Unternehmen tun sich oftmals schwer, in bestehenden Produktionen systemische Energieeffizienzpotenziale zu erfassen, zu bewerten und auszuschöpfen. Das Forschungsprojekt ETA im Bestand entwickelt dazu anwenderfreundliche Technologien und Methoden.

Viele Unternehmen arbeiten mit bereits länger bestehenden Systemen. Wenn es dann darum geht, die Energieeffizienz zu steigern, fokussieren sie sich meist zunächst auf einzelne Prozesse oder Anlagen. Wer jedoch mögliche Energieeinsparpotenziale vollständig ausschöpfen will, muss die systemischen Wechselwirkungen auf die Energieeffizienz umfassend betrachten.

Halle der Forschungsfabrik ETA-Fabrik von oben mit mehreren Maschinen einer metallverarbeitenden Produktion.
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Hessen Schafft Wissen/Foto: Jan Hosan
Die ETA-Fabrik bildet eine metallverarbeitende Produktionskette im realen Maßstab ab.

Dabei könnten Produktionen deutlich energieeffizienter betrieben werden, wenn das gesamte System der Fabrik erfasst und vernetzt wird. Dies hat bereits das Forschungsprojekt ETA-Fabrik gezeigt: Wird ein Prozess neu eingerichtet oder eine Produktion neu aufgebaut, können alle Anlagen sowie die Betriebsstätte energieeffizient aufeinander abgestimmt werden. Im realgetreuen Forschungsdemonstrator wurden dadurch rund 45 Prozent des Gesamtenergiebedarfs eingespart.

Bestehende  Prozesse in der Metallverarbeitung bis zu 40 Prozent effizienter gestalten

Wie ein mögliches Einsparpotenzial bei bereits bestehenden Prozessen und Betriebsstätten aussieht und umgesetzt werden kann, damit beschäftigt sich nun ein Konsortium aus Wissenschaft und Industrie im Forschungsprojekt „ETA im Bestand: Technologie- und Methodenbaukasten zur Energieeffizienzsteigerung im Bestand der metallverarbeitenden Industrie“. Im Forschungsprojekt wollen die WissenschaftlerInnen konkrete Technologie- und Methodeninnovationen entwickeln, die in bereits bestehenden Industrieanlagen angewendet werden können. Ziel ist es, damit 25 bis 40 Prozent der Primärenergie einzusparen. Für die entsprechenden Wirtschaftszweige der Metallverarbeitung bedeutet das rund 13 bis 23 Terawattstunden (TWh) jährlich. ETA im Bestand adressiert stellvertretend die metallverarbeitende Industrie, da diese in Deutschland zu den stärksten Industriezweigen gehört. Die entwickelten Lösungen sollen später auch für andere Industriebereiche verwertbar sein.

ETA im Bestand, ETA-Fabrik und ETA Transfer

Die Motivation für ETA im Bestand ist durch die Forschungsprojekte  ETA-Fabrik und ETA-Transfer entstanden. Im Forschungsprojekt ETA-Fabrik haben die Projektpartner gezeigt, wie ein kompletter Produktionsprozess von einzelnen Anlagen bis zum Produktionsgebäude energieeffizient aufeinander abgestimmt werden kann. Die ETA-Fabrik wurde dazu neu errichtet und bildet eine metallverarbeitende Produktionskette im realen Maßstab ab. Im Forschungsprojekt ETA-Transfer übertragen die WissenschaftlerInnen ihre Ergebnisse aus der ETA-Fabrik in reale Anwendungsfälle. Dabei zeigt sich vermehrt, dass Industrieunternehmen sich schwertun, Energieeffizienzpotenziale in bestehenden Produktionsanlagen umzusetzen. Das Forschungsprojekt ETA im Bestand soll hier weiterhelfen.

Bottom-up: von einzelnen Anlagen bis zur Produktionsumgebung optimieren

Das Besondere bei ETA im Bestand ist der ganzheitliche Ansatz: Zunächst gehen die WissenschaftlerInnen von den Anlagen und Einzelprozessen aus, betrachten sie anschließend aber in der gesamten Produktionsumgebung. Bei  den einzelnen Prozessen sollen Maschinen bedarfsgerechter gesteuert, Wärme rückgewonnen sowie Wärmeverluste reduziert werden. Übergeordnet auf der gesamten Produktionsumgebung geht es darum, die einzelnen Anlagen miteinander zu vernetzen, damit Synergieeffekte entstehen und genutzt werden können. Dies ermöglicht, nötige energetische Sanierungen gesamtheitlich zu planen.

ETA im Bestand: Prozessschritte der Metallverarbeitung

Im Forschungsprojekt ETA im Bestand werden drei typische Prozesse aus der Metallverarbeitung optimiert: Bei der Zerspanung wird Metallteilen eine bestimmte Form gegeben. Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen sind dabei typische Verfahren. In der Regel werden die Metallbauteile nach jedem Bearbeitungsschritt gereinigt und damit für den nächsten Bearbeitungsschritt vorbereitet. Die Bauteilreinigung kann, abhängig von der Bauteilform und der Verschmutzung, mechanisch oder chemisch erfolgen. Oftmals wird hier auch Wasser als Reinigungsmittel eingesetzt.

