AutoUni – Schriftenreihe Patrick Dehning Steigerung der Energieeffizienz von Fabriken der Automobilproduktion AutoUni – Schriftenreihe Band 104 Herausgegeben von/Edited by Volkswagen Aktiengesellschaft AutoUni Die Volkswagen AutoUni bietet den Promovierenden des Volkswagen Konzerns die Möglichkeit, ihre Dissertationen im Rahmen der „AutoUni Schriftenreihe“ kostenfrei zu veröffentlichen. Die AutoUni ist eine international tätige wissen- schaftliche Einrichtung des Konzerns, die durch Forschung und Lehre aktuelles mobilitätsbezogenes Wissen auf Hochschulniveau erzeugt und vermittelt. Die neun Institute der AutoUni decken das Fachwissen der unterschiedlichen Ge- schäftsbereiche ab, welches für den Erfolg des Volkswagen Konzerns unabdingbar ist. Im Fokus steht dabei die Schaffung und Verankerung von neuem Wissen und die Förderung des Wissensaustausches. Zusätzlich zu der fachlichen Weiterbildung und Vertiefung von Kompetenzen der Konzernangehörigen, fördert und unterstützt die AutoUni als Partner die Dok- torandinnen und Doktoranden von Volkswagen auf ihrem Weg zu einer erfolg- reichen Promotion durch vielfältige Angebote – die Veröffentlichung der Disser- tationen ist eines davon. Über die Veröffentlichung in der AutoUni Schriftenreihe werden die Resultate nicht nur für alle Konzernangehörigen, sondern auch für die Öffentlichkeit zugänglich. The Volkswagen AutoUni offers PhD students of the Volkswagen Group the opportunity to publish their doctor’s theses within the “AutoUni Schriftenreihe” free of cost. The AutoUni is an international scientific educational institution of the Volkswagen Group Academy, which produces and disseminates current mobili- ty-related knowledge through its research and tailor-made further education courses. The AutoUni’s nine institutes cover the expertise of the different business units, which is indispensable for the success of the Volkswagen Group. The focus lies on the creation, anchorage and transfer of knew knowledge. In addition to the professional expert training and the development of specialized skills and knowledge of the Volkswagen Group members, the AutoUni supports and accompanies the PhD students on their way to successful graduation through a vari- ety of offerings. The publication of the doctor’s theses is one of such offers. The publication within the AutoUni Schriftenreihe makes the results accessible to all Volkswagen Group members as well as to the public. Herausgegeben von/Edited by Volkswagen Aktiengesellschaft AutoUni Brieffach 1231 D-38436 Wolfsburg http://www.autouni.de Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/15136 Patrick Dehning Steigerung der Energieeffizienz von Fabriken der Automobilproduktion Patrick Dehning Wolfsburg, Deutschland Zugl.: Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2017 Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse der im Rahmen der AutoUni – Schriftenreihe veröffentlichten Doktorarbeiten sind allein die der Doktorandinnen und D oktoranden. AutoUni – Schriftenreihe ISBN 978-3-658-19097-2 ISBN 978-3-658-19098-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-19098-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National- bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Geleitwort V Geleitwort Nachhaltiges Wirtschaften erfordert neben dem Einsatz erneuerbarer Energien die gezielte Re- duzierung von Energieverbräuchen in der Herstellung von Produkten. Auch wenn Energiekos- ten häufig nur einen kleineren Teil der Gesamtkosten einer Fabrik ausmachen, so ist das systematische Erschließen von Energieeffizienzpotenzialen zunehmend ein wichtiger Treiber sowohl von Produkt- als auch von Prozessinnovationen. Unternehmen verankern daher zuneh- mend Energieeffizienzziele in ihren Unternehmenszielen. Ein Beispiel ist der Vision-Pull-An- satz „Think Blue. Factory.“ der Marke VW der Volkswagen AG. Bis 2018 sollen die produktionsbedingten Umweltbelastungen jedes Fahrzeugs und Komponententeils um 25 % gegenüber 2010 gesenkt werden. Ein zielgerichtetes Erschließen von Effizienzpotenzialen verlangt ein ganzheitliches, system- orientiertes Verständnis von Fabriken. Dies umfasst insbesondere ein erweitertes Prozessver- ständnis mit allen Eingangs- und Ausgangsgrößen einschließlich der Berücksichtigung der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Um die Energieeffizienz in Fabriken systematisch zu steigern, fehlen häufig die messtechnischen Voraussetzungen für eine Erfassung der erforder- lichen Prozess- und Energiedaten sowohl auf der Ebene der Produktionsmaschinen und -anla- gen als auch auf der Ebene der Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung. Aber auch wenn relevante Energiedaten vorliegen, kann zwar die Energieproduktivität nicht aber unmittelbar die Energieeffizienz bewertet werden. Hierfür ist ein Vergleich mit einem theoretischen Mini- mum oder einem Benchmark (z.B. über Best Available Technologies) erforderlich. Während Benchmark-Werte auf der Ebene von Komponenten (z.B. Pumpen, Elektromotoren) in der Re- gel vorhanden sind oder mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden können, fehlen diese Werte, wenn ganze Gewerke oder sogar Fabriken im Hinblick auf ihre Energieeffizienz analy- siert und bewertet werden sollen. Zudem fehlt häufig eine methodische Unterstützung, um ge- eignete Maßnahmen oder Maßnahmenbündel zur Steigerung der Energieeffizienz auszuwählen. Gerade in großen Organisationen mit mehreren Produktionsstandorten sind die Potenziale eines organisationalen Lernens – im Sinne einer kontinuierlichen Verbesserung der Energieeffizienz – häufig noch nicht erschlossen. Herr Dehning hat in seiner Dissertation die resultierenden Fragestellungen untersucht und einen eigenen methodenbasierten Ansatz aufbauend auf der Weiterentwicklung und Kopplung be- kannter Modelle und Methoden entwickelt. Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann Danksagung VII Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand in der Konzernfor- schung der Volkswagen AG, Abteilung "Umwelt Produktion", von 2013 bis 2016. Hiermit möchte ich allen danken, die mich bei der erfolgreichen Erstellung dieser Arbeit sowie meiner persönlichen und fachlichen Weiterentwicklung unterstützt haben. Ich bedanke mich bei meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann für die Unter- stützung, die methodischen Diskussionen und die herzliche Begleitung dieser Dissertation. Gleichfalls danke ich Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart für die Übernahme der Zweitprüfung und Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Ein großer Dank geht an Dr. Benjamin Boehnke für die Betreuung, den immer offenen Aus- tausch und die vielen Anregungen die zur Entstehung dieser Arbeit beigetragen haben. Ebenfalls möchte ich Dr.-Ing. Sebastian Thiede für seine Unterstützung im Rahmen der Veröf- fentlichungen ein großes Dankeschön aussprechen. Für das entgegengebrachte Vertrauen möchte ich mich bei meinem Abteilungsleiter Dr.-Ing. Liendel Chang und Unterabteilungsleiter Christoph Nieschwietz bedanken, welche mich inhalt- lich und organisatorisch unterstützt haben. Mein Dank geht ebenfalls an meine Kollegen die mich durch den Entstehungsprozess dieser Arbeit begleitet haben. Auch meinen Freunden und insbesondere meiner Freundin Natalie, die mich über die letzten Jahre immer unterstützt, ermutigt und zum Lachen gebracht haben möchte ich danken. Zu guter Letzt möchte ich diese Arbeit meinen Eltern Angelika Dehning und Rudolf Eisele widmen, die es mir ermöglicht haben dies zu erreichen. Ohne eure Unterstützung und Liebe würde ich heute nicht dort sein wo ich bin. Braunschweig Patrick Dehning Danksagung IX Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... XI Abkürzungsverzeichnis ......................................................................................................... XV 1 Einleitung ....................................................................................................................... 1 1.1 Problemstellung und Motivation ......................................................................... 1 1.2 Ziel und Struktur der Arbeit ................................................................................ 4 2 Energieeinsatz in der Fahrzeugfertigung ................................................................... 7 2.1 Produktion und Fertigung .................................................................................... 7 2.1.1 Die Produktionsumgebung als Teil der Fabrik ........................................ 7 2.1.2 Peripherer Aufbau der Produktionsumgebung ......................................... 9 2.1.3 Prozesse der Fahrzeugfertigung ............................................................. 10 2.2 Energieflüsse im industriellen Kontext ............................................................. 12 2.2.1 Energieumwandlung und Energieformen .............................................. 12 2.2.2 Energieeffizienz ..................................................................................... 16 2.2.3 Betriebliche Energiekennzahlen ............................................................ 16 2.2.4 Einflussfaktoren auf die Energiebilanz eines Betriebes ......................... 20 2.2.5 Energieeffizienzpotentiale und -barrieren .............................................. 22 2.3 Energieflüsse in der Automobilfertigung .......................................................... 26 2.3.1 Energetische Kennzahlen in Automobilunternehmen ........................... 26 2.3.2 Energieverbraucher im Fahrzeugbau ..................................................... 30 3 Stand der Forschung ................................................................................................... 37 3.1 Auswahl relevanter Ansätze und Kriterien ........................................................ 37 3.2 Bestehende Ansätze zur energetischen Verbesserung der Produktion .............. 41 3.2.1 Benchmarking und Vergleichsansätze ................................................... 41 3.2.2 Methodische Ansätze zur Analyse und Verbesserung ........................... 42 3.3 Zusammenfassung bestehender Ansätze ........................................................... 46 3.4 Ableitung des Forschungsbedarfs ...................................................................... 48 4 Konzeptentwicklung ................................................................................................... 49 4.1 Identifikation energieeffizienter Produktionsbereiche ...................................... 51 4.1.1 Auswahl geeigneter Bilanzgrenzen ........................................................ 52 4.1.2 Datengenerierung ................................................................................... 55 4.1.3 Datenverifizierung ................................................................................. 56 4.1.4 Modellerstellung .................................................................................... 56 X Inhaltsverzeichnis 4.1.5 Modellprüfung ....................................................................................... 61 4.2 Identifikation und Analyse von Effizienzlösungen ........................................... 62 4.2.1 Nutzung interner Wissensbasis .............................................................. 63 4.2.2 Qualitätsprüfung von Maßnahmen ........................................................ 69 4.2.3 Identifikation und Priorisierung von Maßnahmen ................................. 69 4.3 Maßnahmenauswahl und Potentialanalyse ........................................................ 79 4.3.1 Maßnahmenauswahl .............................................................................. 