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Energieeffizienzsteigerung durch Wärmeintegration in Betrieben

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<strong>Energieeffizienzsteigerung</strong><br />

<strong>durch</strong> <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong> <strong>in</strong><br />

<strong>Betrieben</strong><br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Hans Schnitzer 1,2 , Bett<strong>in</strong>a Slawitsch 2 , Christoph Brunner 2<br />

1<br />

Technische Universität Graz,<br />

Institut für Ressourcenschonende und Nachhaltige Systeme<br />

2 JOANNEUM RESEARCH Graz,<br />

Institut für Nachhaltige Techniken und Systeme<br />

hans.schnitzer@tugraz.at<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Steyrergasse 17, A-8010 Graz, Austria, e-mail:<br />

pr@joanneum.at, web: http:// www.joanneum.at<br />

1<br />

Energetischer Endverbrauch <strong>in</strong> Österreich<br />

Quelle: Energiebericht 2003<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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2


Industrielles Resourcenmanagement<br />

(Example: ZERMEG)<br />

Reduktion der Verbräuche <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Galvanikbetrieb<br />

1,2<br />

1<br />

0,8<br />

0,6<br />

0,4<br />

0,2<br />

0<br />

Rechtliche Vorgaben<br />

Ökoeffizienz<br />

Projekt<br />

Kont<strong>in</strong>uierliche Verbesserung<br />

Umweltmanagement<br />

Zero Emissions<br />

Projekt<br />

Innovation<br />

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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3<br />

Anteil der Materialkosten an den Produktionskosten<br />

Quelle:<br />

N.N.: Managen Sie<br />

Ihre Materialflüsse effizient?<br />

Produktion Nr.11, 2003<br />

vom 13.3.2003<br />

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4


Energiekosten wurden bisher weitgehend<br />

vernachlässigt<br />

<br />

<br />

<br />

Energieeffizienz ke<strong>in</strong> anerkannter Vorteil bei<br />

Verkaufsgesprächen<br />

Energiekosten betreffen alle Konkurrenten, daher nicht<br />

wettbewerbsrelevant<br />

Energie selten e<strong>in</strong>e Kernkompetenz des Unternehmens,<br />

eher e<strong>in</strong> Thema für „Techniker“<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Versorgungssicherheit bisher ke<strong>in</strong> Thema, Energie war<br />

immer sicher und ausreichend verfügbar<br />

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5<br />

Energiefragen gew<strong>in</strong>nen zunehmend an Bedeutung<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Emissionen aus Energieanlagen geraten zunehmend <strong>in</strong><br />

die umweltpolitische Diskussion (Climate Change,<br />

Emissionshandel, …)<br />

Die Versorgungssicherheit und stabile Energiepreise<br />

werden nicht mehr als selbstverständlich angesehen<br />

Die steigenden Energiepreise erhöhen das Bewusstse<strong>in</strong><br />

für mögliche Reduktionsmöglichkeiten<br />

Viele Manager sehen e<strong>in</strong>en effizienten Umgang mit<br />

Energie über die re<strong>in</strong>e Wirtschaftlichkeit h<strong>in</strong>aus als<br />

e<strong>in</strong>en Bestandteil ihres verantwortungsvollen<br />

Managements<br />

Reduktion der Energiekosten steigert die<br />

Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen<br />

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6


Möglichkeiten der Verbesserung e<strong>in</strong>es betrieblichen<br />

Energiemanagements<br />

Technologieoptimierung - Optimierung e<strong>in</strong>zelner<br />

Prozesse; <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong> im Prozess;<br />

energieeffiziente Technologien<br />

Verbesserung des technischen Wirkungsgrades von Anlagen,<br />

Masch<strong>in</strong>en und Apparaten<br />

Systemoptimierung; energieeffiziente Produktion;<br />

Wärmerückgew<strong>in</strong>nung, P<strong>in</strong>ch Analyse<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Energiemanagement; Lastmanagement, Monitor<strong>in</strong>g<br />

