Energieeffizienzorientierte Fabrikplanung (eFAP)

Inhaltsverzeichnis

Glossar

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Problemstellung
1.3 Zielsetzung
1.4 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit
1.5 Vorstellung der agiplan GmbH

2 Ausgangslage und Problemhintergrund
2.1 Bedeutung der Energieeffizienz bei der Bekämpfung des Klimawandels
2.2 Die energetische Rolle des produzierenden Gewerbes

3 Grundlagen
3.1 Energetische Grundlagen
3.1.1 Energie aus physikalischer Sicht
3.1.2 Energie als Bilanzgröße eines Systems
3.1.3 Energiewandlungsketten
3.2 Begriffsbestimmung
3.2.1 Effizienz
3.2.2 Energieeffizienz
3.3 Fabrikplanung
3.3.1 Definition und Umfang der Fabrikplanung
3.3.2 Gestaltungsbereiche
3.3.3 Planungsbereiche
3.3.4 Angrenzende Planungsdisziplinen
3.3.5 Planungsgrundfälle
3.3.6 Planungsphasen

4 Stand der Technik
4.1 Energieeffizienz als neue Planungsanforderung
4.2 Anforderung an die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung

5 eFAP - Energieeffizienzorientierte Fabrikplanung
5.1 Überblick
5.2 Gestaltungsfelder der eFAP
5.2.1 Energiebezug
5.2.2 Umspannung
5.2.3 Energieumwandlung
5.2.4 Energiespeicherung
5.2.5 Energieübertragung
5.2.6 Energieanwendung in Querschnittstechniken und im Produktionsprozess
5.2.7 Energierückgewinnung
5.2.8 Energieabgabe
5.2.9 Bauliche Hülle
5.3 Handlungsansätze zur Steigerung der Energieeffizienz
5.3.1 Substitution ineffizienter Energieträger
5.3.2 Steigerung der energetischen Nutzungsgrade
5.3.3 Steigerung des Wirkungsgrades
5.3.4 Energierückgewinnung
5.3.5 Nutzung regenerativer Energiequellen bzw. effiziente Energiebeschaffung
5.4 Vorgehensweise zur eFAP
5.4.1 Zielplanung
5.4.2 Grundlagenermittlung
5.4.3 Konzeptplanung
5.4.4 Detailplanung
5.4.5 Realisierungsvorbereitung
5.4.6 Realisierungsüberwachung
5.4.7 Hochlaufbetreuung
5.5 eFAP-Projektteam

6 Bewertung der Ergebnisse

7 Zusammenfassung und Ausblick

7.1 Zusammenfassung

7.2 Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang XI

Glossar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation

Durch die Verknappung fossiler Brennstoffe und durch die Belastung der Umwelt mit Emissionen bei deren Nutzung, sind die langfristige Sicherung der Energieversorgung und die Verminderung von Treibhausgasemissionen zu Schlüsselthemen unserer Zeit avanciert [vgl. BDI-09 S.1].

Der Übergang zur Nutzung fossiler Energieträger begann im Wesentlichen mit der Industriellen Revolution im späten 18. Jahrhundert. Heute werden ca. 81 %¹ des weltweiten Energiebedarfs aus fossilen Quellen gedeckt. Während der Energieverbrauch in Deutschland seit Jahren gleich bleibt², ist weltweit ein stetiger Anstieg der Energienachfrage zu beobachten. Vor allem schnell wachsende Volkswirtschaften wie China oder Indien lassen die globale Nachfrage steigen [vgl. Wey-08 S.1]. Nahezu alle globalen Zukunftsszenarien gehen von einer Fortsetzung dieses Anstiegs aus. Die Internationale Energie-Agentur (IEA) beispielsweise konstatiert in ihrem „World Energy Outlook 2007“ eine Zunahme des Primärenergiebedarfs im Zeitraum 2006-2030 um durchschnittlich 1,6% pro Jahr. Fossile Energieträger machen in diesem Szenario in 2030 ca. 80% des weltweiten Primärenergiemix aus, ungefähr gleich viel wie heute [vgl. IEA-08 S.2ff].

Seit 1998 ist der weltweite Primärenergieverbrauch um etwa 25% gestiegen, während die Fördermengen fossiler Energieträger weitgehend konstant geblieben sind. Gleichzeitig sind in diesem Zeitraum Preissteigerungen beispielsweise für Rohöl von bis zu 600% zu beobachten [vgl. BP-08 S.3f]. Aus ökonometrischen Schätzungen abgeleitete Projektionen zeigen, dass auch in den kommenden Jahren mit markant anziehenden Energiepreisen gerechnet werden muss. Darüber hinaus liegt ein großer Teil der heute bekannten fossilen Energiereserven in wenigen Regionen der Welt, was, wie historische Analysen bestätigen, politische und militärische Konflikte implizieren und in deren Folge zu einer erhöhten Volatilität der Energiepreise führen kann [vgl. Wey-08 S.1].

Da die energetische Nutzung fossiler Energieträger mit Verbrennungsprozessen verbunden ist, bedingt sie die Emission von Treibhausgasen, deren Konzentration in der Atmosphäre für die globale Erderwärmung und der damit einhergehenden Klimaveränderung verantwortlich gemacht werden. Allein die Verbrennung fossiler Energieträger verursacht gegenwärtig drei Viertel der anthropogenen CO2-Emissionen, wobei in den letzten 150 Jahren die CO2Konzentration um mehr als 30% zunahm [vgl. IPC-07 S.2]. Diese Entwicklung wird heute mit der anhaltenden Klimaveränderung in Verbindung gebracht. So lassen sich auf der Skala von Kontinenten, Regionen und Ozeanbecken zahlreiche langfristige Änderungen des Klimas, einhergehend mit dem Anstieg der CO2-Konzentration, beobachten. Zu diesen gehören Änderungen der Temperaturen und des Eises in der Arktis sowie verbreitet Änderungen in den Niederschlagsmengen, im Salzgehalt der Ozeane, in Windmustern und bei Aspekten von extremen Wetterereignissen wie Trockenheit, Starkniederschlägen, Hitzewellen und der Intensität von tropischen Wirbelstürmen [vgl. IPC-07 S.24ff].

Erneuerbare Energien sowie die Atomenergie bieten Alternativen zu fossilen Energien. Im Falle der Atomkraft gibt es jedoch erhebliche Vorbehalte bezüglich der Sicherheit der Anlagen, der ungeklärten Endlagerung, der Wiederaufbereitung und deren möglichen weiteren militärischen Nutzung. Außerdem nimmt das Vorkommen von Uran als Ausgangsstoff bei kontinuierlicher Entnahme ebenfalls stetig ab [vgl. BBF-08 S.4].³

Erneuerbare Energien sind hingegen kontinuierlich verfügbar und stehen hiermit im Gegensatz zu konventionellen Kernbrennstoffen und fossilen Energieträgern⁴. Sie gewinnen aufgrund von Skaleneffekten, Technologieentwicklungen und nicht zuletzt durch verschärfte rechtliche Rahmenbedingungen an Bedeutung [vgl. KfW-05 S.24ff]. Sie können die fossilen Energien und die Atomenergie momentan unter ökonomischen Gesichtspunkten aber nicht komplett ersetzen und nur langfristig ausgebaut werden [vgl. BMU-04 S.21].

Vor diesem Hintergrund gilt es, die Ausnutzung des Energieeinsparpotentials und eine hiermit einhergehende Reduktion von umweltschädlichen Treibhausgasen zu forcieren. Es sind Ansätze zu identifizieren und zu bewerten, die einen geforderten Nutzen mit einem minimalen Energieeinsatz ermöglichen. Energieeffizienz ist in diesem Zusammenhang das Schlüsselwort.

1.2 Problemstellung

Ökonomische Gesichtspunkte sind in der Marktwirtschaft nach wie vor die treibende Kraft bei der Weiterentwicklung von Wertschöpfungsprozessen. Die zunehmende Knappheit fossiler Energien ist spätestens nach dem drastischen Anstieg der Energiekosten verstärkt in das Bewusstsein der Unternehmen getreten und hat die starke Abhängigkeit der Industrie von der Verfügbarkeit und vom Preis der Energieträger aufgezeigt. Dementsprechend verkürzen sich die Amortisationszeiten für Investitionen in Energieeffizienz-Technologie durch die Entwicklung der Energiepreise, weshalb sich die Maximierung der Energieeffizienz auf mikroökonomischer Ebene immer mehr lohnt⁵. Hierzu trägt teilweise auch die höhere Zahlungsbereitschaft der Kunden durch die Vermarktung eines „grünen Images“ bei. Darüber hinaus gibt die Klimaschutzpolitik Deutschlands zum einen auch für Unternehmen verschärfte gesetzliche Rahmenbedingungen vor und setzt gleichzeitig Anreize durch öffentliche Förderprogramme [vgl. KfW-05 S.8].

In der Industrie hat die zunehmende Substitution manueller Tätigkeiten durch Automationstechnik, der Einsatz von leistungsstärkeren Maschinen, die energieintensive Verarbeitung neuer Werkstoffe, sowie der Einsatz energieintensiver Fertigungstechniken wie z.B. das Laser- oder Wasserstrahlschneiden zu einem steigenden Energiebedarf in Fertigungsund Montagebereichen geführt. Eine Sensibilisierung für das Thema Energie fand dadurch zusätzlich statt [vgl. Mül-09 S.22].

