegung für verschiedene Produktionstypen vermittelt unter anderen Hoitsch [52]

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

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beitungsschritte, deren Dauer sowie die beteiligten Anlagen beziehungsweise Produktionsbereiche vor. Das Prinzip der terminierten Energiebedarfsermittlung gemäß Abb. 4.27. lässt sich für jeden beliebigen Zeitpunkt der vorgesehenen Auftragsbearbeitung auf die Ergebnisse der Maschinenbelegungsplanung übertragen. Unabhängig davon, ob beim Scheduling primär durchlaufzeitbezogene, termin- oder kapazitätsorientierte Ziele verfolgt werden, eröffnet sich dem Entscheidungsträger nunmehr die Möglichkeit, auf konkrete Anhaltspunkte für das zu erwartende Energieverbrauchsverhalten im Zuge der Durchführung der vorgesehenen Aufträge zurückzugreifen. In Umsetzung der Vorgehensweise wird die Planung der betrieblichen Energiebewirtschaftung und im besonderen Maße die prognostische Auseinandersetzung zu Zwecken der Energieträgerdisposition durch folgende zusätzliche Informationen unterstützt:

• die Bedarfsgrößen für alle einzusetzenden Energieträger, wobei diese für jeden, innerhalb der üblichen dv-gestützten Produktionsplanung betrachteten, Zeitabschnitt ermittelt werden können, • die Bedarfsgrößen an Endenergie, wobei unter Einbezug der Verbräuche der U- und N-Klasse47 die Gesamtmengen der zu beziehenden Energieträger für jede Planungsperiode ermittelt werden können, • die genaue Vorhersage des Leistungsverlaufes in einer für den Lieferanten abrechnungsrelevanten Form, wobei Lastgänge für jede Bearbeitungsstufe und für jedes beliebige gesamte Produktionsprogramm erstellt werden können. Potenziale der praktischen Anwendung

Bedingt durch die individuellen Gegebenheiten hinsichtlich der betrieblichen Energiebereitstellung, -umwandlung, -verteilung und -verwendung aber ebenso bedingt durch bereits bestehende Organisationsformen und Schwerpunktsetzungen können konkrete Maßnahmen zum Erreichen einer kostengünstigen und rationellen Energiebewirtschaftung von Unternehmen zu Unternehmen sehr unterschiedlich ausgerichtet sein. Mit der praktischen Anwendung des integrativen Ansatzes wird den Entscheidungsträgern im Unternehmen ein innovatives Instrument zur Verfügung gestellt, welches neue Möglichkeiten sowohl im Bereich der Energiebeschaffung (qualifizierte Lastprognose) als auch der Energiebe47

Wobei der Nebenverbrauch als vergleichsweise geringer Anteil am Gesamtenergiebezug auf Grund seiner Unabhängigkeit vom Produktionsgeschehen nach wie vor Bestandteil der verbrauchsgebundenen Bedarfsplanung ist.

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4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

wirtschaftung (Optimierung) eröffnet. Parallel zur Planung, Durchführung und Lenkung der Produktion mit den Zielen, maximale Produktivität und minimale Fertigungskosten zu erreichen, eröffnet sich eine Vielzahl von Lösungswegen zur Optimierung der Energieeffizienz und Minimierung der Energiebezugs- und -einsatzkosten. Gerade für energieintensive Industriebetriebe mit einem hohen Anteil der energierelevanten Kosten an den Gesamtkosten stellt die erfolgreiche Umsetzung von herausgelösten Handlungsszenarien einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil dar. Im Ergebnis der Erweiterung der Datengrundlage von PPS-Systemen wird die grundsätzliche Struktur der Energieanwendung im Unternehmen und in besonderem Maße innerhalb der Fertigung abbildbar. Momentane Ausprägungen sowie dauerhafte Energieverbrauchs- und Energiekostenschwerpunkte sind transparent darstellbar und mit Hilfe von Energiekennzahlen zu beurteilen. Auf Leistungsüberschreitungen kann kurzfristig reagiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit, bei der Planung von investiven Einzelmaßnahmen (beispielsweise der Ersatz energetisch ineffizienter Produktionstechnologien) aber auch bei Erweiterungen und Neubau von Produktionsstätten im Sinne der Fabrikplanung auf aussagekräftige Informationsträger zurückzugreifen. Die Erarbeitung des Produktionsprogrammes erfolgt nunmehr nicht losgelöst zu Planungsentscheidungen im Bereich der Energiebewirtschaftung. Vielmehr liefert sie gleichrangig zu allen anderen programmgebundenen Bedarfsprognosen für Repitierfaktoren genaue Aussagen über die bereitzustellenden Energiemengen. Auswirkungen der Produktionsplanung auf den zeitlichen und mengenmäßigen Energiebedarf werden klar dargestellt und damit bewertbar. Im Hinblick auf den Bezug von Strom und Gas bedeutet das, Leistungsüberschreitungen und -engpässe frühzeitig zu erkennen. Schon heute besteht durch die differenzierte Abbildung der betrieblichen Energiewirtschaft die Möglichkeit, im Rahmen der vom Produktionsprozess gewährten Freiheitsgrade, Veränderungen vorzunehmen. Schon bald besteht die Möglichkeit, kurzfristig zusätzliche Liefermengen an der Börse zu beschaffen, um die Gesamtkosten zu minimieren und ein Höchstmaß an Flexibilität zu erreichen. Damit sind die Voraussetzungen zur direkten Beeinflussung der Energieanwendung in der Produktion geschaffen. Im Rahmen der technologischen Gegebenheiten und nach Prüfung der Erreichbarkeit aller primär an die Umsetzung eines bestimmten Fertigungsauftrages gestellten Zielgrößen lassen sich Energiesparpotenziale insbesondere durch die logistische Abstimmung der einzelnen Produktionsschritte erschließen. Anzuführen sind hierbei in erster Linie die Reduzierung von energetischen Verlusten (durch Optimieren von Anlagenfahrweisen, wie Teillast, häufige Stillstände und Anfahrvorgänge) und das