Erneuerbare Energieversorgungskonzepte; E<strong>in</strong>satz<br />

erneuerbare Energien für Produktionsprozesse<br />

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7<br />

Konzentration auf Energiedienstleistungen<br />

Energie zu verbrauchen ist nie<br />

Unternehmenszweck<br />

Energie erfüllt immer nur e<strong>in</strong>e Dienstleistung und<br />

ist nie (selten?) im Produkt enthalten<br />

Energiedienstleistungen (Trocknen,<br />

Transportieren, Stofftrennung, Mischen,…) können<br />

aber oft effizienter <strong>durch</strong> neue Technologien<br />

erfolgen<br />

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8


Beispiel Re<strong>in</strong>igung<br />

<br />

<br />

<br />

Durch Verwendung neuer Waschmittel können die<br />

Waschtemperaturen gesenkt werden<br />

Durch die Verwendung neuer Waschmasch<strong>in</strong>en kann die<br />

Wassermenge (und damit der Energieverbrauch) deutlich<br />

gesenkt werden<br />

Durch den E<strong>in</strong>satz anderer Textilien kann die Verschmutzung<br />

reduziert werden<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Durch Kreislaufschließungen beim Wasserhaushalt kann<br />

Energie rückgewonnen werden<br />

<br />

<br />

Durch Wärmetauscher kann Abwärme aus flüssigen und<br />

gasförmigen Emissionen rückgewonnen werden<br />

…<br />

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9<br />

Wasserlose Re<strong>in</strong>igung von Metallteilen<br />

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10


<strong>Energieeffizienzsteigerung</strong> <strong>durch</strong><br />

<strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong> <strong>in</strong> <strong>Betrieben</strong><br />

Vorgehensweise und Betriebserfahrungen<br />

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11<br />

Systematische Vorgangsweise<br />

<br />

<br />

Erfassung aller relevanten Daten des<br />

Produktionsprozesses<br />

Darstellung der aktuellen Situation (Sankey Diagramm,<br />

Fließbild)<br />

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12


Der Industrieprozess<br />

Kühlsystem<br />

Destillation<br />

Verdampfung<br />

Heizsystem<br />

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13<br />

Energiebilanz: Analyse des Gasbedarfs<br />

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14


Systematische Vorgangsweise<br />

<br />

<br />

<br />

Erfassung aller relevanten Daten des<br />

Produktionsprozesses<br />

Darstellung der aktuellen Situation (Sankey Diagramm,<br />

Fließbild)<br />

E<strong>in</strong>satz effizienter Technologien, <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong><br />

(P<strong>in</strong>ch Analyse) und Design des<br />

Wärmetauschernetzwerks<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Darstellung der neuen optimierten Situation<br />

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15<br />

Abwärmenutzung<br />

Wo s<strong>in</strong>d Wärmequellen und wo s<strong>in</strong>d Wärmesenken<br />

im Prozess?<br />

Verdampfung<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Kühlsystem<br />

Destillation<br />

Heizsystem<br />

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16


Abwärmenutzung<br />

Wo s<strong>in</strong>d Wärmequellen und wo s<strong>in</strong>d Wärmesenken<br />

im Betrieb?<br />

Wärme<br />

20°C<br />

Betrieb<br />

90°C<br />

Produkte<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Strom<br />

Verschiedene Prozesse müssen erwärmt<br />

werden, andere gekühlt werden<br />

(Prozesskühlung oder Abwärme)<br />

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17<br />

Abwärmenutzung<br />

Wo s<strong>in</strong>d Wärmequellen und wo s<strong>in</strong>d Wärmesenken<br />

im Betrieb?<br />

Wärme<br />

Strom<br />

20°C<br />

Betrieb<br />

90°C<br />

Produkte<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Verschiedene Prozesse müssen erwärmt<br />

werden, andere gekühlt werden<br />

(Prozesskühlung oder Abwärme)<br />

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18


Systematische Vorgangsweise<br />

<br />

<br />

<br />

Erfassung aller relevanten Daten des<br />

Produktionsprozesses<br />

Darstellung der aktuellen Situation (Sankey Diagramm,<br />

Fließbild)<br />

E<strong>in</strong>satz effizienter Technologien, <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong><br />

(P<strong>in</strong>ch Analyse) und Design des<br />

Wärmetauschernetzwerks<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Darstellung der neuen optimierten Situation<br />