Verschiedene Studien und empirische Analysen haben zudem gezeigt, dass in vielen Unternehmen ein großes wirtschaftliches Energieeinsparpotential und ein damit einhergehendes Vermeidungspotential von umweltschädlichen Treibhausgasen existiert, das aufgrund der bisherigen Relevanz des Energieeinsatzes noch nicht ausgeschöpft wurde [vgl. IPC-01;.McK-09, See-07].

Diese Sachverhalte führen bei immer mehr Unternehmen zu einem Paradigmenwechsel, und damit zur Auffassung, dass Ökonomie und Ökologie gleichermaßen bei der Gestaltung der Fabriken zu betrachten sind.

Darüber hinaus wird maßgeblich in der Fabrikplanung durch die Planungsbeteiligten festgelegt, wie die in der Unternehmensplanung festgelegten Ziele realisiert werden sollen. Wird dieser Sachverhalt auf die Festlegung des Energiebedarfs impliziert, so kann als Zielstellung identifiziert werden, das Energieeinsparpotenzial zu heben. Der Energiebedarf sowie die Festlegung des Energiebedarfs der einzelnen Fabriklebenszyklusphasen sind in nachstehender Abbildung symbolhaft dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Beeinflussbarkeit des Energiebedarfs entlang des Fabriklebenszyklus

Die fehlerfreie Herstellung eines Produktes alleine reicht nicht mehr aus, um eine optimale Wertschöpfung zu gestalten. Die zusätzliche Komplexität der Planungsaufgabe durch die Einbeziehung der Energieeffizienz muss in der Fabrikplanung berücksichtigt werden, da die zukünftigen Energiekosten in den Gestaltungsfeldern Energieversorgung, Klimatisierung und Hilfsmedien bereits in der Planungsphase in entscheidendem Maße festgelegt werden. Planungsfehler aufgrund von falschen oder unzureichenden Daten führen im Fabrikbetrieb zu hohen Kosten, die sich zum Teil nur mit großem Aufwand korrigieren lassen. Vorhandene Energieeffizienz-Potenziale werden gegenwärtig im Planungsprozess nur unzureichend erkannt und genutzt [vgl. Mül-08 S.2f].

1.3 Zielsetzung

In der Fabrikplanungspraxis wächst die Erkenntnis, dass die Energieeffizienz planerisch berücksichtigt werden muss. Dabei wird nicht nur angestrebt, das damit verbundene ökonomische Potenzial bestmöglich auszunutzen, sondern auch, einem gesellschaftlichen, technischen und wirtschaftlichen Wandel gerecht zu werden, der eine forcierte Reduzierung des Verbrauchs an fossilen Energieträgern und der damit verbundenen CO2-Emissionen erfordert.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Energieeffizienz als neue Zielgröße in der Fabrikplanung. Es geht darum aufzuzeigen, wie sich die Integration der Energieeffizienz in die Fabrikplanung und Prozessoptimierung auf die Investitions- und Optimierungsentscheidungen auswirkt. Die energetische Betrachtung des Planungsprozesses wirft Fragen auf, die in jedem einzelnen Schritt der Planung erfasst und beantwortet werden müssen, d.h., die Gegenstände jedes Planungsschritts müssen aus Perspektive der Energieeffizienzsteigerung durchdacht, konzeptionell erfasst und dann in die gesamte Planung integriert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt deshalb auf der Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise für die Fabrikplanung im Sinne der Steigerung der Energieeffizienz.

Basierend auf den Anforderungen im Beratungsgeschäft scheint dieser Ansatz geeignet, um die gesteigerte Komplexität der Planungsaufgabe auf der richtigen Abstraktionsebene fassbar zu machen, damit die Fabrikplaner den Energiebedarf der zukünftigen Fabrik im Fabrikplanungsprozess aktiv gestalten und so die in der Fabrikplanung liegenden Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz des Unternehmens ausschöpfen können. Eine neue Fabrik kann dann bereits auf einem möglichst hohen energetischen Leistungsniveau in die Produktion starten, nachfolgende kosten- und zeitintensive Optimierungen werden verhindert.

1.4 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit

Die folgende inhaltliche Kurzfassung der Kapitel gibt eine Orientierung über den Aufbau der Arbeit.

Kapitel 2: Ausgangslage und Problemhintergrund. Um beim Leser ein Grundverständnis für die Aktualität des Themas zu schaffen, wird einleitend die Bedeutung der Energieeffizienz in der Industrie in einen übergeordneten politischen Zusammenhang gestellt. Es folgt eine nähere Betrachtung der energetischen Rolle des produzierenden Gewerbes und seiner Struktur. Ausgehend von seinem Anteil am Energiebedarf als industriellem Sektor wird der Energiebedarf weiter aufgeschlüsselt in Anwendungsbereichen und seiner Relevanz in einzelnen Branchen ausgedrückt als Anteil an den Produktionskosten. Eine Darstellung der ermittelbaren technischen und wirtschaftlichen Einsparpotenziale und aus verschiedenen Energieeffizienzmaßnahmen resultierenden CO2-Einsparungen rundet die Ausführungen ab.

Kapitel 3: Grundlagen. Um einen Begriff von Energieeffizienz zu erhalten, auf dem die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung aufbauen kann, erfolgt im ersten Teil die Klärung und Definition der Begriffskomponenten Energie und Effizienz getrennt in grundlegenden Zusammenhängen, daran anschließend ihre Zusammenfügung zu dem im Sinne dieser Arbeit verwendeten Begriff von Energieeffizienz.

Um die Auswirkungen der Zielgröße Energieeffizienz auf die Fabrikplanung einschätzen zu können, muss erfasst werden, was unter Fabrikplanung generell verstanden werden kann, welche Bereiche geplant werden müssen und wie dabei vorgegangen werden kann. Der zweite Teil des Kapitels wendet sich Problemen und Fragestellungen der allgemeinen Fabrikplanung zu und legt die Grundlagen für ein Planungsmodell, das für die Integration der Energieeffizienz in die Fabrikplanung angewendet werden kann. Der Umfang und die Komplexität der Fabrikplanung in ihren Gestaltungsfeldern und Planungsbereichen und den sich daraus ergebenden Planungsaufgaben sind dabei ebenso Gegenstand wie die Abgrenzung gegen andere Planungsdisziplinen.

Kapitel 4: Stand der Technik. In diesem Kapitel werden zum einen die Anforderungen an die Fabrikplanung aus historischer Perspektive betrachtet und im Kontext der Energieeffizienz weitergeführt. Um den bisherigen Stand zur energieeffizienzorientierten Fabrikplanung aufzuzeigen, werden wissenschaftlichen Arbeiten und fabrikplanerischen Praxis herangezogen, um den Handlungsbedarf aufzuzeigen und die im folgenden Kapitel verwendete Vorgehensweise abzusichern.

Kapitel 5: eFAP - Energieeffizienzorientierte Fabrikplanung. Der Weg zur Methode der eFAP beginnt mit der Betrachtung des Unternehmens als technisches System. Im Fokus steht dabei die Abbildung der Fabrik als Energieflusssystem, das die energetischen Gestaltungsfelder - d.h. die prinzipiellen Teilabschnitte entsprechend dem Weg der Energie durch eine Fabrik umfasst. Die den Gestaltungsfeldern zugeordneten Elemente und damit die bautechnischen und maschinellen Investitionsobjekte, die den Projektgegenstand in der eFAP darstellen, werden dabei beleuchtet. Mit den fünf generellen Handlungsansätzen zur Energieeffizienzsteigerung werden sodann Prinzipien vorgestellt, die in den Planungsschritten der Konzept- und Detailplanung zur Lösungsfindung und energetischen Optimierung dienen. Mit diesen methodischen Voraussetzungen wird nun die Vorgehensweise zur eFAP im zeitlichen Planungsverlauf systematisch entfaltet. Dies wird geleistet durch die konzeptionelle Erweiterung der Planungsinhalte des in Kapitel 3.3 gewonnenen Planungsmodells und der Integration der Handlungsansätze. Mit der Reflexion des Planungsteams als entscheidendem Faktor in der eFAP schließt das Kapitel.

Kapitel 6: eFAP - Zusammenfassung und Ausblick. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse hinsichtlich der energieeffizienzorientierten Fabrikplanung zusammengefasst. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse werden Schlussfolgerungen und ein Ausblick auf weitere Untersuchungsfelder gegeben.

In Abbildung 2 ist der inhaltliche Aufbau und die gewählte Vorgehensweise dieser Arbeit noch einmal graphisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau und Vorgehensweise der Arbeit

1.5 Vorstellung der agiplan GmbH

Der Fokus der Arbeit liegt auf der Integration der Energieeffizienz in die Fabrikplanung, verbunden mit dem Ziel, den energieeffizienzorientierten Ansatz in der operativen Beratungsund Planungstätigkeit der agiplan GmbH um eine dezidierte methodische Vorgehensweise zu erweitern. Die nachfolgende Kurzdarstellung des Unternehmens soll dem Leser einen Überblick über den Kontext der Arbeit geben.

Die agiplan GmbH ist seit mehr als 45 Jahren erfolgreich als Beratungs- und Planungsexperte in den Branchen Automotive, Anlagen- und Maschinenbau, Handel, Energiewirtschaft und in den Bereichen der öffentlichen Hand tätig. Ein erfahrenes Team von rund 70 Beratern und Planern erarbeitet kundenindividuelle, zukunftsorientierte Lösungen in den Themenfeldern Fabrik & Produktion, Logistik & IT, Projekt Management und Public Management.

