Energieeffizienz in der Industrie

Von Markus Blesl und Alois Kessler

Das vorliegende Buch quantifiziert die Potenziale für mehr Energieeffizienz in der Industrie anhand technologie- und branchenbezogener Analysen. Ausgehend von den methodischen Grundlagen werden im ersten Teil die strom- und wärmebasierten Querschnittstechnologien und -prozesse anhand zahlreicher Anwendungsbeispiele erörtert. Neben so klassischen Themen wie bspw. Beleuchtung oder Wärmerückgewinnung werden auch bisher weniger beachtete Prozesse wie die Trocknung oder die Lackierung erfasst. Der zweite Teil ist der energieintensiven Metallerzeugung und  -verarbeitung, der Herstellung der nichtmetallischen Werkstoffe Zement und Glas sowie der Chemie-, Papier- und Lebensmittelindustrie gewidmet. Beide Teile werden abschließend in einen größeren energie- und volkswirtschaftlichen Kontext gestellt. Die Erkenntnisse werden an vielen Stellen zu Checklisten verdichtet und in der Gesamtschau am Ende zu allgemeingültigen Empfehlungen zusammengefasst.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 23. Juli 2013
• ISBN: 9783642365140

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Markus Blesl und Alois KesslerEnergieeffizienz in der Industrie201310.1007/978-3-642-36514-0_1© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

1. Einführung

Markus Blesl¹   und Alois Kessler²  

(1)

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart, Heßbrühlstraße 49a, 70565 Stuttgart, Deutschland

(2)

Forschung und Innovation, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, Durlacher Allee 93, 76131 Karlsruhe, Deutschland

Markus Blesl (Korrespondenzautor)

Email: [e-mail]

Alois Kessler

Email: [e-mail]

Zusammenfassung

Das moderne Leben ist ohne den Einsatz von Energie nicht denkbar. Der kaum gezügelte Ressourcenverbrauch von mittlerweile fast sieben Milliarden Menschen stößt allerdings an Grenzen. Nicht nur die heute überwiegen genutzten fossilen Energieträger sind endlich, auch viele andere Ressourcen wie bspw. Wasser oder Ackerflächen sind nicht unbegrenzt verfügbar. Überdies ist die Aufnahmekapazität unserer Umwelt und Atmosphäre für die Rest- und Abfallprodukte begrenzt. Zahlreiche Kulturen vor uns sind an einer Übernutzung ihrer Umweltressourcen letztlich zugrunde gegangen. Bereits unsere biblischen Vorfahren wussten um die Gefahr einer Übernutzung ihres kargen Landstrichs; noch heute zeugen zahlreiche Speisevorschriften und andere Gebote davon. Nachhaltigkeit ist also das Gebot der Stunde.

Das moderne Leben ist ohne den Einsatz von Energie nicht denkbar. Der kaum gezügelte Ressourcenverbrauch von mittlerweile fast sieben Milliarden Menschen stößt allerdings an Grenzen. Nicht nur die heute überwiegen genutzten fossilen Energieträger sind endlich, auch viele andere Ressourcen wie bspw. Wasser oder Ackerflächen sind nicht unbegrenzt verfügbar. Überdies ist die Aufnahmekapazität unserer Umwelt und Atmosphäre für die Rest- und Abfallprodukte begrenzt. Zahlreiche Kulturen vor uns sind an einer Übernutzung ihrer Umweltressourcen letztlich zugrunde gegangen. Bereits unsere biblischen Vorfahren wussten um die Gefahr einer Übernutzung ihres kargen Landstrichs; noch heute zeugen zahlreiche Speisevorschriften und andere Gebote davon (Hüttermann und Hüttermann 2002). Nachhaltigkeit ist also das Gebot der Stunde.

Die globale Nachhaltigkeitsstrategie kann grob in drei Handlungsfelder gegliedert werden. Neben der Vermeidung von Rest- und Abfallprodukten durch das Schließen von Stoffkreisläufen und der Nutzung erneuerbarer Energiequellen trägt der möglichst sparsame, rationelle oder auch effiziente Einsatz von Energie stark zum maßvollen Umgang mit unseren Ressourcen bei. Unser energieintensiver Lebensstil an sich wird dagegen nur selten in Frage gestellt.

Unter Effizienz soll hier der richtige Mitteleinsatz verstanden werden. Damit folgen wir dem in der Ökonomie geläufigen Minimalprinzip, ein definiertes Ziel oder Ergebnis mit einem möglichst geringen Ressourceneinsatz zu erreichen. Im Gegensatz dazu steht einerseits das Maximalprinzip, bei definiertem Mitteleinsatz ein möglichst hohes Ergebnis zu erzielen und andererseits die Effektivität überhaupt, also die richtigen Ziele zu verfolgen. Energieeffizienz bedeutet also nicht „sparen um jeden Preis", sondern den gleichermaßen zielgerichteten und sparsamen Einsatz von Energie und Kapital.

Für die Bilanzierung von Energieströmen in der Wirtschaft hat sich die Gliederung in die Sektoren Haushalte, Gewerbe–Handel–Dienstleistungen (GHD), Industrie sowie Verkehr bewährt. Oft wird der Umwandlungssektor getrennt ausgewiesen. Die Nutzung von Energie durchzieht alle Lebensbereiche. Während die Sektoren Haushalt und Verkehr vergleichsweise einfach strukturiert sind, ist eine systematische Beschreibung des vielschichtigen Themas Energieeffizienz im Sektor Industrie bisher nicht gelungen. Ein Grund dafür mag sein, dass die angewandten Technologien einerseits oft sehr komplex sind und die Industrie selbst in zahlreiche Branchen mit ihren teils hochspezifischen Verfahren gegliedert ist. Mit dem vorliegenden Buch soll diese Lücke geschlossen werden.

Das vorliegende Buch konzentriert sich auf die Beschreibung des effizienten Umgangs mit End- bzw. Nutzenergie. Energieeffizienz im Umwandlungssektor, also die Bereitstellung von Endenergie aus Primär- oder Sekundärenergieträgern soll ausgeklammert werden, auch wenn gerade energieintensive Unternehmen oft über eigene Kraftwerke verfügen. Obwohl natürlich auch die Industrie nicht ohne Gebäude auskommt, wird auf die Darstellung der Zusammenhänge beim Thema „energieeffiziente Gebäude" an dieser Stelle weitgehend verzichtet, da hierzu bereits mehrere gelungene Darstellungen vorliegen.

