Energieeffizienz in der Pharmaproduktion

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22.03.2011 Kommt die Rede auf Umweltschutz und Energieeffizienz, denkt man zuerst an die Verantwortung gegenüber den Folgegenerationen und vielleicht noch an den Zustand unseres Globus. Dabei hat das Thema durchaus Brisanz auch für die wirtschaftlichen Betrachtungsweisen der Industrie, denn es ist mit Kostenreduktion und Versorgungssicherheit verbunden.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Die Ressourcen werden knapper, damit geht eine Erhöhung der Energiekosten einher. Über Effizienz nachzudenken ist daher nicht nur einem ökologischen Gewissen geschuldet, sondern entspricht einer ökonomischen Notwendigkeit.
  • Mit dem Energieplaner oder Energiedesigner entsteht derzeit ein neues Berufsbild. Die komplexen Auswirkungen der neuen Gesetzgebungen machen diese Fachleute nötig. Sie werden künftig die gesamten Planungsprozesse begleiten.
  • Die Simulationstechnologien stellen mittlerweile ein probates Mittel dar, um die Fokusverschiebung auf den Einsatz von regenerativen Technologien zu gewährleisten.
  • Die strategische Entwicklung geht in Richtung „Null-Energiefabrik“, also zu Produktionen, die sich autark versorgen können. Eine Kombination von Photovoltaik, Windrädern, Geothermie, Kraftwärmekopplung und Biomassenutzung macht das in nicht allzu ferner Zukunft möglich.

Energie wird knapper und damit in Zukunft auch teurer. Ihre Kosten haben direkten Einfluss auf das Unternehmensergebnis, d.h. eine Erhöhung um eine Summe x reduziert den Unternehmensgewinn um die gleiche Summe x. Im Gegenzug steigert Energiesparen also den Unternehmensgewinn. Eine Verankerung des Themas in den Köpfen des Managements und deren Strategien hat bereits stattgefunden und zeigt sich unter anderem in den Visionen von Nullenergie- bzw. klimaneutralen Fabriken.

Ressourcen werden knapper

Es gibt einen deutlichen Zusammenhang zwischen Ressourceneinsatz und Lebensstandard der Menschen auf der Erde. Der sogenannte „ökologische Fußabdruck“ zeigt das, indem er länderspezifisch die Flächen-, Energie-, und Wasserverbräuche in ein Verhältnis zum menschlichen Entwicklungsindex setzt. Dieser Index beschreibt Bildung, Lebensqualität, aber auch das Niveau des Gesundheitswesens. Es wird deutlich, dass Länder mit hohem Entwicklungsindex einen großen „ökologischen Fußabdruck“ erzeugen. Wenn wir zukünftigen Generationen die gleiche Lebensqualität gewährleisten wollen wie uns, müssen wir diesen ökologischen Fußabdruck reduzieren

Die EU-Kommission hat eine Statistik ihrer Mitgliedsländer veröffentlicht, wonach schon heute mehr als 50% des Energiebedarfs durch Importe gedeckt werden. Auf die verschiedenen Ressourcen bezogen, gibt es einige Unterschiede; so werden bis 2030 die Importquoten für Erdöl auf 95%, für Erdgas auf über 80% und für Kohle auf über 60% steigen, was im Mittel dann 67% des EU-Gesamtenergiebedarfs entspricht. Diese Zahlen zeigen, dass es an der Zeit ist, zum einem Energie zu sparen und zum zweiten unabhängiger zu werden. Kein Geheimnis dürfte es ebenfalls sein, dass ein sich verknappendes Angebot, die Preise in die Höhe treiben wird.
Zurzeit führen die Preise für fossile Energieträger weltweit dazu, dass sich regenerative Energien nur langsam durchsetzen. Es wird vermutlich noch rund 100 Jahre dauern, bis der Hauptanteil des Energieverbrauchs durch regenerative Energien gedeckt werden kann.

Mehr und mehr strenge Gesetze

Vor diesem Hintergrund erließ die deutsche Regierung in den letzten Jahren ein ganzes Bündel von Verordnungen und Gesetzen. Sie novellierte das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG) sowie das Erneuerbare-Energieneinspeise-Gesetz (EEG) und verschärfte 2009 die Energieeinspar-Verordnung (EnEV). Für 2012 ist eine weitere Verschärfung angekündigt. Zudem wurde zum 1. Januar 2009 das Erneuerbare-Energienwärme-Gesetz (EEWärmeG) verabschiedet. Es schreibt vor, dass der Wärme- und Kältebedarf jedes Neubaus zu einem großen Teil aus erneuerbaren Energien zu decken ist.

Als Ersatzmaßnahme sind unter anderem Wärmeerzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung oder eine Unterschreitung der EnEV um 15 % zugelassen. Dies gilt auch für Neubauten auf Betriebsgeländen und führt spätestens mit Verschärfung der EnEV 2012 dazu, dass auf Standorten mit zentralen Heizwerken die gesetzlichen Anforderungen nicht mehr einzuhalten sind. Hier müssen also die Betreiber rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, zum Beispiel in Form von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Biomassekesseln.