Als Impulsgeber und neutraler Partner bietet die agiplan GmbH durchgängige Leistungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette aus einer Hand und unterstützt ihre Kunden von dem Beginn der Konzeption über die Entwicklung von Prozessen und Systemen bis hin zur Realisierung und Implementierung. Grundsätze in der operativen Umsetzung sind dabei insbesondere die Prämisse ganzheitlichen Denkens sowie die Begeisterung für innovative Lösungen. Vor dem Hintergrund der Unternehmensphilosophie „agiplan - gedacht. getan“ belegen über 5500 Projekte - davon rund 5000 Fabrikplanungsprojekte - die hohe Realisierungskompetenz und Akzeptanz im Markt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Leistungsangebot der agiplan GmbH [vgl. agi-09a]

agiplan betreibt über ihre 100% Tochtergesellschaft prisma Consult GmbH im Auftrag des Landes Nordrhein-Westfalen die EnergieAgentur.NRW (Wirtschaftsministerium) sowie die Effizienzagentur NRW (Umweltministerium). Beide Agenturen, die etwa 80 Mitarbeiter rund um die Themenfelder der Ressourcen- und Energieeffizienz beschäftigen, setzen die energie- und umweltpolitischen Vorhaben der nordrhein-westfälischen Landesregierung um.

Durch die Einbindung der Kompetenz beider Agenturen bei der Umsetzung ökologischer Grundsätze (z.B. Photovoltaik, Green Building, CO2 Neutralität, Energieeffizienz) sowie durch die Integration ihrer Methodiken, Tools und der systematischen Analyse bei konkreten Energieeffizienz-relevanten Vorhaben ist die agiplan GmbH ein exzellent vernetzter Projektpartner für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung. [vgl. agi-09a]

2 Ausgangslage und Problemhintergrund

2.1 Bedeutung der Energieeffizienz bei der Bekämpfung des Klimawandels

Die gleich bleibende Nutzung fossiler Energieträger stößt auf zweifache Weise an ihre Grenzen. Einerseits steht nur eine endliche Menge an Energieträgern⁶ zur Verfügung [vgl. Mea-72]. Andererseits kann unsere Erde nur eine endliche Menge an anthropogenen Stoff- und Energieeinträgen verkraften [vgl. Mea-92].

Die Reduktion des energetischen Einsatzes von fossilen Energieträgern und der damit einhergehenden Treibhausgasemissionen ist daher eine dringende Aufgabe, der sich die internationale Staatengemeinschaft stellen muss. Diese setzte sich 1992 auf der Konferenz von Rio de Janeiro in der Klimarahmenkonvention das Ziel, „die Stabilisierung der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre auf einem Niveau zu erreichen, auf dem eine gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems verhindert wird“⁷ und legte den Grundstein mit dem in der 3. Vertragsstaatenkonferenz in Kyoto festgelegten „Kyoto-Protokoll“, das vorsieht, den jährlichen Treibhausgas-Ausstoß der Industrieländer innerhalb der so genannten ersten Verpflichtungsperiode von 2008 bis 2012 um durchschnittlich 5,2% gegenüber dem Stand von 1990 zu reduzieren. Die Europäische Union als Vertragspartei gab dabei eine Reduktionsverpflichtung von -8% vor, wobei Deutschland sich zu einem Minderungsziel von -21% verpflichtete. Die Umsetzung der Zielvereinbarungen wurde in nationalen Gesetzen und Verordnungen festgelegt (siehe Kapitel 7.3) und fordert Anstrengungen in allen Sektoren.

Wie Szenarien und Studien für die Wirtschaftssektoren Deutschlands zeigen, kann eine Stabilisierung von CO2-Emissionen mit den derzeitigen technologischen Möglichkeiten durchaus erzielt werden [vgl. IPC-01, McK-09]. Der Verweis auf die technischen Möglichkeiten impliziert, dass die anvisierten Ziele durch eine Verbesserung der Energieeffizienz und eine forcierte Nutzung regenerativer Energieträger bei gleich bleibend hoher Lebensqualität und unter Beibehaltung des Wirtschaftsstandards durchaus zu erreichen sind [vgl. Sch-04c S.25].⁸

2.2 Die energetische Rolle des produzierenden Gewerbes

Das produzierende Gewerbe in Deutschland bezieht ca. 17% der insgesamt eingesetzten Primärenergie als Endenergie. Dies entspricht durch anteiliges Hinzurechnen der Verluste im Energiesektor ca. 29 % der Primärenergie. Der Endenergieverbrauch wird für verschiedene Anwendungen wie mechanische Energie, Prozesswärme, Warmwasser, Raumwärme und Beleuchtung eingesetzt [Werte aus BMW-09b].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Primärenergieverbrauch Deutschlands 2007 [Daten aus BMW-09b]

Im Vergleich zum Sektor Verkehr mit einer fast ausschließlichen mechanischen Energienutzung fällt die Raumwärme als die Hauptanwendung der Endenergie in den Sektoren Private Haushalte und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen auf [vgl. BMW-09b], weshalb die Verbesserung der Energieeffizienz des Gebäudes durch beispielsweise bessere Isolierung der Gebäudehülle oder auch die Verwendung effizienter Heizsysteme private Haushalte und in Gewerbe, Handel, und Dienstleistungen meist im Zentrum der Betrachtung stehen [vgl. McK-09 S. 20]. Rechtliche Vorschriften und Förderprogramme und vorhandene Beratungsangebote zeigen diese Priorisierung noch einmal auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen des Produzierenden Gewerbes 2007 [Daten aus BMW-09b]

Im produzierenden Gewerbe werden dagegen etwa zwei Drittel des heutigen Energieeinsatzes für Prozesswärme benötigt, davon wird etwa die Hälfte in Öfen und etwa ein Fünftel in Trocknern eingesetzt. Ein Großteil dieses Energiebedarfs ist in Querschnittsanwendungen zu finden. Querschnittstechnologien sind Technologien, deren Anwendungsgebiet sich nicht auf eine bestimmte Industrie beschränkt, sondern die über alle Branchen hinweg Verwendung finden. Darunter fallen unter anderem Technologien zur Bereitstellung von Raumwärme und Prozesswärme. Darüber hinaus gibt es branchenspezifische Anwendungen, die sich vorwiegend auf die Prozesswärmenutzung mit Temperaturen über 200°C beschränken und vor allem in der Chemischen Industrie, der Mineralölerzeugung, der Metall erzeugenden und bearbeitenden Industrie, bei der Erzeugung von Glas und, Keramik sowie bei der Verarbeitung von Steinen und Erden verbreitet sind.

Die Verwendung von mechanischer Energie - ca. ein Viertel des Endenergiebedarfs des produzierenden Gewerbes - wird weitgehend zu den Querschnittsanwendungen gezählt. Darunter fallen die Erzeugung von Druckluft und Kälte und der Einsatz von Pumpen und Ventilatoren [vgl. Sch-04c S.102f].

Hierbei sind große Unterschiede zwischen den einzelnen Branchen und zwischen Unternehmen zu beobachten. Besonders energieintensiv sind Branchen wie Gießereien, Metallerzeugung, Grundstoffchemie und das Papiergewerbe. In folgendem Schaubild sind zum Vergleich die Anteile der Energiekosten am Bruttoproduktionswert verschiedener Branchen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Anteil der Energiekosten am Bruttoproduktionswert ausgewählter Branchen in Deutschland 2007 [Daten aus BMW-09a]

Darüber hinaus sind beim Vergleich von einzelnen Unternehmen einer Branche die Unternehmensgröße, die Fertigungstiefe und die eingesetzten Technologien ausschlaggebend. Unterschiede hierin beeinflussen auch den Raumwärmebedarf für Industriegebäude, da dieser durch die Abwärme der technischen Gebäudeausstattung sowie die technologisch notwendige Lüftung mitbestimmt wird. Laut Müller ist dies der Grund dafür, dass in Modellrechungen zur DIN 18599 „Energetische Bewertung von Nichtwohngebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwasser“ bislang eine detaillierte Betrachtung des Energieverbrauchs in der Produktion noch nicht durchgeführt wurde [vgl. Mül- 09 S.23].

Wissenschaftliche Studien und empirische Analysen kommen zu dem Ergebnis, dass in der Industrie das technisch mögliche Energieeffizienzpotential bei ca. 22% bis 30% und das Einsparpotenzial unter Berücksichtigung industrieüblicher Amortisationszeiten und Renditen ungefähr bei 13% liegt [vgl. McK-09, See-07, EnB-07 S.7]. In dieser Aussage werden sie von Energiesystemmodellen bestätigt. Die Enquete-Kommission zur nachhaltigen Energieversorgung beziffert ein mittleres Energieeffizienzpotenzial in der Industrie von knapp 22 %, von dem die Hälfte bis zu zwei Drittel bei heutigen Energiepreisen als wirtschaftlich gilt [vgl. Enq-02]. Auch die Ikarus-Datenbank weist auf rentable Einsparpotenziale von bis zu 25% in Produktionsanlagen und teilweise auf höhere Werte in Querschnittstechniken hin [vgl. Ste-99].