Markus Blesl und Alois KesslerEnergieeffizienz in der Industrie201310.1007/978-3-642-36514-0_2© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

2. Grundlagen

Markus Blesl¹   und Alois Kessler²  

(1)

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart, Heßbrühlstraße 49a, 70565 Stuttgart, Deutschland

(2)

Forschung und Innovation, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, Durlacher Allee 93, 76131 Karlsruhe, Deutschland

Markus Blesl (Korrespondenzautor)

Email: [e-mail]

Alois Kessler

Email: [e-mail]

2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen

2.2 Grundzüge der Investitionsrechnung

2.3 Systematik der Energieeffizienz

2.4 Methoden zur Analyse von Energieeffizienzmaßnahmen

2.4.1 Pinch-Analyse

2.4.2 Energiewertstromanalyse

2.4.3 Energiemanagement und Energie-Controlling

2.4.4 Exergoökonomische Analyse

2.5 Allgemeine Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz

Literatur

Zusammenfassung

Entlang der Gewinnung und Anwendung von Energie werden in der Energiewirtschaft allgemein folgende Umwandlungsstufen unterschieden:

Primärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die in der Natur vorkommen und technisch noch nicht umgewandelt wurden. Es wird zwischen „unerschöpflichen" bzw. regenerativen, fossilen (Erdöl, Kohle, Erdgas) und nuklearen Energieträgern klassifiziert.

Sekundärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die aus Primärenergie durch einen oder mehrere Umwandlungsschritte gewonnen wurden (bspw. Elektrizität, Kraftstoff, Heizöl).

Im Endenergieverbrauch wird nur die Verwendung derjenigen gehandelten Endenergieträger aufgeführt, die der Erzeugung von Nutzenergie dienen und somit endgültig als Energieträger dem Markt entzogen werden.

Nutzenergie umfasst alle technischen Formen der Energie, welche der Verbraucher letztendlich benötigt, also Wärme, mechanische Energie, Licht, elektrische und magnetische Feldenergie (z. B. für Galvanik und Elektrolyse) und elektromagnetische Strahlung, um Energiedienstleistungen ausführen zu können. Nutzenergien müssen im Allgemeinen zum Zeitpunkt und vom Ort des Bedarfs aus Endenergie mittels Energiewandlern (bspw. Motoren, Kessel, Leuchtmittel) erzeugt werden.

Entlang der Gewinnung und Anwendung von Energie werden in der Energiewirtschaft allgemein folgende Umwandlungsstufen unterschieden:

Primärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die in der Natur vorkommen und technisch noch nicht umgewandelt wurden. Es wird zwischen „unerschöpflichen" bzw. regenerativen, fossilen (Erdöl, Kohle, Erdgas) und nuklearen Energieträgern klassifiziert.

Sekundärenergie ist der Energieinhalt von Energieträgern, die aus Primärenergie durch einen oder mehrere Umwandlungsschritte gewonnen wurden (bspw. Elektrizität, Kraftstoff, Heizöl).

Im Endenergieverbrauch wird nur die Verwendung derjenigen gehandelten Endenergieträger aufgeführt, die der Erzeugung von Nutzenergie dienen und somit endgültig als Energieträger dem Markt entzogen werden.

Nutzenergie umfasst alle technischen Formen der Energie, welche der Verbraucher letztendlich benötigt, also Wärme, mechanische Energie, Licht, elektrische und magnetische Feldenergie (z. B. für Galvanik und Elektrolyse) und elektromagnetische Strahlung, um Energiedienstleistungen ausführen zu können. Nutzenergien müssen im Allgemeinen zum Zeitpunkt und vom Ort des Bedarfs aus Endenergie mittels Energiewandlern (bspw. Motoren, Kessel, Leuchtmittel) erzeugt werden.

Selbstverständlich können auch bei der Bereitstellung von Primärenergie (energie)effiziente Technologien angewandt werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns aber auf die beiden letzten Umwandlungsstufen.

Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) hat in einer Studie für die Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB) den Energieverbrauch der Industrie genauer analysiert (Schlomann et al. 2010). Der industrielle Stromverbrauch im Jahr 2008 wird mit 837,4 PJ abgeschätzt. Davon entfallen allein 575,4 PJ auf mechanische Antriebsenergie und 147 PJ auf elektrische Prozesswärme. Von der mechanischen Antriebsenergie entfallen wiederum ca. 10,7 % auf die Drucklufterzeugung und 16,4 % auf Pumpenantriebe. Der Brennstoffverbrauch (inkl. Fernwärme) im Jahr 2008 beläuft sich auf 1.691,1 PJ, wovon 1.473,4 PJ auf Prozesswärme entfallen. Die Verteilung des Brennstoff- und Stromverbrauchs auf einzelne Branchen und Prozesse ist in den Abb. 2.1 und 2.2 dargestellt. Die genauen Zahlenwerte dazu sind im Anhang dieses Buches zu finden.

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Abb. 2.1

Stromverbrauch der Industrie 2008 nach Branchen

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Abb. 2.2

Brennstoffverbrauch der Industrie 2008 nach Branchen

2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen

In den letzten Jahren lässt sich eine dynamische Entwicklung der Regulierung und des Rechtsrahmens im Bereich Energieeffizienz auf europäischer und nationaler Ebene beobachten. Ausgehend von der europäischen Perspektive werden die nationale Umsetzung in Gesetze sowie die technische Umsetzung in Normen dargestellt.

Der Europäische Rechtsrahmen und dessen nationale Umsetzung

Auf europäischer Ebene wurde bereits 2003 die Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden verabschiedet, 2005 die sog. Ökodesign-Richtlinie und 2006 die Richtlinie über Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen („EDL-RL). In der Energiedienstleistungsrichtlinie wird Energieeffizienz definiert als „Verhältnis von Ertrag an Leistung, Dienstleistungen, Waren oder Energie zu Energieeinsatz.

Ein EU-Aktionsplan für Energieeffizienz wurde erstmals 2006 beschlossen. Er gibt u. a. vor, dass die Mitgliedstaaten regelmäßig ihre Maßnahmen und Fortschritte nach Brüssel berichten. Die europäischen Staaten müssen wiederum Richtlinien der EU in nationales Recht umsetzen, was neue Gesetze bzw. Novellierungen bestehender Gesetze und Verordnungen mit sich bringt.

