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Energiearten und deren Verteilung im Betrieb

01. Wie erfolgt die Energieversorgung und -verteilung im Industriebetrieb?

Der Industriebetrieb benötigt unterschiedlichste Energiearten zur Herstellung und Veredlung seiner Produkte.

Der Anteil der Energieträger am Primärenergieverbrauch in Prozent betrug in Deutschland im Jahr 2017 im Vergleich zu 2013 und 1995:

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen
Anteil am Primärenergieverbrauch
EnergieträgerSteinkohleBraunkohleMineralölErdgasKernenergieErneuerbare
199514,412,239,919,611,82,1
201312,811,733,422,37,612,1
201711,011,234,623,76,113,2

Man kann daran erkennen, dass der Anteil der erneuerbaren Energieträger (dies sind überwiegend die regenerativen Energieträger wie Wind- und Solarenergie) deutlich gestiegen ist. Dieser Anteil soll nach dem Willen der Bundesregierung noch weiter erhöht werden, um den Rückgang des Anteils der Kernenergie aufzufangen (Energiewende).

Die folgende Abbildung zeigt schematisch die Versorgung des Industriebetriebes mit Energiearten unterschiedlichster Art und die Verteilung der Energie über die verschiedenen Leitungssysteme an die Verwender.

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Der Einsatz von Anlagen und Energiearten mit hohem Wirkungskrad, die effiziente Nutzung der Energie sowie der Möglichkeiten ihrer Rückgewinnung sind in Deutschland bereits Realität.

02. Welche Anforderungen bestehen an Versorgungsnetze in Industriebetrieben?

  • Elektroenergieversorgung:

    • Elektroenergie ist kaum speicherbar und leitungsgebunden (Stromnetz).

    • Auch kurzfristige Leistungsspitzen müssen i. d. R. abgedeckt werden.

    • Störungen müssen i. d. R. kompensiert werden können (Ersatzstromaggregate).

    • Es gibt Niederspannungs-, Mittelspannungs-, Hochspannungs- und Höchstspannungssysteme.

    • Übertragungsmittel der Stromverteilung: Leitungsnetze, Transformatoren, Kabel, Umspannungs- und Übergabestationen usw.

    • Das Versorgungsnetz umfasst z. B.: Einphasenwechselspannung (230 V), Dreiphasenwechselspannung (400V/Drehstrom), Spannungen für besondere Anlagen/Sondermaschinen (≥ 440 V/660 V).

    • Sicherheitsvorschriften sind zu beachten (z. B. VDE, DIN, DGUV A3).

  • Wasserversorgung:

    • Trinkwasser muss u. a. keimarm, kühl, geruchlos, geschmacklich einwandfrei sein.

    • Versorgung: über Einzelversorgungsanlagen oder öffentliches Versorgungsnetz (direkt oder über Vorratsbehälter).

    • Für bestimmte Verwendungszwecke muss das Wasser aufbereitet werden (z. B. Enthärtung).

    • Beim Abwasser ist die Beschaffenheit zu beachten (Schmutz-, Regen-, Kühl-, Sickerwasser sowie kontaminiertes Wasser).

  • Versorgung mit Raumluft:

    • Anforderungen: z. B. bestimmte Temperatur, Feuchte, Reinheit, Bewegung

    • einfache Belüftung oder vollautomatische: z. B. freie Lüftung, einfache Lüftungsanlagen, Anlagen mit kombinierter Luftbehandlung (Anwärmen/Kühlen, Befeuchten/Entfeuchten), Klimaanlagen

    • In bestimmten Betrieben oder Abteilungen gelten besonders hohe Anforderungen an die Raumluft (z. B. EDV, Chipherstellung, Lackierbetrieb).

  • Versorgung mit Druckluft:

    • zentrale/dezentrale Erzeugung und Speicherung

    • Erzeugung über Kompressoren (Verdichter): z. B. Kolben-/Turboverdichter

    • Anforderungen an Druckluftverteilungsnetze: z. B. Vermeidung von deutlichem Druckabfall, Einhaltung der Druckluftqualität (Wassergehalt, Reinheit)

    • Leitungsverlegung: meist Ringleitungssystem mit Stichleitungen zu den Entnahmestellen.