Zur besseren Einordnung der Bedeutung einzelner Technologien zeigt Abbildung 7 die vom Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in der deutschen Industrie für möglich erachteten ökologischen und ökonomischen Energieeinsparungen pro Jahr zwischen 2003 und 2020 im Durchschnitt. Das errechnete technische Einsparpotenzial liegt bei ca. 22 %, das ökonomische Einsparpotenzial bei ca. 13% des jährlichen Energiebedarfs der deutschen Industrie [vgl. EnB-07 S.7]. Die Einsparpotenziale sind in Abbildung 7 nach verschiedenen Anwendungsbereichen aufgeschlüsselt dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Mögliche jährliche Einsparpotenziale in Prozent des Nutzenergiebedarfs der deutschen Industrie zwischen 2003 und 2020 [Werte aus EnB-07 S.7]

Die Studie von McKinsey & Company im Auftrag von „BDI initiativ - Wirtschaft für Klimaschutz“ stellt darüber hinaus Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland dar. Diese Studie kommt unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Szenarien für die Energiepreisentwicklung annähernd zu den gleichen Ergebnissen. Das untenstehende Schaubild gibt den Zusammenhang zwischen den spezifischen möglichen Maßnahmen und der mit diesen einhergehenden Reduzierung von Treibhausgasemissionen im Industriesektor⁹ vom Jahre 2008 bis zum Jahre 2020 in Deutschland wieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Vermeidungskostenkurve des Industriesektors [vgl. McK-09 S.7]¹⁰

Es lässt sich erkennen, dass in der Industrie effizientere Antriebe, die Wärmerückgewinnung in Lüftungssystemen, effiziente Beleuchtung und die Optimierung der Heizungssysteme der Gebäude soviel Energie einsparen würden, dass die damit verbundenen CO2-Emissionen um rund 21 Millionen Tonnen sänken. Dies wären die derzeit effizientesten Klimaschutzmaßnahmen, da die über den Lebenszyklus eingesparten Energiekosten die höheren Anschaffungskosten übersteigen [vgl. McK-09 S.7f].

Für Unternehmen stellt die Notwendigkeit zur Begrenzung des Klimawandels einen externen Effekt dar. Der Anreiz zur rationellen Energienutzung ergibt sich für Unternehmen entweder als Preissignal oder durch andere relevante Motive. Ersteres geschieht durch Internalisierung der externen Kosten in die Energiepreise fossiler Energieträger wie beispielsweise durch die Ökosteuer oder durch entsprechende verpflichtende Gesetze (siehe Kapitel 7.3). Ein anderes Motiv zur rationellen Energienutzung kann der mittelbare Nutzen darstellen, der durch die Vermarktung eines „grünen Images“ und so in einer höheren Zahlungsbereitschaft der Kunden entsteht [vgl. Sch-04c S.26]. Einer Umfrage der Deutschen Energieagentur (dena) zufolge sehen 97% der befragten Unternehmen das Thema Energieeffizienz und Energiekostenreduzierung deshalb für zunehmend wichtig an [vgl. TNS-05 S.6].

Maßgebende Gründe für den Trend, der Energieeffizienz zunehmend Beachtung zu schenken, waren und sind die Energiepreisentwicklung, die Volatilität der Energiepreise sowie die auf Grund der Klimaschutzproblematik erlassenen Verordnungen und Gesetze. Darüber hinaus lässt sich auch ein Trend zur Vermarktung eines „grünen“ Images erkennen.

3 Grundlagen

3.1 Energetische Grundlagen

Das Verständnis der verschiedenen Dimensionen von Energie ist eine Voraussetzung für energieeffizienzorientierte Fabrikplanung. Energie in unterschiedlichen theoretischen und praktischen Zusammenhängen zu beleuchten und begrifflich zu erfassen ist daher das Anliegen des folgenden Abschnitts. Der Weg führt dabei von einer theoretisch-physikalischen Begriffsbestimmung von Energie über die Darstellung ihrer Bilanzierbarkeit bis hin zur Beschreibung von Energiewandlungsketten. Die aus den der Energie inhärenten Qualitäten der Wandelbarkeit und der Degradation resultierenden Problemstellungen sind ein Kernbereich der Fabrikplanung, die sich die Maximierung der Energieeffizienz zum Ziel gesetzt hat. Die Darstellung führt deshalb auf die energetischen Zusammenhänge und Aspekte hin, die für die praktische Nutzung Relevanz besitzen.

3.1.1 Energie aus physikalischer Sicht

Energie¹¹ als Wort ist abgeleitet aus dem griechischen Wort „en-ergéia“, das „wirkende Kraft“, bedeutet. In der Physik beinhaltet der Begriff Energie die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten, sein Arbeitsvermögen [vgl. Brockhaus-04].

Folgende physikalische Grundzusammenhänge stellen das Basiswissen für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung dar.

Die Energie ist eine Zustandsgröße eines Systems und kann nur durch Zu- oder Abfuhr von Energie über die Systemgrenzen geändert aber nicht erzeugt oder vernichtet werden (1. Hauptsatz der Thermodynamik).

Geht ein System von einem Zustand in einen anderen über, so heißt dies Prozess. Dabei tritt die Prozessgröße Arbeit auf. Wird am System Arbeit verrichtet, erhöht sich seine Energie, sie verringert sich wenn das System Arbeit verrichtet. Im ersten Fall wird also Energie zu-, im zweiten abgeführt.

Die Arbeit W ist die übertragene Energie, welche durch die angreifende Kraft F längs des Weges s an einem Körper bzw. Massepunkt übertragen wird. Der einfachste Fall tritt auf, wenn Kraft und Weg hierbei die gleiche Richtung aufweisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei werden verschiedene Arten von Arbeit unterschieden, die nach der Art der Kraft, die einem System zu oder abgeführt wird, benannt sind (z.B. mechanische Kraft - mechanische Arbeit, magnetische Kraft - magnetische Arbeit).

Diese verschiedenen Arten von Arbeit finden sich in folgenden Energieformen wieder.

Tabelle 1: Energieformen [vgl. Win-07 S.1f, Brockhaus-00]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wärme Q, die über die Systemgrenze hinweg zu- oder abgeführte thermische Energie, nimmt hierbei aus zweierlei Sicht eine Sonderstellung ein. Zum einen ist die Wärme keine Arbeit aber dieser äquivalent. Zum anderen kann die thermische Energie nicht beliebig, sondern nur unter wesentlichen Einschränkungen in Arbeit umgewandelt werden (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Thermische Energie wird deshalb auch als „minderwertige“ Energie bezeichnet. So wird von Energiedegradation gesprochen, wenn z.B. mechanische in thermische Energie überführt wird, und von Energiegradation, wenn z.B. thermische in mechanische Energie übergeht. Bei jeder Energieübertragung wird infolge von Reibung, ohmschen Widerständen oder Strahlungsverlusten ein gewisser Teil in Wärmeenergie umgewandelt; diesen Vorgang bezeichnet man als Dissipation [vgl. Brockhaus-00].

Die Physik benutzt die Begriffe Exergie und Anergie für die Beschreibung des Sachverhalts des

1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Dabei bezeichnet die Exergie denjenigen Anteil Eex =η ⋅ E der bei einem thermodynamischen Umwandlungsprozess eingesetzten Energie W, der bei optimaler Prozessführung in eine gerichtete Form der Energie (mechanische, kinetische, elektromagnetische Energie etc.) überführt werden kann.¹² η bezeichnet hierbei den

Wirkungsgrad der Umwandlung. Anergie, E

an

, ist derjenige Anteil der bei einem

thermodynamischen Umwandlungsprozess eingesetzten Energiemenge, der prinzipiell nicht in eine gerichtete andere Energieform überführt werden kann und deshalb als Abwärme freigesetzt wird. [vgl. Brockhaus-00] Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beim Verrichten von Arbeit, d.h. bei der Wandlung von Energie, geht Exergie in Anergie über. Es kommt also zu einem Exergieverlust, was umgangssprachlich auch als Energieverbrauch bezeichnet wird, auch wird unter Energie meist Exergie verstanden.

Auf Grund der Irreversibilität der Umwandlung von Exergie in Anergie streben abgeschlossene (energiedichte) Systeme einen Zustand an, in dem alle Exergie aufgebraucht ist. Dieser Zustand wird als Wärmetod bezeichnet und drückt ein energetisches Gleichgewicht aus.

Technische Systeme z.B. Fabriken oder Produktionsanlagen sind jedoch offene (energiedurchlässige) Systeme und benötigen die Zufuhr von Exergie, z.B. elektrischer Energie, damit die zur Erfüllung eines bestimmten Nutzens notwendige Energie umgewandelt werden kann. Diese Energien sind - auch physikalisch begründet - knappe Güter.

Eine Definition für Energie, die den Systemcharakter - u.a. für die Fabrikplanung - sehr gut beschreibt, lautet: Energie beschreibt alle Eigenschaften von Zuständen und Prozessen, die einer Arbeit äquivalent und mit gleichem Maß messbar sind [vgl. Fle-08 S.4].