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

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gezielte Eintakten von Arbeitsgängen zur Vermeidung ausgeprägter Lastspitzen. Neben den, sich aus der verbesserten Planungs-, Steuerungs- und Kontrollfunktion ergebenden, Optimierungspotenzialen für die Prozesse des energetischen Through- und Output unterstützt die Anwendung des integrativen Ansatzes eine Reihe weiterer Funktionen auf dem Gebiet der Energiebeschaffung, also des energetischen Input. Die vielfach auf Basis der Rechnungslegung der zuständigen Energielieferanten für Zeiträume von einem Monat (durchaus aber auch von einem Quartal beziehungsweise einem Jahr) vorgenommene nachträgliche Bewertung des Energiebezuges wird durch den permanenten Datenzugriff und damit durch frei wählbare Zeitfenster abgelöst. Online-Erfassungssysteme, wie sie zunehmend von Energieversorgungsunternehmen eingesetzt werden, bieten hier bereits die entsprechenden Schnittstellen. Das Produktionsunternehmen sollte in seiner Position als Kunde auf den ständigen Zugriff der gemessenen Daten für die eigene analytische Auseinandersetzung achten beziehungsweise diese als Dienstleistung mit dem Versorger vereinbaren. Permanente Informationen über den Endenergieverbrauch des Unternehmens ermöglichen die Überwachung der Einhaltung des für das laufende Fertigungsprogramm prognostizierten Energiebedarfs unter Berücksichtigung der momentan geltenden und sich insbesondere auf den Nebenverbrauch auswirkenden Verhältnisse. Ist die dauerhafte Einhaltung des prognostizierten Energieaufkommens gesichert, so sind die Vorhersageergebnisse im Hinblick auf den absoluten Energieverbrauch zur Senkung der Energiebezugskosten einzusetzen. Mittelfristig verbessert sich die Zusammenarbeit mit dem Lieferanten. Seitens der Energieversorgungsunternehmen gibt es positive Signale, Kunden mit verlässlicher Bedarfsprognose auf Grund der damit verbesserten eigenen Planungsgrundlage günstigere Angebote zu unterbreiten. Verlässliche Vorhersagen, insbesondere in Form von Wochen- und Tageslastgängen, bilden die idealen Ausgangsgrößen für die Planung der Erzeugung und Bereitstellung von Energie seitens des Lieferanten. Sie versprechen einen weiteren Energiebezugskostenvorteil für kurzfristig ausgerichtete Planungsperioden. Unterteilt in ihre wert- und mengenmäßige Relevanz liefert Tabelle 4.7. einen Überblick über die wesentlichen Potenziale, die sich aus der Einbindung energiewirtschaftlicher Aspekte in die dv-gestützte Produktionsplanung und -steuerung für das produzierende Unternehmen ergeben.

272

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Ausbau der Entscheidungsgrundlage hinsichtlich der Energiebeschaffung und Verbesserung der Geschäftsprozesse mit dem / den zuständigen Energieversorger(n), das heißt: • für kurzfristige Planungszeiträume Exakte programmgebunden Ermittlung des Energieträgerbedarfs und der konkreten zeitlichen Ausprägung der Inanspruchnahme in Form von Tages- sukzessive Wochenlastgängen • für mittelfristige Planungszeiträume Ermittlung des gesamten Energieträgerbedarfes für die innerhalb einer Planungsperiode vorgesehenen Aufträge und Fertigungsprogramme Schaffung einer geeigneten Grundlage zur Erarbeitung und Durchführung energetisch optimierter Fertigungsprogramme, das heißt: • Kenntnis und Abstimmung der für das vorgesehene Forschungsprogramm geltenden energetischen Charakteristika und Erfordernisse (im besonderen Maße logistische Abstimmungen zur Gewährleistung einer hohen Anlagenauslastung und Vermeidung von Stillstandsverlusten) • Einbezug der gültigen tariflichen Vereinbarung mit dem EVU in die Terminierung von Fertigungsaufträgen ( z.B. Hochtarif- und Niedertarifzeiten, an Außentemperatur gebundene Vergütungen bei Einhaltung vereinbarter Schwachlastvorgaben) • Aktives Lastmanagement zur Vermeidung von Lastspitzen im Zuge der Maschinenbelegungsplanung • Entscheidung über Durchführung und Eintaktung kleinerer Aufträge unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die (vornehmlich leistungsbedingten) Energiebezugskosten Steigerung der Aussagefähigkeit über die betriebliche Energieanwendung als Ergebnis des integrierten Energiecontrolling • Erarbeitung auftragsbezogener Zielvorgaben und Überwachung der Einhaltung nach Auftragsauslösung (auch im Sinne von Erfolgskontrolle für umgesetzte Einsparmaßnahmen) • Umsetzung einer verursachergerechten Energiekostenverrechnung und Ableitung weiterer Handlungsszenarien • Ermittlung von Schwachstellen durch Gegenüberstellung von Energiekennzahlen zu gleichen bzw. ähnlichen anlagen, Fertigungsbereichen und –programmen im eigenen/in anderen Unternehmen

