Horizon 2020 European Union funding
for Research & Innovation – GA N°636881
Projekt REProMagResource Efficient Production of MagnetsRessourceneffiziente Herstellung von Permanentmagneten
Prof. Dr. Carlo Burkhardt
Leiter Technologie & Innovation
OBE Ohnmacht & Baumgärtner GmbH & Co. KG, Ispringen
1
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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…
2
Quellen: www.energyandpolicy.org; www.earthtimes.org; www.wind-energy-the-facts.org; www.homepower.com;
www.cleantechnica.com
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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…
3
Quellen: www.honda.com; www.bmw.com; www.smart.com; www.toyota.com; www.iisb.fraunhofer.com; www.gizmag.com
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Die Energiewende ist eine Werkstoffwende…
4
Quellen: www.elements.geoscienceworld.org; www.telegraph.co.uk; www.spiegel.de
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Das Seltene Erden Problem…
5
Quellen: www.altenergystocks.com
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Das Seltene Erden Problem…
6
Quellen: www.altenergystocks.com
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Das Seltene Erden Problem…
7
Elektromobilität?
Windkraft?
Magnete für die
ganzen „Lifestyle“-
Anwendungen?
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Das Seltene Erden Problem…
Chinesische Position
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Das Seltene Erden Problem…
Chinesische Position
Sales trends for electric vehicles (BEV + PHEV) in selected markets. Source: CAM
“China is making success in electric vehicles a national
priority for three reasons:
• Reduce Dependence of Foreign Oil.
• Improve Air Quality.
• Take Leadership in a Key Emerging Technology”
President Xi Jingpin 2017
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Das Seltene Erden Problem…
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Quellen: www.metaerden.de
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten
Seltenen-Erd-Magneten (Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial
in einem geschlossenen Materialkreislauf
11
Potential der für das Recycling verfüg-
baren Nd-Fe-B-Magneten (allein in D):
• Computer/Laptops >60t/a (~10g/Stück)1)
• PKWs (konventionell) >450 t (~1 kg/Stück)2)
• Elektromotoren (Industrie) >30 t (0,05–2 kg/Stück)3)
>500 Tonnen pro Jahr
1) Prof. Dr. Ralf Wehrspohn, Kritikalität Seltener Erden, Fraunhofer Industrieworkshop „Magnetwerkstoffe“ ,Bremen, 19.05.20152) F. Meyer, Recycling von Nd aus Nd-Fe-B Magneten in Elektroaltgeräten, HS Hamburg, 16.04.20123) M. Buchert, Untersuchungen zu seltenen Erden: Permanentmagnete im industriellen Einsatz in Baden-Württemberg, Stuttgart, 13.11.2013
Ausblick: (Recyclingmengen derzeit (noch) vernachlässigbar)
• Hybrid-Fahrzeuge >10 kg/Stück
• Elektrofahrzeuge >30 kg/Stück
• Windkraftanlagen >600 kg/MW
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten
(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf
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Ni- Beschichtung
(wird abgesiebt)
NdFeB Pulver
Quellen: www.greencarcongress.com; www.reuk.co.uk
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten
(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf
13
Nd-Fe-B-Pulver
alternativ: 3D- Druck
Grünteil