Energie wird mit dem Zeichen E abgekürzt, wobei auf Grund der Proportionalität zur Arbeit auch das Symbol W Verwendung findet. Die SI-Einheit für Energie, Arbeit und Wärme ist Joule [J] in SI-Basiseinheiten ausgedrückt [m² *kg*s-² ]. Die Äquivalenz der darüber hinaus in der Energiewirtschaft und der Technik verwendeten Energieeinheiten spiegelt sich in der Umrechenbarkeit der verwendeten Einheiten wieder. Für einige in der Industrie gebräuchliche Energieeinheiten sind in der folgenden Graphik deren Umrechnungswerte festgehalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Umrechnungswerte für gebräuchliche Energieeinheiten [Werte aus Age-08, S.19]

3.1.2 Energie als Bilanzgröße eines Systems

Für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung ergeben sich aus den geschilderten energetischen Grundlagen erste praktische Schlussfolgerungen: Energie ist eine Bilanzgröße. Energiebilanzen können als Analyseinstrument bei der energieeffizienzorientierten Fabrikplanung eingesetzt werden. Die Bilanzierbarkeit der Energie lässt sich aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ableiten: Die Summe aus der Energie E

Anfang

, die zu einem beliebig wählbaren Anfangszeitpunkt

im betrachteten System (z.B. in der Fabrik, im Betriebsmittel) gespeichert ist, plus der

zugeführten Energie bzw. Arbeit E zu ist gleich der Summe der in einem beliebig gewählten Endzustand gespeicherten Energie E End und der abgegebenen Energie (bzw. Arbeit) E

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der industriellen Praxis können Lagerbestände von Energieträgern - z.B. Heizöl - als gespeicherte Energie verstanden werden. Bei der Bilanzierung von Produktionsprozessen spielt jedoch gespeichert Energie meist keine Rolle. Dann gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die zugeführte Energie¹³ in die Fabrik bzw. in das Produktionsmittel kann in der Praxis meist durch Messungen ermittelt werden. Die abgegebene Energie bzw. Arbeit E Nutzenergie E und Verlustenergie E zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Gegensatz zur zugeführten Energie kann die Nutzenergie in der Praxis direkt nur schwer oder gar nicht gemessen werden.¹⁴ Sie lässt sich jedoch ggf. mit bekannten Wirkungsgraden von Betriebsmitteln, die aus technischen Dokumentationen entnommen werden können, ermitteln. Auf die zahlenmäßige Berechnung der Nutzenergie wird in der Praxis meist verzichtet.¹⁵

Eine typische Kennzahl, mit der Energiewandlungen bzw. die zugehörigen Prozesse, Betriebsmittel oder deren Komponenten im Unternehmen energetisch beurteilt werden, ist der

Wirkungsgrad. Dieser beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie E Energie E

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Differenz von zugeführter Energie und Nutzenergie wird als Verlustenergie E bezeichnet. Ver Dementsprechend kann der Wirkungsgrad auch folgendermaßen ausgedrückt werden.

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Um eine Vorstellung für verschiedene Wirkungsgrade zu vermitteln, sind in folgender Tabelle Wirkungsgrade von ausgewählten Betriebsmitteln aufgezeigt:

Tabelle 2: Wirkungsgrade verschiedener Betriebsmittel [Werte aus Sch-06 S.76]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei ist anzumerken, dass bei Energiewandlungsketten die Wirkungsgrade der Umwandlungsschritte, um den Gesamtwirkungsgrad zu ermitteln, multipliziert werden müssen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird die Energie in mehreren Stufen umgewandelt, wird der Wirkungsgrad aufgrund der Multiplikation der Wirkungsgrade meist sehr gering. Dieser Sachverhalt verdeutlicht, dass kurze Energiewandlungsketten in der Fabrikplanung anzustreben sind.

Abschließend ist der energetische Nutzungsgrad n zu nennen, der eine Kennzahl ist, deren Berechnung der des Wirkungsgrads ähnelt. Für die zugeführte Energie und die Nutzenergie werden jedoch periodenbezogene Summen eingesetzt (z.B. Jahresnutzenergie).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wirkungsgrad misst die energetische Effizienz für einen bestimmten, meist den optimalen, Betriebspunkt des jeweiligen Prozesses bzw. der Betriebsmittel. Prozesse und Betriebsmittel können aber nicht über die gesamte Betriebszeit in diesem günstigen Betriebspunkt gefahren werden. Der Nutzungsgrad n bietet sich deshalb als alternative Kennzahl an.

Für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung ergeben sich aus diesen systemtechnischen Betrachtungen erste praktische Handlungsansätze um den Energiebedarf eines Systems zu reduzieren:

- Es ist möglich, den Wirkungsgrad eines Systems - durch technische Verbesserungen zu steigern (vgl. Formel 3-6)
- Es ist möglich, den Nutzungsgrad eines Systems - bei gegebenem Wirkungsgrad - zu steigern (Formel 3-9)
- Es ist möglich, die Verlustenergie ins System rückzuführen bzw. außerhalb des System weiter zu verwenden, so genannte Energierückgewinnung bzw. -weiternutzung

3.1.3 Energiewandlungsketten

Produzierende Unternehmen beziehen Energie in unterschiedlicher Form z.B. als elektrischen Strom, als Kraftstoff (Heizöl, Erdgas) oder als Fernwärme. Jeder dieser Nutzenergien durchläuft zuvor eine Energiewandlungskette.

Energiewandlungsketten bestehen aus Kettengliedern aufeinander folgender Energiewandlungsschritte. In der Regel beginnen Energiewandlungsketten mit dem Primärenergierohstoff, der umgewandelt wird in Primärenergie, diese in Sekundärenergie(n), diese wiederum in Endenergie, Nutzenergie. Am Ende der Kette stehen die Energiedienstleistungen.

Es gibt lange und kurze Energiewandlungsketten mit unterschiedlicher Anzahl von Wandlungsschritten¹⁶. Jeder Schritt geht mit Energieverlusten einher. Die typische Energiewandlungskette beginnt mit der Gewinnung von Energie, führt über die Speicherung, den Transport, zur Verteilung und Nutzung, schließlich zur Abfuhr von Abwärme. Energiewandlungsketten gehen in der Regel mit Stoffumwandlungsketten zusammen. Die Stoffintensität ist sehr unterschiedlich, sie geht von den investiv und betrieblich stoffintensiven primärenergierohstoff-abhängigen fossilen und nuklearen Energien zu den betrieblich primärenergierohstofflosen erneuerbaren Energien gegen Null¹⁷ [vgl. Win-07 S.1].

Abbildung 10 illustriert die Energiewandlungskette und die damit zusammenhängenden Begriffe.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Energiewandlungskette [i.a.A. Kal-03 S.3]

Nachstehend sind die dargestellten Energiearten näher erläutert.

- Primärenergie: Die potenziell aus Energiequellen verfügbare Energie von natürlich vorkommenden Energieträgern, die noch keine Umwandlung durch den Menschen erfahren haben, wird als Primärenergie bezeichnet. Derzeit weltweit verwendete Primärenergien sind die fossilen Energieträger Kohle, Öl und Gas, die Kernenergie und regenerative Energien wie Wasserkraft, Biomasse sowie in geringem Umfang Sonnenenergie und Windenergie [vgl. Brockhaus-00]. Für die Fabrik entspricht die Primärenergiemenge der Energie, die zur Deckung des Bedarfs benötigt wird. Die zusätzliche Energiemenge, die durch vorgelagerte Prozessketten außerhalb der Systemgrenze bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung der jeweils eingesetzten Energieform eingesetzt wurde, wird hierbei ebenfalls berücksichtigt.
- Sekundärenergie: Der Anteil der Primärenergie, welcher nach der Aufbereitung aus seiner natürlichen Form zur weiteren Nutzung verbleibt, wird als Sekundärenergie bezeichnet. Die Unterscheidung zwischen Primärenergie und Sekundärenergie wird in der Literatur zum Teil vernachlässigt, dies hat aber für die weitere Betrachtung für diese Arbeit keine Konsequenzen [vgl. Die-97 S.24, Hau-06, S.2].
- Endenergie: Die gegebenenfalls durch Umwandlung von Primärenergie dem Verbraucher zugeführte Energie. Sie entspricht der Nutzenergie plus der zur Bereitstellung und Energieumwandlung in den Anlagen benötigten Energiemenge innerhalb der Systemgrenze Fabrik. Dem Verbraucher werden üblicherweise folgende Endenergien bzw. Endenergieträger zur Verfügung gestellt: Fernwärme, Strom, Gas, Heizöl, Kraftstoffe und feste Brennstoffe [vgl. Reb-02 S.38]. Der Energiegehalt wird zum Zeitpunkt und an dem Ort gemessen, an dem der Energieträger in den Besitz des Nutzers übergeht. Im Normalfall werden die Kosten auf Basis der Endenergie berechnet.
- Nutzenergie: Unter der Nutzenergie wird derjenigen Anteil der Endenergie verstanden, der vom Verbraucher nach Abzug von Verlusten für die gewünschte Energiedienstleistung zur Verfügung steht (z.B.: erzeugt ein Leuchtmittel nicht nur Licht, sondern strahlt auch Wärme ab), sprich: die tatsächlich zu ihrer eigentlichen Bestimmung verwendete Energie [vgl. Brockhaus-00].