Ist ein Bauteil fertig bearbeitet, ist abschließend eine Wärmebehandlung notwendig. Diese sorgt dafür, dass das Bauteil ausreichend hart sowie widerstandsfähig gegenüber Verschleiß und Korrosion wird. Dazu sind sehr hohe Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius nötig. Alternativ kann hier das sogenannte Nitrieren oder Nitrocarburieren eingesetzt werden, bei dem Stickstoff beziehungsweise Stickstoff und Kohlenstoff zugeführt werden. Dies geschieht bei niedrigeren Temperaturen von rund 500 Grad Celsius, benötigt aber eine längere Behandlungszeit.

Ein Beispiel ist hier das sogenannte „Haus-in-Haus“-Konzept. Bei diesem wird eine Halle in einzelne Zonen unterteilt, in denen die unterschiedlichen Prozesse ablaufen. Die Zonen werden jeweils mit einem bedarfsgerecht arbeitenden, lokalen Klimatisierungssystem ausgestattet. Der Energieverbrauch, um die Hallenluft mittels konventioneller Lüftungstechnik zu konditionieren, kann damit erheblich reduziert werden.

Simulation und Systembewertung als Werkzeuge nutzen und Hemmnisse abbauen

Unternehmen benötigen anwenderfreundliche Werkzeuge, um Effizienzpotenziale einfacher identifizieren und damit ihren Betrieb energetisch optimieren zu können. Entwicklungsbedarf besteht insbesondere darin, ausgehend von der aktuellen Situation, die Energieeffizienz bewerten und gezielt Maßnahmen finden zu können: Schließlich sollen sich lokale Anpassungen nicht negativ auf das Gesamtsystem auswirken. Im Forschungsprojekt ETA im Bestand arbeiten die WissenschaftlerInnen daher an Simulationsmöglichkeiten und Bewertungsmethoden für die gesamte Produktionskette. Mit diesen lassen sich konkrete Maßnahmen herausarbeiten und in der Praxis umsetzen. Die Werkzeuge können dabei helfen, Hemmnisse bei Unternehmen abzubauen und neue Technologien für mehr Energieeffizienz einzusetzen.

Neue Technologien und Methoden in die Praxis bringen

An ETA im Bestand sind drei Forschungspartner aus der Wissenschaft sowie sieben Industrieunternehmen beteiligt: die Technische Universität Darmstadt (TUDa) — vertreten durch das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) in der Konsortialführung sowie dem Institut für Statik und Konstruktion (ISMD) —, das Leibnitz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) und das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) sowie EMAG Maschinenfabrik, Innogration, MAFAC, anacision, LTX Simulation und ETA-Solutions. Das große Forschungskonsortium inklusive seiner assoziierten Partner und einem Anwenderarbeitskreis ermöglicht es, Lösungen für diverse Industrien zu entwickeln und diese einem breiten Branchenpublikum zugänglich zu machen. Insbesondere die am Forschungsprojekt beteiligten Komponentenhersteller spielen eine wichtige Rolle für den direkten und schnellen Transfer in die Praxis: Sie selbst werden auch Anwender der neuen Technologien und Methoden sein. (ln)

Innenansicht einer CNC-Drehmaschine. Der Maschinenkopf dreht sich für die spanende Bearbeitung eines Bauteils.
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Hessen Schafft Wissen/Foto:Jan Hosan

Spanende Bearbeitung: In einer vertikalen CNC-Drehmaschine wird ein Bauteil gefertigt

Mit Werkstücken beladenes Chargiergestell in einem Gasnitrierofen
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Hessen Schafft Wissen/Foto:Jan Hosan

Durch das Nitrieren in einem Gasnitrierofen werden die Bauteile gehärtet und widerstandsfähig gemacht.

Abgasfackel eines Gasnitrierofens mit Abgaswärmetauscher
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Foto:Jan Hosan

An der Abgasfackel eines Gasnitrierofens wird ein Abgaswärmetauscher eingesetzt. So kann Wärme aus dem Nitrierprozess rückgewonnen und anderweitig eingesetzt werden.

Außenansicht der ETA-Fabrik: Das Gebäude leuchtet bei Nacht.
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Foto:Jan Hosan

Außenansicht der ETA-Fabrik bei Nacht

Die Halle der Forschungsfabrik ETA-Fabrik von oben mit mehreren Maschinen einer metallverarbeitenden Produktion.
©TU Darmstadt/PTW/ETA-Fabrik/Hessen Schafft Wissen/Foto:Jan Hosan

Die ETA-Fabrik bildet eine metallverarbeitende Produktionskette im realen Maßstab ab.

ETA im Bestand: Technologie- und Methodenbaukasten zur Energieeffizienzsteigerung im Bestand der metallverarbeitenden Industrie

För­der­kenn­zei­chen: 03EN2048 A-I

Projektlaufzeit
01.11.2020 31.10.2023 Heute ab­ge­schlos­sen

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©TU Darmstadt

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