Deutschland hat bereits mit dem sog. „Integrierten Energie- und Klimapaket, IEKP" 2007 dutzende Einzelmaßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen und zur Steigerung der Energieeffizienz beschlossen. Darauf aufbauend hat die Bundesregierung am 28.09.2010 ein neues nationales Energiekonzept vorgelegt. Demnach soll der Primärenergieverbrauch – bezogen auf das Jahr 2008 – im Jahr 2020 um 20 % und bis 2050 um 50 % reduziert werden. Die Primärenergie-Produktivität soll jährlich um 2,1 % ansteigen. Gleichzeitig soll der Stromverbrauch bis 2020 um 10 % und bis 2050 um 25 % sinken. Im zweiten nationalen Energieeffizienz-Aktionsplan (2. NEEAP) sind insgesamt 89 Maßnahmen beschrieben, wie diese Ziele bisher verfolgt und zukünftig erreicht werden können (BMWi 2011). Mit dem Gesetz über Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen („EDL-Gesetz") (EDL-G 2010) hat die Bundesregierung sodann eine 1:1-Umsetzung der EEffizRL von 2006 beschlossen. Ziel ist es u. a., dass Energieunternehmen ihre Kunden mindestens einmal im Jahr über Energiedienstleistungsangebote, Energieaudits oder Energieeffizienzmaßnahmen informieren.

Im Juni 2005 wurde mit der EU-Rahmenrichtlinie 2005/32/EG ein Instrument zur umweltgerechten Gestaltung energiebetriebener Produkte, die sogenannte Ökodesign-Richtlinie, eingeführt. Die Ökodesign-Rahmenrichtlinie 2005/32/EG, deren Neufassung die EU-Kommission bereits Mitte 2008 vorgeschlagen hat, wurde durch eine weiterführende EU-Rahmenrichtlinie (2009/125/EG) ersetzt. Die aktuell gültige Ökodesign-Rahmenrichtlinie betrachtet alle sogenannten „energieverbrauchsrelevanten" Produkte und ist am 20. November 2009 in Kraft getreten. Die EU-Rahmenrichtlinie 2009/125/EG ermöglicht es grundsätzlich, innerhalb der Europäischen Union verbindliche Mindestanforderungen im Hinblick auf die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte einzuführen. Konkrete Anforderungen für die einzelnen Produktgruppen können im Zusammenwirken der EU-Institutionen (Kommission, Rat und Parlament) anhand von Verordnungen festgelegt werden. Dabei sollen europaweit durch einheitliche Mindestenergieeffizienzstandards Energieeffizienzpotenziale erschlossen und gleichzeitig eine Zersplitterung des europäischen Markts verhindert werden.

Insgesamt untersucht die EU-Kommission derzeit 37 Kategorien energieverbrauchsrelevanter Produkte im Hinblick auf mögliche Durchführungsmaßnahmen zur EU-Ökodesign-Richtlinie u. a. unter den Gesichtspunkten von Marktrelevanz, CO2-Emissionen und -Vermeidungskosten. Bis zum zweiten Quartal 2010 hatte die EU für neun Produktgruppen EU-Verordnungen erlassen. Die Richtlinie 2005/32/EG wurde durch das Gesetz über die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte (Energiebetriebene-Produkte-Gesetz – EBPG) vom 27. Februar 2008 in nationales Recht umgesetzt. Das Gesetz über die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte (Energieverbrauchsrelevante-Produkte-Gesetz – EVPG) setzt die neugefasste Ökodesign-Richtlinie in nationales Recht um und löst das EBPG ab (EVPG 2011). Grundsätzlich liegt dem Instrument eine umfassende Lebenszyklus -Betrachtung zu Grunde, die verschiedene produktbezogene Umwelteffekte einschließt. Bisherige Regelungen betreffen bspw. den Stand-by -Betrieb sowie ein Verbot von Glühbirnen. In weiteren Verordnungen werden Energieeffizienzstandards für Industriemotoren und Umwälzpumpen sowie verschiedene Haushaltsgeräte geregelt. Von den neuen Regelungen werden spürbare Einsparungen beim Stromverbrauch erwartet (Behrend, Erdmann 2010). Das EVPG trifft im Wesentlichen folgende Regelungen: Energieverbrauchsrelevante Produkte, die von einer Durchführungsmaßnahme erfasst werden, dürfen in Deutschland nur dann in Verkehr gebracht oder – soweit sie nicht in Verkehr gebracht werden – in Betrieb genommen werden, wenn sie die in der jeweiligen Durchführungsmaßnahme formulierten Anforderungen erfüllen. Außerdem muss die CE-Kennzeichnung vorgenommen und eine Konformitätserklärung für das Produkt ausgestellt werden. Dies gilt unabhängig vom Herkunftsort der Produkte. Der aktuelle Stand der Richtlinienarbeit ist im Internet auf der Seite der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) abrufbar (http:​/​/​www.​ebpg.​bam.​de/​de/​).

Die Durchführungsmaßnahmen sehen in der Regel vor, dass die Konformität mit den Ökodesign-Anforderungen vom Hersteller selbst geprüft wird. Für den Fall, dass die Konformität von einer dritten Stelle geprüft werden muss, bestimmen die Bundesländer auf Antrag die dafür zugelassenen Stellen.

Die Marktaufsicht obliegt den zuständigen Landesbehörden, denen das Gesetz die dazu notwendigen Vollzugsbefugnisse gibt. Darüber hinaus werden Verstöße gegen die Vorschriften zur Einhaltung der Ökodesign-Anforderungen mit Bußgeld geahndet.

Maßnahmen der Marktaufsicht werden der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) – einer nachgeordneten Behörde des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) – gemeldet, die die Meldungen an die Kommission weiterleitet und auch die anderen EWR-Mitgliedstaaten informiert, wenn das betreffende Produkt vom Markt genommen wird.

Die Wirtschaft wird bei der Erfüllung ihrer Verpflichtungen durch ein umfangreiches Informationsangebot der BAM unterstützt, das sich insbesondere an kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sowie Kleinstunternehmen richtet.

Produkte, welche die Anforderungen der jeweiligen EU-Verordnung nicht erfüllen, dürfen im europäischen Binnenmarkt nicht mehr in Verkehr gebracht werden, das heißt erstmalig in der Vertriebskette bereitgestellt werden. Mit der erlassenen EU-Verordnung zu Niederspannungs-Drehstrommotoren gibt es erstmals verbindliche Regelungen für Motoren und den Einsatz von Frequenzumrichtern.