  • Gasversorgung:

    • Versorgung i. d. R. über das Leitungsnetz des örtlichen Energieversorgungsunternehmens (EVU)

    • innerbetriebliche Verteilung über eine Anschlussleitung an das Netz des EVU (Erdverlegung oder oberirdisch) und Weiterleitung an die Verbraucher (Betriebe, Öfen, Brenner, Heizsysteme, Verwaltungs- und Sozialräume)

    • Hilfsaggregate/Armaturen: Druckregel- und Messanlagen, Übergabestationen

    • Das innerbetriebliche Gasversorgungsnetz muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden (lt. DVGW Regelwerk): Dichtigkeit, Korrosion, Funktion der Armaturen.

03. Warum unterliegen Maschinen und Anlagen einem Verschleiß?

Anlagen unterliegen während ihrer gesamten Nutzungsdauer einem ständigen Verschleiß. Bewegliche Teile und sich berührende Teile werden im Laufe der Zeit in unterschiedlichem Maße abgenutzt.

Im Allgemeinen nimmt die Stör- und Reparaturanfälligkeit einer Anlage mit zunehmendem Alter progressiv zu und führt zu einem bestimmten Zeitpunkt zur völligen Unbrauchbarkeit. Der Verschleiß tritt aber sehr häufig auch bei nur geringer oder keiner Nutzung ein: Auch ein Stillstand der Anlage kann zur technischen Funktionsuntüchtigkeit führen (Rost, mangelnde Pflege, Dickflüssigkeit von Ölen/Fetten usw.). Die Störanfälligkeit steigt meist mit der Kompliziertheit der Anlagen.

04. Welche Folgen können mit Betriebsmittelstörungen verbunden sein?

Betriebsmittelstörungen – insbesondere längerfristige – können zu nicht unerheblichen Folgen führen:

  • nicht vorhandene Betriebsbereitschaft der Anlagen

  • Rückgang der Kapazitätsauslastung/Verschlechterung der Kostensituation

  • Unfallursachen

  • Terminverzögerungen/Verärgerung des Kunden mit der evt. Folge von Konventionalstrafen

  • Werkzeugschäden durch übermäßigen Verschleiß

  • Einbußen in der Qualität

  • Verlust von Aufträgen/Kunden.

05. Wer ist im Betrieb für die Anlagenüberwachung zuständig?

Die Anlagenüberwachung kann vom Technischen Dienst verantwortlich übernommen werden (zentrale Organisation der Anlagenüberwachung). Er kann dabei Fremdleistungen heranziehen oder die gesamte Instandhaltung selbst durchführen (Make-or-Buy-Überlegung).

Bei dezentraler Organisation der Anlagenüberwachung übernehmen die Mitarbeiter in der Fertigung die erforderlichen Arbeiten. Der Vorteil liegt in der Einbindung/Motivation der unmittelbar Betroffenen und der Chance zur laufenden Weiterqualifizierung.

In der Praxis existiert häufig eine Mischform: Instandsetzung und Inspektion übernimmt der technische Dienst; Wartung und Pflege werden vom Mitarbeiter der Fertigung durchgeführt. Eine Ausnahme bildet dabei selbstverständlich die Kontrolle, Wartung und ggf. Instandsetzung elektrischer Anlagen wegen des Gefährdungspotenzials und der existierenden Sicherheitsvorschriften; hier ist ausschließlich Fachpersonal einzusetzen.

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06. Welche Strategien der Instandhaltung gibt es?

Die Tatsache, dass maschinelle Anlagen einem permanenten Verschleiß unterliegen, begründet die Notwendigkeit der Instandhaltung. Im Mittelpunkt steht die Frage der Instandhaltungsstrategie:

Grundsätzlich möglich ist eine

  • Präventivstrategie (= vorbeugender Austausch von Verschleißteilen) oder

  • eine störungsbedingte Instandhaltung (= Austausch der Teile bei Funktionsuntüchtigkeit).

Die jeweils notwendige Strategie der Instandhaltung ergibt sich aus der Art der Anlagen, ihrem Alter, dem Nutzungsgrad, der betrieblichen Erfahrung usw.

In den meisten Betrieben ist heute eine vorbeugende Instandhaltung üblich, die zu festgelegten Intervallen durchgeführt wird, sich auf eine Wartung und Kontrolle der Funktionsfähigkeit der gesamten Anlage erstreckt und besondere Verschleißteile vorsorglich ersetzt.

