Die Verarbeitung von Gummi und Kunststoff ist eine energieintensive Verarbeitungstechnologie. Weil Ressourcen begrenzt sind und Steigerungen der Energiekosten drohen, gehört die Energieeffizienz zu den viel diskutierten Themen. Die Politik formuliert Ziele, mit denen die Industrie konfrontiert wird. Was werden die Folgen sein? Eine europaweite Analyse zeigt, dass die Gummi und Kunststoff verarbeitende Branche insgesamt auf einem guten Weg ist, jedoch viele Potenziale nicht nutzt, weil sie als Einsparungspotenzial nicht bewusst sind.

Eine Zielformulierung, vor allem die Beurteilung der Zielerreichung, fordert klare Definitionen von Bezugsgrößen. Über viele Jahre hinweg hat sich in der Industrie der spezifische Energieverbrauch Specific Energy Consumption (SEC) als Kenngröße etabliert. Er gibt Auskunft über den Energieverbrauch, bezogen auf eine bestimmte Durchsatzmenge an Material. Um den SEC zu ermitteln, ist es notwendig, die Systemgrenzen klar zu definieren. Zwei Ausprägungen haben sich etabliert. Der SEC bezogen auf die Fabrik (S-SEC: Site-SEC), alternativ dazu der SEC bezogen auf die einzelne Verarbeitungsmaschine (M-SEC: Machine-SEC).

Gesamter Verbrauch einer Fabrik

Der S-SEC beinhaltet den gesamten Verbrauch innerhalb einer Fabrik, bezogen auf deren Produktionsausstoß. Zum Verständnis ein Beispiel mit folgenden Annahmen: Es produziert ein Unternehmen pro Jahr Produkte im Umfang von 400 Tonnen und verbraucht insgesamt 1.000 MWh elektrische Energie. Werden die beiden Werte in Relation gesetzt, ergibt dies den sogenannten S-SEC. Das ist der spezifische Energieverbrauch einer Fabrik mit der physikalischen Einheit kWh/kg. Im genannten Beispiel wären das 1.000.000 kWh/400.000 kg, also 2,5 kWh/kg, also werden im Unternehmen für 1 kg Fertigprodukt insgesamt 2,5 kWh Energie aufgewendet.

Im Gegensatz dazu der M-SEC: Dieser wird oftmals von den Herstellern von Verarbeitungsmaschinen verwendet. Er inkludiert den gesamten Energieverbrauch einer Verarbeitungsmaschine. Der Wert des M-SEC gibt, abhängig vom jeweiligen Produkt, Aufschluss über die Energieeffizienz einer Verarbeitungsmaschine und beinhaltet auch jenen Energieanteil, der für den Wärmeeintrag in den zu verarbeitenden thermoplastischen Werkstoff erforderlich ist. Nicht enthalten sind produktspezifische Anteile, die durch das formgebende Werkzeug bestimmt sind, wie beispielsweise Temperierung, Kühlung, Heißkanalheizung.

Den Produkt- oder prozessbezogenen Energieverbrauch, die den gesamten Herstellprozess eines Produktes beschreiben, findet man typischerweise in Großserienanwendungen, wie in der Medizintechnik oder Verpackungstechnologie. Hier werden seit geraumer Zeit Gesamtprozesse optimiert. In den technischen Anwendungen fehlt dieser Ansatz derzeit noch weitgehend. Der produktbezogene spezifische Energieverbrauch wird P-SEC (Product-SEC) genannt und beinhaltet somit Verarbeitungsmaschine mit vor- und nachgelagerten Prozessen wie beispielsweise Materialförderung, Materialtrocknung, Werkzeugkühlung, Temperierung, Manipulation, Montage, Lackierung und Druckluft.