Die EU bereitet aktuell auch neue Beschlüsse im Bereich der Energiepolitik und insbesondere zur Verbesserung der Energieeffizienz vor. Nachdem im Mai 2010 die Gebäuderichtlinie und die Ökodesign-Richtlinie überarbeitet wurden, ist am 08. März 2011 ein neuer Energieeffizienzaktionsplan beschlossen worden. Die Europäische Kommission ist mit dem bisher Erreichten im Bereich Energieeffizienz unzufrieden und berät weitergehende Maßnahmen, z. B. Energieeinsparverpflichtungen in Form sog. „Weißer Zertifikate".

Obwohl der Anteil der Stromkosten am Bruttoproduktionswert im Durchschnitt bei ca. 2 % liegt gibt es Industriezweige mit sehr viel höheren Stromkostenanteilen (Stahl ca. 10 %, Zement ca. 18 %). Unter bestimmten Umständen kann für energieintensive Unternehmen eine reduzierte EEU-Umlage von 0,05 €/MWh nach der „Besonderen Ausgleichsregel (BesAR § 40 ff. EEG) gelten. Allerdings wirken sich auch indirekte Effekte des Ausbaus erneuerbarer Energien auf die Strompreise aus. Mit dem „Merit-Order-Effekt wird eine preissenkende Komponente bezeichnet. Andererseits führt der notwendige Netzausbau zu höheren Netznutzungsentgelten. Dass die Industriestrompreise in den Krisenjahren 2009 und 2010 aufgrund der um ca. 30 % gesunkener Börsenpreise insgesamt trotzdem stabil blieben, kann als Argument gegen die steigende Belastung der Industrie nicht gelten, weil in anderen Ländern keine zusätzlichen Belastungen eingeführt wurden und die Strompreise dort gesunken sind. Die Besondere Ausgleichsregelung des EEG führt aber auch dazu, dass die EEG-Umlage der nicht privilegierten industriellen Strombezieher deutlich steigt. Die EEG-Umlage für den nicht privilegierten Stromverbrauch betrug 2011 rd. 3,5 ct/kWh und hätte nach Berechnungen des BMU ohne Privilegierung bei „nur" etwa 3 ct/kWh gelegen. Im 23. Subventionsbericht der Bundesregierung (BMF 2012) sind die verschiedenen Steuervergünstigungen aufgeführt. Eine Übersicht gibt Tab. 2.1:

Tab. 2.1

Energiesteuerersparnis aufgrund unterschiedlicher gesetzlicher Regelungen in 2010

CO2-Handel

Im Mai 1992 wurde die Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (United Nations Framework Convention on Climate Change, kurz UNFCCC) beschlossen. Bis zum Ende der UN-Konferenz über Umwelt und Entwicklung (United Nations Conference on Environment and Development UNCED) in Rio de Janeiro wurde die UNFCCC von 155 Vertragsparteien unterzeichnet und trat am 21. März 1994 in Kraft. Demzufolge sollen die Treibhausgas-(THG)-Emissionen bis zum Jahr 2000 auf das Niveau von 1990 gesenkt werden. Im Rahmen der seitdem jährlich stattfindenden Vertragsstaatenkonferenzen (Klimagipfel) wurde bei der dritten Konferenz 1997 im japanischen Kyoto ein Zusatzprotokoll zur Ausgestaltung des UNFCCC verabschiedet, das sogenannte Kyoto-Protokoll. Aufgrund des im Kyoto-Protokoll festgelegten Ziels, die THG-Emissionen der EU von 2008 bis 2012 um 8 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken, wurde 2003 ein europäisches Emissionshandelssystem (ETS) mit beschlossen.

Zur Einführung des Systems wurden zunächst zwei Handelsphasen (2005–2007 und 2008–2012) vorgesehen, für die jeder teilnehmende Staat jeweils einen Nationalen Allokationsplan (NAP) aufstellen musste. Die Zertifikate wurden in diesen beiden Phasen von den Regierungen an die nationalen Anlagenbetreiber ausgegeben und können EU-weit gehandelt werden. In der ersten (Erprobungs-)Phase mussten mindestens 95 % der Zertifikate kostenlos an die Anlagenbetreiber ausgegeben werden (Europäische Kommission 2009). Betroffen davon waren Anlagen aus der

Energie- und Wärmeerzeugung,

Eisen- und Stahlwerke,

Raffinerien, Koksöfen und Verbrennungsanlagen,

Zement- und Kalkindustrie,

Glas-, Ziegel und Keramikindustrie,

und Papier- und Zellstofffabriken.

In der zweiten Phase wurden die Emissionsbeschränkungen um 6,5 % gegenüber 2005 gesenkt. Das System deckt derzeit rd. 50 % der CO2-Emissionen der EU ab, die wiederum ca. 40 % der gesamten THG-Emissionen der EU ausmachen. Ab 2012 werden auch die Emissionen der zivilen Luftfahrt in das System integriert, auf die etwa 3 % der Emissionen innerhalb der EU-25 entfallen. 2013 beginnt eine 8-jährige dritte Handelsphase. Statt der bisherigen NAPs wird es eine EU-weite Zertifikatsobergrenze geben, die jährlich um 1,74 % reduziert wird und 2020 eine Obergrenze von 1.813,1 Mio. EUA (European Union Allowance) erreichen soll.

Steigende Energie- und Emissionskosten können in einigen Branchen die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit gefährden und zu Produktionsverlagerungen führen. Dieser Effekt wird als Carbon Leakage bezeichnet. Eine Gefährdung liegt vor, wenn die ETS-Kosten mindestens 5 % der Bruttowertschöpfung betragen und die Handelsintensität der Branche 10 % übersteigt. Wenn lediglich eines dieser beiden Kriterien 30 % übersteigt gilt eine Branche ebenfalls als gefährdet. Die EUAs bemessen sich nach der jeweils besten verfügbaren Technik (BVT) und werden den Anlagenbetreibern der betroffenen Branchen bis zum Ende der 3. Handelsperiode jährlich kostenlos zugewiesen. Auf mögliche Auswirkungen des Carbon Leakage wird in Kap. 6.​4 näher eingegangen.

