Projekt: Entwicklung einer Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz in Unternehmen Arbeitspaket 1: Methodik Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen im Auftrag des Bundesumweltministeriums Knut Grabowski (Projektleitung) Dr. Kirsten Kubin, Carsten Ernst, Simon Diehl, Jurek Melsheimer Berlin, 15. Januar 2015 Dateiname: Kennzahlen 1.2 Methodik - V90 - 15.01.15 - KG Auftraggeber BMUB - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit Projektbetreuung: Referat KI I 1 – Grundsatzangelegenheiten des Klimaschutzes, Klimaschutzplan Köthener Str. 2-3, 10963 Berlin Projektträger Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Geschäftsbereich Umwelt Fachbereich Klimaschutz (UMW 3) Projektbetreuung: Stefan Geyer, Jens Kayser
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Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen - · PDF fileProjekt: Entwicklung einer Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz in Unternehmen
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Projekt:
Entwicklung einer Methodik zur Aufstellung von
Energiekennzahlen zur Steigerung der Energieeffizienz in
Unternehmen
Arbeitspaket 1: Methodik
Teil 2:
Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
im Auftrag des Bundesumweltministeriums
Knut Grabowski (Projektleitung)
Dr. Kirsten Kubin, Carsten Ernst, Simon Diehl, Jurek Melsheimer
Berlin, 15. Januar 2015
Dateiname: Kennzahlen 1.2 Methodik - V90 - 15.01.15 - KG
Auftraggeber
BMUB - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit
Projektbetreuung: Referat KI I 1 – Grundsatzangelegenheiten des Klimaschutzes,
• Anzahl der im Büro anwesenden Personen (Beispielsweise durch Regelung des
Luftwechsels über die Lüftungsanlage oder die Fenster oder die Wärmeabgabe)
• Anzahl der Arbeitsplätze
• Höhe des Strombedarfs
• Unterschiedliche Anforderungen der Personen an klimatische Bedingungen
(Raumtemperatur, Luftwechsel, …)
• Unterschiedliches Regelverhalten der Personen (Absenken der Temperatur nach
Verlassen des Büros, …)
• Unterschiedliche zentrale Einstellungen der Regelung (Nachtabsenkung, …)
• Höhe der Räume
• …
Wenn man nun eine Veränderung der Kennzahl von einem Jahr zum anderen Jahr feststellt, so ist
zu fragen, was man hieraus ableiten kann. Zunächst können wir aus einer Verschlechterung der
Kennzahl nicht feststellen, dass der Betrieb weniger effizient war und umgekehrt umgekehrt, da
wir nicht wissen, wie sich die Einflussgrößen auswirken und welche Einflussgrößen wir überhaupt
betrachten oder bereinigen sollten. Wir können auch keine Wahrscheinlichkeit oder ähnliches für
die Genauigkeit der Kennzahlen angeben. Das heißt, für ein Monitoring ist diese Zahl unserer
Ansicht nach nicht geeignet.
Wenn man diese Kennzahl für viele Büroräume ermittelt, kann man nach unserer Vorstellung
ebenfalls nach einem „Gesetz der großen Zahlen“ keine Aussage ableiten und somit die einzelnen
Büroräume damit bewerten. Dieses Gesetz hat die Grundlage, dass die Einflussgrößen sich
zufällig um einen Mittelwert verteilen. Wenn sich jedoch beispielsweise von einem Jahr zum
anderen die Personalbelegung des gesamten Gebäudes verändert hat, so wird die Einflussgröße
„Anzahl der anwesenden Personen“ sich im Mittel bei dem Gebäude in eine Richtung verteilen.
Dennoch kann die Kennzahl eine grobe Orientierung an den Rändern bieten, wenn also
besonders gute oder schlechte Werte erreicht werden. Allerdings sollte beispielsweise auch bei
einem besonders guten Wert gefragt werden, ob es sich eventuell um ein ganz oder nahezu
leerstehendes Gebäude handelt oder ob eventuell der Büroraum durch Computer mit besonders
hohem Strombedarf geheizt wird und so weiter.
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3.3 Welche Aufwände werden betrachtet?
In diesem Abschnitt wird geklärt, welche Aufwände überhaupt in die Betrachtung einbezogen
werden können. Wir haben dies hier relativ weit gefasst, um einem möglichst großen Teil der
Anforderungen von Industrieunternehmen an eine Kennzahlmethodik gerecht zu werden.
Im Anwendungsfall müssen nicht alle hier aufgeführten Aufwände berücksichtigt werden.
Aufgrund der Zielstellung oder aufgrund mangelnder Relevanz können Aufwände
unberücksichtigt bleiben, um den Erhebungs- und Verarbeitungsaufwand zu verringern.
Es können beispielsweise die in Werkstoffen enthaltenen indirekten Energieaufwände nicht
berücksichtigt werden und trotzdem kann die Methodik verwendet werden. Es sollte dann
jedoch vermerkt werden, dass bei dem betrachteten Vergleich (Monitoring oder Bewertung)
Unterschiede von Systemen bezüglich dieser Aufwandsart nicht berücksichtigt sind.
Die vorgestellte Methodik wird im Grundansatz unabhängig bezüglich der Art der eingesetzten
Aufwände entwickelt. Wir beschränken im Folgenden die berücksichtigten Aufwände in
diesem Projekt jedoch auf solche, die in Verbindung mit Energieverbräuchen stehen, um den
Umfang und die Komplexität entsprechend der Zielstellung zu begrenzen.
3.3.1 Berücksichtigte Aufwände
Als Aufwände eines Systems unterscheiden wir folgende Größen, die direkte und indirekte
vom System verbrauchte Energieformen berücksichtigen10:
1. Direkter Energieverbrauch11
Es wird der direkte End- oder Nutzenergieverbrauch (beispielsweise Gas-, strom-,
Kälte-, oder Wärmebezug des Systems)12 berücksichtigt.
2. Indirekter Energieverbrauch
a) Werk- und Hilfsstoffe
Es wird der indirekte Energieverbrauch zur Herstellung der vom System verbrauchten
Werk- und Hilfsstoffe berücksichtigt.
Wenn die Werk- und Hilfsstoffe innerhalb des Betriebes hergestellt werden, dann
gehen diese bei den herstellenden Systemen als direkte Energieverbräuche ein.
Kommen die Werk- und Hilfsstoffe von einem Lieferanten, so sind die entsprechenden
10 Die Bestimmung der Begriffe erfolgt in Anlehnung an die VDI 4600 (VDI, 1997-2013) und (Egon Müller,
2009).
11 Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht verbraucht werden. Wenn wir
dennoch den üblichen Sprachgebrauch übernehmen und von Energieverbrauch sprechen, meinen wir
den Verbrauch einer bestimmten Energieform, also beispielsweise Strom, der durch den Verbrauch zu
Wärme wird oder Gas, das durch den Verbrauch zu Strom und Wärme wird, oder auch Kälteenergie, die
in kaltem Wasser steckt und dann in ein zu kühlendes Produkt übergeht.
12 Wir unterscheiden an dieser Stelle nicht zwischen End- und Nutzenergie, da die Systematik sowohl für
einen Betrieb als System als auch für einzelne Systeme des Betriebes gelten kann.
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Energieverbräuche -sofern möglich- von den Lieferanten zu beziehen. Liegen keine
Informationen zu den Energieverbräuchen der bezogenen Fertigungsstoffe vor, so ist
dies für das Monitoring eines Systems, also dem zeitlichen Vergleich eines Systems mit
sich selber, nicht relevant. Ein Vergleich beispielsweise von Standorten mit
unterschiedlicher Fertigungstiefe kann jedoch so zu falschen Ergebnissen führen. Es
können dann nur die Systemteile verglichen werden, für die die entsprechenden
Aufwandsdaten vorliegen.
b) Betriebsstoffe
Es wird der indirekte End- oder Nutzenergieverbrauch der zugeführten
nichtenergetischen Betriebsstoffe - beispielsweise aufbereitete Zuluft, Schmieröl,
aufbereitetes Wasser – berücksichtigt.
3. Weitere Aufwände
Es werden weitere Aufwände ohne indirekten Energieaufwand aber mit Einfluss auf
den Energieverbrauch - beispielsweise die Außenluft mit der Eigenschaft
Außenlufttemperatur - berücksichtigt.
Abbildung 7: Darstellung der Berücksichtigung von Aufwänden
3.3.2 Nicht berücksichtigte Aufwände
In diesem Projekt werden wir folgende Aufwände nicht berücksichtigen:
1. Betriebsmittel
Energieverbräuche zur Herstellung und Entsorgung der Betriebsmittel (Maschinen,
Geräte, Gebäude …), also der Systeme selber, werden nicht berücksichtigt.
2. Nichtenergetischer Aufwand
Der nichtenergetische Aufwand für die Aufwandsgrößen Energie, Stoffe, Information
und Personal wird nicht berücksichtigt. Es wird also beispielsweise nicht der Flächen-,
Rohstoff- oder der Arbeitsstundenaufwand berücksichtigt.
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Der Energieverbrauch zur Herstellung der Betriebsmittel, also auch der Systeme selber, wird in
diesem Projekt nicht berücksichtigt. Für das Monitoring ist dieser Punkt nicht relevant, da die
betrachteten Betriebsmittel sich nicht ändern.
Für einen vollständigen Vergleich von verschiedenen Systemen ist dieser Punkt bei einigen
Systemen von Relevanz. Aufgrund der gewollten Reduzierung des Umfangs der
Aufgabenstellung dieses Projekts wird dieser Aufwand nicht berücksichtigt.
Die Methodik ist jedoch prinzipiell so aufgebaut, dass sie für hier nicht berücksichtigte
Aufwände bei Relevanz bzw. für einen vollständigen Vergleich erweiterbar ist.
3.4 Input / Output im Vergleich zu Aufwand / Nutzen
Die Begriffe Input und Output werden in verschiedenen Methoden und Theorien und für
verschiedene Einsatzzwecke benutzt.
Die wohl häufigste Verwendung findet sich in der Input-Output-Analyse von Wassily Leontief,
der in den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts das erste Input-Output-Modell
entwickelte, um Lieferverflechtungen und Rückkopplungen zwischen verschiedenen
Produktionssektoren eines Wirtschaftsraums darzustellen. Dieses erste Anwendungsgebiet der
Input-Output-Analyse ist eine ökonomische Betrachtung und In- und Output sind monetäre
Größen.