Energierelevante Kosten ( wertmäßig)

Energieverbrauch (mengenmäßig)

Potentiale der Energiekennzahlen basierten Produktionsplanung und –steuerung

Optimierung

Tabelle 4.9. Potenziale der Energiekennzahlen basierten PPS Funktionsbereiche und Zielrichtungen







































4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

273

e

4.5. Einsatz von PPS® in einem Unternehmen der Grundstoffindustrie Nach Darstellung der methodischen Grundlagen wird hier auf die Erprobung der Grundelemente und Funktionen des entwickelten Ansatzes in der Praxis eingegangen. Die erstellte rechentechnische Lösung des Energiekennzahlen basierten Produktionsplanungs- und -steuerungssystems ePPS® ist ein nicht allgemein anwendbarer Prototyp, der speziell die Gegebenheiten in einem mittelständischen Unternehmen der Steine-ErdenIndustrie abbildet. Der Abbau und die Veredelung der Naturprodukte Kies und Sand nehmen die Kerngeschäftsfelder des Betriebes ein. Resultierend aus der ressourcenbewussten Einstellung und der hohen Aufmerksamkeit, die der rationellen betrieblichen Energieverwendung von den Verantwortlichen im Unternehmen gewidmet wird, konnte mit Beginn der Aktivitäten vor Ort auf eine umfangreiche Informationsgrundlage zu allen eingesetzten Energieträgern und Medien zurückgegriffen werden. Zusätzliche, zeitlich begrenzte Messungen zur Detaillierung und Untersetzung des Datenbestandes wurden mit Unterstützung der zuständigen Strom- und Gasversorger durchgeführt. ePPS® basiert auf MS-Excel-Arbeitsblättern und einer, in der objektorientierten Programmiersprache Open-Script48 erstellten Systemumgebung. Der Einsatz der Applikation im Unternehmen konzentrierte sich auf folgende funktionale Bereiche: (a) Die Energiedatenerfassung und -verwaltung, welche die Grundlage für alle Aktivitäten zur analytischen und prognostischen Beurteilung der Energiekosten und -verbräuche im Unternehmen bildet. (b) Die Energiebedarfsermittlung, die es durch ihre Bindung zur programmgebundenen Materialbedarfsplanung vermag, genaue Prognoseergebnisse über den zur kurz- und mittelfristigen Umsetzung der geplanten Fertigungsaufträge notwendigen Bedarf an den verschiedenen Energieträgern zu liefern. (c) Die Lastprognose, wobei auf Basis der Maschinenbelegungsplanung die nach (b) ermittelten Energiebedarfsgrößen in verrechnungsrelevante Zeitabschnitte gegliedert und die Lastverläufe der Inanspruchnahme der Energieträger abgebildet werden.

48

Open-Script findet unter anderen Anwendung in Standard-PPS-Lösungen, wie beispielsweise im Produkt P3 der AP Automation + Productivity AG

274

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

(d) Das Kennzahlen basierte Energiecontrolling, welches eine aussagefähige Darstellungsform zu Analyse-, Interpretation- und Steuerungszwecken im Hinblick auf die Optimierung der betrieblichen Energieanwendung liefert.

4.5.1. Die Fertigungsstruktur des Unternehmens Der Wertschöpfungsprozess des Betriebes entspricht gemäß der Fertigungstypen-Systematisierung in Abb. 4.2. einer mehrstufigen, verbundenen Kuppelproduktion. Bis zur endgültigen Herstellung der Produkte werden mehrere Betriebsmittel und Fertigungsstufen durchlaufen. Gleichzeitig entstehen in ein und derselben Fertigungsstufe mehrere Zwischenoder Endproduktarten. Die Abb. 4.29. gibt den Basis-Gozinto-Graphen49 wieder, aus dem sich das im Betrieb am häufigsten umgesetzte Produktionsprogramm graphisch von unten nach oben ableiten lässt. Die innerhalb des Produktionsprogrammes durchzuführenden Fertigungsschritte lassen sich entsprechend ihrer technologischen Abfolge derart beschreiben:

• Die Urproduktion / Gewinnung (GN): Das Rohkiessandgemisch wird gefördert. In Abhängigkeit von Auftrag und vorgesehener Endproduktbeschaffenheit werden optional grobe, feine oder mittelfeine Zwischenproduktklassen über beziehungsweise unter Grundwasserspiegel gewonnen. Bereitgestellt wird im dargestellten Beispiel das Zwischenprodukt ZP33 der Klasse: grob / Gewinnung über Grundwasserspiegel. • Die Vorbehandlung (VB): Es erfolgt die erste Stufe der Veredelung des Rohmaterials. Materialanteile mit einem Korndurchmesser von größer 16 mm sowie sonstige nicht der geforderten Produktqualität entsprechende Partikel werden aus dem Materialfluss herausgelöst. Es entstehen ZP 32 und ZP31. • Die Stufen der Nassklassierung (NS I und NS II): Das bis zum jetzigen Zeitpunkt einen Korndurchmesser von 0-16 mm aufweisende Material wird während der ersten Stufe der Nassklassierung (NS I) in Sand- (0-2 mm; ZP 30) und Kiesklassen (2-16 mm; ZP 29) segmentiert. Weitere Abstufungen der Zwischenprodukte nach Korndurchmessern erfolgen in der zweiten Stufe der Klassierung 49