2.2 Grundzüge der Investitionsrechnung

In der Praxis wird eine Investitionsentscheidung auch heute noch oft allein anhand der statischen Amortisationszeit getroffen, was zwar verständlich, aber wenig sachgerecht ist. Die Amortisationszeit ist eher ein Maß für das Investitionsrisiko. Die Bewertung der Investition sollte sich aber an der internen Verzinsung orientieren. Vor diesem Hintergrund wird im Folgenden ein kurzer Überblick über die Grundzüge der Investitionsrechnung gegeben.

Unter einer Investition ist die Überführung von Zahlungsmitteln in Sach- oder Finanzvermögen zu verstehen. Ausgaben sind Auszahlungen sowie Verbindlichkeiten in Höhe des Geldwerts der Einkäufe (an Gütern bzw. Dienstleistungen) je Periode. Unter den Einnahmen sind folglich Einzahlungen sowie Forderungen zu verstehen als Geldwert der Verkäufe an Gütern und Dienstleistungen je Periode. Der finanziell bewertete Verbrauch der Produktionsfaktoren (Material, Kapital und Personal) für die betriebliche Leistungserstellung einer Periode verursacht Kosten. Umgekehrt sind Leistungen die mit Preisen bewerteten Ergebnisse der betrieblichen Leistungserstellung. (Merke: In der Fachsprache gibt es keine „Investitionskosten".) Nach der Richtlinie VDI 2067 können vier Kostenarten unterschieden werden:

verbrauchsgebundene Kosten (bspw. Brennstoffkosten)

betriebsgebundene Kosten (bspw. Wartungs- und Instandhaltung, Personalkosten)

kapitalgebundene Kosten (bspw. Zinsen, Abschreibung)

sonstige Kosten (bspw. Versicherungen, Steuern)

Bei den betriebsgebundenen Kosten ist außerdem eine Unterscheidung in fixe und variable (arbeitsabhängige) Kosten sinnvoll.

Grundsätzlich kann bei der Investitionsrechnung zwischen statischen und dynamischen Verfahren unterschieden werden. Zu den statischen Verfahren zählen die Kostenvergleichs- und Gewinnvergleichsrechnung sowie die statische Amortisationsrechnung. Bei den statischen Verfahren werden zeitliche Unterschiede bei den Ein- bzw. Auszahlungen nicht berücksichtigt. Die Vernachlässigung zeitlicher (Zins-)Effekte ist allerdings nur bei kurzen Betrachtungszeiträumen angebracht. Zwar sind in der industriellen Energieeffizienz immer wieder kurze Amortisationszeiten gefordert, die Lebensdauer der Investition beträgt aber oft viele Jahre, so dass für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen dynamische Verfahren vorzuziehen sind. Zu den dynamischen Verfahren zählen die Barwertmethode, die Kapitalwertmethode, die interne Zinsfußmethode, die Annuitätenmethode sowie die dynamische Amortisationsrechnung.

Die Barwertmethode beruht auf einem Vergleicht der während der Nutzungsdauer einer Investition auftretenden Ein-/Auszahlungen, abgezinst auf den Bezugszeitpunkt.

Die Kapitalwertmethode saldiert die abgezinsten Ein-/Auszahlungen einer Investition.

Der Interne Zinsfuß ermittelt die Effektivverzinsung einer Investition.

Bei der Annuitätenmethode wird eine Anfangsinvestition in eine Zahlungsreihe mit gleichbleibenden jährlichen Auszahlungen umgerechnet.

Die dynamische Amortisationsrechnung ermittelt den Zeitraum zur Wiedergewinnung des eingesetzten Kapitals bei kalkulatorischem Zins bzw. die Nutzungsdauer, nach der der Kapitalwert erstmals positiv wird.

Geldströme werden in der dynamischen Investitionsrechnung anhand von Zahlungsreihen erfasst. „Zahlungen" sind im Allgemeinen Geldbeträge, die eingenommen oder ausgegeben werden. Für den Wert einer Zahlung ist neben ihrer Höhe auch der Zeitpunkt ihrer Fälligkeit entscheidend. Deshalb wird ein heute angelegter Geldbetrag zu einem späteren Zeitpunkt durch die akkumulierten Zinsen einen höheren Wert haben als der ursprünglich angelegte Betrag. Umgekehrt hat ein zu einem späteren Zeitpunkt fälliger Betrag zum heutigen Zeitpunkt weniger Wert als ein heute fälliger Betrag derselben Höhe. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Zeitwert einer Zahlung (time value of money). Wenn z. B. ein Betrag K0 mit einem Zinssatz von i für z Jahre angelegt wird, dann wächst sein Wert exponentiell auf den Endwert KE:

$$ {{\text{K}}_{\text{E}}}={{\text{K}}_{\text{0}}}\cdot {{\text{(1}+\text{i)}}^{\text{z}}}={{\text{K}}_{\text{0}}}\cdot {{\text{q}}^{\text{z}}} $$

(2.1)

K0

Kapital zum Startzeitpunkt

i

Zinssatz (dezimal: 0,05 statt 5 %)

z

Zeitdauer in Jahren

In diesem Fall spricht man von Aufzinsung oder Akkumulierung. Wird die Zahlung auf den Anfangszeitpunkt bezogen, spricht man von Abzinsung oder Diskontierung. Die obige Gleichung kehrt sich um zu $${{\text{K}}_{0}}={{\text{K}}_{\text{E}}}\cdot {{\text{q}}^{-\text{z}}}$$ .

Bei gleichen wiederkehrenden Ein-/Auszahlungsbeträgen g ergibt sich aus dem Zahlungsstrom im Sinne einer Reihenentwicklung der sog. Barwertsummenfaktor fbws.

$$\begin{aligned}{{\text{K}}_{\text{0}}}& =\text{g}\cdot {{\text{(1}+\text{i)}}^{-\text{1}}}+\text{g}\cdot {{\text{(1}+\text{i)}}^{-\text{2}}}+...+\text{g}\cdot {{\text{(1}+\text{i)}}^{-\text{n}}} \\ & =\text{g}\cdot \sum\limits_{\text{t}=\text{1}}^{\text{n}}{{{\text{(1}+\text{i)}}^{-\text{t}}}}=\text{g}\cdot \frac{{{\text{q}}^{\text{n}}}-\text{1}}{{{\text{q}}^{\text{n}}}\text{(q}-\text{1)}}=\text{g}\cdot {{\text{f}}_{\text{bws}}} \end{aligned}$$

(2.2)

Umgekehrt lässt sich eine Anfangsinvestition in gleiche jährliche Beträge, sog. Annuitäten, aufteilen. Der Annuitätenfaktor fa ist der Kehrwert des Barwertsummenfaktors fbws:

$$ \text{g}={{\text{K}}_{\text{0}}}\cdot {{\text{f}}_{\text{a}}}={{\text{K}}_{\text{0}}}\cdot \text{f}_{\text{bws}}^{-\text{1}} $$

(2.3)

K0

Kapital zum Startzeitpunkt

fbws

Barwertsummenfaktor

fa

Annuitätenfaktor

Mit dem Annuitätenverfahren können Investitionen unterschiedlicher Lebensdauer verglichen werden. Die Annahme, dass Investitionen unterschiedlicher Lebensdauer „zur besseren Vergleichbarkeit" einheitlich über bspw. 15 Jahre annuisiert werden, führt dagegen oft zu falschen Entscheidungen. Sowohl der Barwert- wie auch der Annuitätenfaktor können leicht einschlägigen Tabellen entnommen werden (z. B. VDI 2067).