Kern dieser Theorie ist die Bildung einer Matrix (Leontief-Inverse), mit der In- und Output des
Gesamtsystems bei Kenntnis der Beziehungen der In- und Outputs der Teilsysteme ineinander
umgerechnet werden können.
Von Leontief und verschiedenen anderen Autoren wurde diese Methode weiter entwickelt, um
auch Stoff- und Energieströme darzustellen. Es ist eine mannigfaltige Literatur zur Anwendung
der Input-Output-Analyse für die Themen Stoffstrommanagement und Stoffflussanalyse
entstanden (siehe beispielsweise (Löschau, 2006) und (Acquaye, Adolf, 2010)).
Trotz Ähnlichkeiten zwischen der hier entwickelten Methode und verschiedenen Ansätzen
dieser Literatur (Black-Box-Betrachtung, Baukastenprinzip, Darstellung der Vernetzung, …)
haben wir zunächst keine direkte Verwendung dieser Methoden für die Zielstellung dieses
Projekts gefunden. Dies liegt an einer Reihe von Aspekten, die eine unmittelbare Anwendung
erschweren. Hierzu gehören die Problematik der Annahme einer linearen Beziehung zwischen
In- und Output, die Umwandlung von ökonomischen Werten in stoffliche und energetische
Werte sowie der Abhängigkeit der Matrixgrößen voneinander sowie zentralen Größen der
Methodik wie bewertete Effizienz und Gütegrad, die aus stofflichen und ökonomischen
Größen gebildet werden.
Wir gehen jedoch davon aus, dass für einige Teile der vorgestellten Methodik, wie
beispielsweise die Beschreibung der Vernetzung der Systeme durch Matrizen, zukünftig
Verbesserungen und Vereinfachungen durch Verwendung von Ansätzen aus der
beschriebenen Literatur möglich sind.
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3.4.1 Stoff- und Energieströme und Nutzen- / Aufwandströme
Stoff- und Energieströme als In- und Output-Größen eines Systems sind nicht als primäre
Größen der Methodik gewählt worden, weil es nach unserer Vorstellung mit diesen Größen
nicht möglich ist, eine allgemeingültige Methodik für Effizienz-Kennzahlen zu entwickeln: Die
In- und Output-Größen bieten unmittelbar keinen Bewertungsmaßstab und keine Zielgröße an,
wie es für die Effizienzbestimmung für das Monitoring eines Systems und das Vergleichen von
verschiedenen Systemen erforderlich ist. Die hier verwendeten Größen Aufwand und Nutzen
werden jedoch aus In- und Output-Größen gebildet, wie die vorangegangen Abschnitte zum
Aufwand und zum Nutzen aufzeigen.
Anmerkung: In Kapitel 7 definieren wir eingehende und ausgehende Produkte. Diese
unterscheiden sich ebenfalls von In- und Output in gleicher Art und Weise.
In dem folgenden Abschnitt und in Abschnitt 5.4.2 werden Beispiele gezeigt, wie aus den oft
mannigfaltigen In- und Output-Größen die entscheidenden Nutzen- und Aufwandsgrößen
herausgefiltert und gebildet werden können.
3.4.2 Beispiel Druckluftkompressor: Unterscheidung von Stoff-Input- und Output-
Größen von Aufwands- und Nutzengrößen
Die Unterscheidung von Aufwandsgröße und Stoff-Input sowie Nutzengröße und Stoff-Output
soll nun anhand eines Beispiels verdeutlicht werden.
Betrachten wir das System „Druckluftkompressor“, so können wir als Stoff-Inputgrößen den
Strom, die zu komprimierende Luft sowie das eintretende Kühlwasser identifizieren (siehe dazu
Abbildung 8). Als Stoff-Output-Größen verlassen die komprimierte Druckluft, das austretende
Kühlwasser sowie die Abluft das System.
Abbildung 8: Input- und Outputgrößen am Beispiel (Druckluftkompressor)
Um nun Nutzen und Aufwand des Systems zu bestimmen, ist es notwendig, sich von dieser
Betrachtung Stoff-Input / Output zu lösen. Vielmehr ist für das System Druckluftkompressor
zunächst der Nutzen zu definieren. Der Nutzen eines Druckluftkompressors ist die Bereitstellung
von verdichteter Luft (Druckluft), eventueller Zusatznutzen ist Abwärme.
Um diese Nutzen bereitzustellen, werden mehrere Aufwände benötigt. Das ist zum einen die
elektrische Leistung, zum anderen ist es die eintretende, zu verdichtende Luft, die
Kühlwasserleistung sowie die Druckleistung des Kühlwassers zur Überwindung der Verluste im
Wärmetauscher des Kompressors (siehe dazu Abbildung 9).
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Abbildung 9: Aufwands- und Nutzengrößen am Beispiel (Druckluftkompressor)
Im Vergleich (Abbildung 8) zeigt sich, dass sich die Informationen verdichtet haben. Es ist ein
(ggf. zwei) Nutzen definiert. Zur Erzeugung des / der Nutzen(s) werden mehrere Aufwände
benötigt. Erst mit diesen Größen ist es möglich, Effizienzen zu definieren, wie in den folgenden
Kapiteln dargestellt.
Man kann die in diesem Beispiel auftretenden Unterschiede zur stofflichen Input-/Output-
Betrachtung wie folgt zusammenfassen:
• Ein- und ausgehende Ströme werden entweder zu Nutzen oder Aufwandsströmen
zusammengefasst. Dies hat den Vorteil, die Anzahl der Nutzen auf möglichst einen zu
reduzieren und damit das Allokationsproblem der Verteilung der Aufwände auf mehrere
Nutzen zu vermeiden.
• Stoffliche In- und Output-Größen werden zu bewertbaren und vergleichbaren Nutzen
und Aufwänden. So werden in diesem Beispiel aus dem Kühlwasserstrom mit den
Größen Volumenstrom, Dichte, Temperatur, Wärmekapazität die Aufwände
„Kühlwasserleistung“ und „Druckleistung“.
• Nutzengrößen, die weder Aufwand noch Nutzen sind, wie in diesem Beispiel ein nicht
genutzter Abwärmestrom, brauchen nicht gemessen und bewertet zu werden und fallen
daher weg. Jedoch können einzelne Parameter wie beispielsweise die
Umgebungsparameter als Einflussgröße relevant sein und sollen dann gemessen
werden.
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4 Kennzahlen eines Systems
In diesem Kapitel definieren wir die wesentlichen Kennzahlen der Methodik: Teileffizienz,
bewertete Effizienz und Gütegrad. Diese Größen werden so definiert, dass damit auch der
Grundstein zur Vernetzung der Anlagen gelegt ist, weil mit diesen Größen die Information der
Effizienz des vorgelagerten Systems übergeben wird. Die Kennzahlen sind allgemein definiert,
sie sind anzuwenden für jedes System – unabhängig von der Art und Größe.
Wie im ersten Teil der Methodik beschrieben, werden die entsprechenden Größen sukzessive
für zunehmend komplexere Systeme eingeführt. Dabei gehen wir zunächst von einem System
mit nur einem Aufwand und einem Nutzen aus und führen die zur Bewertung dieses Systems
erforderliche Teileffizienz ein. Dann betrachten wir Systeme mit mehreren Aufwänden
betrachtet und definieren die hierfür erforderliche bewertete Effizienz. Schließlich führen wir
den Gütegrad für Systeme mit mehreren Nutzen ein.
Bei Systemen mit mehreren Nutzen stellt sich das Problem der Allokation: Wie sollen die
Aufwände auf die Nutzen aufgeteilt werden, um die Effizienz der Nutzen zu bestimmen? Dazu
zeigen wir in Abschnitt 4.3.4 vier verschiedene Lösungswege auf.
Die aufgestellten Kennzahlen können für beide zentralen Zielsetzungen dieses Projekts
verwendet werden:
1. Beim Monitoring geht es um den zeitlichen Vergleich der Kennzahlen eines Systems
2. Bei der Bewertung geht es um den Vergleich der Kennzahlen unterschiedlicher
Systeme mit gleichem Nutzen.
In diesem Kapitel geben wir Beispiele für beide Zielsetzungen der Anwendung der Kennzahlen
an verschiedenen Systemen an.
4.1 Systeme mit einem Nutzen und einem Aufwand - Teileffizienz
Wir haben Systeme als solche definiert, die mit Aufwänden Nutzen erzeugen – siehe Abschnitt
3.1. Das Ziel ist es, mit möglichst geringem Aufwand einen möglichst hohen Nutzen zu
erzeugen und so kommen wir zur ersten Kennzahl, der Teileffizienz13:
Definition:
Die Kennzahl „Teileffizienz“ stellt das Verhältnis aus der Nutzengröße und der Aufwandgröße
dar. Bei Systemen mit einem Nutzen und einem Aufwand kann die Effizienz durch die Kennzahl
„Teileffizienz“ vollständig bestimmt werden.
13 Die Teileffizienz ähnelt der volkswirtschaftlichen Kennzahl Produktivität: Die Produktivität „stellt das
Verhältnis zwischen der Ausbringungsmenge und der Faktoreinsatzmenge dar, wobei lediglich auf eine
Produkt- und eine Faktorart Bezug genommen wird. Da in die Produktivität Mengengrößen eingehen,
wird sie auch den technischen Zielen zugeordnet.“ (Udo Buscher, 2010) Allerdings bezieht sich die
Teileffizienz auf eine Nutzengröße und eine Aufwandsgröße, die sich von der Ausbringungsmenge und
der Faktoreinsatzmenge unterscheiden können.
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Da wir in der darauffolgenden Abschnitten Systeme mit mehreren Aufwänden betrachten,
führen wir schon jetzt den Index i für die Teileffizienz ��und die entsprechende
Aufwandsgröße �� ein.