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten
(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf
14
Nd-Fe-B-Pulver
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten
(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf
15
SDS Prozess:
höhere Maßgenauigkeitkomplexere Geometrien= bessere Montierbarkeit= geringere Kosten= bessere Performance (s.u.)= kleinere Abmessung bei
gleicher Leistung wie bisher
Innenbelüftung möglich= höhere Lebensdauer = höhere Leistung bei
Dauerbetrieb
mehr Pole möglich= geringeres „Torque ripple“= höheres Drehmoment= höhere Auflösung bei
Stellmotoren
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Das REProMag Projekt:
Stand der Technik Fortschritt durch REProMag
Abhängigkeit vom Import kritischer Rohstoffe
außerhalb der EU
100% Recyclingmaterial,
Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen
Bearbeitung mit hohem Energieverbrauch und
großer Abfallmenge
Reduktion des Energieverbrauchs und Materialverbrauchs
aufgrund von endkonturnahen Geometrien um 30%
Hohe Ausschussrate aufgrund komplizierter und
schwieriger Formgebungsprozesse
Ansatz mit endkonturnaher Geometrie und
rechnergestützter Modellierung des Prozesses ermöglicht
deutliche Reduzierung der Ausschussrate während des
Fertigungs- und Montageprozesses
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Das REProMag Projekt:
100% abfallfreie Herstellung von komplex geformten Seltenen-Erd-Magneten
(Nd-Fe-B) aus Recyclingmaterial in einem geschlossenen Materialkreislauf
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Laufzeit: 1.1.2015 – 31.12.2017
Budget: 5,7 Mio €uro
Förderquote: 100%
14 Partner aus 5 Europäischen Ländern
OBE Ohnmacht & Baumgärtner
GmbH & Co. KG, Ispringen (D)
University of Birmingham (GB)
Technische Universität Wien (A)
Montanuniversität Leoben (A)
Institut Jozef Stefan Ljubljana (SLO)
National Physics Laboratory Sheffield (GB)
FOTEC GmbH, Wiener Neustadt (A)
Pt+A GmbH, Dresden (D)
Hage GmbH, Obdach (A)
Lithoz, Wien (A)
TEKS s.a.r.l., Montgenèvre (F)
Siemens A.G., München (D)
Sennheiser GmbH & Co. KG, Wedemark (D)
Steinbeis Europa-Zentrum, Karlsruhe (D)
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Das REProMag Projekt
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Magnetische Charakterisierung der SDS Magnete
Nd Dy Pr Fe Co B Cu Nb Al
wt%
27.
3
4.4
2
0.3
5
61.
1
4.4
4
1.0
5
0.0
4
0.8
7
0.3
6
ρ = 7,3 g/cm³
ρ = 6,9 g/cm³
ρ = 6,3 g/cm³
ρ = 7,4 g/cm³
Ausrichtung mit
300 mT im
Werkzeug
Br: 644 mT
Hcj: 1.061kA/m
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Das REProMag Projekt
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Messwerte der Koerzitivfeldstärke der Magnete vor und nach dem Recycling
>95,5% des
Ausgangswerts!
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Das REProMag Projekt
Von der Europäischen Kommission als
„European Success Story“ ausgezeichnet
Projekt ausgezeichnet beim Programm
„100 Betriebe für Ressourceneffizienz“
Baden-Württemberg“
1. Platz beim Umwelttechnikpreis des Landes
Baden-Württemberg in der Kategorie
„Materialeffizienz“ 2017
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Vorläufiges Fazit
Wir leisten einen technischen Beitrag zur Verbesserung der Materialversorgung
mit seltenen Erden. Bezüglich des politischen Beitrags greifen wir ein Zitat* auf…
„Zur Erschließung der Seltenen-Erden Sekundärpotenziale aus
