CO2-neutral bis 2030

CO₂-neutral – keine fossilen Brennstoffe oder Atomenergie, stattdessen erneuerbare Energien – so soll und muss die Welt von morgen aussehen. Freilich, der Weg dorthin, wenn eine Fabrik, eine Stadt oder ein Land CO₂-neutral werden soll, ist aufwändig.  „Zu jeder Zeit, auch während der Umbauphase, in der die Infrastruktur angepasst wird, muss ausreichend Energie zur Verfügung stehen. Gleichzeitig müssen wir die Wettbewerbsfähigkeit sichern oder besser sogar noch steigern“, sagt Franz Mende, der Werkleiter des Siemens Gerätewerks in Amberg. „Wir verbessern seit vielen Jahren kontinuierlich unsere Energieeffizienz. CO₂-Neutralität ist aber nochmal eine deutlich größere Herausforderung. Es kommt darauf an, die richtigen Schritte in der richtigen Reihenfolge zu gehen. Das ist komplexer, als es zunächst klingen mag. Zusammen mit den Kolleg*innen der Siemens Einheiten Smart Infrastructure, Real Estate und Technology und auch in Zusammenarbeit mit der OTH Amberg-Weiden haben wir daher für uns einen Dekarbonisierungspfad berechnet.“

Der Standort in Amberg ist einer der modernsten von Siemens. Zwei getrennte Werke – das Elektronikwerk und das Gerätewerk – entwickeln und fertigen hier für den Weltmarkt: es läuft etwa die Steuerung SIMATIC vom Band, genauso wie industrielle Schalttechniken wie SIRIUS. Einblick für Kunden und Partner bietet das 2021 eröffnete Besucherzentrum „The Impulse“, in dem digitale Technologien, Konzepte und Automatisierungslösungen für die autonome Fabrik entwickelt und vorgestellt werden.

Der Standort Amberg hat es sich zum Ziel gesetzt hat, innerhalb von 9 Jahren – ab 2021 gerechnet – CO₂-neutral zu werden, also von fossilen Energieträgen auf nachhaltige Energie umzustellen. Die Tatsache, dass das Werk bereits existiert, Experten sprechen deshalb von einer sogenannten Brownfield-Anlage, stellt eine besondere Herausforderung dar. Denn die Energieumstellung darf den laufenden Betrieb und die Produktivität nicht einschränken.

Amberg ist kein Neueinsteiger in Sachen Energiesparen. Bereits seit 2004 werden hier Energieeffizienzmaßnahmen implementiert: etwa die Einführung von Energy Analytics zur Energiedatenerfassung, die Einführung des Energiemanagements DIN ISO 50001, die Inbetriebnahme zweier Blockheizkraftwerke, der Bezug von Ökostrom aus Wasserkraft, oder auch die Einführung von eChillern.  Die Erfolge sind deutlich messbar und Amberg trägt so signifikant zum Dekarbonisierungserfolg von Siemens bei.  Bis zum Jahr 2020 konnten die CO2-Emission der weltweiten Fabrikstandorte bereits um rund 50% gesenkt werden.

„Faktoren wie geografische Merkmale, Energiepreise, Besonderheiten einer Anlage und vieles mehr wirken sich darauf aus, was der beste Weg im konkreten Einzelfall ist“, erklärt Martin Kautz von Siemens Technology. „Falsche Entscheidungen können teuer werden oder den Projekterfolg gefährden. Wir haben eine Softwarelösung entwickelt, mit der die Dimensionierung und der optimale Betrieb solcher multimodalen Energiesysteme – also Umgebungen, in denen mehrere Energieformen miteinander wechselwirken – simuliert werden können. Wir können so mehrere Jahre im Voraus abschätzen, was unter bestimmten Bedingungen passieren wird, wenn wir etwas in diesem Energiesystem verändern. Auf dieser Basis berechnen wir den optimalen Dekarbonisierungspfad aus technischer und wirtschaftlicher Sicht.  Das Verfahren eignet sich für ganze Regionen, wie etwa eine Stadt, oder für einzelne Anlagen, wie in diesem Fall.“

Im ersten Schritt analysieren Kautz und seine Kollegen*innen den Istzustand des Strom-, Wärme- und Kältesystems und bilden ihn als mathematisches Modell, also als „Digitalen Zwilling“ nach. „Die Qualität des Digitalen Zwillings entscheidet darüber, wie realistisch später die Ergebnisse der Simulation sind. Insbesondere wichtig ist dabei genaues Wissen über die relevanten Details der Anlage und der Produkte, die dort gefertigt werden.“, erläutert Martin Kautz. „Wenn etwa in einer Anlage bestimmte Öfen auf jeden Fall mit Gas betrieben werden müssen, dann muss das auch im Dekarbonisierungspfad berücksichtigt werden und folglich auch im Digitalen Zwilling festgelegt sein. Wir arbeiten daher in der Modellierung sehr eng mit den Experten*innen vor Ort, in diesem Fall mit den Kollegen*innen von Siemens in Amberg zusammen.“ 