�� ∶= ���
( 1 )
�� Teileffizienz bezogen auf den Aufwand i
� Nutzengröße
�� Aufwandsgröße i
Beispiele für die Teileffizienz
Heizkessel: Wärmeleistung durch Gasleistung
Pumpe: Hydraulische Leistung durch Stromleistung
Prozess: Stückzahl durch Stromleistung
Druckluftkompressor: Massenstrom Druckluft durch Stromleistung
4.2 Systeme mit einem Nutzen und mit mehreren Aufwänden –
bewertete Effizienz
Die im vorherigen Abschnitt eingeführte Teileffizienz beschreibt ein System mit einem
Aufwand und einem Nutzen ausreichend gut. Um die Effizienz von Systemen mit mehreren
Aufwänden und einem Nutzen zu bestimmen, führen wir in diesem Abschnitt die bewertete
Effizienz, Bewertungsarten und Bewertungsfaktoren ein.
Abbildung 10: System mit mehrere Aufwänden und einem Nutzen
4.2.1 Bewertungsarten und Bewertungsfaktoren
Wenn für ein System mit mehreren Aufwänden die Effizienz berechnet werden soll, dann
ergibt sich das Problem, wie die Aufwände addiert oder in Beziehung gesetzt werden können.
Oder einfach gesagt: Wie können wir Äpfel mit Birnen miteinander vergleichen - beispielweise
Strom mit Wärme. Dies benötigen wir, um beispielsweise Systeme miteinander vergleichen zu
können, die zur Erzeugung des gleichen Nutzens Wärme und Strom benötigen, wobei ein
System mehr Wärme, das andere mehr Strom benötigt.
Dazu führen wir Bewertungsarten ein, mit denen wir unterschiedliche Aufwände
oder Nutzen bewerten können, um sie anschließend vergleichen zu können.
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In der folgenden Tabelle 3 geben wir Beispiele für Bewertungsarten.
Tabelle 3: Beispiele für Bewertungsarten
(Die empfohlenen Bewertungsarten liegen oberhalb der Strichpunktlinie.)
Zu den unterschiedlichen Bewertungsarten gehören entsprechende Bewertungsfaktoren, um
eine Umrechnung der Aufwände oder Nutzen zu ermöglichen (Tabelle 4).
Tabelle 4: Beispiele für verschiedene Bewertungsarten und entsprechende Bewertungsfaktoren
(Die empfohlenen Bewertungsarten liegen oberhalb der Strichpunktlinie.)
Der Anwender legt mit der Bewertungsart fest, ob er für das betrachtete System einen
ökonomischen Vergleich mittels der Bewertungsart Geld, einen energetischen Vergleich
mittels der Bewertungsart Primärenergie oder einen ökologischen Vergleich mittels der
Bewertungsart CO2-Emissionen machen möchte. Diese Festlegung erfolgt durch die Wahl der
Bewertungsfaktoren der Aufwände des betrachteten Systems. Ist das System beispielsweise
das Gesamtwerk, so wird durch die Festlegung der Bewertungsfaktoren der Aufwände des
Gesamtwerks die Vergleichsart festgelegt: Möchte der Anwender beispielsweise eine
energetische Betrachtung machen, wählt er für den Strom-, Gas-, und Fernwärmebezug die
Bewertungsarten
Geld
Primärenergie
CO2-Emissionen
Exergie
Arbeitsstunden
Bewertungsart
Geld (f)(€/h)
Primärenergie (e)(kWhPr/h)
CO2-Emissionen (c) (tCO2/h)
Exergie (ex) (kWhEx/h)
Arbeitsstunden (a)(h/h)
Bewertungsfaktor p����(EAN = Einheit Aufwands- oder
Nutzengröße)
pf (€/EAN)
pe(MWhpr/EAN)
pc(tCO2/EAN)
pex(MWhex/EAN)
pa
(h/EAN)
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Bewertungsart Primärenergie und setzt die vom Lieferanten zu überliefernden
Bewertungsfaktoren wie beispielsweise ,� ���(����� ���� ���⁄ ) als Bewertungs-
faktoren für die Aufwände seiner Systeme an, die direkt diese Aufwände haben. Wie im
Folgenden erläutert, sind die dann berechneten Bewertungsfaktoren der Nutzen der Systeme
ebenfalls auf Primärenergie bezogen und damit auch sämtliche Betrachtungen von Gesamt-
und Teilsystemen des Werks.
Bei den CO2-Emissionen berücksichtigen wir nur die Emissionen der Energieträger - direkte
Prozessemissionen werden nicht berücksichtigt14.
Wir definieren so den bewerteten Nutzen NB, den bewerteten Aufwand AB sowie den
Bewertungsfaktor p:
Den mit einer Bewertungsart bewerteten Nutzen nennen wir bewerteter
Nutzen ��. Entsprechend führen wir den bewerteten Aufwand �� ein.
Das Verhältnis von bewertetem Nutzen und Nutzengröße (bzw. bewertetem
Aufwand und Aufwandsgröße) nennen wir Bewertungsfaktor .
�,� ∶=���� ( 2 )
�,� Bewertungsfaktor des Aufwands bezogen auf die Bewertungsart �
��� Bewerteter Aufwand
� Aufwandsgröße
�,� ∶= ���� ( 3 )
�,� Bewertungsfaktor des Nutzens bezogen auf die Bewertungsart �
��� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
Der Index � kennzeichnet, dass die Bewertungsfaktoren und auch die bewerteten Nutzen- und
Aufwände auf eine Bewertungsart bezogen sind. Je nachdem, welche Bewertungsart
herangezogen wird, steht für � der Index f (Geld), e (Primärenergie) oder c (CO2-Emissionen).
Bewertete Nutzen NB bzw. Aufwände AB sind also die mit einem Bewertungsfaktor p� multiplizierten Nutzen- bzw. Aufwandsgrößen. Oder: Die Nutzengröße N (bzw. die
Aufwandsgröße A) wird durch den Bewertungsfaktor � bewertet und somit vergleichbar
gemacht:
14 Wir konzentrieren uns in diesem Projekt auf die ersten drei Bewertungsarten, wobei wir bei
den CO2-Emissionen nur die durch die Energiewandlung erzeugten CO2-Emisssionen und nicht
die direkten Emissionen von Prozessen berücksichtigen. Dies tun wir, um den Umfang dieses
Projekts zu begrenzen. Aus dem gleichen Grund betrachten wir im Weiteren ebenfalls die
Bewertungsart Exergie nicht. Prinzipiell ist die Methodik aber auch ohne diese Beschränkungen
anwendbar.
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��� = � ∗ �,� ( 4 )
��� Bewerteter Aufwand
� Aufwandsgröße
�,� Bewertungsfaktor des Aufwands bezogen auf die Bewertungsart �
��� =� ∗�,� ( 5 )
��� Bewerteter Nutzen
� Nutzengröße
�,� Bewertungsfaktor des Nutzens bezogen auf die Bewertungsart �
Damit beziehen sich auch die Bewertungsfaktoren für Nutzen und Aufwand immer auf eine
Bewertungsart – dazu folgende Beispiele:
Beispiel 1
Druckluft-Bewertungsfaktor Geld (€/m³) = Kosten für Strom für Druckluft / Druckluftvolumen
Beispiel 2
Druckluft-Bewertungsfaktor Primärenergie (MWhpr/m³) = Primärenergieaufwand für Strom für
Druckluft / Druckluftvolumen
Hinweis
Im weiteren werden wir den Index � bzw. die konkretisierenden Indices f, e oder c der
Einfachheit halber weglassen, da wir davon ausgehen, dass die Notwendigkeit, ein und
dieselbe Bewertungsart bei einem Vergleich zu benutzen, selbstverständlich ist und daher die
Angabe des Index (da immer gleichbleibend) die Formeln unnötig komplizierter macht.
Bewerteter Gesamtaufwand
Wir können nun den bewerteten Gesamtaufwand eines Systems mit mehreren Aufwänden
(bezogen auf eine Bewertungsart) wie folgt bilden:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
Bewertungsfaktoren des betrachteten Systems, also des
Rösters mit Abwärmenutzung für Gas, Strom und der
substituierten Wärme
��,&, ��,&, ��,& Aufwandsgrößen für Gas, Strom und der substituierten
Wärme des Vergleichssystems
'() Bewerteter Aufwand für Gas, Strom und der
substituierten Wärme des betrachteten Systems
Beispiel Eigenstromerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung): Zwei gekoppelte
Nutzen und Substitution beider Nutzen
Als ein Beispiel für die Substitution von zwei Nutzen betrachten wir die Kraft-Wärme-Kopplung
(BHKW). Der eine Nutzen Nb1 die Stromleistung, der andere Nb2 die Wärmeleistung. Dieses
Beispiel zeigt auch generell das Vorgehen im Fall der EigenstromerzeugungEigenstromerzeugungEigenstromerzeugungEigenstromerzeugung auf. Substituiert
werden hierbei ein Teil des extern bezogenen Strombedarfs und ein Teil einer anderen
Wärmeerzeugung im Werk. Der substituierte externe Strombedarf habe den Bewertungsfaktor
�$� und die substituierte Wärmeerzeugung �$� . Der Aufwand � sei ein Gasaufwand für das
BHKW, AB der bewertete Gasaufwand. Damit lässt sich der Bewertungsfaktor für den erzeugten
Strom gemäß Gleichung ( 22 ) darstellen:
�"� = ���"� +�$��$� ∗ �"�
Der Bewertungsfaktor für die erzeugte Wärme berechnet sich dann mit Gleichung ( 21 ) zu:
�"� =�$��$� ∗ �"�
( 25 )
�"� Bewertungsfaktor 2 des Nutzens des betrachteten Systems
�$� Bewertungsfaktor 2 des Nutzens des subsituierten Systems
�$� Bewertungsfaktor 1 der Nutzen der subsituierten Systeme
�"� Bewertungsfaktor 1 der Nutzen des betrachteten Systems
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Abbildung 17: Zwei gekoppelte Nutzen und Substitution beider Nutzen
Damit wird eine bewertete Verteilung der Gewinne durch die KWK auf die beiden Nutzen Wärme
und Strom erreicht und diese Bewertungsfaktoren sollten zur Berechnung der Aufwände der
nachfolgenden Systeme verwendet werden.