Magneten der Industrie (und anderen Anwendungen) ist der Auf-
bau einer europaweiten Recycling-Infrastruktur für Permanent-
magnete zwingend notwendig!“
22
* aus der Präsentation
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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
23
Inhabergeführtes, mittelständisches Familienunternehmen (3. Generation) in Laupheim
als klassische Kokosweberei im Jahre 1936 gegründet
Mitarbeiteranzahl: 60
Sortiment: von klassischer Türmatte bis hin zu individuell angepasstem Autoteppich
Exportanteil (2016): 56%
Mit der Erfahrung aus mehr als acht Jahrzehnten Entwicklung und Produktion bürgen wir für hohe Qualität und Langlebigkeit unserer Produkte
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
1.1 Allgemein
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Stanzvorgang der Rohware
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
16 Teile
3m Länge
67% Ausnutzung
16 Teile2.5m Länge83% Ausnutzung
Ersparnis:16% Material
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
ca. 220 000 € Materialverlust jährlich
auftragsübergreifende Schnittbild-Optimierung
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
- Nicht nur technische Optimierungen durch Einsparung von Materialkosten
- Arbeits- und Maschinenzeiten werden wertschöpfend eingesetzt
- Mitarbeiter lernen wie wichtig:
Kommunikation ist
miteinander arbeiten (gemeinsam Einfluss auf Effizienz)
Sensibilisierung des Materialwert ist
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
5,02m Länge 7, 05m Länge
86% Ausnutzung 78% Ausnutzung
Einsparung: ~ 28% Material
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Beflockte Türmatte
Multi Color
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Hochfrequenzschweißen
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Nachhaltigkeit
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
DIN ISO 9001:2015 gleichbleibend präzise Abläufe garantieren wir durch unser
zertifiziertes Qualitätsmanagement nach DIN ISO 9001 und bestens geschulten Mitarbeitern
AEO-F (zollrechtliche Vereinfachung mit entsprechenden Sicherheitsstandards) dieser Status als Authorized Economic Operator der
Europäischen Union bestätigt unsere Zuverlässigkeit, Zahlungsfähigkeit und die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften.
BSCI (Business Social Compliance Initiative) Überwachung und Verbesserung von sozialen Standards in
Lieferländer für Konsumgüter. Bsp. Einhaltung der Arbeitsstandards der Internationales Arbeitsorganisation (ILO) und UN-Menschenrechtscharta sowie nationale Rechtsvorschriften.
Laupheimer Kokosweberei GmbH & Co. KG
Erwin-Rentschler-Str. 20, 88471 Laupheim
Energetische und stoffliche
Verwendung von Abfallkondensat
- ein Beitrag zur Nachhaltigkeit
FUCHS SCHMIERSTOFFE GmbH Mannheim
Ressourcen- und Kreislaufwirtschaftskongress |18.10.2017 |
Dr. Seyfert, Prüffeldleiter
FUCHS auf einen Blick
l 38
Rund 5.000Mitarbeiter/-innen
weltweit
davon ca. 800in Mannheim
57 Gesellschaften
weltweit
2,3 Mrd. Euro
Umsatz in 2016
Nr. 1der konzernunab-
hängigen Anbieter
von Schmierstoffen
Vorzugsaktie ist
MDAX-Mitglied
Ein Vollsortiment
von über
10.000Schmierstoffen
und verwandten
Spezialitäten
FUCHS PETROLUB SE
Vor 3 Generationen
als Familienunternehmen
in Mannheim gegründet
Prüffeldneubau
Was ist das?
01
Prüffeld - Aufgaben
l 40
Schmierstoffprüfungen für F&E
von Metallbearbeitung ...