Effizienz in der Pharmaproduktion

Die genannten globalen Umwälzungen zusammen mit den neuen Gesetzesverschärfungen sind für Produktionsstandorte in Deutschland maßgebend und ziehen gravierende Auswirkungen auf alle Baumaßnahmen nach sich. Aber nur mit Kreativität, Teamgeist, Gründlichkeit und Fachwissen lassen sich komplexe Anlagentechniken hinsichtlich ihrer Energieeffizienz optimieren.

Da die technischen Anforderungen immer höher werden, entsteht derzeit ein neues Berufsbild, nämlich das des Energieplaners. Eine Reduktion des Energieeinsatzes macht teilweise ganz neue Wege, beispielsweise andere Produktionsverfahren, nötig; daher zeichnen Mut, Risikofreude und Durchsetzungsvermögen ebenfalls dieser neuen Fachingenieure aus.
Nehmen wir als Beispiel für kreatives Querdenken eine Lüftungsanlage aus einer GMP-regulierten Pharmaproduktion (Klasse F). Die Luftmenge beträgt 12h/Tag 46000 m³/h. Messungen ergeben, dass Raumtemperatur und relative Feuchte sich stets in einem ganz engen Band bewegen. Warum eigentlich, wenn doch nach GMP-Handbuch einen wesentlich größeres Temperatur- und Feuchtefeld zulässig ist? Durch Anpassung der Anlagensteuerung dahingehend, dass nur der klimatische Zustand erzeugt wird, der den geringsten Energieeinsatz benötigt, lässt sich viel Heiz- und Kühlenergie sparen: bis 20000 Euro/a für eine einzige Anlage bei einer Investition von rund 10000 Euro.

Welche Möglichkeiten gibt es?

Effizienter gemacht werden können viele Bereiche einer Pharmaproduktion, neben der Belüftung unter anderem auch Beleuchtung, Prozesskälte und -wärme, Antriebsmotoren, Druckluft- oder Vakuumerzeugung. Aber nicht nur in der technischen Ausstattung liegen Potenziale, sondern auch in der Gebäudekonfiguration. So führen zum Beispiel reduzierte Raum- bzw. Deckenhöhen zu Betriebskosteneinsparungen.

Ermöglicht werden kann Letzteres auch über eine überkreuzungsarme Anordnung der erforderlichen Medien. Um diese zu erreichen, wird mittlerweile durchgängig die 3D-Planung eingesetzt, die darüber hinaus noch den Vorteil hat, Kollisionsprüfungen ermöglichen zu können, um auf der Baustelle vor kostenträchtigen Überraschungen gefeit zu sein.
Die Regularien der Energieeinsparverordnung machen immer komplexere Berechnungen nötig. Ein profundes Werkzeug hierzu ist die thermische Gebäudesimulation. Sie gibt mithilfe von Heiz- und Kühlenergiebedarfsberechnungen Aufschluss über Jahresverbrauch, Raumkomfort und Behaglichkeit des geplanten Gebäudes.
Anhand der Gebäudeabmessungen, Fassadenaufbauten, Fensterqualitäten, Gebäudeausrichtung sowie Wetterdaten können stündliche Werte der Raumtemperatur sowie des Heiz- und Kühlbedarfs über das Jahr dargestellt werden. Daraus lässt sich die erforderliche Anlagentechnik mit hoher Genauigkeit planen.
Zudem kann die Fensterfläche optimiert werden: Wenn eine Fassade beispielsweise mit einem Glasanteil von 25% versehen ist, wird zwar wenig Heiz- und Kühlenergie benötigt, dafür aber mehr Strom für Beleuchtung. Bei einer Fassade mit einem Glasanteil von 90% hingegen ist mehr Energie für Heizung und Kühlung notwendig, jedoch weniger für die Beleuchtung, weil mehr Tageslicht im Gebäude ist.
Technikflächen, Installationsbereiche, Fassaden und letztlich Gebäudeabmessungen – wie Gebäudehöhe und lichte Raumhöhen – werden demnach maßgeschneidert bemessen. Die Erstinvestitions- und die Betriebskosten von Gebäuden können also frühzeitig ermittelt und im Planungsprozess maßgeblich variiert werden.
Auch Strömungssimulationen sind gute Methoden. Sie werden bei der Pharmaplanung hauptsächlich eingesetzt, um Personen- bzw. Produktschutz sicherzustellen oder auch, um zugerscheinungsfrei Zu- und Abluftauslässe anzuordnen. Ein weiterer Grund ist auch, Kreuzkontamination zu untersuchen bzw. zu verhindern, also den Gebäudegrundriss auf die GMP-Anforderungen hin zu optimieren.

Mit der Simulation des gesamten Energieflusses wird deutlich, wo wieviel Energie benötigt und umgewandelt wird. Alle geplanten Anlagen, wie etwa Kältemaschine, Warmwassererzeugung, Lüftung oder Drucklufterzeuger, werden mit Hilfe ihrer Kennzahlen – zum Beispiel den Wirkungsgrad – über einen bestimmten Zeitraum – meist ein Jahr – simuliert. So können beispielsweise durch Austausch einzelner Komponenten und Anlagen so lange Varianten des Energiesystems durchgeführt werden, bis das energetische Optimum erreicht ist.

 

Heftausgabe: April 2011
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Prof. Isabel Kuperjans , Leitende Planerin für Energiesystemtechnik Carpus+Partner

Über den Autor

Prof. Isabel Kuperjans , Leitende Planerin für Energiesystemtechnik Carpus+Partner
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