Zur Klärung der Fragestellung, ob der Einsatz von KWK überhaupt lohnenswert ist, berechnen wir
den GütegradGütegradGütegradGütegrad. Beispielsweise konkurriere die KWK mit den beiden alternativen Nutzen externe
Stromversorgung und Abwärme, die nur einen geringen Aufwand hat. Wenn wir die oben
genannten Variablen in die Gleichung ( 17 ) für den Gütegrad einsetzen, dann ergibt sich:
! = ��,� ∗ ��,* +��,� ∗ ��,*��,� ∗ ��,�
Hierbei ist ��,� der Bewertungsfaktor für den bezogenen Strom. An dieser Stelle ist also nicht
der Strompreis vom Nutzen des betrachteten Systems einzusetzen, sondern der Strompreis vom
Aufwand des betrachteten Systems. Da das betrachtete System, die KWK-Anlage, keinen
externen Strombezug haben soll, kann der Bewertungsfaktor des Vergleichssystems verwendet
werden. ��,* ist der substituierte Stromeinsatz und ��,* der substituierte Wärmeeinsatz mit dem
Bewertungsfaktor��,� .
Bei der folgenden Tabelle haben wir für die Bewertungsart Geld willkürlich Zahlen für die
Eingangsgrößen der gerade aufgeführten Formeln angesetzt, um das Beispiel noch konkreter zu
machen.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Tabelle 13: Beispiel Kraft-Wärme-Kopplung anhand von willkürlich angenommenen
Eingangsgrößen
Da der berechnete Gütegrad mit 161% größer als 100% ist, ist der Einsatz der Kraft-Wärme-
Kopplung bei diesen Eingangsgrößen aus ökonomischer Sicht (Bewertungsart Geld) sinnvoll und
damit auch die „Substituierung“ eines Teils der Nutzen der Vergleichssysteme.
Eine alternative Berechnungalternative Berechnungalternative Berechnungalternative Berechnung zur Klärung, ob der Einsatz von KWK überhaupt lohnenswert ist,
ergibt sich durch eine andere Art der Berechnung der Bewertungsfaktoren:
Hierzu setzen wir den Bewertungsfaktor für den Strom der KWK gleich dem externen
Bewertungsfaktor:
�"� =�"�
Dann kann der Bewertungsfaktor für Wärme ��� wie folgt aus der Aufwands-Nutzen-
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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��� = �−�"� ∗ �"��"�
Der einfache Vergleich zwischen dem Bewertungsfaktor Wärme der KWK �"� und dem
Bewertungsfaktor der zu substituierenden Wärme �$�führt dann zu der Aussage, ob der
Einsatz der KWK sinnvoll ist. Je nach Wahl der Bewertungsart kann dann die Aussage
ökonomisch, ökologisch oder primärenergetisch gefunden werden.
4.4 Zusammenstellung der Kennzahlen
In der folgenden Abbildung sind die für ein System zentralen Kennzahlen der Methodik, wie sie
in diesem Kapitel entwickelt wurden, zusammenfassend dargestellt.
Abbildung 18: Zusammenstellung der zentralen Kennzahlen der Methodik
Die Effizienz eines Systems mit nur einem Aufwand und einem Nutzen kann vollständig durch
die Teileffizienz überwacht und bewertet werden.
Verbraucht ein System mehrere Aufwände, so ist die bewertete Effizienz zu bestimmen, um
den beiden zentralen Zielstellungen des Projektes, das Monitoring und die Bewertung, zu
genügen. Zur Bestimmung der bewerteten Effizienz ist die Kenntnis der Bewertungsfaktoren
der Aufwände erforderlich. Die Bewertungsfaktoren der Aufwände geben auch die Effizienz
der vorgelagerten Systeme an. Die bewertete Effizienz kann auch aus den Teileffizienzen und
den Bewertungsfaktoren der Aufwände berechnet werden.
Hat ein System mehrere Nutzen, so ist für das Monitoring und die Bewertung eines Systems
der Gütegrad zu bestimmen. Für die Bestimmung des Gütegrades sind neben den
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Bewertungsfaktoren der Aufwände auch die Angaben eines Vergleichssystems erforderlich.
Die Werte des Vergleichssystems sind für die Einflussgrößen des betrachteten Zeitraums des
betrachteten Systems zu ermitteln – siehe auch das folgende Kapitel 5.
Der Gütegrad kann auch aus den bewerteten Effizienzen der einzelnen Nutzen sowie den
Nutzengrößen des betrachteten Systems ermittelt werden.
Generell kann man sagen, dass zur Ermittlung der Teileffizienzen weniger Daten erforderlich
sind als zur Ermittlung der bewerteten Effizienz, aber dass mit den Teileffizienzen nur im
Ausnahmefall -ein System mit einem Aufwand und einem Nutzen- ausreichende Aussagen
möglich sind. Entsprechend sind für die Ermittlung der bewerteten Effizienz zwar keine
Vergleichssysteme erforderlich, jedoch können nur Systeme mit einem Nutzen überwacht und
bewertet werden. Für die Bewertung von Systemen mit mehreren Nutzen ist der Gütegrad
erforderlich.
Zwar ist der Gütegrad prinzipiell für alle Systeme berechenbar. Jedoch kann nicht auf die
Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz verzichtet werden, da der Gütegrad in den
meisten Fällen nur aus den Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz berechnet werden
kann. Die direkte Berechnung des Gütegrads ist aufgrund des Allokationsproblems und der
geringen Vergleichsgrundlage infolge der vielen Einflussgrößen bei komplexeren Systemen in
der Regel nicht möglich.
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5 Vergleiche, Einflussgrößen und Systemgrenzen
Im folgenden Kapitel werden zunächst die möglichen Arten von Vergleichen aufgestellt und
festgestellt, welche davon für die beiden zentralen Zielstellungen Monitoring und Bewertung
von Systemen geeignet sind.
Um aussagekräftige Vergleiche machen zu können, sind die relevanten Einflussgrößen zu
bestimmen und zu bereinigen. Ausgehend von einem definierten System (Kapitel 3), können
die relevanten Einflussgrößen für den Energieverbrauch bestimmt werden: Wenn wir ein
System betrachten, sehen wir zunächst eine Vielzahl von möglichen Einflussgrößen, die es aus
zwei Gründen gilt zu reduzieren:
1. Je größer die Anzahl von Einflussgrößen ist, desto höher ist auch der erforderliche
Messaufwand.
2. Da ein Vergleich nur möglich ist, wenn auch die Einflussgrößen vergleichbar sind, wird
durch eine große Anzahl an variierenden Einflussgrößen somit auch die Menge von
möglichen Vergleichspunkten vom gleichen System oder anderen Systemen geringer.
Je geringer die Anzahl der möglichen Vergleichspunkte ist, desto geringer wird die
Aussagekraft.
Bei der Reduktion der Anzahl der Einflussgrößen dürfen jedoch keine relevanten
Einflussgrößen verloren gehen, ansonsten verliert der Vergleich ebenfalls an Aussagekraft.
Falls eine relevante Einflussgröße nicht berücksichtigt wird (weil beispielsweise der
Messaufwand zu hoch ist oder der Einfluss auf Grund von Erfahrungswerten als
vernachlässigbar eingeschätzt wird), sollte zumindest ausgewiesen sein, welche relevanten
Einflussgrößen bei einem Vergleich nicht bereinigt wurden.
In Abschnitt 5.3 wird ein schrittweises Vorgehen zur Aufstellung der relevanten Einflussgrößen
beschrieben. Dieses Verfahren wird dann in Abschnitt 5.5 mit dem Vorgehen anderer
Methoden verglichen. In Abschnitt 5.6 zeigen wir auch auf, wie die relevanten Einflussgrößen
bereinigt werden können.
Prinzipiell kann bei der Bereinigung der Einflussgrößen die Nutzengröße oder die
Aufwandsgröße entsprechend angepasst werden. Wir schlagen vor, die Aufwandsgröße
anzupassen, da der Nutzen die relevante Vergleichsgröße darstellt und daher auch bei
unterschiedlichen Aufwänden Vergleiche gemacht werden können.
Weder bei der Bestimmung der zentralen Begriffe dieses Kapitels noch bei dem
Vorgehen zur Aufstellung der relevanten Einflussgrößen haben wir Literatur
gefunden, an welcher wir anknüpfen könnten oder Teilelemente hätten
übernehmen können. Jedoch waren die in der Literatur dargestellten
Erläuterungen der Problematik eine hilfreiche Grundlage – beispielsweise
(Adelphi, Österreichische Energieagentur, 2013).Einführendes Beispiel für ein
Vergleich im Monitoring:
System Beheizte Lagerhalle und Außentemperatur
Zur Einführung in die Problematik geben wir folgendes einfaches Beispiel: Der Wärmeverbrauch
einer Lagerhalle ist abhängig von der Außentemperatur. Will man nun den Wärmeverbrauch von
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 58
zwei unterschiedlichen Zeiträumen miteinander vergleichen, so ist der Wärmeverbrauch unter
anderem abhängig von den unterschiedlichen Außentemperaturen in diesen Zeiträumen.
Unsere erste Zielsetzung ist das Monitoring und die zugehörige Fragestellung lautet dabei: Ist
der Wärmeverbrauch des Systems Lagerhalle mindestens angemessen oder wurde entsprechend
der Umweltbedingungen, also hier der Außentemperatur, zu viel Wärme verbraucht. Das heißt,
man möchte den Einfluss der Außentemperatur aus dem Vergleich herausnehmen (also
bereinigen), um das System Lagerhalle unabhängig von Einflussgrößen zu bewerten.
5.1 Vergleichsaufwand und Umwelt
Eine zentrale Zielstellung ist die Vergleichbarkeit von Systemen - siehe auch Teil 1 dieses
Projektes, Abschnitt 3.2: Überblick über existierende Kennzahlaufstellungen und Detaillierung
der Aufgabenstellung des Projektes.
Die wesentlichen Fragen zu dieser Zielstellung lauten:
1. Fragestellung Monitoring
Was hätte das System für einen Aufwand im betrachteten Zeitraum gehabt, wenn es die
gleiche Effizienz wie in einem Vergleichszeitraum gehabt hätte? 23
Oder alternativ: Hält das System sein Soll ein?
2. Fragestellung Bewertung
Was hätte ein Vergleichssystem anstelle des vorhandenen Systems für einen Aufwand gehabt?
Oder alternativ: Hat das System eine höhere oder niedrigere Effizienz als ein
Vergleichssystem?
Diese Fragestellungen lassen sich weiter konkretisieren. Hierfür führen wir die Systemumwelt
ein:
Die Systemumwelt ist alles das, was nicht das System ist.