Gozinto-Graph (Goes-Into-Graph): In der Literatur vielfach verwendetes Synonym für Erzeugnisstrukturbäume

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

275

(NS II). Insbesondere die Kiesklassen erreichen an dieser Stelle bereits die letzte Verarbeitungsstufe. Der Vertrieb dieser Endproduktkiesklassen (EP 24 bis EP 26) kann erfolgen. • Die Trocknung (TN): Unabhängig von der ursprünglichen Form der Gewinnung weisen die verbleibenden Sandklassen Feuchteanteile von bis zu 5% auf. Die Aufgabe des Produktionsbereiches „Trocknung“ besteht darin, die erforderliche Produktqualität der Sandklassen (ZP 13 bis ZP 15) zu erbringen. Ein Feuchtegehalt von kleiner 0,1% wird vom Kunden gefordert und ist Voraussetzung für die einwandfreie Durchführung der letzten Bearbeitungsstufe. • Die Siebung (SB): Die Zerlegung der trockenen Zwischenprodukte in feinste Segmente wird vorgenommen (siehe oberste Ebene der Erzeugnisstruktur in Abb. 4.29). Je nach Auftrag und Rezeptur gelangen die nunmehr vorliegenden Endproduktsandklassen (EP 01 bis EP 12) in den Vertrieb [104]. 4.5.2. Einführung und Ergebnisse Im Folgenden wird die Einführung von ePPS® am konkreten Beispiel, soweit möglich, allgemeingültig beschrieben. Parallel zur Entwicklung der beschriebenen Methodik wurde im Unternehmen eine Reihe von Teilprojekten umgesetzt. Ihre Ergebnisse gingen teilweise mittelbar / teilweise direkt in die Phase der praktischen Erprobung der Funktionsbereiche von ePPS® ein. Diesbezüglich sind die Energiebilanzierung des Fertigungsbereiches „Trocknung“ sowie die Optimierung der logistischen Abstimmung mit dem anschließenden Fertigungsbereich „Siebung“ im Zuge der Umgestaltung des Speicherkonzeptes für das Trockengut hervorzuheben50. Der Gesamtbearbeitungszeitraum für die verschiedenen Teilprojekte im Unternehmen (von 1999 bis 2001) ist also nicht gleichzusetzen mit einem solchen Aufwand beziehungsweise zeitlichen Umfang, der für die Reorganisation oder Erweiterung einer offenen PPS-Datenbasis aufzubringen ist. Während für den betreffenden Anwendungsfall jegliche Erfordernisse zur Aufnahme, Verwaltung und Verarbeitung der energierelevanten Daten geprüft und rechentechnisch umzusetzen waren, stellt sich nunmehr die Aufgabe an die Anbieter von Softwarelösungen, ihre Systeme auch auf Informationsträger und Funktionen zur rationellen und kostengünstigen Energiebewirtschaftung der Produktion auszurichten. 50

Unter dem Titel „Energiewirtschaftliche Optimierung des Energieeinsatzes in der Steine-Erden-Industrie“ mit dem Technologietransferpreis des Landes Brandenburg 2001 ausgezeichnete Wirtschaft-Wissenschaft-Kooperation [99]

276

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

Abb. 4.29. Gozintograph für das Standardfertigungsprogramm des Unternehmens

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

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Die betriebliche Nutzung einer in ihrer Struktur passenden PPS-Lösung vorausgesetzt, sind beginnend mit den Vorkehrungen zur Dateneinpflege bis hin zur späteren Anwendung der zusätzlichen, energiewirtschaftlich ausgerichteten, Funktionen nachstehend aufgeführte Projektabschnitte aus der Gesamtbearbeitung herauszulösen. Die Aufzählung erfolgt in allgemeiner Form, so dass sie ein zielgerichtetes Vorgehen im Hinblick auf die praktische Umsetzung in branchennahen wie -fremden energieintensiven Unternehmen wiedergibt. Die Projektabschnitte der Einführung von ePPS® in ein vorhandenes PPS-System mit der entsprechenden Datenstruktur sind:

• Analyse des technologischen Ablaufs der Produktion einschließlich der Katalogisierung der bestehenden fertigungsrelevanten Daten und zugehörigen Erfassungssysteme. • Zerlegung der gesamten innerbetrieblichen Wertschöpfungskette in Subsysteme der P-Klasse. Diesbezüglich ist zu klären, welche Fertigungsschritte zusammenhängend oder voneinander losgelöst durchgeführt werden. Zur Minimierung des Erfassungsaufwandes werden die untrennbar aufeinander folgenden Wertschöpfungsprozesse innerhalb eines Subsystemes als Dispositionsstufen gemäß Abb. 3.7. zusammengefasst. • Erhebung des energetischen Ist-Zustandes für die P-Klasse in Anlehnung an die vorangegangene Gliederung und unter Einbezug der erforderlichen Umwandlungs- und Bereitstellungsprozesse innerhalb der UKlasse. Beurteilung des Informationsgehaltes der bestehenden Datenbasis beim Unternehmen selbst sowie bei dessen EVU und der vorhandenen messtechnischen Einrichtung. Soweit erforderlich: Planung und Durchführung zusätzlicher (Detail-)Messprogramme. Es ist zu prüfen, inwiefern quantifizierbare Einflussgrößen bei Schwankungen des Energieverbrauchs an einer konkreten Anlage beziehungsweise in einem konkreten Umwandlungs- oder Produktionsbereich in das Messprogramm aufzunehmen sind. Gleiches gilt für additionale Informationsträger, die in Zusammenhang mit dem produktionswirkamen Energieverbrauch stehen (beispielsweise die Bildung von Output-Energiekennzahlen zu energiebedingten Emissionen, zur Abgabe von Energie an Dritte etc.). • Bestimmung des Nebenverbrauches, der sich in der Regel aus dem produktionswirksamen Energieverbrauch und dem vom EVU ermittelten energetischen Gesamtaufkommen ableiten lässt. Aufgrund der naturgemäßen Schwankung des Nebenverbrauches (insbesondere Heizung und Beleuchtung in der Winterperiode) ist eine Gliederung nach Zeit und Aufkommen vorzunehmen.

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• Aufnahme der energierelevanten Informationsträger in die Stammdatensätze des Produktionsplanungs- und -steuerungssystems, wobei die logischen Verknüpfungen zu den identifizierenden Bestandteilen des traditionellen Stammdatengerüstes herzustellen sind. • Überprüfung der Fähigkeit des Systems, die Struktur der Energieverwendung in Teilen (U-, P- und N-Klasse) sowie in der Gesamtheit (Bezug, Verteilung und Einsatz) abbilden zu können. • Probebetrieb zur Kontrolle der Belastbarkeit der ersten Planungsergebnisse in Gegenüberstellung mit den tatsächlich auftretenden spezifischen Energieverbräuchen und Lastverläufen. Gegebenenfalls sind Kennwertkorrekturen in den Grunddatensätzen und den ausgearbeiteten Varianten vorzunehmen, wobei deren Wirksamkeit im Hinblick auf die Präzisierung der Prognoseresultate im Zuge erneuter Testläufe zu belegen ist. Für das konkrete Beispiel, die Produktion eines Unternehmens der SteineErden-Industrie, wurden die eingangs ausgewiesenen Funktionsbereiche von ePPS® wie folgt umgesetzt: Zu (a): Die Energiedatenerfassung und -verwaltung Ausgehend von der sich ursprünglich rein auf produktionswirtschaftliche Kriterien stützenden Abbildung der Fertigungsstruktur erfolgte die Aufnahme der Verbrauchsdaten für alle eingesetzten Energieträger. Die mittlere Leistung während des aktiven Anlagenbetriebes entspricht dem durchschnittlichen Energieverbrauch über den Zeitraum einer Stunde. Evaluierungen von Messungen dieser Art erbringen die absoluten Energieverbrauchswerte, die sich soweit erforderlich einem bestimmten Zwischenbeziehungsweise Endprodukttyp oder ganz bestimmten Produktionsbedingungen zuweisen lassen. Über die mittleren stündlichen Durchsätze werden die spezifischen Energiekennwerte ermittelt51. Abbildung 4.30 weist für den Bereich der Vorbehandlung sämtliche beteiligte Anlagen sowie die absoluten und spezifischen Energieverbräuche für das Standardproduktionsprogramm aus. Insbesondere die für die gesamte Dispositionsstufe geltenden Energiestammdaten sind für die Ermittlung etwaiger Schwankungen des derzeitigen Energieverbrauchs und für die Prognose des zukünftigen Energiebedarfs einzusetzen. Im Ergebnis der Datenaufbereitung lassen sich die verschiedenen Prozesse im Unternehmen nunmehr auch unter energierelevanten Gesichtspunkten durch das PPSSystem transparent darstellen. 51

Vorgehensweise siehe Bereich „Throughput“ in Abschn. 3.2. „Kennzahlen energetischer (Sub-)Systeme“