<br />

E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung der Erneuerbarer Energieträger<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

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19<br />

E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung Erneuerbarer Energie<br />

E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung Erneuerbarer nach<br />

Prozessoptimierung<br />

Welche erneuerbarer Energieform<br />

für welchen Prozess?<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Kühlsystem<br />

Destillation<br />

Verdampfung<br />

Heizsystem<br />

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20


E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung Erneuerbarer Energieträger<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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21<br />

Systematische Vorgangsweise<br />

<br />

<br />

<br />

Erfassung aller relevanten Daten des<br />

Produktionsprozesses<br />

Darstellung der aktuellen Situation (Sankey Diagramm,<br />

Fließbild)<br />

E<strong>in</strong>satz effizienter Technologien, <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong><br />

(P<strong>in</strong>ch Analyse) und Design des<br />

Wärmetauschernetzwerks<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Darstellung der neuen optimierten Situation<br />

<br />

<br />

<br />

E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung der Erneuerbarer Energieträger<br />

Berechnung der gesamten Energiee<strong>in</strong>sparung<br />

(Energieeffizienz und Solar<strong>in</strong>tegration)<br />

Wirtschaftlichkeitsberechnung (TCA und<br />

Kapitalwiedere<strong>in</strong>br<strong>in</strong>gzeit)<br />

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22


Wirtschaftlichkeitsberechnungen<br />

<strong>in</strong>vestment and revenues(€)<br />

€ 5.000.000,00<br />

€ 4.000.000,00<br />

€ 3.000.000,00<br />

€ 2.000.000,00<br />

€ 1.000.000,00<br />

Return of <strong>in</strong>vestment<br />

100%<br />

80%<br />

60%<br />

40%<br />

20%<br />

0%<br />

-20%<br />

-40%<br />

<strong>in</strong>ternal rate of return (%)<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

-60%<br />

€ 0,00<br />

-80%<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />

-€ 1.000.000,00<br />

-100%<br />

years<br />

net present value [€] <strong>in</strong>ternal rate of return<br />

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23<br />

Erfahrungen aus Fallbeispielen <strong>in</strong> Österreich<br />

Biohof Krogger<br />

Brau Union Österreich AG<br />

(Brauerei Göss)<br />

FSB Fass<strong>in</strong>dustrie<br />

Johann Eberhard GmbH<br />

Magna Steyr<br />

Berglandmilch<br />

Eybl AG<br />

Beerenfrost<br />

Brauerei Murau<br />

Pengg<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

OM Obersteirische Molkerei<br />

Wolford<br />

Roche Diagnostics<br />

Thermenland<br />

Lutzmannsburg<br />

Sta<strong>in</strong>zer Molkerei<br />

Toni’s Freilandeier<br />

VOEST ALPINE Austria Draht<br />

Schirnhofer<br />

Stahl Judenburg<br />

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24


OBERSTEIRISCHE MOLKEREI OM<br />

Lebensmittel<strong>in</strong>dustrie<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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zertifiziert<br />

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25<br />

Obersteirische Molkerei<br />

Obersteirische Molkerei reg.Gen.m.b.H<br />

2 Standorte mit 150 Mitarbeitern<br />

• Knittelfeld: Käseproduktion<br />

• Kapfenberg: Frischmilch und Functional Food<br />

Genossenschaft mit 3500 Bauern aus den Regionen<br />

Murau, Knittelfeld, Judenburg, Bruck/Mur, Mariazell<br />

und Mürzzuschlag<br />

Gründung 1991<br />

Knittelfeld - Produktion: Käse, Molkepulver<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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26


Aufgabenstellung<br />

Konzept für Energieeffizienz unter Betrachtung<br />

aller thermisch relevanten Prozesse<br />

(ausgenommen der CIP Anlagen)<br />

• Wärmetauscher<br />

• Warmwasserhaushalt und Speicher<br />

Konzept zur E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung von solarer<br />

Prozesswärme<br />

• nach Prozessoptimierung für verbleibenden<br />

Energiebedarf<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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27<br />