Wir definieren ferner die Systemgrenze24 als die Grenze zwischen Systemumwelt
und System. Die Systemgrenze stellt einfach die räumliche Grenze zwischen dem
System (oder den betrachteten Systemen) und der Systemumwelt dar.
Die zeitlichen Systemgrenzen werden „bereinigt“, da wir die Größen (Aufwand, Effizienz, …)
immer auf einen Zeitraum beziehen.
23 Wir gehen hierbei davon aus, dass das System bei der Errichtung oder dem Umbau in einen möglichst
guten Zustand gebracht wird. Die Werte die dieses System dann erbringt, sind die Vergleichswerte.
24 Bei der Betrachtung eines Systems ist die Bilanzgrenze gleich der Systemgrenze.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 59
Abbildung 19: System und Systemumwelt
Damit konkretisieren sich die Fragestellungen:
1. Fragestellung Monitoring
Was hätte das System für einen Aufwand in der Systemumwelt des Betrachtungszeitraums
gehabt, wenn es die gleiche Effizienz wie in der Systemumwelt eines Vergleichszeitraums
gehabt hätte?
2. Fragestellung Bewertung
Was hätte ein Vergleichssystem in der Systemumwelt des Systems für einen Aufwand gehabt?
5.2 Einflussgrößen und Bereinigung
In der Literatur zu Kennzahlen konnten wir verschiedene Quellen finden, die das Thema
Einflussgrößen behandeln. Es werden beispielsweise die Begriffe „Korrekturgrößen“,
„Störgrößen“ oder auch „Einflussfaktoren“ verwendet. Definitionen werden hierzu in der Regel
nicht gegeben und die Verwendung dieser Größen halten wir für unsere Zielstellung nicht oder
nur in Ansätzen brauchbar. Für den Begriff der Bereinigung, welcher in der Regel lediglich für
die Temperaturbereinigung von Heizverbräuchen verwendet wird, haben wir in der
Literaturrecherche keine allgemeine Definition gefunden. Daher stellen wir im Folgenden die
für unsere Zwecke erforderlichen Definitionen für Einflussgrößen und deren Bereinigung neu
auf.
Zunächst definieren wir Einflussgrößen:
Einflussgrößen sind alle Größen, die die Größe des Aufwands eines Systems
bestimmen.
Wir unterscheiden zwischen internen und externen Einflussgrößen:
Interne Einflussgrößen werden durch das System und externe Einflussgrößen
durch die Systemumwelt bestimmt.
Interne Einflussgrößen sind auch die Eigenschaften des Systems.
Wir unterscheiden ferner direkte und indirekte Einflussgrößen:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 60
Direkte Einflussgrößen des betrachteten Systems sind nur interne und externe
Einflussgrößen.
Indirekte Einflussgrößen wirken sich auf vor- oder nachgelagerte Systeme aus. Sie
sind nicht Größe oder Eigenschaft der Aufwände und Nutzen des betrachteten
Systems. Ihr Einfluss kann nur indirekt über die externen Einflussgrößen wirken.
In der folgenden Abbildung veranschaulichen wir die internen, externen, direkten und
indirekten Einflussgrößen:
Abbildung 20: Darstellung von internen, externen, direkten und indirekten Einflussgrößen
Im Weiteren definieren wir die Bereinigung des Einflusses einer Einflussgröße auf den Aufwand
oder die Effizienz oder kurz die „Bereinigung einer Einflussgröße“:
Die Bereinigung einer Einflussgröße bei einem Vergleich von beispielsweise der
Effizienz oder Aufwänden eines Systems mit demselben System aus einem
Vergleichszeitraum oder einem anderen System ist das Aufheben oder Nichtig
machen dieser Einflussgröße innerhalb des Vergleichs. Dieses Aufheben erfolgt
durch die Umrechnung des Aufwandes auf quantitativ gleiche Einflussgrößen oder
anders ausgedrückt: Auf die gleiche Umwelt.
Systemumwelt
System
Umwelt Vergleichssystem
Vergleichs-system
Abbildung 21: Ausgangssituation des Vergleichs von Systemen
Die Umrechnung oder Bereinigung von einer Einflussgröße kann auf drei verschiedenen Wegen
erfolgen:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 61
1) Es wird der Vergleichsaufwand auf die Einflussgrößen der Systemumwelt des
Betrachtungszeitraums umgerechnet.
2) Es wird der Systemaufwand auf die Einflussgrößen der Vergleichsumwelt des
Vergleichszeitraums umgerechnet.
3) Es werden die Einflussgrößen von System und Systemumwelt auf eine andere, dritte
Umwelt umgerechnet.
Abbildung 22: Prinzipielle Vergleichsmöglichkeiten von System
Ein Sonderthema ist der Vergleich von Umwelten, welcher zum Beispiel für die Standortwahl
eines neuen Betriebs nützlich ist.
Abbildung 23: Vergleich von Umwelten
Systemumwelt
System
Systemumwelt
Vergleichs-system
Umwelt Vergleichssystem
Vergleichs-system
Umwelt Vergleichssystem
System
Andere Umwelt
Vergleichs-system
Andere Umwelt
System
Vergleichsmöglichkeit 2 Beispiele: - Prüfung Einsatz System am Ort von Vergleichssystem
Vergleichsmöglichkeit 3Beispiele: - gut für Vergleiche mit allgemein bekannten Referenzen (Beispiel Heizgradtage Würzburg bei Energieverbrauch Wohngebäude)
Vergleichsmöglichkeit 1Beispiele: - Monitoring (Zeitlicher Vergleich)- Benchmarking für Vorortvergleich
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 62
5.3 Einflussgröße Mensch
Menschen haben in verschiedenen Handlungsfeldern einen Einfluss auf den Energieverbrauch
von Systemen – siehe dazu die folgende Abbildung 24. Hierbei stellt sich grundsätzlich die
Frage, ob wir bei der Betrachtung eines Systems den Mensch als Teil des Systems oder als
externes „System“ betrachten. Ist der Mensch Teil des Systems, dann wird eben nicht nur eine
technische Anlage oder Maschine bewertet, sondern auch die Tätigkeiten des Menschen in
Bezug auf das betrachtete System – beispielsweise die Güte der Wartung der Anlage.
Wenn ausdrücklich die „Einflussgröße“ Mensch nicht berücksichtigt werden soll, dann ist der
Einfluss des Menschen zu bereinigen. Oft verwendet man dazu eine Standardisierung des
Einflusses des Menschen. Beispielsweise wird bei Gebäuden die Annahme getroffen, dass die
Raumtemperatur 20°C beträgt (unabhängig von den Nutzern des Raumes). Ein anderes Beispiel
ist die Bestimmung eines Fahrleistungsprofils für die Bestimmung des Benzinverbrauchs eines
Autos. Das Fahrleistungsprofil wird unabhängig von dem Einfluss des jeweiligen Fahrers
festgelegt.
Folgende zwei Regeln stellen wir für den Einfluss des Menschen hinsichtlich unserer
Fragestellung auf:
Bei einer Systemüberwachung oder –bewertung sollte ausdrücklich
gekennzeichnet sein, ob und welcher menschliche Einfluss Teil der Überwachung
oder Bewertung eines Systems ist.
Soll ein menschlicher Einfluss auf den Energieverbrauch nicht Bestandteil des
betrachteten Systems sein, so soll erläutert werden, wie der Einfluss bereinigt
wird.
Für die in diesem Projekt betrachteten produzierenden Betriebe ist nach unserer Methodik das
folgende Vorgehen sinnvoll:
Der Einfluss des Menschen ist Bestandteil des betrachteten Systems, da wir bei der Bewertung
wie auch bei der Überwachung der Systeme auch die Ineffizienzen, die sich beispielweise
durch die Planung, Wartung oder Regelung der Anlagen ergeben, berücksichtigen wollen. Dies
hat dann jedoch zur Folge, dass beispielsweise ein Unterschied beim Vergleich von gleichen
Systemen verschiedener Standorte nicht zwingend auf eine technische Komponente
zurückzuführen ist, sondern beispielsweise auch eine mangelnde Wartung die Ursache sein
kann.
Durch eine Zerlegung des Systems in beispielsweise das Teilsystem „zu wartender Filter“ und
den „Rest des Systems“ kann dann der Ursache auf die Spur gekommen werden.
Beispielsweise bei Bürogebäuden – auch von produzierenden Betrieben – kann im
Handlungsfeld „Nutzung“ auch eine Externalisierung des Einflusses des Menschen sinnvoll
sein. Siehe dazu auch das Beispiel in Abschnitt 3.2.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 24: Vorgehen zur Berücksichtigung des Einflusses des Menschen bezüglich der
verschiedenen Handlungsfelder
Beispiel System Rohrleitung
Der menschliche Einfluss auf die Rohrleitung selber wie zum Beispiel die Planung der Rohrleitung
oder eine mögliche Beschädigung der Dämmung gehört zum System und wird daher nicht
bereinigt.
Der menschliche Einfluss auf das Umgebungsklima ist indirekt und wird mit der Einflussgröße
Lufttemperatur bereinigt.
Bei der Bewertung und damit dem Vergleich von verschiedenen Systemen kann es durchaus
Zielstellung sein, den direkten menschlichen Einfluss zu bereinigen. Dann ist der menschliche
Einfluss außerhalb des Systems und wird als externe Einflussgröße bereinigt.
Beispiel System Rohrleitung
Der menschliche Einfluss auf die Rohrleitung durch eine Beschädigung eines Teils der Dämmung
soll den Vergleich zwischen Systemen mit verschiedenen Rohrleitungs- und Dämmtypen nicht
beeinflussen und wird daher bereinigt.
5.4 Vorgehen zur Aufstellung der Einflussgrößen
Im Folgenden schlagen wir ein Vorgehen zur Ermittlung der Einflussgrößen eines Systems vor,
die bei den für das Monitoring und die Bewertung erforderlichen Vergleichen zu bereinigen
sind.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Im Schritt 1 werden zunächst alle in Frage kommenden Einflussgrößen aufgestellt. In den
folgenden Schritten 2 bis 7 werden dann die nicht relevanten Einflussgrößen bestimmt und
herausgenommen, damit der erforderliche Messaufwand verringert und in vielen Fällen eine
Auswertung mit analytischen oder statistischen Verfahren überhaupt erst möglich wird. Die
Schritte 2 bis 7 müssen nicht in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, es ist
allein eine Empfehlung.