Im Überblick:

Instandhaltungsmethoden (auch: Strategien, Konzepte)
Ausfallbedingte InstandhaltungInstandsetzung nach Ausfall (Feuerwehrstrategie):
Eine Instandsetzung nach Ausfall ist meist die ungünstigste Variante, da sofort nach Eintreten der Störung Ausfallzeiten und Kosten entstehen. Der Austausch der Verschleißteile erfolgt immer zu spät. Sollte nur dann angewendet werden, wenn die Funktion der Maschine/Anlage aus der Erfahrung her unkritisch ist.
Vorteile:
  • die Lebensdauer der Bauteile wird vollständig genutzt
  • es entstehen keine Kosten für Kontrollmaßnahmen und Wartung

Nachteile:
  • ungeplante Ausfallzeiten
  • Personaleinsatz und Ausweichen der Produktion nicht planbar
  • Instandsetzung unter Termindruck (Qualitätsproblem)
Zustandsabhängige InstandhaltungEs erfolgt eine vorbeugende Instandhaltungsstrategie, die sich exakt am konkreten Abnutzungsgrad des Instandhaltungsobjekts orientiert. Sie lässt sich mithilfe von Einrichtungen zur Anlagenüberwachung und -diagnose für kritische Stellen durchführen (Anwendung der technischen Diagnostik, Condition Monitoring).
Zeitabhängige, periodische InstandhaltungVorbeugende Instandhaltung mit den Varianten:
  • Präventiver Austausch einzelner Bauteile, wenn sich z. B. Verschleißgeräusche Ermüdungserscheinungen oder Spielvergrößerungen zeigen.
  • Vorbeugender Austausch von Bauteilen und Baugruppen basierend auf Erfahrungen, Schadensanalysen oder aufgrund von Herstellervorgaben bzw. gesetzlichen Auflagen u. Ä.; Nachteil: Austausch erfolgt zu früh oder ggf. zu spät.

07. Wie gliedert sich die Instandhaltung?
→ DIN 31051

Instandhaltung (IH; Oberbegriff) umfasst alle Maßnahmen der Störungsvorbeugung und der Störungsbeseitigung. Nach der DIN 31051 versteht man darunter alle Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Soll-Zustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Ist-Zustandes von technischen Mitteln eines Systems. Die Instandhaltung wird in drei Teilbereiche gegliedert:

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Inspektionist die Feststellung des Ist-Zustandes von technischen Einrichtungen durch Sichten, Messen, Prüfen. Inspektion ist die Überwachung der Anlagen durch periodisch regelmäßige Begehung und Überprüfung auf den äußeren Zustand, ihre Funktionsfähigkeit und Arbeitsweise sowie auf allgemeine Verschleißerscheinungen. Das Ergebnis wird in einem Prüfbericht niedergelegt. Aus dem Prüfbericht werden Prognosen über die weitere Verwendungsfähigkeit der jeweiligen Anlage abgeleitet.
Wartungist die Bewahrung des Soll-Zustandes durch Reinigen, Schmieren, Auswechseln, Justieren. Wartung umfasst routinemäßige Instandhaltungsarbeiten, die meistens vom Bedienungspersonal selbst durchgeführt werden und häufig in Betriebsanweisungen festgelegt sind und auf den Wartungsplänen des Herstellers basieren.
Instandsetzung (Reparatur)ist die Wiederherstellung des Soll-Zustandes durch Ausbessern und Ersetzen. Instandsetzung umfasst die Wiederherstellung der Nutzungsfähigkeit einer Anlage durch Austausch bzw. Nacharbeit von Bauteilen oder Aggregaten.
Verbesserungist die Steigerung der Funktionssicherheit, ohne die geforderte Funktion zu verändern.
Störungist eine unbeabsichtigte Unterbrechung oder Beeinträchtigung der Funktionserfüllung einer Betrachtungseinheit.
Schadenist der Zustand nach Überschreiten eines bestimmten (festzulegenden) Grenzwertes, der eine unzulässige Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit bedingt.
Ausfallist die unbeabsichtigte Unterbrechung der Funktionsfähigkeit einer Betrachtungseinheit. Von Bedeutung sind Dauer und Häufigkeit der Ausfallzeit.