Europaweite Studie

Die Forderung der Europäischen Kommission aus dem Jahre 2008 lautet: Reduktion des Energieverbrauchs bis 2020 um 20 Prozent. Die Folge: Eine Fülle von Fragen für die Kunststoff und Gummi verarbeitende Industrie: Wo steht der Verbrauch heute? Sind die Forderungen erfüllbar? Mit welchen Maßnahmen? Anhand detaillierter Befragungen und Analysen von Maschinenherstellern und Verarbeitern sowie der Analyse von Materialströmen hat die Urbanek Consulting ein europäisches Markt-Technologie-Modell entwickelt, das die Bereiche Spritzguss, Extrusion, Blasformen und Thermoformen umfasst [1].

Die durchschnittliche Effizienzentwicklung der Verarbeitungsmaschinen zeigt darin eine kontinuierliche Verbesserung bereits im Zeitraum von 1990 bis 2010. Bemerkenswert ist diese Entwicklung insofern, als Energieeffizienz in dieser Periode kaum als vorrangiges Thema identifiziert war. Mit dem Streben nach höherer Produktionsleistung haben die Maschinenhersteller neue Technologien eingesetzt und als Nebeneffekt zur Verbesserung der Energieeffizienz beigetragen. Über alle Technologien lässt sich grob sagen, dass in den letzten 20 Jahren die Produktivität verdoppelt werden konnte, gleichzeitig ist der spezifische Energieverbrauch um rund 30 Prozent gesunken.

Ein Blick in die Zukunft: Die größten Effizienzgewinne sind für die Population der Spitzgieß- und Blasformmaschinen zu erwarten. Auch in der Extrusion und im Thermoformen sind weitere Potenziale vorhanden, fallen aber im Vergleich deutlich geringer aus. Trotz der deutlichen Effizienzsteigerung beispielsweise durch die rasante Umstellung auf die Servoantriebstechnik (mechanisch oder in Kombination mit Hydraulikpumpen) sind diese Verbesserungen im Markt deutlich verzögert wirksam. Ausschlaggebend für den tatsächlichen Verbrauch der Industrie ist die jeweilige Zusammensetzung der aktuellen Maschinenpopulation. Angesichts der praktischen Nutzungsdauer von Produktionsmaschinen von durchschnittlich 18 Jahren werden die technischen Erkenntnisse von heute erst voll wirksam, wenn der Substitutionsprozess veralteter Maschinentechnologie abgeschlossen sein wird.

Klar festzuhalten ist, dass heute die Technik vorhanden ist, um die Ziele der EU für 2020 ohne Probleme zu erfüllen. Der organische Substitutionsprozess (der Substitutionsprozess alleine aufgrund der Marktkräfte) wird zumindest eine Effizienzsteigerung der europaweiten Population um 14 Prozent ermöglichen. Wird eine höhere Effizienz gewünscht, so wird es verschiedener Maßnahmen bedürfen:
Entwicklung einer stärkeren Sensibilität der Verarbeiter im Hinblick darauf, dass sich die Investition in effizientere Maschinen monetär lohnt , also nicht nach dem klassischen Kriterium des günstigsten Beschaffungspreises kaufen, sondern nach Life-Cycle-Cost-Kriterien.
Praxisorientierte Standards, die dem Verarbeiter eine echte Beurteilungs- und Entscheidungshilfe bieten. Die Neuauflage der Euromap 60 sollte ein Schritt in diese Richtung sein.

Transparenz hinsichtlich des produktbezogenen Energieverbrauchs schaffen, das bedeutet das Verständnis dafür zu entwickeln, wo im Unternehmen Verschwendung passiert und daher Potenziale geschöpft werden können.

wirtschaftspolitische Anreize für die Verarbeiter fördern.
Die Studie brachte das beachtliche Ergebnis zutage, dass der Abstand zwischen dem M-SEC und dem S-SEC beträchtlich ist. Auf ganz Europa bezogen verbraucht die Gesamtheit aller Verarbeitungsmaschinen 22,8 TWh, die Gesamtheit aller Kunststoff- und Gummi verarbeitenden Betriebe zusammen 66,5 TWh. Der reine Wärmeeintrag in das zu verarbeitende Material beträgt rund 8 TWh und so gut wie nicht beeinflussbar.