Schritt 1 Aufstellung der in Frage kommenden Einflussgrößen
Wie wir in Kapitel 3 definiert haben, behandelt das Monitoring und die Bewertung der Effizienz
eines Systems das System wie eine Blackbox. Hieraus folgt, dass keine Einflussgrößen oder
Eigenschaften, die durch das System selbst bestimmt werden, berücksichtigt werden dürfen:
Zur Bestimmung des Vergleichsaufwands werden lediglich die externen
Einflussgrößen bereinigt. Interne Einflussgrößen werden nicht bereinigt.
Im Weiteren werden nur direkte Einflussgrößen berücksichtigt, da durch die direkten
Einflussgrößen der Einfluss der Umwelt vollständig bestimmt ist. Die indirekten Einflussgrößen
wirken durch die vor- und nachgelagerten Systeme über die Nutzen und Aufwände auf das
System ein:
Zur Bestimmung des Vergleichsaufwands werden lediglich die direkten
Einflussgrößen bereinigt. Indirekte Einflussgrößen werden nicht bereinigt.
Die Aufwandsgröße selber kann nicht Einflussgröße sein, weil ja der Vergleichsaufwand die
gesuchte Größe ist, auf den die Einflussgrößen einwirken oder: Die Aufwandsgrößen sind keine
externen Eigenschaften, denn sie bestimmen die Effizienz, wenn die Nutzen festgelegt sind.
Die Eigenschaften und die Bewertungsfaktoren der Aufwände sind hingegen Einflussgrößen.
Im Weiteren kann der Bewertungsfaktor des Nutzens ebenfalls nicht Einflussgröße sein, weil
dieser durch die anderen Einflussgrößen bestimmt wird.
Erläuterungen
Die internen Einflussgrößen bestimmen das System selber. Wenn man die internen
Einflussgrößen berücksichtigen würde, dann würde man die Größen herausrechnen, die
gerade die Effizienz des Systems bestimmen. Nach Berücksichtigung aller internen
Einflussgrößen sind in der Konsequenz alle Systeme gleich effizient.
Dies ist ein ganz bedeutender Punkt, der unseres Erachtens nach bei vielen
Kennzahlenaufstellungen zu Problemen führt - so beispielsweise in der Formulierung der
europäischen Norm DIN EN 16231 für eine Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik:
„Im Allgemeinen sollten Korrekturen so wenig wie möglich vorgenommen werden. … Werden
zu viele Korrekturen vorgenommen, kann das dazu führen, dass bedeutende reale
Abweichungen verdeckt werden, da sich die Benchmarking-Kurve stärker einer flachen Kurve
annähert.“ (DIN, 2012)
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Der hier beschriebene Effekt, dass sich die Effizienzen der verglichenen Systeme annähern,
wenn Korrekturen vorgenommen werden, ergibt sich, wenn interne Einflussgrößen bereinigt
werden. Da die Norm keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Einflussgrößen
(Korrekturfaktoren) vornimmt, können diese Schwierigkeiten auftreten.
Für die Analyse der Effizienz eines Systems sind die internen Einflussgrößen die
entscheidenden, die Analyse ist jedoch nicht Ziel des Projektes. Für die Zielsetzung dieses
Projektes, das Monitoring und die Bewertung von Energieverbräuchen, ist es exakt umgekehrt,
hier zählen nur die externen Einflussgrößen.
Schritt 2 Berücksichtigung der menschlichen Einflussgrößen
Wie in Abschnitt 5.3 beschrieben, empfehlen wir in der Regel, dass die Tätigkeiten von
Menschen am System wie Planung, Wartung, Instandhaltung usw. Bestandteil des Systems
sind und daher nicht als Einflussgrößen bereinigt werden.
Dies ist bei der Erläuterung der Ergebnisse vom Monitoring und der Bewertung von Systemen
nach unserer Methodik zu berücksichtigen und darin unterscheidet sich unser Verfahren von
allen anderen wie beispielweise dem der Öko-Design-Richtlinie, bei welchem unter genau
definierten Umweltbedingungen Effizienzen bestimmt werden und somit der menschliche
Einfluss vernachlässigt werden kann.
Wenn der Nutzen eines Systems nicht materiell ist, sondern direkt menschlichen Tätigkeiten
dient wie beispielsweise der Nutzen eines Bürogebäudes, empfehlen wir, einen Teil der
menschlichen Tätigkeiten nicht als Systembestandteil zu bestimmen – siehe hierzu auch das
Beispiel in Abschnitt 3.2.
Schritt 3 Nur erforderliche Eigenschaften des Nutzens
Nicht alle Eigenschaften des Nutzens sind wirklich erforderlich. In diesem Schritt überprüfen
wir, ob alle Eigenschaften des Nutzens des Systems auch tatsächlich von den nachfolgenden
Systemen gefordert werden. Wenn es Eigenschaften des Nutzens gibt, die nicht von den
nachfolgenden Systemen gefordert werden, dürfen wir diese nicht bereinigen.
Es sind nur die Eigenschaften des Nutzens als Einflussgrößen zu berücksichtigen,
die für den Nutzen erforderlich sind. Die erforderlichen Größen sind in der Regel
die Soll-Größen.
Die Eigenschaften des Nutzens und die Nutzengröße sind in der Regel die Soll-Größen. Dadurch
kann die Ineffizienz überwacht und bewertet werden, wenn beispielsweise bei einem
Druckluftkompressor ein höherer Druck als erforderlich erzeugt wird.
Beispiel
Für viele Betriebe ist der Ölgehalt in der Druckluft bis zu einer Obergrenze unerheblich. Wenn
dann ölfreie mit nicht ölfreien Druckluft-Kompressoren verglichen werden, bereinigen wir die
Einflussgröße Ölgehalt nicht, sofern die Obergrenze nicht überschritten wird.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Schritt 4 Nur unabhängige Einflussgrößen
Wir definieren:
Wird eine Einflussgröße durch andere Einflussgrößen beschrieben, so ist diese
Größe abhängig.
Abhängige Größen werden nicht bereinigt, sofern die anderen, unabhängigen
Einflussgrößen bereinigt werden.
Aus Erhaltungsregeln oder Erhaltungsgesetzen (beispielsweise Massen-, Energieerhaltung oder
die in dieser Methodik formulierte Gleichheit der bewerteten Aufwände und bewerteten
Nutzen) können abhängige Einflussgrößen abgeleitet werden.
Hierzu gehört auch der Bewertungsfaktor des Nutzens, der sich aus der Gleichheit der
bewerteten Aufwände und bewerteten Nutzen, die nach unserer Definition für jedes System
gilt, als abhängige Größe bildet – siehe auch Abschnitt 4.2.
Beispiel
Die Eingangs- und Ausgangs-Massenströme von Wärme- oder Kälteströmen, die in ein System
fließen, sind in der Regel gleich groß (sie sind voneinander abhängig), daher wird jeweils eine
Größe als Einflussgröße nicht bereinigt. Wir empfehlen nur die Eintrittsgrößen als Einflussgrößen
zu behalten.
Schritt 5 Nur sich ändernde oder unterscheidende Einflussgrößen
Wenn sich Einflussgrößen beim Monitoring zwischen den zu vergleichenden
Zeiträumen nicht unterscheiden oder bei der Bewertung zwischen dem
betrachteten System und dem Vergleichssystem nicht unterscheiden, müssen diese
Einflussgrößen auch nicht bereinigt werden.
Beispiel
Ist beispielsweise die Kühlwassertemperatur zur Rückkühlung einer Kältemaschine zwischen
Betrachtungs- und Referenzzeitraum gleich, so muss die Kühlwassertemperatur nicht bereinigt
werden.
Schritt 6 Nur relevante Einflussgrößen (Erfahrungswissen)
Auch nach Anwendung der vorhergehenden Schritte zur Auswahl der Einflussgrößen kommt es
vor, dass die Anzahl der verbleibenden Einflussgrößen und damit der Messaufwand zu hoch
sind.
Daher sollten nur relevante Einflussgrößen berücksichtigt werden. Relevanz kann hier
folgender Maßen definiert werden:
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Relevant ist eine Einflussgröße, deren Einfluss auf die Aufwandsgrößen unter Berücksichtigung
der anderen Einflussgrößen größer ist als ein bestimmter auf die maximale Aufwandsgröße
bezogener Grenzwert. Der durch die Nichtbereinigung von Einflussgrößen entstehende,
„nichtrelevante“ Fehler soll trotzdem berechnet oder abgeschätzt werden.
Welche Einflussgrößen relevant sind und welche nicht, ist jedoch keine allgemein lösbare
Aufgabe, da sie technologiespezifisch ist und von der gewünschten Genauigkeit des Vergleichs
abhängt. Hier ist für verschiedene Systemtypen vorhandenes Erfahrungswissen zu nutzen und
neues aufzubauen. Hieraus sind spezifische Aussagen zu entwickeln, um zu beschreiben,
welche der nach Anwendung von Schritt 1 bis 4 noch verbleibenden Einflussgrößen relevant
sind und welche nicht.
Ein mögliches Vorgehen ist, für ein System einer bestimmten Technologie Messungen aller
nach Schritt 1 bis 4 verbleibenden Einflussgrößen durchzuführen und dann mit statistischen
Methoden die relevanten Einflussgrößen herauszufiltern. Wenn man dann für eine
ausreichend große Menge von Beispielsystemen einer bestimmten Technologie Messwerte
ermittelt hat und nicht relevante Einflussgrößen bestimmt hat, nimmt man an, dass dies für
die Technologie allgemein eine ausreichende Gültigkeit hat. Wir wenden dieses Vorgehen auch
für ein bestimmtes System an, indem wir temporäre Messungen durchführen und damit nicht
relevante Einflussgrößen bestimmen. Diese werden dann nicht kontinuierlich gemessen.
Statistischer Ansatz zur Bestimmung der nichtrelevanten Einflussgrößen
Im Folgenden beschreiben wir ein mögliches Vorgehen zur statistischen Bestimmung von
nichtrelevanten Einflussgrößen.