Energiebilanz<br />

Von Dampfenergie:<br />

Basisverbrauch – 20 %<br />

Prozesswärme – 68 %<br />

Molkee<strong>in</strong>dampfung – 39 %<br />

Käsemilch/Molkevorwärmung – 20 %<br />

10 restlichen Prozesse – 9 %<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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28


Ergebnisse<br />

E<strong>in</strong>sparungen <strong>durch</strong> <strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong> -<br />

Wärmetauschernetzwerk<br />

• Käsemilchvorwärmung – Molkekühlung (nach Fermenter)<br />

• Abwärme von Molkee<strong>in</strong>dampfung – Molkeerwärmung vor<br />

E<strong>in</strong>dampfung<br />

E<strong>in</strong>sparungen <strong>durch</strong> E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung e<strong>in</strong>er Solaranlage<br />

• Für Prozesswassererwärmung<br />

• 1000 – 1500 m²<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

E<strong>in</strong>sparungen gesamt – 175.000 Euro/a<br />

Investitionskosten<br />

• 100.000 Euro Wärmerückgew<strong>in</strong>nung<br />

• 200 – 300.000 Euro Solaranlage<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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29<br />

Maßnahmen<br />

Energieeffizienz<br />

E<strong>in</strong>sparung<br />

<strong>in</strong> kWh/a<br />

3.480.000<br />

E<strong>in</strong>sparung<br />

<strong>in</strong> €/a<br />

175.000<br />

CO2<br />

Reduktion <strong>in</strong><br />

t/a<br />

869<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

Solare<br />

Prozesswärme<br />

(1500 m²<br />

Kollektorfläche)<br />

583.100<br />

146<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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30


Energiebedarf<br />

Molkerei<br />

27 GWh/a<br />

23,5 GWh/a<br />

22,9 GWh/a<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

(<strong>in</strong>kl. E<strong>in</strong>sparung möglicher Verluste)<br />

E<strong>in</strong>sparung ~ 15 % (33%)<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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31<br />

Magna Steyr<br />

Automobilzuliefer<strong>in</strong>dustrie<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

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32


Firma<br />

MAGNA STEYR<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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33<br />

Aufgabenstellung<br />

Bereich Lackierung<br />

Analyse von Wärmequellen und Wärmesenken<br />

• Datenerhebung<br />

• Berechnungen und Prozessbilanzen<br />

Optimierung der Energieversorgung<br />

• Optimierte Wärmerückgew<strong>in</strong>nung (Trockner,<br />

Kältemasch<strong>in</strong>en, Kompressoren)<br />

• E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung von erneuerbaren Energieträgern (Solare<br />

Prozesswärme für die Behandlungsbäder)<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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34


Ergebnisse<br />

Wärmetauschernetzwerk für die Trockner<br />

• Optimierung der Trocknerluftführung<br />

• Verbesserte <strong>in</strong>terne Nutzung des Abluftstromes<br />

(mometan 200-300°C)<br />

• Leistung der möglichen Wärmerückgew<strong>in</strong>nung für 12<br />

Trockner 4 MW<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Steyrergasse 17, A-8010 Graz, Austria, e-mail:<br />

pr@joanneum.at, web: http:// www.joanneum.at<br />

35<br />

Ergebnisse<br />

Maßnahme<br />

WRG Trockner<br />

E<strong>in</strong>sparung<br />

<strong>in</strong> kWh/a<br />

20.000.000<br />

Gas<br />

E<strong>in</strong>sparung<br />

<strong>in</strong> €/a<br />

~800.000<br />

CO2<br />

Reduktion <strong>in</strong><br />

[t/a] [1]<br />

4.000<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

[1]<br />

Annahme des Umrechnungsfaktors: aus 1 m³ Erdgas entstehen bei der Verbrennung 2 kg CO 2.<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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36


Ergebnisse<br />

Trockner<br />

53 GWh/a<br />

33 GWh/a<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Steyrergasse 17, A-8010 Graz, Austria, e-mail:<br />

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37<br />

Styrian Promise – 10 Energiekonzepte<br />

Firma<br />

Biohof Krogger<br />

Brau Union Österreich AG (Brauerei Göss)<br />

FSB Fass<strong>in</strong>dustrie<br />

Johann Eberhard GmbH<br />

Magna Steyr<br />

Maßnahmen<br />

Energiekonzept <strong>in</strong>kl. Biomasseheizung und Solaranlage<br />

für die Hofmolkerei<br />

Optimierung des Brauchwasserhaushaltes<br />

Konzept für solare Hallenheizung<br />

E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>es Biomassekessels, Konzept für solare<br />