79 4.3.2 Potentialbewertung und Zielwertkalkulation ......................................... 85 4.4 Generierung von Effizienzwissen ...................................................................... 87 4.4.1 Lastkennzahlen für Produktionsprozesse ............................................... 88 4.4.2 Parameterbestimmung für eine energieeffiziente Produktion ................ 90 5 Modellerstellung auf Standortebene ......................................................................... 95 5.1 Auswahl von Einflussfaktoren auf Standortebene ............................................. 95 5.2 Datengenerierung und -verifizierung des Standortmodells ............................... 96 5.3 Formulierung des linearen Regressionsmodells für Standorte .......................... 97 5.4 Standortmodellanwendung .............................................................................. 101 6 Anwendung Gesamtkonzept am Beispiel der Lackiererei .................................... 103 6.1 Identifikation energieeffizienter Lackierereien ............................................... 104 6.1.1 Datengenerierung und Datenverifizierung ........................................... 104 6.1.2 Modellerstellung und Validierung ....................................................... 105 6.1.3 Energieeffizienzanalyse und Identifikation der Best Practice Lackiererei ........................................................................................... 110 6.2 Energieeffizienzmaßnahmen für die Best Practice Lackiererei ...................... 112 6.2.1 Identifikation und Qualitätsprüfung von Maßnahmen ......................... 114 6.2.2 Gewichtung und Priorisierung von Maßnahmen ................................. 115 6.3 Potentialbewertung und Ermittlung des spez. Energiebedarfs ........................ 117 6.4 Wissensgenerierung ......................................................................................... 123 7 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................. 129 7.1 Zusammenfassung ........................................................................................... 129 7.2 Konzeptevaluation ........................................................................................... 130 7.3 Ausblick ........................................................................................................... 132 8 Literaturverzeichnis ................................................................................................. 133 Abbildungsverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Verteilung von Treibhausgasemissionen weltweit nach Quelle 2012 .............. 1 Abbildung 2: Entwicklung der Energieintensität im Bereich des Aluminiumschmelzens ..... 2 Abbildung 3: Entwicklung der Energieintensität der europäischen Automobilhersteller ...... 3 Abbildung 4: Struktur der Arbeit und Zielstellung der Kapitel .............................................. 5 Abbildung 5: Aufbau eines Fabriksystems ............................................................................. 8 Abbildung 6: Physische Produktionsumgebung ..................................................................... 9 Abbildung 7: System peripherer Ordnung ............................................................................ 10 Abbildung 8: Gewerke des Fahrzeugbaus und Hauptfertigungsverfahren nach DIN 8580 ............................................................................................................... 11 Abbildung 9: Beispiellastgang und Nutzung zur Ermittlung der elektrischen Arbeit .......... 13 Abbildung 10: Energienutzungskette ...................................................................................... 15 Abbildung 11: Regelkreis der Kybernetik .............................................................................. 17 Abbildung 12: Verwendungszeck von Kennzahlen ................................................................ 18 Abbildung 13: Einflussfaktoren auf die Energiekennzahlen .................................................. 21 Abbildung 14: Gründe zur Begünstigung der Effizienzlücke ................................................. 23 Abbildung 15: Kontinuierliche Verbesserung im Rahmen der ISO 50001 ............................ 24 Abbildung 16: Energieplanungsprozess nach ISO 50001 ...................................................... 25 Abbildung 17: Ebenen in Unternehmen der Automobilfertigung .......................................... 26 Abbildung 18: Spezifische Energieverbräuche von Automobilkonzernen und Marken ........ 28 Abbildung 19: Gewerke des Fahrzeugbaus inklusive der Energieflüsse und Energieverteilung ........................................................................................... 31 Abbildung 20: Bilanzraum des Karosseriebaus ...................................................................... 32 Abbildung 21: Bilanzraum für das Gewerk Lackiererei ......................................................... 33 Abbildung 22: Bilanzraum für das Gewerk Montage ............................................................. 34 Abbildung 23: Kontinuierlicher Verbesserungsprozess ......................................................... 45 Abbildung 24: Ziele des entwickelten Verbesserungskonzeptes ............................................ 49 Abbildung 25: Schritte zur Verbesserung bestehender Automobilfabriken ........................... 50 Abbildung 26: Phasen zur Identifikation energieeffizienter Prozesse .................................... 51 Abbildung 27: Nutzung der Regressionskurve zur Identifikation energieeffizienter Gewerke ......................................................................................................... 61 Abbildung 28: Vorgehen zur Auswahl und Analyse von Effizienzmaßnahmen .................... 63 Abbildung 29: Struktur des Wissensmanagement in Unternehmen ....................................... 64