Zinsen sind der Preis für geliehenes oder investiertes Kapital. Der Zinssatz wird als Prozentsatz je Abrechnungszeitraum angegeben. Investoren erwarten neben dem Inflationsausgleich und der Nettorendite einen Risikozuschlag, der eventuelle Zahlungsausfälle einzelner Investitionen abdeckt. Als Maßstab für den risikolosen Zinssatz werden oft 10- oder 30-jährige Staatsanleihen höchster Bonität angesetzt. Für langfristige Investitionen ist eine Prognose der Inflationsrate oft nicht möglich. Berechnungen werden dann inflationsbereinigt mit einem realen Zinssatz durchgeführt, der um die durchschnittliche jährliche Inflationsrate reduziert bzw. diskontiert ist. Finanzmathematisch korrekt gilt:

$${{\text{q}}_{\text{r}}}=\frac{{{\text{q}}_{\text{n}}}}{\text{p}}=\frac{\text{1}+{{\text{i}}_{\text{n}}}}{\text{1}+ \text{r}}$$

(2.4)

$$ {{\text{i}}_{\text{r}}}=\frac{{{\text{q}}_{\text{n}}}}{\text{p}}-1 $$

(2.5)

r

Inflationsrate als Dezimalzahl

in

nominaler Zinssatz

ir

realer Zinssatz

qn

nominaler Zinsfaktor (1 + in)

qr

realer Zinsfaktor (1 + ir)

p

Inflationsfaktor (1 + r)

Ebenso sind Energiepreisprognosen für lange Zeiträume kaum möglich, weil die Volatilität der Energiepreise deutlich größer ist als die fundamentale Entwicklung. Bei langfristigen Investitionen wird deshalb oft mit einer real konstanten Entwicklung gerechnet, um anschließend in einer Sensitivitätsanalyse zu prüfen, wie sich Investitionsentscheidungen bei real steigenden oder sinkenden Energiepreisen ändern würden.

Der nominale Zinssatz bezieht sich auf eine Zinsperiode von einem Jahr. Bei m unterjährigen Zins- bzw. Tilgungsperioden steigt der tatsächliche Zinssatz an und wird als Effektivzins bezeichnet. Dieser kann nach folgender Formel ermittelt werden:

$$ {{\text{i}}_{\text{r}}}={{\left(\text{1}+ \frac{{{\text{i}}_{\text{n}}}}{\text{m}} \right)}^{\text{m}}}-\text{1} $$

(2.6)

ie

effektiver Zinssatz

in

nominaler Zinssatz

m

Anzahl der unterjährigen Zinsperioden

Oft stellt sich die Frage nach der Verzinsung oder „Rendite einer Investition. Dazu kann die Methode des internen Zinssatzes als Sonderform der Kapitalwertmethode angewandt werden. Es wird der Zinssatz ermittelt, bei dem die Anfangsinvestition durch die mit diesem Zinssatz diskontierte Summe der Einzahlungsüberschüsse gerade ausgeglichen wird. Dieser Zinssatz wird als „interner Zinssatz bzw. „internal rate of return" (IRR) bezeichnet. Liegt die interne Verzinsung über der Mindestverzinsungsanforderung eines Investors, wird dieser die Investition als wirtschaftlich bewerten. Wenn Auszahlungen als negative und Einnahmen als positive Zahlen angesetzt werden, lautet die allgemeine Gleichung dazu:

$$ {{\text{K}}_{\text{0}}}+\sum\limits_{\text{t=1}}^{\text{z}}{\frac{{{\text{E}}_{\text{t}}}+{{\text{A}}_{\text{t}}}}{{{\text{q}}^{\text{t}}}}}=\text{0} $$

(2.7)

K0

Anfangsinvestition (negativ ansetzen)

Et

Einzahlung der Periode t (positiv ansetzen)

At

Auszahlung der Periode t (negativ ansetzen)

z

Zahl der Perioden

Bei gleichbleibenden Einzahlungsüberschüssen (E t + A t ) = konst. kann Gleichung (2.7) mit (2.2) vereinfacht geschrieben werden als:

$$ {{\text{K}}_{\text{0}}}+({{\text{E}}_{\text{t}}}+{{\text{A}}_{\text{t}}})\cdot{{\text{f}}_{\text{bws}}}=0 $$

(2.8)

Die Auflösung dieser Gleichung nach dem Zinsfaktor q bzw. dem Zinssatz i ist nur iterativ möglich. In der Praxis helfen Tabellenkalkulationsprogramme oder die lineare Approximation der Nullstelle. Für einige praxisrelevante ganzzahlige Parameter ist die interne Verzinsung in Tab. 2.2 dargestellt.

Tab. 2.2

Interne Verzinsung einer Investition in Abhängigkeit der statischen Amortisation und der tatsächlichen Anlagennutzungsdauer

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Bei der Analyse von Energieeinsparpotenzial en in Unternehmen werden oft zahlreiche Maßnahmen identifiziert. Eine schnelle überschlägige Bewertung ist anhand der Amortisationsrechnung möglich, indem die Anzahl der Jahre ermittelt wird, die nötig ist, bis das eingesetzte Kapital für eine Maßnahme durch Kosteneinsparungen wieder erwirtschaftet wird (payback-Zeit). Oft wird dabei die Verzinsung außer Acht gelassen, obwohl auch eine dynamische Anwendung möglich ist. Die statische Amortisationszeit muss mindestens kürzer als die geforderte Zeit und außerdem kürzer als die Lebensdauer der Maßnahme sein. Wichtig ist die Einsicht, dass sich bei Investitionen trotz gleicher Amortisationszeit allein aufgrund unterschiedlicher Nutzungsdauern eine jeweils unterschiedliche Rentabilität ergibt, was auch in Tab. 2.2 zum Ausdruck kommt. Eine Investition, die sich bspw. nach 3 Jahren (statisch) amortisiert, hat bei einer Anlagennutzungsdauer von 5 Jahren bereits eine interne Verzinsung von 20 % und erreicht eine jährliche Verzinsung von 31 % bei einer 10-jährigen Nutzungsdauer.