4 Tools im Zusammenhang von Technik und Wirtschaftlichkeit

279

Zu (b): Die programmgebundene Material- und Energiebedarfsermittlung Die Besonderheit innerhalb der Materialbedarfsplanung des Unternehmens besteht darin, dass aufgrund der eigenen Gewinnung des Rohmaterials kein Planungsaufwand hinsichtlich der termingerechten und kostengünstigen Beschaffung von fremdbezogenen Vorprodukten entsteht. Die programmgebundene Ermittlung von Brutto- sukzessive Nettobedarfen erfolgt also ausschließlich für End- beziehungsweise Zwischenprodukte, bei deren Bereitstellung (Verarbeitung und Transport) Energie einzusetzen ist. Abbildung 4.31. vermittelt am Beispiel des Auftrages von 100 Tonnen des Endproduktes „Trockensand d < 2 mm“ die erste Stufe des MRP, wobei die Brutto-Materialbedarfe für alle Dispositionsstufen ermittelt werden. Unter Einbezug der Lagerhaltungsdaten hinsichtlich der Nettobedarfsermittlung und der in den Energiestammdatensätzen enthaltenen Energiekennzahlen für die betreffenden Produktionsanlagen und -bereiche lassen sich für jeden beliebigen Auftrag die absoluten Energiebedarfsgrößen ermitteln. Gleiches gilt für Fertigungsaufträge, die folgend oder parallel zum zunächst einzeln im Produktionsplan betrachteten Auftrag abgewickelt werden. Im Ergebnis der nunmehr programmgebundenen Energiebedarfsermittlung wird für jede beliebige End- oder Zwischenproduktmenge das erforderliche Energieträgeraufkommen festgestellt. Es besteht Gewissheit darüber, welche Mengen an Strom, Gas und sonstigen Energieträgern in den Dispositionsstufen Gewinnung, Vorbehandlung, Nassklassierung, Trockung und Siebung aufzubringen sind. In kumulierter Form wird der absolute Energiebedarf als Planwert für das gesamte vorgesehene Produktionsprogramm ausgewiesen. Je nach Kenntnis der Auftragslage stehen dem Unternehmen insbesondere für die mittelfristig ausgerichtete Planung der Disposition konkrete Eingangsgrößen über jeden zu beziehenden Energieträger zur Verfügung. Im Anschluss an die Grobplanung des Produktionsprogrammes erfolgt die Terminierung der einzelnen Fertigungsschritte. Der zeitliche Verlauf des Energiebedarfs wird über die Maschineneinsatzplanung bestimmt. Die Abb.4.32. vermittelt einen Einblick über die Umsetzung der Maschineneinsatzplanung in ePPS®. Ausgangsgrößen für die Abstimmung der einzelnen Bearbeitungsschritte sind die mittleren stündlichen Durchsätze, welche die jeweiligen Fertigungsbereiche erreichen. In Form eines Anlagenfahrplanes werden Startzeitpunkt und Dauer der Bearbeitungsschritte zum Erreichen der vorgesehenen Produktmenge angegeben (Felder mit einem Wert gleich 1 markieren die aktiven Phasen der Fertigungsbereiche).

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Abb. 4.30. Energierelevante Stammdaten: Absolute und spezifische Elektroenergieverbräuche der Dispositionsstufe 4 „Vorbehandlung“

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Abb. 4.31. Materialbedarfsplanung (Brutto), Beispiel: Sekundärbedarfsermittlung für die Herstellung von 100 ME des Endproduktes EP 1

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Im Ergebnis des Einbezuges der zugehörigen spezifischen Energieverbräuche gibt das Scheduling neben der herkömmlichen Information hinsichtlich der Anlagenauslastung sowie der jeweils in den Fertigungsstufen erbringbaren Zwischen- und Endproduktmengen nunmehr Auskunft über das konkrete Energieträgerbedarfsverhalten innerhalb der betreffenden Planungsperiode. Je nach gewähltem Zeitfenster lassen sich die terminierten Energiebedarfe und Leistungsgrößen in Form von Tages- und Wochenlastgängen darstellen. In Abb. 4.33. wird beispielhaft der auf diese Weise prognostizierte Lastgang (Elektroenergie) mit dem tatsächlichen, vom EVU über den Zeitraum der späteren Auftragsabwicklung gemessenen, Lastgang gegenübergestellt. Das im Prototyp ePPS® gewählte Zeitraster beträgt 30 min, Abweichungen zwischen Last und Energiebedarf sind auch in dieser Ausbaustufe < 5%. Mit dieser genauen Vorhersage des Lastverlaufes steht dem Unternehmen ein weiteres Instrument zur Planung und Lenkung der betrieblichen Energiebewirtschaftung zur Verfügung. Erfolgen im Einsatzplan Änderungen mit dem Ziel der Vermeidung von Lastspitzen, so setzt gleichzeitig die Prüfung der Einhaltung aller mit der termingerechten Auftragserstellung verbundenen Vorgaben ein. Wird der erstellte Maschineneinsatzplan festgesetzt, so kann die Meldung des über den betreffenden Planungsabschnitt prognostizierten Lastganges an das zuständige EVU vorgenommen werden. Zu (d): Das Kennzahlen basierte Energiecontrolling Mit dem Vergleich von Prognose- zu Ist-Größen innerhalb von (c) wurde bereits das Kennzahlen basierte Energiecontrolling als weitere ePPS®Funktion angesprochen. Tabellarisch aufgetragene Absolutgrößen und die aus ihnen resultierenden Energiekennzahlen dienen unter Einbezug der aktuellen Ausprägungen des Fertigungsgeschehens zur Verbesserung der Genauigkeit der energierelevanten Grunddaten und zeigen insbesondere in graphischer Form Entwicklungen, Tendenzen und gegebenenfalls Unregelmäßigkeiten auf. Konkret liefert Abb. 4.34. einen Auszug aus den Erhebungen im Hinblick auf den Energiebezug des Unternehmens. Tabellarisch aufgeschlüsselt ist der Gesamterdgasverbrauch für die Produktionstage im Monat November des Jahres 2000. Aus den einzelnen Tagesverbräuchen erfolgt kumulativ die Ermittlung des letztlich vom Lieferanten in Rechnung gestellten monatlichen Erdgasverbrauches. Der Bezug zu den im gleichen Zeitraum erzeugten Endproduktmengen wird durch den spezifischen Erdgasverbrauch im Sinne einer mengenmäßigen Brennstoffintensität hergestellt. Offenbart gemäß Abb. 4.34. die globale Betrachtung Unregelmäßigkeiten bei der Verwendung eines Energieträgers im