... über Schmierfettprüfungen…
… bis hin zur Erprobung
in Getriebekomponenten
mehr als 30 Prüfstände / 1.600 m² (Bestand)
Prüffeld Neubau
Erweiterung für automotive+industrielle Anwendungen
Getriebeprüfhalle
Technikum
Hydraulik
Zentrale
zentraler
Werkstattbereich
Lager-
platz
Büros
(1./2. Etage )
Prüfstandsboxen
Aufgabe: Nachhaltigkeit im Betrieb 02
Prüffeld
Nachhaltiger Betrieb
l 43
Prüfstände mit großem Kühlbedarf
hohe Luftwechselrate (Heiz+Kühlbedarf)
teilw. Luftbefeuchtung
nachhaltiges
Energiekonzept Luft-Luft-Wärmetauscher
adiabatische Kühlung Zuluft
2 Temperaturniveaus bei Kühlwasser
Hybridkühlturm
energieeffiziente Pumpen
LED Beleuchtung
…
Konzept und Realisierung
Energetische und stoffliche Nutzung
Abfallkondensat
03
45
geplante Parkplätze
Lagergebäude(Bestand)
Heißkondensat
Baugelände (Werk I) vor Projektbeginn
Platz für neues
Prüffeldgebäude
bestehende
Produktion
vPrüffeld
(Bestand)
Heißkondensatanfall
Bedarf an Wärme +
entsalztem Wasser
Randbedingungen und technische Lösungen
l 46
schwankender Anfall
Heißkondensat
Pufferspeicher
Restwärmenutzung (T<50°C)
Frostfreihaltung Lager
• jahreszeitlich schwankender
Bedarf an Speisewasser
Speichertanks
• max. Einleitetemperatur /
Adiabatische Luftkühlung
Tischkühler
Schema der Kondensatnutzung
l 47
Ergebnis
Investitionen und Einsparungen
04
Investitionen und Einsparungen
l 49
Investitionen:
- zusätzliche Rohrleitungen
und Pumpen
- Speicher + Tanks
- Planungsmehraufwand
+ Einsparung Dampfstation,
und Dampftrasse
130 MWh Energie
Ökologie: 18 to CO2 jährliche Einsparung
2500 m³ Trinkwasser
Abfallkondensatnutzung - Zusammenfassung
l 50
ein nachhaltig energetisch optimiertes
Prüffeldgebäude wurde errichtet
auf dem Werksgelände anfallendes
Abfallkondensat wird stofflich und
energetisch genutzt
der Wärmeinhalt des Heißkondensats
wird durch 2-stufige Nutzung maximal
verwendet
1.000 m³ des anfallenden Kondensats
können als voll entsalztes Wasser
genutzt werden
das Abfallkondensat muss nicht mehr
mit Leitungswasser gekühlt werden
Energiewertstromanalyse von WerkzeugmaschinenStuttgart, 2017-10-18
1867 4,25 Mrd. €
Umsatz
5Märkte
19.000Mitarbeiter
60In über
4,9 %
F&E-Quote In Familienbesitz seit
Voith in Zahlen
Ländern
Stand: 2015/16
52Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Wie definiert sich Nachhaltigkeit für Voith
Unser Anspruch:
Uns geht es nicht nur um Technologieführerschaft in
unseren Branchen, wir wollen auch im Bereich
Nachhaltigkeit führend werden.
Unsere Mission:
Wir leisten einen messbaren Mehrwert zur
nachhaltigen Entwicklung des Unternehmens, der
Gesellschaft und der Umwelt.
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
1.047 Tsd. m3Frischwasserverbrauch
1,5 Mrd. € 42,8 Mio. €Energiekosten
Optimierung der Ökoeffizienz:
Eine komplexe Herausforderung
Fertigungsstätten
Basis: FY 2015/16
54
Materialaufwand*
über120* Aufwendungen für Roh-, Hilfs-, Betriebsstoffe
und bezogene WarenEnergiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Die Input-Output-Analyse am Standort zur
Identifikation der Treiber der Verschwendung
Input
[EUR, kWh, kg, m³]
Output
[EUR, kg, m³]
Energie Emissionen
Durch das Verbinden von ökonomischen Prinzipien und
ökologischen Aspekten messbaren Mehrwert schaffen
55
1 Geschäftsjahr
Abwasser
Produkte/AbfallMaterial
Wasser
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Werkzeugmaschinen*
45%
Sonstige
18%
Beleuchtung
12%
Druckluft
5%
Fernwärme
20%
Ein wesentlicher Hebel zur Steigerung der
Energieeffizienz sind Werkzeugmaschinen