„Sehr oft können wir bereits Energie sparen, wenn wir mit dem Digitalen Zwilling den Istzustand der Prozessabläufe analysieren und verbessern. Beispielsweise finden wir auf diese Weise Situationen, in denen Heiz- und Kühlsysteme gegeneinander arbeiten“, sagt Martin Kautz. „So ein Beispiel mag trivial klingen, aber ohne detaillierte Analyse, wie sie für die Simulation nötig ist, werden solche Prozessdefizite leicht übersehen.“

Prozessoptimierung ist der erste Schritt, danach berechnet die Simulation, mit welchen realisierbaren und bezahlbaren technischen Änderungen die Anlage CO₂-neutral wird. „Wir ergänzen unseren digitalen Zwilling durch alle aus unserer Sicht erneuerbaren Energiequellen“, sagt Martin Kautz. „Zum Beispiel wäre so eine Maßnahme, das gesamte Dach mit einer Photovoltaik-Anlage auszurüsten. Im Modell erfassen wir dann, wie viel so eine Anlage kostet, wie schnell sie realisiert werden kann und wie viel Leistung wir erwarten. In der Simulation wird dann die Abfolge von Maßnahmen berechnet werden, mit der das Werk möglichst kostengünstig CO₂-neutral werden kann.“ Für den Standort Amberg etwa liegen die größten CO₂-Einsparpotentiale in der Errichtung einer PV-Anlage mit Wärmepumpe.  

Natürlich lassen sich die Kennzahlen der Maßnahmen oft nur schätzen, wie zum Beispiel die Energiepreise in einigen Jahren, oder die Entwicklung der CO₂-Abgabe. „Wir entwerfen unterschiedlich Szenarien, wie sich etwa die Energiepreise entwickeln werden, und simulieren sie getrennt – das geht sehr schnell, dafür müssen wir nur einige Parameter des Digitalen Zwillings anpassen“ sagt Martin Kautz. „Wir erhalten dann mehrere Dekarbonisierungs-Pfade, die jeweils unter bestimmten Bedingungen optimal sind. Die Standortleitung kann dann entscheiden, welches Szenario für sie am wahrscheinlichsten ist und welchem Pfad sie folgen will.“

Der Digitale Zwilling ist hier aber noch nicht am Ende: Vor allem nach den ersten Umsetzungsmaßnahmen und während der ersten Betriebsjahre kann der Digitale Zwilling immer wieder leicht aktualisiert werden und der Pfad kann auf seine Gültigkeit ständig neu validiert werden.

Das Werk in Amberg, das im Referenzgeschäftsjahr 2018/2019 noch rund 6,8 Tonnen CO₂ freigesetzt hat, folgt jetzt einem schrittweisen Dekarbonisierungspfad: „Im ersten Schritt haben wir uns auf einzelne Maßnahmen – mit jeweils einzelner Betrachtung zur Wirtschaftlichkeit – konzentriert, um unsere CO₂-Bilanz zu verbessern: Wir haben unsere Abläufe energetisch optimiert und wir beziehen inzwischen über unseren Stromversorger grünen – also CO₂-neutralen – Strom“, erklärt Franz Mende. „Um nun die nächsten Schritte Richtung CO₂-Neutralität zu machen, wählen wir einen gesamtheitlichen und agilen Ansatz.  Wichtig ist es, sich permanent an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen. Unter anderem planen wir, große Teile der Dächer mit Photovoltaik auszustatten. Das verbessert zwar nicht mehr die Ökobilanz – weil weniger als Null geht nicht – aber die Stromversorgung wird so günstiger und wir werden unabhängiger. Aus diesem Grund würden wir uns ein sogenanntes PPA (Power Purchasing Agreement) wünschen, idealerweise mit einem lokal angesiedelten Betreiber.“

Darüber hinaus wird in den folgenden Jahren eine Wärmepumpe die Gasheizung ersetzen und durch geschicktes Kombinieren mit dem Kältesystem möglichst effizient werden. Dennoch, ganz auf Gas verzichten kann Amberg nicht, da für die Behandlung von Metallteilen Glühöfen nötig sind, die noch etliche Jahre in Betrieb sein werden. „Wir planen, von Erdgas auf Biomethan umzusteigen und prüfen parallel dazu, inwieweit wir das Erdgas auch durch Wasserstoff ersetzen können. Wir gehen davon aus, dass wir bis 2030 komplett CO2 neutral wirtschaften können, ohne uns durch Emissionszertifikate mehr Flexibilität dazukaufen zu müssen“, sagt Franz Mende. 

Amberg ist nicht allein: Derzeit arbeiten rund 50 Siemens-Fabriken daran, in den kommenden Jahren CO₂-neutral zu werden – darunter Produktionsstätten in den USA, in Kanada, Europa, Indien und China. Die anvisierten „Grünen Fabriken“ sollen dabei mehr machen als nur Effizienzmaßnahmen. Das "Siemens Carbon Neutral Program" bietet neben der Möglichkeit einer standardisierten Vorgehensweise auch neue Re-Finanzierungsmodelle, Elektrifizierung der Produktion, Einkauf von grünem Strom und die Erschließung neuer Energie-Geschäftsmodelle an. Auch die Beeinflussung politischer Rahmenbedingungen gehört dazu, wie z.B. CO₂-Zertifikate und deren Bepreisung, Fördergesetze oder die Versteuerung erneuerbarer Energieformen. 

Aenne Barnard, Juli 2022