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Unternehmen, so ist zur Ermittlung der Ursachen die nächst detailliertere Ebene - die Ebene der einzelnen Fertigungsbereiche - zu analysieren. Die Abb. 4.35. zeigt den graphischen Verlauf der Entwicklung des spezifischen Brennstoffverbrauches im Fertigungsbereich „Trocknung“ über den Zeitraum von fünf Jahren. In der Darstellung werden die Kennwerte für die Monate des aktuellen Jahres separat ausgewiesen. Auswertungen in dieser oder ähnlicher Form (beispielsweise durch das Zugrundelegen klei nerer Zeiteinheiten) tragen zu einer exakten Planung des Energiebedarfs bei, wobei Einflüsse, die zum Beispiel wiederkehrenden saisonalen Verbrauchsschwankungen bewirken, deutlich werden und gegebenenfalls - innerhalb der verwalteten Throughput-Kennzahlen durch die Bildung von Variantendatensätzen Berücksichtigung finden. Mit dem Einsatz des Kennzahlen basierten Energiecontrolling kann auf ein aussagefähiges Kontrollinstrument für die Überwachung der Einhaltung der formulierten Zielvorgaben zurückgegriffen werden. Es ist ebenso einzusetzen für die Beurteilung der energetischen Güte der fortlaufenden Produktionsprozesse, wie für die Bewertung durchgeführter Maßnahmen zur Optimierung der betrieblichen Energieanwendung im gesamten Unternehmen oder in einzelnen Fertigungsabschnitten. Das in Abb. 4.35. gewählte Diagramm vergegenwärtigt die Auswirkungen der stufenweisen Erhöhung des Materialdurchsatzes bei der Trocknung der Sandklassen ZP 13 bis ZP 15. Die Voraussetzungen zur Umsetzung der vom bisherigen Ist-Zustand abweichenden Fahrweise der Anlagen im Fertigungsbereich „Trocknung“ wurden über die Sommermonate des Jahres 2000 geschaffen. Der erhöhte Brennstoffverbrauch in dieser Zeit ist auf den zwangsläufigen Teillastbetrieb des Trockenofens während der Umgestaltung des Speicherkonzeptes zurückzuführen. Mit Beendigung der Vorkehrungen wurde durch den Einsatz von Frequenzumformern an den elektrischen Antrieben der Transport- und Verarbeitungsaggregate der stündliche Durchsatz bei einem nur geringfügig ansteigenden Brennstoffverbrauch erhöht. Stillstandswärmeverluste, die in Folge der zyklischen Fahrweise des Trockenofens auftraten, konnten im Ergebnis der Umstellung auf einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb und damit der Erhöhung des täglichen Materialdurchsatzes in diesem Bereich deutlich reduziert werden. Im Vergleich zu den spezifischen Energieverbräuchen der Vorjahre ist bis heute circa 20% weniger Erdgas zur Trocknung einer Tonne Sand zum Erreichen des geforderten Feuchteanteils von < 0,1% einzusetzen.

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Abb. 4.32. Anlageneinsatzplanung für den Zeitraum eines Tages

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Abb. 4.33. Gegenüberstellung von Prognose- und Ist-Tageslastgängen

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Abb. 4.34. Zeitreihe: Absolute und spezifische Energieverbräuche/ Tageswerte eines ausgewählten Monats

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Abb. 4.35. Maximaler und minimaler spezifischer Brennstoffverbrauch im Fertigungsbereich Trocknung“ (Gesamtzeitraum: 5 Jahre; Wertzuweisung bezieht sich auf das aktuelle Jahr)

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Sachverzeichnis

Abfallholz 134 Abwärme 134 Abwärmenutzung 10 Activity-Based-Costing 150 Anergie 201 Anfallenergie 65, 132 Anfallenergienutzung 110 anlagentechnische Wirkungsgrad 51 Arbeitsgegenstand 2 Arbeitskraft 2 Arbeitsmittel 2 Arbeitspreis 88 Asynchroncharakteristik 36 Aufwand 178 ausweisbaren Energiekosten 116 BAB 143 Beleuchtungsstärke 38 Berichts- und Dokumentationswesen 142 Beschäftigung 178 Beschleunigungsmoment 31 betriebliche Energieversorgung 164 betriebliche Gesamtkosten 146 betriebliches Energiekonzept 176 betriebliches Energiemanagement 196, 228 betriebliches Messwesen 142 Betriebsabrechnungsbogen 143, 178 Betriebsgröße 170 Beziehungszahlen 208 Bezugstarife 173

Bilanzgrenze 70 Blendungen 38 Blindarbeit 92 Blindleistung 92 Blindstromkompensation 91 Brennstoff- feste 11 Brennstoffe- flüssige 11 Brennstoffe- gasförmige 11 Cost Management System 146 cosij 92 Daten 142 degressiven Anlagentyp 60 Druckluft 76 Drucklufterzeugung 118 Druckluft-Netzverluste 82 Druckluftversorgung 110 Ebene der Umwandlungsanlagen 125 Elektrizitätsversorgung 109 energetische Peripherie 61 energetischen Messgrößen 248 Energie(träger-)bezug 199 Energiebedarfsermittlung 267 Energiebezugskosten 88, 99, 104, 106, 107, 112, 120, 129, 145, 152, 168, 197 Energiebilanz 65 Energiecontrolling 189, 194, 202 Energiedatenerfassung 188 Energiedienstleister 197 Energieentsorgung 200 Energiefließschema 62