Beim Vergleich von Investitionsalternativen sind jeweils alle fixen und variablen Kosten zu betrachten. Zu den fixen Kosten zählen die kapitalgebundenen Kosten (Zinsen und Abschreibungen), die Ertragssteuern (Körperschafts- und Gewerbesteuer) und die verbrauchsunabhängigen Kosten (Personalkosten, fixe Instandhaltungskosten). Variable Kosten sind verbrauchsabhängig (Brennstoffe, Hilfs- und Betriebsstoffe, variable Instandhaltungskosten). Bei Vorhaben mit längeren Planungs- und Bauzeiten müssen als Finanzierungskosten bspw. auch die Bauzeitzinsen betrachtet werden, die durch das Aufzinsen aller vor der Inbetriebnahme einer Anlage anfallenden Auszahlungen ermittelt werden. Üblicherweise werden bei veröffentlichten Angaben zu Investitionen nur die nominalen Zahlen ohne Bauzeitzinsen („over night cost") bekanntgegeben. Eine vollständige Übersicht aller Kosten, die im Lebenszyklus von Investitionsgütern anfallen, ist in Abb. 2.3 gegeben (Seinschedt et al. 2003).

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Abb. 2.3

Kostenarten bei einer Lebenszykluskostenbetrachtung

Hier wird deutlich, dass Energieeffizienz kein Selbstzweck ist, sondern eine komplexe ökonomische Fragestellung mit zahlreichen Bezügen darstellt, die einer sorgfältigen Betrachtung bedürfen.

2.3 Systematik der Energieeffizienz

Energieeffizienzmaßnahmen können nach verschiedenen Kriterien bzw. Kennzahlen systematisiert werden. Neben methodischen Aspekten können auch energiewirtschaftliche oder -technische Gesichtspunkte hilfreich sein. Vom methodischen Standpunkt aus gesehen können unterschiedliche Betrachtungstiefen der energetischen Zusammenhänge vorgenommen werden. Die Zusammenhänge sind in Tab. 2.3 zusammengefasst und nachfolgend erläutert.

Tab. 2.3

Methodische Abgrenzung unterschiedlicher Betrachtungstiefen bei der Analyse von Energieeffizienzmaßnahmen

Im einfachsten Fall ist der Wirkungsgrad eines Gerätes ein erster Indikator zur Bewertung der Energieeffizienz. Der Wirkungsgrad ist definitionsgemäß der Quotient aus abgegebener zu aufgenommener Leistung zum Betrachtungszeitpunkt. Im Unterschied dazu ist der Nutzungsgrad als Quotient der Arbeiten im Betrachtungszeitraum zu verstehen. Neben der zeitlichen ist auch noch eine energetische Erweiterung des Bilanzraumes denkbar in dem der Energiebedarf von Nebenverbrauchern mit berücksichtigt wird. Wirkungsgrade unter Nennbedingungen und ggf. auch für Teillastbetrieb sind Datenblättern zu entnehmen.

Nach der Analyse einzelner Energiewandler und -verbraucher führt eine Erweiterung des Bilanzraumes zur Gesamtbetrachtung der Energieflüsse eines Fertigungsprozesses. Für die Visualisierung werden Energieflussbilder genutzt, die oft nach ihrer erstmaligen Anwendung durch den irischen Ingenieur Cpt. R.H. Sankey (Sankey 1896) als Sankey-Diagramme bezeichnet werden. Auf diese Weise entsteht ein vollständiges Bild aller wesentlichen Energiezuflüsse und Verbraucher.

Nochmals komplexer wird der Blick über das eigene Unternehmen hinaus. Im Vergleich mit Unternehmen innerhalb der Branche lassen sich wertvolle Hinweise gewinnen. Dazu können in manchen Fällen sog. Branchenenergiekonzepte dienen. Im Austausch mit Unternehmen fremder Branchen lässt sich der eigene Horizont ebenfalls erweitern, ohne dass wettbewerbliche Aspekte den Gedankenaustausch hemmen.

Bereits zur Erstellung eines Energieflussbildes sind umfangreiche Messungen notwendig, jedoch erst durch eine kontinuierliche Planung und Verfolgung der Energieverbräuche im Sinne eines Energieeffizienz-Controllings ist ein dauerhafter Erfolgt beim rationellen Energieeinsatz und bei der Umsetzung einzelner Maßnahmen möglich.

Eine eher energiewirtschaftliche Sichtweise orientiert sich an der Energieart. Es können, wie eingangs erwähnt, Primär- und Sekundärenergieträger sowie End- und Nutzenergie unterschieden werden. Nutzenergiearten, die branchenübergreifend und prozessunabhängig zum Einsatz kommen, werden auch als Querschnittstechnologien bezeichnet und anschließend in den Kap. 3 und 4 behandelt.

Eine systematische Einteilung der Fertigungsverfahren liefert die DIN 8580 anhand einer zweistelligen Ordnungsnummer. Eine praktische Übersicht und Beschreibung der gängigsten Verfahren ist bspw. (Fritz, Schulz 2008) zu entnehmen. Zur Energieeffizienz unterschiedlicher Fertigungsverfahren gibt es generische Untersuchungen, die auch den Bezug zwischen einer optimalen Werkstoffausnutzung und dem erforderlichen Fertigungsenergieaufwand herstellen, wie dies Abb. 2.4 exemplarisch verdeutlicht. Ähnlich zur Einteilung der Fertigungsverfahren spricht man in der chemischen Technologie von Grundoperationen.

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Abb. 2.4

Werkstoffausnutzung und spezifischer Energieaufwand verschiedener Fertigungsverfahren

Eine Steigerung der Energieeffizienz ist bspw. durch kombinierte Verfahren möglich. Neben dem Energieverbrauch sind weitere Optimierungsziele wie bspw. kürzere Durchlaufzeiten, reduzierte Lagerbestände oder geringerer Materialverbrauch denkbar, was aber auch zu Zielkonflikten führen kann.