Der hoffnungsvolle Glaube, durch effizientere Verarbeitungsmaschinen den Verbrauch der Fabriken drastisch zu senken [2], ist so zunichte gemacht. Die in der zitierten Studie beschriebene Erwartung, dass die Unternehmen dramatische Einsparpotenziale haben und diese im Wesentlichen durch die Verarbeitungsmaschinen getragen werden, ist fernab jeglicher Realität.

Energieverbrauch transparent machen

Natürlich wird jede Ersatzinvestition in eine energieeffizientere Produktionsmaschine oder -anlage immer einen kleinen Schritt nach vorne bedeuten. Entscheidend ist aber das Verständnis um die Zusammenhänge aller Komponenten und Einrichtungen eines Produktionssystems. Hier sind saubere Analysen erforderlich, wobei es im Prinzip zwei Lösungsansätze gibt. Der erste Lösungsweg ist die einmalige Analyse des gesamten Produktionsbetriebs. In dieser Analyse erfolgt eine Bestandsaufnahme der Ist-Situation: Energieflüsse werden visualisiert, Effizienzpotenziale identifiziert. Im Anschluss wird daraus ein Maßnahmenkatalog entwickelt. Nach dessen Umsetzung werden die Ergebnisse überprüft. Dieser Ansatz stellt einen guten ersten Schritt dar in Richtung Effizienzgewinn. Zudem fördert er das Bewusstsein für eine neue Qualität. Allerdings wird bei diesem Weg kein Werkzeug installiert, das einen Prozess in Gang setzen und halten würde. Der zweite Lösungsweg ist ein kontinuierliches Monitoring des P-SEC mit all seinen Anteilen.

Ausgehend von der Produktionsmaschine wird das gesamte Produktionsumfeld erfasst, einschließlich zentraler Funktionen, auf die das Produktionssystem zugreift. Energieflüsse werden transparent, in dem Messfühler für Temperatur, Durchflussmengen und Druck angebracht und Schaltzeiten erfasst werden. Diese Transparenz der Zusammenhänge und der Kosten werden Überlegungen zur laufenden Verbesserung und Optimierung vorantreiben.

Die dynamische Entwicklung der Gummi und Kunststoff verarbeitenden Technologien brachte und bringt auch weiterhin Zugewinne an Produktivität und Energieeffizienz. Seitens der Maschinentechnologie sind die Voraussetzungen für die Erfüllung der Ziele der EU gegeben. Wenig Beachtung fand bisher der Energieverbrauch und die -verschwendung innerhalb der Produktionsinfrastruktur. Hier allerdings liegt ein großer Erfolgshebel für die Verarbeiter und zwar durch die ganzheitliche Analyse des Produktionssystems und der produktbezogenen Erfassung von Ressourcenströmen. Damit werden auch die Energiekostenanteile kalkulatorisch am einzelnen Produkt transparent.

Die laufende Erfassung von Ressourcen- und Energieflüssen schafft die notwendige Transparenz, um im Unternehmen Ressourcen und Energie professionell zu managen und auch Investitionsentscheidungen besser treffen zu können. Das Resultat: ein besseres Unternehmensergebnis und ein aktiver Beitrag zur Umwelt. Wohl führt die ISO 50001 dazu, dass sich Unternehmen mit Energiemanagement auseinandersetzen werden. Angesichts des nicht unwesentlichen wirtschaftlichen Potenzials lohnt es sich aber, proaktiv und konsequent an das Thema heranzugehen, schneller als andere Marktteilnehmer zu sein und das Potenzial für den eigenen Erfolg zu nutzen.

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Über den Autor

Dr. Otto Urbanek Dr. Urbanek Technologie Management, Ried im Innkreis office@urbanek-consulting.com