Aus statischer Sicht werden diejenigen Einflussgrößen als relevant bezeichnet, deren Kenntnis
die Schätzung des zu erwartenden Aufwandes verbessern. Wir nehmen dabei an, dass
zwischen der „zu erklärenden Größe“ (Aufwand) und den „erklärenden Größen“
(Einflussgrößen) ein funktionaler Zusammenhang besteht:
+ = ,-.�, .�, … , ./ + ��"0 ( 26 )
Hierbei bezeichnet1 den Aufwand und 23, … , 24 die Einflussgrößen. Die Größe ��"0 stellt eine
zufällige Abweichung dar, die nicht von den Einflussgrößen erklärt werden kann. Diese
Abweichung könnte beispielsweise durch Messfehler verursacht werden.
Die funktionale Form des Zusammenhanges ist im Allgemeinen unbekannt. Wir zeigen im
Folgenden einen Ansatz zur Auswahl der relevanten Einflussgrößen unter der Annahme eines
linearen Modellzusammenhanges25:
25 Eine Beschreibung allgemeinerer Modelle findet sich unter anderem in (Klaus Backhaus, 2011).
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 68
+ = 5� +6� ∗ .� +⋯+ 6 ∗ . + ��"0 ( 27 )
Um Aussagen über die zu erwartende Höhe des Aufwandes bei einer bestimmten Konstellation
von Einflussgrößen treffen zu können, müssen die Modellparameter (7, 83, … , 84) bestimmt
werden. Die Modellparameter werden so ausgewählt, dass der Anteil der Streuung in den
Beobachtungen, der durch das Modell erklärt werden kann, maximal ist. Dieser Anteil wird als
Die Richtlinie sagt aus, dass „ein Vergleich der Zahlenwerte von Energiekenngrößen nur dann
sinnvoll ist, wenn auch die wesentlichen Einflussgrößen übereinstimmen“.
=> Wir setzen voraus, dass die Nutzen der Systeme für einen sinnvollen Vergleich gleich sein
müssen. Wir haben ein Vorgehen entwickelt, mit dem bestimmt werden kann, welche
Einflussgrößen bereinigt werden müssen und welche nicht. Die Aufwandsgrößen dürfen nicht
bereinigt werden und müssen nicht übereinstimmen. Wichtig ist nach unserer Methodik die
Anforderung nach kontinuierlichen Messungen, um eine große Vergleichsbasis mit
verschiedenen Zuständen zu haben und damit Einflussgrößen bereinigen zu können.
„Wesentliche Größen, die Energiekennwerte von Anlagen oder Prozessen beeinflussen“:
� Anlagengröße
=> Diese Einflussgröße wird durch die Kennzahlen Teileffizienz und bewertete Effizienz
automatisch bereinigt.
� Auslastung der Anlage (Unterschiedlicher Wirkungsgrad Teillast, Stand-By-Anteil, …)
=> Dies berücksichtigen wir, sofern die Nutzengröße eine externe Einflussgröße ist.
In der Richtlinie wird nicht unterschieden, ob beispielsweise der Stand-By-Anteil durch
die Anforderung an den Nutzen oder durch die Anlage (das System) verursacht wird. In
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Seite 73
unserer Betrachtung wird dies durch die Begriffe des Nutzens sowie interne und
externe Einflussgrößen unterschieden und somit werden die Verursacher klar
zugeordnet.
� Systemgrenzen (Zeitraum und Raum)
=> Die Systemgrenzen werden nicht als Einflussgröße, sondern durch Bestimmung von
System, Systemgrenzen und Nutzen berücksichtigt. Die möglichen Vergleiche sind in
unserer Methodik deutlich zahlreicher, da lediglich der Nutzen und nicht die
Systemgrenzen übereinstimmen müssen.
� Produktqualität
=> Die Produktqualität wird bei der Nutzenbestimmung berücksichtigt. Sofern es sich
nur um quantitative Unterschiede einer Eigenschaft handelt, wird die Produktqualität
als Einflussgröße berücksichtigt.
� Art und Qualität der Rohstoffe und Energieträger
=> Die Eigenschaften der Aufwände (hier speziell Rohstoffe und Energieträger) werden
als externe Einflussgrößen berücksichtigt.
5.5.2 DIN EN 16231 - Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik
Die Norm behandelt das Thema nur sehr oberflächlich. Daher soll nur auf einige relevante
Aspekte hingewiesen werden.
� Die Berücksichtigung von Einflussgrößen soll durch „Korrekturfaktoren“ erfolgen.
� Es werden keine Angaben zur Aufstellung und Anwendung der Korrekturfaktoren
gemacht.
=> In unserer Methode wird ein Vorgehen zur Auswahl der wesentlichen
Einflussgrößen und zur Nutzen-/System-Bestimmung beschrieben.
� „Im Allgemeinen sollten Korrekturen so wenig wie möglich vorgenommen werden. …
Werden zu viele Korrekturen vorgenommen, kann das dazu führen, dass bedeutende
reale Abweichungen verdeckt werden, da sich die Benchmarking-Kurve stärker einer
flachen Kurve annähert.“ Anhang C (informativ)
=> Wir unterscheiden externe und interne Einflussgrößen. Externe Einflussgrößen
sollen berücksichtigt werden. Interne Einflussgrößen dürfen nicht berücksichtigt
werden: Wären alle internen Einflussgrößen bereinigt, unterscheiden sich die Systeme
nicht mehr.
5.5.3 Prinzipien von Methodik Europäischer Emissionshandel
Die Methodik für die Aufstellung von Benchmarks beim europäischen Emissionshandel gibt
mehrere „Prinzipien“ an, die wir als Hinweise zur Berücksichtigung von Einflussgrößen ansehen
können (Ecofys, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, 2009).
Im Folgenden werden diese Prinzipien aufgelistet und den Ansätzen der hier entwickelten
Methodik gegenübergestellt.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
21.11.2014
Seite 74
Technology and other corrections
2: Do not use technology-specific benchmarks for technologies producing the same product28
3: Do not differentiate between existing and new plants
� Gleiches Vorgehen: Interne Einflussfaktoren werden nicht bereinigt.
4: Do not apply corrections for plant age, plant size, raw material quality and climatic
circumstances
� Gleiches Vorgehen: Interne Einflussfaktoren wie Anlagenalter und –größe
werden ebenfalls nicht bereinigt.
� Anderes Vorgehen: Externe Einflussfaktoren wie klimatische Bedingungen
und Rohstoffqualitäten werden bereinigt. Dieser Unterschied ist auf die
unterschiedlichen Zielstellungen zurückzuführen: Der Emissionshandel
bereinigt die klimatischen Bedingungen nicht, weil es politisch gewollt ist,
dass dort produziert wird, wo es klimatisch günstiger ist. In unserer
Methodik hingegen wollen wir zunächst nur die Systeme vergleichen und
nicht zusätzlich die Umwelten.29
Number of benchmarks to distinguish
5: Only use separate benchmarks for different products if verifiable production data is
available based on unambiguous and justifiable product classifications
� Ähnliches Vorgehen: Systeme können miteinander verglichen werden,
wenn der Nutzen gleich ist.
6: Use separate benchmarks for intermediate products if these products are traded between
installations
� Gleiches Vorgehen: Systeme können nicht miteinander verglichen werden,
wenn der Nutzen nicht gleich ist.
From energy efficiency to CO2 performance
7: Do not use fuel-specific benchmarks for individual installations or for installations in specific
countries
� Anderes Vorgehen: Externe Einflussgrößen werden bereinigt (Unser
Vorgehen ist systemorientiert, nicht produktorientiert).
8: Take technology-specific fuel choices into account in determining benchmarks
� Gleiches Vorgehen: Externe Einflussfaktoren werden bereinigt.
28 Die Nummerierung beginnt bei 2, weil Prinzip 1 nachträglich zurückgenommen wurde.
29 Aber man kann natürlich in unserer Methodik auch die Bereinigung der klimatischen Bedingungen
weglassen und hat dann die klimatischen Umweltbedingungen zu einem Teil des Systems gemacht,
wenn es so unternehmensintern Zielsetzung ist.
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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5.6 Vorgehen zur Bereinigung von Einflussgrößen
Nachdem wir die relevanten Einflussgrößen nach dem in den vorherigen Abschnitten
dargestellten Verfahren ermittelt haben, können wir die Einflussgrößen bereinigen, um
vergleichbare Kennzahlen zu erhalten. Grundlage hierfür sind kontinuierlich aufgenommene
Messwerte mit einer ausreichenden zeitlichen Auflösung – siehe dazu auch Abschnitt 2.1.
Bei der Bereinigung von Einflussgrößen können wir grundsätzlich zwei verschiedene
Ausgangssituationen voneinander unterscheiden: Entweder stimmen die Bereiche der Werte
der Einflussgrößen überein oder nicht. Ein einfaches Beispiel für einen nicht
übereinstimmenden Bereich liegt beispielsweise für die Einflussgröße Außentemperatur vor,
wenn der Vergleichszeitraum im Sommer und der Betrachtungszeitraum im Winter liegt und
dann entsprechend keine Vergleichswerte für geringe Außentemperaturen vorhanden sind.
In diesem Fall schlagen wir vor, die nicht übereinstimmenden Einflussgrößen durch Vergleiche
mit einem zweiten Vergleichssystem (Modellsystem), für welches Daten für den kompletten
Bereich vorliegen, zu bereinigen – siehe Abschnitt 5.6.2.
5.6.1 Vergleichssystem mit übereinstimmenden Einflussgrößen
Wenn die Datenbereiche der Einflussgrößen des betrachteten Systems und des Vergleichs-
systems über die vorhandenen Datensätze des Vergleichszeitraums übereinstimmen, dann
können die Einflussgrößen bereinigt werden. Bei einem ausreichend großen
Vergleichszeitraum ist dies in der Regel beim Monitoring, also beim zeitlichen Vergleich eines
Systems mit sich selber, der Fall. Beim Vergleich verschiedener Systeme ist das oft nicht der
Fall. In dem Fall sollte zunächst der Datenbereich des Vergleichssystems für die nicht
übereinstimmenden Einflussgrößen transformiert werden (gemäß dem folgenden Abschnitt).
Die Bereinigung und die Transformation der Daten kann im einfachen Fall durch Interpolation
oder Zuordnungen erfolgen – in der Regel sind jedoch statistische Verfahren wie
beispielsweise die lineare Regression anzuwenden.
Beispiel
Wir betrachten zwei Kältemaschinen, deren Datensätze sich lediglich in der Einflussgröße
Kälteleistung unterscheiden, damit das Beispiel knapp darstellbar und nachvollziehbar bleibt.