08. Wie erfolgt die Planung der Instandhaltung?

Die Planung der Instandhaltung muss sich an den Kostenverläufen orientieren. Sie muss sowohl Schadensfolgekosten durch Abschalten, Stillstand und Wiederanlauf als auch Zusatzkosten durch Verlagerung der Produktion auf andere Anlagen, Überstun denlöhne und andere Zusatzkosten berücksichtigen. Diesen Kosten sind die Vorbeugekosten durch entsprechende Wartung gegen-überzustellen.

Es müssen ferner die Ausfallursachen analysiert werden (Schwachstellenanalyse); sie müssen sich in einem Ablaufplan niederschlagen: Hier werden die für jede Anlage notwendigen Überwachungszeiten und der Umfang der auszuführenden Tätigkeiten festgelegt. Diese Zeiten müssen mit den Produktionsterminen und der jeweiligen Kapazitätsauslastung abgestimmt sein.

Spezielle Wartungspläne legen den Umfang der einzelnen Maßnahmen je Anlage fest, bestimmen die Termine und gewährleisten damit die notwendige Kontrolle. Parallel zum Ablauf der Instandhaltung müssen das erforderliche Instandhaltungsmaterial, die Personaldisposition der Mitarbeiter der Instandhaltung sowie die Betriebsmittel geplant werden. Die Instandhaltungsplanung ist also eng mit der Betriebsmittelplanung verknüpft. Die nachfolgende Abbildung zeigt die notwendigen Arbeiten im Rahmen der Instandhaltungsplanung:

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Die Versorgung der Instandhaltung mit den erforderlichen Ressourcen ist planerisch zu gewährleisten:

  1. Die Personalbereitstellung für IH-Aufgaben ist mit der Personaleinsatzplanung der Fertigung abzustimmen; das IH-Personal in nach erforderlicher Quantität und Qualifikation auszuwählen (z. B. notwendige spezifische Qualifikationen für bestimmte Anlagen, Qualifikation als Elektrofachkraft).

  2. IH-Betriebsmittel und -material sind rechtzeitig zu disponieren bzw. der Lagerbestand von Ersatzteilen ist zu prüfen. Beschaffung und Transport der IH-Materialien/- Betriebsmittel sind in die Beschaffungslogistik zu integrieren.

09. Welche Möglichkeiten gibt es, den Energieverbrauch planmäßig zu steuern und ggf. zu senken?

Die permanente Beachtung und Steuerung des Energieverbrauchs ist heute aus ökologischer und ökonomischer Sicht eine Selbstverständlichkeit. Eine wichtige Voraussetzung ist dazu, dass der Verbrauch der unterschiedlichen Energiearten im Betrieb mengen- und wertmäßig erfasst und dokumentiert wird.

Die nachfolgende Übersicht zeigt Beispiele zur Steuerung und Senkung des Energieverbrauchs bzw. der Energiekosten:

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10. Welche Schutzvorschriften für Energieversorgungsanlagen und Energieträger sind bei der Planung und Inbetriebnahme zu berücksichtigen?

Hinweis

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TIPP

Vgl. dazu auch im 1. Prüfungsfach, >> 1.4 f. (Arbeitsschutz- und arbeitssicherheitsrechtliche Vorschriften).

Dazu ausgewählte, zentrale Beispiele und Hinweise auf Gesetze des Arbeitsschutzes und Arbeitssicherheitsvorschriften, die der Industriemeister bei der Planung und Inbetriebnahme von Energieversorgungsanlagen berücksichtigen muss:

  1. Generelle Schutzvorschriften:

    ► DGUV Vorschrift 1Allgemeine Vorschrift zur Unfallverhütung
    (Grundsätze zur Prävention)
    ► ArbSchG§ 1… dient dazu, Sicherheit und Gesundheitsschutz der Beschäftigten bei der Arbeit … zu sichern und zu verbessern.
     § 2Maßnahmen des Arbeitsschutzes … sind … Verhütung von Unfällen …, arbeitsbedingte Gesundheitsgefahren … Maßnahmen der menschengerechten Gestaltung der Arbeit.
     §§ 3 ff.Allgemeine Grundsätze, Grundpflichten und besondere Pflichten des Arbeitgebers
     § 5Gefährdungsanalyse
     § 10Erste Hilfe i. V. m. DGUV Vorschrift 1, BGR V A1 und DIN 13169, 13175 (Verbandkasten)
    ► BImSchGLuftreinhaltung
    ► WHGWasserhaushaltsgesetz
    ► KrWGKreislaufwirtschaftsgesetz
    ► ProdSGDas Produktsicherheitsgesetz ist seit 2011 in Kraft
    ► GefStoffVVerordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen
    ► VerpackVVerpackungsverordnung
    ► BetrSichVBetriebssicherheitsverordnung
    ► ArbStättVAnforderungen an Arbeitsstätten nach § 3 Abs. 1 der Verordnung Inhaltsübersicht
     1Allgemeine Anforderungen
     2Maßnahmen zum Schutz vor besonderen Gefahren
     3Arbeitsbedingungen
     4Sanitärräume Pausen- und Bereitschaftsräume, Erste-Hilfe-Räume, Unterkünfte
     5Ergänzende Anforderungen an besondere Arbeitsstätten
    ► TA LärmTechnische Anleitung zum Schutz gegen Lärm i. V. m. BGV B3 Lärm
    ► TA LuftEmissions-/Immissionsgrenzwerte
    ► TA AbfallBestimmungen zur Abfallbehandlung
    ► PSA-RPSA-Richtlinie (Persönliche Schutzausrüstung)
  2. Gesetzliche Vorschriften zum Umgang mit elektrischem Strom:

    ► VDE 0100Bestimmungen für das Errichten von Starkstromanlagen bis 1.000 V (VDE = Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.)
    ► DGUVElektrofachkraft:
    Vorschrift 3 § 2/3Der Unternehmer hat dafür zu sorgen, dass elektrische Anlagen und Betriebsmittel nur von einer Elektrofachkraft oder unter Leitung und Aufsicht einer Elektrofachkraft errichtet, geändert und instand gehalten werden. Die fachliche Qualifikation als Elektrofachkraft wird im Regelfall durch den Abschluss einer Ausbildung als Elektroingenieur, Elektrotechniker, Elektromeister oder Elektrogeselle nachgewiesen.
  3. Gesetzliche Vorschriften zur (Trink-)Wasserversorgung:

    ► DIN 1988-200Bau und Betrieb von Wasserversorgungsanlagen
    ► DIN 2000Anforderungen an die Trinkwasserqualität
    ► TrinkwVAnforderungen an Trinkwasser; die neue Bezeichnung für „Brauchwasser“ lautet „Nutzwasser“ entsprechend der TrinkwV vom 21.05.2001
    ► WHGRegelungen zur Entnahme, Verwendung und Einleitung von
    Wasser 
  4. Gesetzliche Vorschriften zur Lüftungs- und Klimatechnik:

    ► DIN 1946Blatt 1-5: Grundregeln für lüftungstechnische Anlagen
    ► DIN 1945Raumlufttechnik
  5. Gesetzliche Vorschriften zur Versorgung mit Druckluft:

    ► VDIRichtlinie 2045 Bl. 2: Anforderungen an die Versorgung mit Druckluft
  6. Gesetzliche Vorschriften zur Gasversorgung:

    ► DVGWArbeitsblatt G 260: Technische Regeln zur Gasversorgung (DVGW = Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.)
    ► DVGWArbeitsblatt G 600: Technische Regeln für Gasinstallation
    ► DVGWRegelwerk: Prüfung der Gasanlagen in regelmäßigen Abständen durch Fachpersonal
    ► DVGWFachpersonal nach DVGW:
     Versicherte Personen, die aufgrund ihrer fachlichen Ausbildung, praktischen Tätigkeit und Erfahrung ausreichende Kenntnisse auf dem Gebiet der ihnen übertragenen Arbeitsaufgabe haben (z. B. für Gas- und Wasseranlagen).
    ► Ex-RLRichtlinien für die Vermeidung der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre
    ► EnWGEnergiewirtschaftsgesetz: Bestimmungen über leitungsgebundene Energieanlagen
  7. Spezielle Vorschriften des Arbeitsschutzes, die auf Energieversorgungsanlagen und Energieträger anzuwenden sind:

    • Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG), u. a.: Errichtung und Betrieb von Anlagen; speziell:

      • Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen

      • Verordnung über Großfeuerungsanlagen

      • Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen.

    • Sondervorschriften für Überwachungsbedürftige Anlagen u. a.:

      • Dampfkesselverordnung

      • Druckbehälter-Verordnung

      • Verordnung über Gashochdruckleitungen

      • Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen

      • Verordnung über brennbare Flüssigkeiten.