Wenn wir Energieeffizienz als möglichst hohes Verhältnis von Nutzen zu (Energie-) Aufwand betrachten, bleiben prinzipiell zwei Stellhebel zur Steigerung – eine Maximierung des Nutzens und eine Minimierung des Aufwands. Eine wertanalytische Vorgehensweise, bspw. die in Kap. 2.​4.​2 dargestellte Energiewertstromanalyse, kann hier hilfreich sein. Allerdings wird der Energieaufwand eines bestimmten Verfahrens oder Fertigungsschrittes nur eines von vielen Bewertungskriterien sein können. Nicht der energetische Vergleich einzelner Verfahren, sondern einzelner Produkte oder Baugruppen ist entscheidend. Ein kompletter Verfahrenswechsel (bspw. in der Fügetechnik Kleben statt Schweißen) hat immer komplexe Rückwirkungen auf das gesamte Produkt und wird kaum allein aus Gründen der Energieeffizienz durchgeführt.

Eine Steigerung des Nutzens kann bspw. durch eine höhere Produktionsmenge oder durch eine höhere Auslastung gelingen. Andererseits führen höhere Geschwindigkeiten bspw. an Werkzeugmaschinen zu einem höheren Energieverbrauch und zu höherem Verschleiß. Nur in Ausnahmefällen ist eine Rekuperation der Bremsenergie (wirtschaftlich) möglich.

Eine systematische Vorgehensweise zur Identifikation von Energieeffizienzpotenzialen kann aus drei verschiedenen Betrachtungsansätzen erfolgen:

a.

Checklisten ermöglichen anhand allgemeiner Hinweise eine prozessunabhängige Kontrolle bspw. zur Reduktion von Bedarf, Laufzeit, Temperatur oder Verlusten, zur Steigerung der Auslastung bzw. des Durchsatzes. Checklisten spiegeln gesammeltes Wissen und bewährte Maßnahmen wider. Ein gutes Beispiel dafür bietet (WKÖ 2009).

b.

Leitfäden sind funktionsorientiert, aber branchenübergreifend, gültig für einzelne (Querschnitts-)technologien (siehe Kap. 3 und 4). Gute Beispiele dafür sind die DENA-Broschüren, bspw. (Deutsche Energieagentur 2011).

c.

Branchenenergiekonzepte analysieren die energetischen Zusammenhänge mit dem Fokus auf die Besonderheiten einzelner Branchen und Prozesse. Eine aktuelle umfassende Analyse energieintensiver Branchen liegt mit (Schlomann et al. 2011) vor. Einzelne Branchen werden oft auch unter der Regie eines Branchenverbands analysiert, wie das Beispiel (Franzen 2008) für die Giessereiindustrie belegt. Neben dem „Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency" (EU 2008) sind im Auftrag der EU auch zahlreiche branchenspezifische Dokumente entstanden, die im Internet auf der Seite des Joint Research Centre (JRD) beim Europäischen IPPC Büro abrufbar sind (Joint Research Centre o. J.).

Die Ausführungen in diesem Buch beziehen sich überwiegend auf die Umwandlung von Endenergie in Nutzenergie. Die effiziente Bereitstellung von Endenergie bspw. in Kraftwerken ist nicht Gegenstand der Betrachtung.

2.4 Methoden zur Analyse von Energieeffizienzmaßnahmen

Zur Bewertung und Analyse von Energieeffizienzmaßnahmen können verschiedene Methoden herangezogen werden. Nach (Patterson 1996) kann Energieeffizienz quantifiziert werden, indem die beiden Größen „nutzbarer Output und „Input an Energie zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Die Definition dieser beiden Größen kann auf der Basis thermodynamischer, physikalischer und (makro)ökonomischen Indikatoren erfolgen. Im Folgenden wird die Pinch-Analyse als zentrales Instrument zur Analyse thermisch gekoppelter verfahrenstechnischer Prozesse näher erläutert.

2.4.1 Pinch-Analyse

Die Pinch-Analyse nach Linnhoff (Linnhoff 1998) dient insbesondere zur Analyse und optimalen Verschaltung von Wärmeübertragern. Ausgangspunkt dazu sind gemessene oder berechnete Daten über das Wärmeangebot und die Wärmenachfrage der zu optimierenden Prozesse. Ein vereinfachtes Beispiel dazu ist in Tab. 2.4 dargestellt. Dabei werden „heiße Ströme als Wärmequellen und „kalte Ströme als Wärmesenken verstanden. Jeder Strom hat eine Eingangstemperatur TS und eine Zieltemperatur TT. Die „heat capacity flow rate" (CP) ist als Produkt aus Massenstrom und der spezifischen Wärmekapazität des Stroms definiert, gemessen in Enthalpieänderung pro Temperatureinheit (Linnhoff 1998).

Tab. 2.4

Exemplarische Wärmeangebots- und -nachfrageströme bei der Pinch-Analyse

Im Beispiel errechnet sich die CP für Strom 1 zu: $$2.000\ \text{kW/(18}{{\text{0}}^{\circ }}\text{C}-\text{8}{{\text{0}}^{\circ }}\text{C)=20kW}{{\text{/}}^{\circ }}\text{C}$$ . Aus diesen Daten ergeben sich die „Composite-Kurven als graphische Darstellung von Wärmeangebot und -nachfrage der betrachteten Prozesse und bilden die Basis zur Bestimmung des minimalen Energieverbrauchs einer thermischen Anlage. Zur Konstruktion einer Composite-Kurve werden die Enthalpien überlappender Temperaturintervalle aufaddiert. Im Beispiel ist in den Intervallen {80–180°C} und {40–80°C} jeweils nur ein Strom enthalten. Die zugehörigen CP-Werte entsprechen den CP-Werten dieser Ströme. Im Intervall {80–130°C} sind jedoch beide Ströme enthalten, so dass sich der CP-Wert hier durch die Addition CP{80–130} = 20 + 40 = 60 ergibt. Auf diese Weise kann eine „heiße und eine „kalte" Composite-Kurve konstruiert werden, welche jeweils die Wärmequellen und -senken repräsentiert, was in Abb. 2.5 dargestellt ist (Linnhoff 1998).

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Abb. 2.5

Konstruktion der Composite-Kurven

Zur Bestimmung des minimalen Energieverbrauchs