Einen praktischen Nutzen haben Primärenergiefaktoren. Sie ermöglichen, anhand eines Koeffizienten eine gegebene Endenergiemenge in den dafür durchschnittlich benötigten Primärenergieaufwand umzurechnen. Der Primärenergiefaktor berücksichtigt hierbei den zusätzlichen Energiebedarf bei der Gewinnung des Primärenergieträgers, die Energieumwandlung sowie den Transport zum Endabnehmer. Ein Beispiel hierfür ist der Primärenergiefaktor des deutschen Strom-Mix von 3, d.h. um beim Endabnehmer 1 kWh Strom zur Verfügung zu stellen werden 3 kWh Primärenergie benötigt. In nachstehender Tabelle sind die in der DIN V 4701-10 veröffentlichten gemittelten Primärenergiefaktoren aufgeführt:

Tabelle 3: Primärenergiefaktoren fp für Standard-Wärmeversorgung [vgl. DIN-08]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Energiebedarf ist im Unternehmen als Endenergiebedarf aus Messungen oder Rechnungen der Energieversorger bekannt und wirtschaftlich bewertbar. Aufgrund des unterschiedlichen Primärenergieaufwands einzelner Energieträger ist aus Energieeffizienzsicht eine Umrechnung mit konkreten errechneten Primärenergiefaktoren der Energielieferanten oder vereinfacht mit Primärenenergiefaktoren der DIN V 4701-10 notwendig, um unterschiedliche Energieträger vergleichen und verrechnen zu können.¹⁸ Um den Primärenergiegehalt verschiedener Energiearten und Energieträger zu bestimmen, muss deren Bedarf mit den in Tabelle 3 ersichtlichen Primärenergiefaktoren multipliziert werden. Aus Sicht der Energieeffizienz sind Energieformen mit geringem Primärenergiefaktor vorzuziehen.

Für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung resultieren aus den Betrachtungen in diesem Kapitel zwei Ansätze, um den investiv und betrieblich stoffintensiven primärenergierohstoffabhängigen fossilen und nuklearen Primärenergiebedarf zu reduzieren:

- Es ist möglich, durch Substitution des Energieträgers die Energiewandlungskette zu verkürzen und so den Bedarf an stoffintensiven primärenergierohstoff-abhängigen fossilen und nuklearen Primärenergien zu reduzieren.
- Es ist möglich, die stoffintensiven primärenergierohstoff-abhängigen fossilen und nuklearen Primärenergien durch regenerative Energien zu substituieren.

3.2 Begriffsbestimmung

Die Integration der Energieeffizienz als Zielgröße in die Fabrikplanung setzt die Klärung des Begriffs voraus. Der Begriff Energie wurde bereits im vorausgehenden Abschnitt eingehend betrachtet und für die energieeffizienzorientierte Fabrikplanung brauchbar definiert. Im Folgenden rückt die Komponente Effizienz in den Fokus der Betrachtung. Die dabei gewonnenen Bedeutungsinhalte werden ergänzt durch Definitionen von Energieeffizienz aus der Literatur, die dargestellt und diskutiert werden. Mit der Synthese der Definitionen und erörterten Charakteristika wird abschließend eine neue Begriffsbestimmung für Energieeffizienz als Grundlage für diese Arbeit gewonnen.

3.2.1 Effizienz

Das Wort Effizienz geht auf denselben Wortstamm wie Effektivität zurück. Lateinisch „effectus“ bedeutet Ausführung, Wirkung, Erfolg [vgl. Brockhaus-04]. In der betriebswirtschaftlichen Literatur wird jedoch zwischen Effektivität und Effizienz differenziert, wobei eine kaum zu überblickende Begriffs- und Definitionsvielfalt vorzufinden ist [vgl. Ahn-03 S.90f]. Prinzipiell können aber die vielfältigen Definitionsansätze zu drei Konzepten zusammengefasst werden [vgl. Ahn-96 S.26].

Beim ersten Konzept, eher angloamerikanischer Herkunft, dient Effektivität der Kennzeichnung der Erreichung langfristiger Ziele eines Unternehmens. Demgegenüber erfasst die Effizienz die Input-Output-Relationen und kann aus diesem Grund anhand rein ökonomischer Kennziffern wie Wirtschaftlichkeit oder Produktivität gemessen werden [vgl. Etz-64 S.8]. Effizienz stellt folglich einen bestimmten Aspekt der Effektivität dar [vgl. Bud-77 S.92f] und kann als eine Dimension des übergeordneten Merkmals „Effektivität“ aufgefasst werden [vgl. Bün-95 S.74].

Das zweite Konzept, welches besonders im deutschen Sprachraum verbreitet ist, betrachtet Effektivität lediglich „als die grundsätzliche Eignung eines Mittels, ein Ziel mit Hilfe dieses Mittels zu erreichen“ [Fes-80 S.30]. Effizienz wird als Grad der Zielerreichung [vgl. Sta-79 S.89] bzw. als Ziel-Mittel-Verhältnis definiert [vgl. Fes-79 S.2]. Auf eine begriffliche Unterscheidung von Effektivität und Effizienz wird häufig verzichtet und stattdessen nur noch der Begriff „Effizienz“ verwendet [vgl. Fre-00 S.258f].

Das dritte Konzept, welches insbesondere in neueren Quellen vertreten ist, prägt die Aussage: „Effektivität (Leistungsfähigkeit) bedeutet, die richtigen Dinge zu tun, während Effizienz (Wirksamkeit) heißt, die Dinge richtig zu tun“ des Autors Peter F. Drucker [vgl. Dru-67 S.1f]. Daraus abgeleitet ist Effektivität der Beitrag zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit und die Effizienz das Verhältnis aus erbrachten Leistungen und den dafür eingesetzten Faktormengen [vgl. Ped-85 S.1082]. Die Effizienz spiegelt sich hierbei im ökonomischen Prinzip wieder, das sich dadurch ausdrückt, dass mit gegebenen Mitteln das Ergebnis maximiert, beziehungsweise, dass es ein vorgegebenes und genau charakterisiertes Zielniveau mit minimalem Mitteln zu erreichen gilt [vgl. Eich-00 S.136]. So sind effektive Maßnahmen hinsichtlich des Erfolgs eines Unternehmens wirkungslos, wenn sie ineffizient gestaltet werden. Umgekehrt ist eine effizient gestaltete Maßnahme nicht zielgerichtet, wenn sie selbst ineffektiv ist. Im Allgemeinen kann das Verhältnis von Effektivität und Effizienz mit der Alternativhypothese von Porter erklärt werden. Diese sagt im Wesentlichen aus, dass der Nutzen bei gegebenem Preis höher sein muss als bei der Konkurrenz (Effektivitätsorientierung) oder bei gegebenem Nutzen der Preis niedriger (Effizienzorientierung) [vgl. Por-99 S.71].

In dieser Arbeit wird dem dritten Konzept gefolgt, Effektivität und Effizienz als voneinander getrennte Inhalte zu betrachten, da die Fabrikplanung u.a. aufbauend auf dem Produktionsprogramm, welches durch die Unternehmensplanung festgelegt wird [vgl. VDI-09 S.4], ein festes Ziel verfolgt. Dieses Ziel stellt hierbei eine absolute Mindest-Effektivität dar. Dabei wird unter Effektivität das „Tun der richtigen Dinge“ verstanden, womit die Effektivität den Beitrag zu den Zielen des Unternehmens durch die optimale Zielgestaltung bemisst und damit als Ziel im Rahmen der Zweck-Ziel-Relation zweckdienlich ist. Gleichberechtigt zur und unabhängig von der Effektivität beinhaltet die Effizienz das „richtige Tun der Dinge“, womit die Effizienz den „Wirkungsgrad“ von Prozessen des Unternehmens bemisst und damit ebenfalls als Ziel im Rahmen der Zweck-Ziel-Relation fungiert.

3.2.2 Energieeffizienz

Um den Begriff Energieeffizienz im Folgenden als definierte Begrifflichkeit in der Fabrikplanung verwenden zu können und ein einheitliches Verständnis zu schaffen, werden verschiedene bestehende Definitionen der Energieeffizienz aus der Literatur einander gegenübergestellt und vor dem Hintergrund bereits gewonnener energetischer Grundlagen und der Begriffsbestimmung von Effizienz beleuchtet.

Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena): „Energieeffizienz bedeutet schonende Energiegewinnung und sorgsamer Umgang mit Energie in allen Bereichen. Wer Energie effizient einsetzt, verhindert Ressourcenverschwendung und schont die Umwelt. Energieeffizienz bedeutet nicht zuletzt: Geld sparen. Wer weniger verbraucht, muss weniger bezahlen.“ [den-09b]

Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU):

„Energieeffizienz bezeichnet die möglichst effiziente Nutzung von Heizenergie, Bewegungsenergie und anderen Energieformen. Durch Verbesserung der Energieeffizienz von Häusern, Autos, Maschinen usw. kann der Energieverbrauch stark gesenkt werden, was dem Klimaschutz dient.“ [BMU-09]

Müller, E.: „Energieeffizienz heißt, einen gewünschten Nutzen (Produkte oder Dienstleistungen) mit möglichst wenig Energieeinsatz herzustellen oder aus einem bestimmten Energieeinsatz möglichst viel Nutzen zu ziehen.“ [Mül-09 S.2] Dabei wird folgende Formel angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schmid, Ch.: „Die Energieeffizienz bemisst sich danach, wie viel Energie benötigt wird, um eine „Energiedienstleistung“ (im Sinne einer Bedürfnisbefriedigung z.B. beleuchtete und temperierte Räume, Transport, Durchführung von verfahrenstechnischen Prozessen, Informationsverbreitung) bereitzustellen.“ [Sch-04c S.25]

Diese Definitionen haben alle ihre Berechtigung, wobei der Fokus jeweils etwas anders ausgerichtet ist. Die Deutsche Energie-Agentur legt das Hauptaugenmerk auf die Energiegewinnung und -verwendung. Energieeffizienz stellt hier eine Art der Energieeinsparung dar, des Weiteren wird die Wirtschaftlichkeit hervorgehoben. Als Zweck wird hier Ressourceneinsparung, Umweltschutz und Kostensparen genannt. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit grenzt die Energieeffizienz auf die Energieverwendung ein und nennt mögliche verschiedenen Energieformen und deren Verwendung, wobei die Energieeffizienz mit effizienter Nutzung umschrieben wird, eine genaue Definition von Effizienz aber nicht stattfindet. Der Zweck ist in dieser Definition der Klimaschutz.