Prozesswassererwärmung, Dämmung<br />

Optimierung der Wärmerückgew<strong>in</strong>nung, Austausch e<strong>in</strong>es<br />

Härteofens<br />

Optimierung der Abluftnutzung der Trockner<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

OM Obersteirische Molkerei<br />

Roche Diagnostics<br />

Sta<strong>in</strong>zer Molkerei<br />

Toni’s Freilandeier<br />

VOEST ALPINE Austria Draht<br />

Energieeeffizienzkonzept (Wärmetauschernetzwerk) und<br />

Konzept für solare Brauchwassererwärmung<br />

Optimierung der Energieversorgung für die<br />

Außenluftkonditionierung (Abwärmenutzung aus<br />

Kältemasch<strong>in</strong>en)<br />

Identifizierung von Verlusten <strong>in</strong> der Energiebilanz und<br />

Konzept für Wärmetauscher<br />

Hallenheizung und solare Re<strong>in</strong>igungswasserbereitstellung<br />

Reduktion des Energiebedarfs <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />

Niedertemperaturbeizerei und Konzept zur solaren<br />

Wärmebereitstellung<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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38


Styrian Promise – 10 Energiekonzepte<br />

Firma<br />

Biohof Krogger<br />

Brau Union Österreich AG<br />

(Brauerei Göss)<br />

FSB Fass<strong>in</strong>dustrie<br />

Johann Eberhard GmbH<br />

Magna Steyr<br />

E<strong>in</strong>sparungen <strong>durch</strong><br />

<strong>in</strong>novative Technologien,<br />

<strong>Wärme<strong>in</strong>tegration</strong> und<br />

E<strong>in</strong>satz von Solarer Prozesswärme<br />

[kWh/a]<br />

49.700<br />

916.250<br />

667.560<br />

271.000<br />

20.000.000<br />

CO2 Reduktion [t/a]<br />

8<br />

203,7<br />

135,8<br />

64,8<br />

4.000<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

OM Obersteirische Molkerei<br />

4.063.100<br />

1015<br />

Roche Diagnostics<br />

220.000<br />

44,4<br />

Sta<strong>in</strong>zer Molkerei<br />

940.000<br />

220<br />

Toni’s Freilandeier<br />

VOEST ALPINE Austria Draht<br />

Gesamt<br />

120.000<br />

535.000<br />

27.782.610<br />

23<br />

118<br />

5.832<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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39<br />

Zusammenfassung und Folgerungen<br />

<br />

<br />

<br />

Die Erhöhung der Energieeffizienz stellt e<strong>in</strong> großes<br />

Potenzial zur Verbesserung der Wettbewerbssituation von<br />

Unternehmen dar<br />

Große E<strong>in</strong>sparungen können nur <strong>durch</strong> e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>telligente<br />

Komb<strong>in</strong>ation aus Technologie- und Systemoptimierung<br />

erfolgen<br />

Die P<strong>in</strong>ch Analyse beweist sich als starkes Werkzeug für die<br />

betriebliche Energieoptimierung<br />

INNOVATION aus TRADITION<br />

<br />

Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz sollten<br />

immer <strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation zur verbesserten Nutzung anderer<br />

Betriebsmittel – <strong>in</strong>sbesondere Wasser – gesehen werden<br />

<br />

<br />

Der E<strong>in</strong>satz erneuerbarer Energien muss jedenfalls im<br />

Verbund mit Maßnahmen zu Energieeffizienz erfolgen<br />

Die Ergebnisse der Arbeiten der letzten Jahre haben<br />

gezeigt, dass solare Prozesswärme e<strong>in</strong>e technisch s<strong>in</strong>nvolle<br />

Alternative darstellt<br />

ISO ISO 9001 9001 zert Stand: 24.10.2007<br />

zertifiziert<br />

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