Sachverzeichnis Energiefortleitung, -verteilung bereitstellung 199 Energieintensität der Produktion 166 energieintensive Wirtschaftszweige 195 Energiekennzahlen 208 Energiekosten 114, 259 Energiekosten-Verrechnung 172 Energiemanagement 141, 189 Energiemanagement-Funktionen 4 Energiepreise 99 energierelevante Datensätze 231 energierelevante Kosten 103, 131, 151, 158, 166 energierelevante Nebenkosten 106, 111, 116, 119, 167 Energierückgewinnung 200 Energiestammdaten 238 Energiestammdatensatz 239 Energieträger 107, 108, 237 Energieträgerbezug 171 Energieträger-Bezugskosten 135 Energieträgerumwandlung 110 Energieverbrauch 102, 172, 196 Energieverbrauchsstruktur 241 Energieverkauf 200 Energieverluste 132 ePPS® 273 erfahrungsstatistische Kennziffer 49 exergetische Wirkungsgrad 54 Exergie 201 Gemeinkosten 104, 116 Gemeinkostensenkung 116 Gemeinkostenzuschlagsätze 155 Gesamtaufwand 128 Gleichmäßigkeit 38 Gliederungszahlen 207 globale Energiekennzahlen 208 Haspel- bzw. Bahncharakteristik 34 Hauptprozesse 124 Heizkennziffer 48 I/O-System 189, 200

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IKR 152 Induktionsgesetz 15 Induktive Erwärmung 15 Industriekontenrahmen 151 Input 213 Interne Verrechnungspreise 139 Joulschen Gesetz 13 Kalandercharakteristik 32, 33 Kapazitive Erwärmung 20 Kapitalgebundene Kosten 106 KEA 203 Kennzahl 207 Kennzahlenbasiertes Energiecontrolling 251 Kennziffern der Energieanwendung 41 Kennziffern der Energieumwandlung 41 kinetische Energie 29 konvektiver Wärmeübergang 26 Kosten 102, 103, 178 Kosten innerbetriebliche 127 Kostenart 147, 157, 180 Kostenartenrechnung 180 Kostenfaktoren 111 Kostenkomponenten 112 Kostenrechnung 178 Kostenrechnungsverfahren 144 Kostensenkungspotential 100 Kostenstelle 180 Kostenstellenrechnung 181 Kostenträger 158, 181 Kostenträgerrechnung 135, 148, 181 Kostenträgerstückrechnung 148 Kostentreiber 182 Kostenverrechnung 102 Krancharakteristik 32 Kumulation der energierelevanten Kosten 135 kumulierter Energieaufwand 140 Lastgang 20, 88 Lastmanagement 88

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Sachverzeichnis

Leistungspreis 88 Leistungsverrechnung, innerbetriebliche 182 Licht 37 Lichtausbeute 38 Lichtbogenerwärmung 17 Lichtfarbe 38 Lichtstrom 38 Linearer (proportionaler) Leistungsanstieg 58

produktionsspezifische Energiepreise 123 Produktionssystem 189 Produktionstyp 193 produktionswirksame Energieverwendung 237 programmgebundene Bedarfsermittlung 260 progressiver Anlagentyp 59 Prozesskostenrechnung 150

messtechnische Voraussetzungen 46 Mischkosten 122

rationelle Energieverwendung 103 Regenerator 11 Rekuperator 11

Nebenschlusscharakteristik 34 Nutzenergie 30, 198, 215, 237 Nutzungsgrad 54

Schattigkeit 38 Skin-Effekt 14 Sonstige Nebenkosten 111 spezifische Energiekennwerte 244 spezifische Kosten 118, 122 spezifische Verrechnungspreise 161 spezifischer Energieverbrauch 55 spezifischer Widerstand 14 Strahlungserwärmung 22 strategische Planung 175 Stufenleiterverfahren 155 Synchroncharakteristik 35 System-Dynamics 146

Öko-Auditierung 203 operative Planung 177 Optimierung der energierelevanten Kosten 173 Organisation 5 Organisationsform der betrieblichen Energiewirtschaft 170 Output 213 Parallelnummernsysteme 238 perpetuum mobile 11 Personalkosten 110 Plan-Ist-Vergleich 147 Potentielle Energie 29 PPS-Datenbank 241 PPS-System 124, 221, 224, 228 Produktions- und Nebenanlagen 127 Produktionsanlagen 126 Produktionsfaktor Energie 5 Produktionsfaktoren 189, 190 Produktionsplanung und -steuerung 192 Produktionsplanung und –steuerung 220

Tageslichtquotienten 39 target costing 148 technisch-ökonomisch begründete Kennziffer 49 thermischer Wirkungsgrad 52 Throughput 213 Tools 197 Transformatoren 85 Umwandlungsanlagen 127 Umweltaufwendungen 110 unvollständige Verbrennung 9 UPN-Klassen 201 UPN-Modell 124, 199, 200 Ventilatorcharakteristik 33

Sachverzeichnis verbrauchsgebundene Bedarfsermittlung 260 Verbrennung 8 Verbrennungsmaschinen 36 Verlustgrad 50 Verlustwiderstand 20 verrechneter Aufwand 129 Verrechnungspreise 159 Vollkostenrechnung 146 Volllast-Benutzungsstunden 173

303

Vorkostenstelle Energiewirtschaft 154, 162 Wärmeleitung 24 Wärmeübergangszahl 26 Wärmeversorgung 110 Widerstandserwärmung 12 Zielkostenrechnung 148 Zuschlagskalkulation 143, 183