Die ersten beiden Definitionen umschreiben die Energieeffizienz aus pragmatischer Sicht als eine konkrete Handlung den Energieeinsatz zu reduzieren und gehen hierbei auf bestimmte Gestaltungsfelder ein. Darüber hinaus werden die Ziele genannt, die damit erreicht werden sollen. Um die Energieeffizienz wissenschaftlich auszudrücken, sind diese Definitionen aber nicht hinreichend.

Müller verweist bei der Definition der Energieeffizienz direkt auf das ökonomische Prinzip (vgl. Kapitel 3.2). Den Nutzen stellen hierbei Produkte oder Dienstleistungen dar. Bei dieser Definition fällt auf, dass Energieeffizienz nicht nur als Kenngröße aufgefasst wird, sondern direkt eine Handlung beinhaltet, nämlich entweder bei festgehaltenem Energieeinsatz den Nutzen zu maximieren oder umgekehrt den Nutzen festzuhalten und den Energieeinsatz zu minimieren. Auf eine Unterscheidung zwischen Effizienz und Effektivität wird bei dieser Definition verzichtet.

Schmid hingegen sieht die Energieeffizienz als eine Eigenschaft einer Energiedienstleistung, wobei deren benötigte Energie die Messgröße darstellt. Schmidt begreift den Begriff Energieeffizienz als messbare Größe. Der Begriff Bedürfnisbefriedigung¹⁹ beschreibt dabei einen geforderten Nutzen. Die Energieeffizienz ist, wie auch bei Müller, ein Verhältnis. Durch die Verwendung des Begriffs „Bedürfnisbefriedigung“, der einen bestimmten Nutzen impliziert, folgt Schmid dem dritten Konzept (vgl. Kapitel 3.2) und grenzt damit Effizienz und Effektivität von einander ab.

Im Folgenden wird im Wesentlichen die Definition von Schmid übernommen, da sie die Begriffsbestimmung der Effektivität in Kapitel 3.2 am besten widerspiegelt und explizit die Messbarkeit der Energieeffizienz erwähnt. Von Müller wird der Begriff bestimmter bzw. gewünschter Nutzen übernommen. Es wird außerdem die Effizienz als Verhältnis aufgefasst, wodurch die Optimierung der Energieeffizienz unabhängig davon definiert werden muss. Um das gewünschte Ziel, das mit der Optimierung der Energieeffizienz einhergeht, zu verdeutlichen, wird außerhalb der Definition auf die Motivation zur Energieeffizienzsteigerung eingegangen.

Abbildung 11 veranschaulicht die erörterten und übernommenen Charakteristika.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Charakteristika der Energieeffizienz

Durch die Synthese der Definitionen und der erörterten Charakteristika ist folgende neue Definition für Energieeffizienz entstanden, die als eine der Grundlagen der vorliegenden Arbeit dienen wird.

Energieeffizienz ist allgemein das Verhältnis von einem bestimmten (gewünschten) Nutzen zu dem dafür eingesetzten Produktionsfaktor Energie. Unter Nutzen wird die Erreichung gewünschter Eigenschaften, Waren, Dienstleistungen oder Energie im Sinne einer Bedürfnisbefriedigung verstanden. Der Produktionsfaktor Energie ist die Summe der dafür eingesetzten Energie ungeachtet ihrer Form²⁰:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten²¹

Maximierung der Energieeffizienz bedeutet hierbei den geforderten (gewünschten) (Mindest-) Nutzen mit dem minimalen Energieeinsatz zu erreichen (ökonomisches Prinzip).²²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Energieeinsatz als Summe aller eingesetzten Energieträger kann entweder als Energieeinheit (vgl. Abbildung 9) z.B. kWh oder Joule angegeben oder auf eine (monetäre) Bezugsgröße umgerechnet werden.

Die Motive zur Verbesserung der Energieeffizienz können unterschiedlichster Natur sein, die wesentlichen sind die klassische Kostenreduktion, die mögliche Ressourceneinsparung oder der Umweltschutz.

3.3 Fabrikplanung

Das folgende Kapitel wendet sich Problemen und Fragestellungen der allgemeinen Fabrikplanung zu mit dem Ziel, ein Planungsmodell zu gewinnen, das für die Realisierung einer energieeffizienzorientierten Fabrikplanung (eFAP) geeignet ist bzw. nutzbar gemacht werden kann. Der Umfang und die Komplexität der Fabrikplanung in ihren Gestaltungsfeldern und Planungsbereichen und den sich daraus ergebenden Planungsaufgaben sind ebenso Gegenstand wie die Abgrenzung gegen andere Planungsdisziplinen.

Der Komplexität der Fabrikplanung Herr zu werden, stellt für den Theoretiker wie für den Praktiker eine Herausforderung dar. Es wurde deshalb nicht darauf verzichtet, einige Ansätze für den Planungsverlauf (vgl. Abbildung 13) ausführlich darzustellen und zu diskutieren, die Gemeinsamkeiten herauszuarbeiten und sie in einem Planungsmodell zusammenzufassen. Dieses Modell wird schließlich als Grundlage für die eFAP konfiguriert.

3.3.1 Definition und Umfang der Fabrikplanung

Planung ist die gedankliche Vorwegnahme einer zielgerichteten aktiven Zukunftsgestaltung. Sie beinhaltet das systematische Suchen und Festlegen von Zielen sowie Aufgaben und Mitteln zum Erreichen der Ziele [vgl. REFA-85].

Zur zukünftig optimalen Gestaltung der Fabrik können unterschiedlichste technische und organisatorische Maßnahmen für die verschiedenen Fabrikbereiche geplant bzw. definiert, konkretisiert und umgesetzt werden [vgl. Paw-07 S.13].

Für den Fabrikplanungsbegriff gibt es eine Vielzahl an Definitionen, wovon Ausgewählte im Folgenden vorgestellt werden.

- Aggteleky: „Die Fabrikplanung ist ein vielseitiges, komplexes und weitläufiges Planungsgebiet, in dem die verschiedenen Teilaufgaben durch eine einheitliche Zielsetzung zu einem geschlossenen Ganzen zusammengefasst werden. Es besteht aus einem hierarchisch aufgebauten System von Ermittlungen, Untersuchungen und Entscheidungen, bei dem die Ergebnisse der Teiluntersuchungen weitgehend die Aufgabenstellung der nachfolgenden Teilarbeiten bestimmen, die benachbarten Gebiete sich gegenseitig beträchtlich beeinflussen können und eine genaue Koordinierung erfordern.“ [Sch-95, S.70]
- Schmigalla: „Fabrikplanung ist die vorausbestimmende Gestaltung von Fabriken. Die Fabrik ist nach betriebswirtschaftlichen Zielen sowie nach den Erfordernissen der arbeitenden Menschen und der Umwelt zu planen. Die Fabrikplanung umfasst die Analyse, Zielfestlegung, Funktionsbestimmung, Dimensionierung, Strukturierung, Integration und Gestaltung von Fabriken als System wie auch ihrer Teilsysteme, Elemente, Substrukturen und Prozesse.“ [Sch-95, S.71]
- VDI Richtlinie 5200: „Fabrikplanung ist der systematische, zielorientierte, in aufeinander aufbauende Phasen strukturierte und unter Zuhilfenahme von Methoden und Werkzeugen durchgeführte Prozess zur Planung einer Fabrik von der Zielfestlegung bis um Hochlauf der Produktion. Sie kann ebenso die später folgende Anpassung im laufenden Betrieb beinhalten. Der Fabrikplanungsprozess kann verschiedene Anlässe haben sowie unterschiedliche Planungsgrundfälle umfassen. Die Aufgaben werden in Form von Projekten im Team bearbeitet und mit Methoden des Projektmanagements gesteuert.“ [VDI-09, S.3]

Aggteleky betont die Komplexität und Vielschichtigkeit der Planungsaufgabe und weist besonders auf die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Elementen hin. Schmigalla hebt hervor, dass die Fabrikplanung vor der Herausforderung steht, die zukünftige Produktion vorauszuplanen, und dass dabei die Verfolgung spezifischer Ziele entscheidend ist. Dagegen steht für den VDI im Vordergrund, dass es sich bei der Fabrikplanung um einen Prozess handelt, der durch verschiedene Methoden und Werkzeuge unterstützt wird. Als weiterer Kernpunkt wird genannt, dass sowohl bei der Neuplanung als auch bei der Anpassung von Industriebetrieben von Fabrikplanung gesprochen wird.