Die betrachtete Kältemaschine habe im Betrachtungszeitraum folgende Messwerte geliefert:
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Tabelle 14: Messwerte betrachtete Kältemaschine im Betrachtungszeitraum
Die Vergleichsmaschine habe im Vergleichszeitraum folgende Messwerte geliefert:
Tabelle 15: Messwerte Vergleichskältemaschine im Vergleichszeitraum
Um nun die betrachtete Maschine mit der Vergleichsmaschine zu vergleichen, müssen wir die
Daten der Vergleichsmaschine in die Umwelt des Betrachtungszeitraums bringen, d.h. die
Zielgröße (in diesem Fall die Stromleistung) entsprechend der Einflussgrößen (in diesem Fall die
Kälteleistung) bereinigen. Dazu bilden wir beispielsweise mit dem Programm Excel der Firma
Microsoft eine Trendlinie mit einem Polynom dritten Grades (siehe folgende Grafik):
Betrachtetes System
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
betrachtetes
System
h kWKä kWel kWKä/kWel
1 50 14 3,6
2 30 11 2,7
3 40 12 3,3
4 20 9 2,2
5 40 13 3,1
6 80 20 4,0
7 80 15 5,3
Summe 340 94 3,6
Vergleichssystem
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
Vergleichs-
system
h kW kW kWKä/kWel
1 20 7 2,9
2 0 2 0,0
3 10 6 1,7
4 50 13 3,8
5 80 17 4,7
6 100 30 3,3
7 100 35 2,9
8 90 20 4,5
9 90 20 4,5
10 80 17 4,7
11 80 16 5,0
12 70 15 4,7
13 70 13 5,4
14 70 12 5,8
Summe 910 223 4,1
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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Abbildung 31: Messwerte Vergleichskältemaschine und Polynom als Trendlinie
Mit diesem Polynom können wir nun die Stromverbräuche der Vergleichskältemaschine
entsprechend der Einflussgrößen im Betrachtungszeitraum berechnen und so die beiden
Kältemaschinen miteinander vergleichen, trotz zunächst voneinander abweichender
Einflussgrößen:
Tabelle 16: Vergleich der beiden Kältemaschinen im Betrachtungszeitraum
Es zeigt sich, dass die Vergleichskältemaschine im mittleren Leistungsbereich eine höhere
Effizienz hat. Da dieser mittlere Leistungsbereich gerade im Betrachtungszeitraum häufiger
auftritt, ergibt sich auch eine höhere durchschnittliche Effizienz der Vergleichskältemaschine im
Betrachtungszeitraum.
Betrachtetes System Vergleichssystem
Zeit Kälteleistung Strom
Teileffizienz,
betrachtetes
System
Strom,
Vergleich
Teileffizienz,
Vergleichs-
system
h kWKä kWel kWKä/kWel kWel kWKä/kWel
1 50 14 3,6 11 4,6
2 30 11 2,7 10 2,9
3 40 12 3,3 11 3,7
4 20 9 2,2 9 2,2
5 40 13 3,1 11 3,7
6 80 20 4,0 16 4,9
7 80 15 5,3 16 4,9
Summe 340 94 3,6 85 4,0
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5.6.2 Nicht übereinstimmende Bereiche von Einflussgrößen
Wenn die Bereiche der Werte des Vergleichssystems bei einer oder mehr Einflussgrößen nicht
mit dem betrachteten System übereinstimmen, kann man den Datenbereich mittels eines
zweiten Vergleichssystems, wir nennen es Modellsystem, transformieren. Hierbei ist zu
berücksichtigen, dass diese Ergebnisse nur eine Abschätzung darstellen, da nicht sichergestellt
ist, dass das Vergleichssystem in diesem Datenbereich tatsächlich die entsprechenden Werte
erreicht.
Das Modellsystem sollte prinzipiell in jeder Einflussgrößenkombination eine höhere Effizienz
aufweisen als das betrachtete System und auch als das Vergleichssystem, damit die
Transparenz des Vorgehens gewährleistet ist.
Als Modellsysteme kommen daher folgende Systemtypen in Betracht:
Abbildung 32: Modellsysteme bei nicht übereinstimmenden Bereichen der Einflussgrößen
Die empfohlene Reihenfolge der Anwendung der Modellsystemtypen für die Transformation
der Datenbereiche verläuft von oben nach unten: Sofern verfügbar, sollten die Daten von
Systemtyp 1 (BVT) gewählt werden. Wenn diese nicht verfügbar sind, dann sollten die Daten
von Systemtyp 2 (realisierbares Idealsystem) verwendet werden. Wenn diese auch nicht
verfügbar sind, dann sollten die Daten von Systemtyp 3 (Idealsystem) verwendet werden.
Es sollte lediglich eine Transformation der Daten für die nicht übereinstimmenden
Einflussgrößen erfolgen. Nach der Transformation kann die Bereinigung der Einflussgrößen
gemäß Abschnitt 5.6.1 (Vergleichssystem mit übereinstimmenden Einflussgrößen) erfolgen.
•Beispiel: Wenn zwei Kompressionskältemaschinen mit Kolbenverdichtung verglichen werden sollen, dann werden Daten der BVT für diese Technik verwendet.
1) Best verfügbare Technik (BVT) für die betrachteten Systemtypen
•Beispiel: Kältemaschine, bei der eine Mindesttemperaturdifferenz zwischen der Kondensationstemperatur und der Rückkühlwassertemperatur berücksichtigt ist, da der Kondensator der Kältemaschine nicht unendlich groß sein kann.
2) Realisierbares Idealsystem
• Beispiel: Kältemaschine mit idealem Wirkungsgrad nach Carnot
3) Idealsystem
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Beispiel Kältemaschine
Eine Kältemaschine mit den Aufwänden Strom und Kühlwasser für die Rückkühlung und mit dem
Nutzen Kaltwasser einer bestimmten Temperatur soll mit einer Kältemaschine verglichen
werden, die bei einer anderen Kaltwasservorlauftemperatur betrieben wird.
Nun können wir mittels eines Datensatzes für eine BVT diese Maschinen miteinander
vergleichen. Die wesentlichen Einflussgrößen der Kältemaschine seien in dem betrachteten Fall
die Kälteleistung (Nutzengröße), die Eintrittstemperatur vom Kühlwasser (Aufwandseigenschaft)
sowie die Ein- und Austrittstemperatur vom Kaltwasser (Nutzeneigenschaften). Dazu werden von
der Vergleichskältemaschine die Aufwandsdaten für die abweichende Einflussgrößen in den
Bereich umgerechnet.
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6 Vernetzung und Wechselwirkung der Systeme
Bis hierhin haben wir die Kennzahlen hergeleitet, die für einzelne Systeme ein Monitoring und
eine Bewertung ermöglichen und gezeigt, wie wir dabei relevante Einflussgrößen identifizieren
und bereinigen können. Grundlage hierbei war die Kenntnis der Bewertungsfaktoren der
Aufwände.
Mit der Definition der Bewertungsfaktoren sowie der Systemgrenzen sind die wesentlichen
Grundlagen geschaffen, um die entsprechenden Kennzahlen für Systeme zu berechnen, die aus
mehreren Teilsystemen bestehen.
Um die bewertete Effizienz und die Teileffizienzen eines Systems zu bestimmen, das aus
mehreren Teilsystemen besteht, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
1. Berechnung der bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen mit den Nutzen
und Aufwänden des Systems.
2. Berechnung der bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen mit den
bewerteten Effizienzen und Teileffizienzen der Teilsysteme
Beide Varianten haben Vor- und Nachteile:
Im ersten Fall ist gegenüber dem zweiten Fall in der Regel die Anzahl der Einflussgrößen höher
und damit verringern sich die Vergleichsmöglichkeiten. Mit der Verringerung der
Vergleichsmöglichkeiten reduzieren sich die Genauigkeit und damit Möglichkeit, die beiden
Hauptziele dieses Projekts, eine aussagekräftiges Monitoring und aussagenkräftige Bewertung
von Systemen, zu erreichen.
Im zweiten Fall werden einige interne Einflussgrößen wie externe behandelt und zwar genau
die Einflussgrößen, die Nutzen und Aufwände beschreiben, die von einem Teilsystem zum
anderen Teilsystem übertragen werden. Damit werden nicht das ganze System sondern nur die
Teilsysteme des Systems überwacht oder bewertet. Man kann dies auch so formulieren: „Das
Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“. Das meint im Fall unserer Kennzahlaufstellung,
dass durch das Monitoring der Teilsysteme nicht das Zusammenspiel der Teilsysteme
überwacht wird.
Im Prinzip können wir auch größere Systeme nach dem gleichen Prinzip behandeln. Größere
Systeme haben jedoch häufig mehrere Nutzen und viele Einflussgrößen. Dadurch wird in der
Regel die Vergleichsbasis so gering, dass weder ein Monitoring noch eine Bewertung möglich
ist. Daher teilen wir dann dieses größere System in Teilsysteme auf.
Damit stehen wir vor der Aufgabe, wie die bewertete Effizienz des Gesamtsystems aus den
Teileffizienzen der Teilsysteme berechnet werden kann. Die entsprechenden Formeln werden
in diesem Kapitel aufgestellt.
Im Folgenden wollen wir nun für verschiedene Vernetzungen von Systemen die Berechnung
der Kennzahlen des Systems aus den Kennzahlen der Teilsysteme herleiten.
Wir betrachten zunächst in Kapitel 6.1 den einfachsten Fall einer Verschaltung: Ein System, das
nur einen Nutzen erzeugt und aus zwei einfachen Teilsystemen besteht, welche jeweils nur
einen Nutzen erzeugen. Wir verallgemeinern dann die Vernetzung von diesen Systemen und
stellen die Gleichung für die bewerteten Effizienzen und die Teileffizienzen des Systems
Teil 2: Methodik zur Aufstellung von Energiekennzahlen
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allgemein dar und zeigen ein grafisches Verfahren zur einfachen und schnellen Berechnung
der bewerteten Effizienz von komplexen Systemen.
Anschließend betrachten wir verschiedene Konfigurationen von Systemen, welche mehrere
Gesamtnutzen erzeugen. Dabei zeigen wir, dass sich solche komplexen Vernetzungen auf die in