Bei aller Unterschiedlichkeit der aufgeführten Fabrikplanungsdefinitionen geht die Fabrikplanung im Allgemeinen auf folgende Aufgabeninhalte ein [vgl. Paw-07 S.14]:

- Strategievorhaben, wie z.B. Outsourcing-, Kooperations-, Produktions-, Technologieentwicklungsstrategien

- Strukturvorhaben, wie z.B. Standort-, Produktions-, Materialfluss- Gebäude- und Infrastruktur einschließlich der Konzeptionen für Produktionsorganisation und -logistik sowie Verwaltungs- und Hilfsfunktionen
- Systemvorhaben, wie z.B. Bearbeitungs-, Transport-, Lager-, Gebäudesysteme einschließlich der zugehörigen Organisationssysteme und Einrichtungen

3.3.2 Gestaltungsbereiche

Wird eine Fabrik systemorientiert und in ihre Komponenten und deren Wechselwirkungen zerlegt betrachtet, so können einerseits die Wirksysteme

- Produkt
- Technologie
- Organisation
- Mittel
- Raum
- Personal
- und Finanzen

unterschieden werden, welche in ihrem Zusammenwirken den Herstellprozess charakterisieren. So setzen sich alle Betriebsprozesse beziehungsweise die Untersuchungsbereiche aus diesen Wirksystemen der Fabrik zusammen und terminieren die Durchführung als auch das Prozessergebnis. Hierbei können Wechselwirkungen zwischen den Wirksystemen selbst aber auch mit der Umwelt in Form von äußeren Anforderungen wie Markt und Ökologie stattfinden [vgl. Paw-07 S.15, IFA-08 S.4, VDI-09 S.4].

Andererseits können die Wechselwirkungen der Wirksysteme in unterschiedlicher Detailliertheit betrachtet werden, wobei hierbei die nachstehenden fünf Planungsebenen mit abnehmender Größe herangezogen werden:

1. Das Produktionsnetz: Lokal, regional, überregional oder international konfigurierter Verbund von Standorten eines oder mehrerer Unternehmen.
2. Das Werk: Örtlich-räumlich geschlossener Produktionsbereich an einem Standort, wobei ein Werk mehrere Gebäude aufweisen kann. Betrachtet werden hierbei auch interne Wegnetze, Außenanlagen und die Anbindung an die werksexterne Infrastruktur.
3. Das Gebäude: Räumlich geschlossener Produktionsbereich mit bestimmten aber nicht unbedingt geschlossenen Produktionsaufgaben, wobei dieser aus einzelnen Segmenten oder Teilen von Segmenten bestehen kann.
4. Das Segment: Bestehend aus geschlossenen Produktionsbereichen mit mehreren Arbeitsplätzen mit definierten Produktionsaufgaben.
5. Der Arbeitsplatz: Als elementarer Produktionsbereich mit Betriebsmitteln und Nebeneinrichtungen.

Werden die Wirksysteme auf jeder Planungsebene betrachtet, ergeben sich die Planungsfelder einer Fabrik. Die Fabrikplanung kann somit in die Begriffswelt angrenzender Planungsdisziplinen eingeordnet werden, dies ist in nachstehender Abbildung dargestellt. Darin bildet die Fabrikplanung die Brücke zwischen Unternehmensplanung und dem Fabrikbetrieb über alle Planungsebenen, dies unter Berücksichtigung aller Wirksysteme mit ihren Abhängigkeiten sowie ihrer Wirkrichtung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Planungsdisziplinen und deren Abgrenzung [i.A.a. Paw-07 S.15]

3.3.3 Planungsbereiche

Die Gestaltungsbereiche der Fabrik werden in der Fabrikplanung in vier unterschiedliche Planungsbereiche namentlich der Festlegung von Fabrik- und Projektzielen, der Standortplanung, der externen Logistik und der Fabrik- und Produktionslogistik unterteilt [vgl. VDI-09 S.4]. Diese können jeweils einer oder mehreren Planungsebenen sowie einem oder mehreren Wirksystemen zugeordnet werden [vgl. Paw-07 S.15, vgl. VDI-09 S.3f]:

Im Bereich der Festlegung von Fabrik- und Projektzielen werden die Produktions- und Standortstrategien aus den Unternehmenszielen transformiert und die Randbedingungen, Prämissen und Zielsetzungen für die Planung abgeleitet.

Im Bereich der Standortsuche und -auswahl wird der geographische Ort für die Fabrik, auf der Planungsebene Werk oder Gebäude bzw. Segment bei Eingliederung in bestehende Fabriken bestimmt.

Im Bereich der Planung von Beschaffungs-, Distributions- und Entsorgungslogistik wird die Anbindung einzelner Fabriken an externe Logistiknetze bis hin zur Gesamtplanung der Logistik eines Produktionsnetzes betrachtet, wobei ein komplettes Werk oder Teile davon, das heißt Gebäude, Segmente oder Arbeitsplätze, betrachtet werden.

Im Bereich der Fabrik und Produktionslogistik (Bereich der Fabrikplanung im engeren Sinn) werden alle der Produktion zugehörigen Funktionen von Wareneingang bis Versand mit produktionsunterstützenden Hilfsfunktionen, z.B. Instandhaltung geplant. Inhalt der Planung sind auch die Planung der Werkstruktur mit Gebäuden und Außenanlagen, die Werksanbindung an die externe Infrastruktur oder aber die Strukturierung eines Fabrikverbundes, also die Festlegung der standortübergreifenden Produktionsordnung.

[...]

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¹ Anteil fossiler Energieträger am weltweiten Energiebedarf 2007 [vgl. IEA-09 S.28]

² Anders als in vielen anderen Industriestaaten ist der Energiebedarf in Deutschland seit vielen Jahren weitgehend stabil. Er lag 2005 um 4,5 % unter dem Wert von 1990. Energieverbrauchsanstieg und Wirtschaftswachstum sind somit in Deutschland weitgehend entkoppelt. [vgl. Wey-08 S.1]

³ Natururan wird nach Schätzungen zufolge noch etwa 40 Jahre abgebaut werden können. [vgl. BBF-08 S.4]

⁴ Einer vom britischen Erdölkonzern BP in Auftrag gegebenen Studie zufolge reichen die Vorräte fossiler

Energieträger bei gleich bleibendem Verbrauch beispielsweise bei Erdöl 40 Jahre, bei Erdgas 60 und bei Kohle etwa 230 Jahre. [vgl. BP-08 S.4f]

⁵ Amortisationszeiten von Investitionen fielen aufgrund der Energiepreissteigerung im Jahre 2009 gegenüber dem Jahr 2005 im Mittel 20% kürzer aus. [vgl. Hüt-09]

⁶ Der energetische Einsatz von Energieträgern spielt generell eine besondere Rolle, da er im Gegensatz zum stofflichen Einsatz von Energieträgern aber auch im Gegensatz zum Einsatz anderer stofflichen Ressourcen wie beispielsweise Metalle irreversibel „entwertet“ wird. Dieser Sachverhalt resultiert aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik (vgl. Kapitel 3.1.1).

⁷ Artikel 2 der United Nation Framework Convention on Climate Chance (UNFCCC)

⁸ Die teilweise sehr langen Re-Investitionszyklen müssen hierbei beachtet werden [vgl. Joc-03 S.9].

⁹ Dem Bereich Industrie wurden in dieser Studie weder der tertiäre Sektor noch die industrielle Strom- und Fernwärmeerzeugung zugerechnet.

¹⁰ Abgebildet ist das Basisszenario 2008 für 2020 aus Entscheiderperspektive

¹¹ SI-Einheit der Energie (wie der Arbeit) ist das Joule (J). Wegen der Verschiedenartigkeit der Energieformen und der unterschiedlichen Wertebereiche der frei werdenden Energiebeträge haben sich verschiedene Einheiten herausgebildet, die einander äquivalent sind.

¹² Wie groß der Anteil der Exergie an der gesamten Energie eines Systems ist, wird von der Umgebungstemperatur bestimmt.

¹³ meist in Form von elektrischer Energie, thermischer Energie oder Druckluft

¹⁴ Im besten Fall können Ergebnisse aus Laboruntersuchungen herangezogen werden um z.B. die im Werkstück gespeicherte Verformungsarbeit zu ermitteln.

¹⁵ Zur Verlustenergie zählt vor allem Wärme, die unerwünscht aus thermischen Produktionsprozessen entweicht

¹⁶ Kettengliedern

¹⁷ Die Quellen bzw. die Stoffe, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist, werden Energieträger genannt. Bei Energieträgern werden zwischen primäre und sekundäre Energieträger differenziert.

¹⁸ Die Primärenergiefaktoren werden bei z.B. bei der Erstellung des Energieausweises für das Gebäude (vgl. Kapitel 7.4) benötigt.

¹⁹ Als Bezeichnung für die Bedürfnisse, die mit der Energieanwendung befriedigt werden sollen, z.B. beleuchtete Arbeitsplätze, temperierte Räume, Herstellung eines Produkts definierter Qualität, hat sich auch der Begriff der „Energiedienstleistung“ etabliert.

²⁰ Zu Energieformen vgl. Kap. 3.1.1

²¹ In der Praxis wird meist der spezifische Energieeinsatz, der Kehrwert der Energieeffizienz als Kenngröße angegeben [vgl. ÖKO-09 S.27, VDI-03].

²² Erwähnenswert ist an dieser Stelle, dass es eine angeregte Debatte dahingehend gibt, ob die Optimierung der Umwandlungskette (bis hin zu den Energiedienstleistungen) ausreichend ist, um die Herausforderungen, die mit der Energienutzung und dem Verbrauch fossiler Energieträger einhergehen, zu bewältigen, oder ob nicht auch ein Umdenken hinsichtlich des geforderten (gewünschten) Nutzens erfolgen muss [vgl. Lin-02, Moe- 00 S.521ff, Her-00]. Für die Bewertung des Energieeinsatzes in der Fabrikplanung und somit in dieser Arbeit soll diese Fragestellung ausgeklammert bleiben, da hier die Anforderungen weitgehend festgelegt sind. So gibt die Unternehmensplanung unter anderem vor, welches Produktionsprogramm zu realisieren ist und somit als Planungsgrundlage bei der Fabrikplanung dient.