* In einzelnen produzierenden Industrieunternehmen können Werkzeugmaschinen einen Anteil von 60% am Strombedarf ausmachen
Quelle: Forschungsprojekt „MAXIEM“ Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Energiekosten einer exemplarischen Produktionshalle
in Prozent
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
77 % des gesamten Energiebedarfs sind auf
die Peripherie-Einrichtungen zurückzuführen
Berechnetes
Einsparpotential:
3,0 – 3,5 Mio.€/a*
Kühlschmierstoffversorgung
2,8%
4,3%
5,5%
10,2%
11,6%
20,1%
20,3%
25,6%
Quelle: Brecher, C.: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen durch die Optimierung
der Technologien zum Komponentenbetrieb – EWOTeK, Apprimus Verlag, Aachen 2012
* gemäß Literatur
Hydraulik
Vorschubantriebe
Steuerung
Hauptspindel
Kühlung
Sonstiges
Kühlschmierstoffaufbereitung
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
4%
26%
70%
2%
33%
65%
6%
28%
66%
Drei Werkzeugmaschinen wurden in einem
Pilotprojekt auf ihre Energieeffizienz analysiert
Portalfräsmaschine I Portalfräsmaschine II Hobelmaschine
Σ 44.000 €/a Σ 13.000 €/aΣ 37.000 €/a
Betriebsbereit ProduktivbetriebSteuerung Aus
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
59
0
20.000
40.000
60.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Leistung [W]
Zeit [s]
wertschöpfenden Energie: 22 Wh = 1,91 %
Produktivbetrieb
,
Luftschnitt
0
20.000
40.000
60.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Leistung [W]
Zeit [s]
wertschöpfende Energie: 379 Wh = 21,50 %
Produktivbetrieb Luftschnitt
Beispiel Portalfräsmaschine I:
Duale Energiesignatur - Luftschnitt
Bohrvorgang Fräsbearbeitung
Energiebedarf*:
Luftschnitt:
Produktivbetrieb:
1.155 Wh
1.177 Wh
Energiebedarf*:
Luftschnitt:
Produktivbetrieb:
1.377 Wh
1.756 Wh
* außen Kühlschmierstoff aktiv
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Das Verharren im betriebsbereiten Zustand ist
energieintensiv und unproduktiv
0
50
100
150
200
250
300-13.000€
Energiesparen erfordert “nur“ einen
konsequenten Tastendruck
Maßnahme
Gezielte Abschaltung des
betriebsbereiten Zustands
Investition
Steuerung Aus im betriebsbereiten Zustand
Steuerung Aus
Betriebsbereit
Produktivbetrieb
Portalfräsmaschine I
Energie
[MWh]
Beispiel Portalfräsmaschine I:
Einfache Optimierungsmöglichkeit
0 € Personeller Aufwand
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
61%
39%
73%
12%
15%
Effizienzpotenziale der 3 Werkzeugmaschinen-
Hochrechnung Voith Konzern 3,2 Mio.€/a
Σ 4.500 €/aΣ 11.000 €/a
Bei Umsetzung aller Effizienzpotenziale weltweit Einsparungen von 3,2 Mio. € möglich
Σ 13.000 €/a
Potenzial des Pilotprojektes durch Abschalten 24.000 €/a
Einheitliche BearbeitungsrichtungBetriebsbereit Verkürzung Zykluszeit Kühlaggregat
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Portalfräsmaschine I Portalfräsmaschine II Hobelmaschine
62
hoch
100%
Monetäre
Einsparung
Die höchsten Einspareffekte können mit dem
geringsten Aufwand erzielt werden
Optimierung durch
drehzahlvariable
Antriebssysteme
1 2 3
Gezielte
Abschaltung /
Steuerung Aus
Optimierung des
Fertigungsverfahren
niedrig mittel Aufwand
90%
70%
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
Nach GRI G4 & Abdeckung > 85% des Umsatzes
Voith hat sich Umweltziele gesetzt und berichtet
regelmäßig über den Zielerreichungsgrad
Frischwasser/Umsatz
-10%*
Energie/Umsatz
-20%*
Abfall/Umsatz
-25%*
Energieeffizienz
Wassereffizienz
Materialeffizienz
* Bis FY 2017/18, Basis: FY 2011/12Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18
65
niedrig
100%
Monetäre
Einsparung
Höhere Anfangsaufwände haben nur mittlere
Hebelwirkung
Optimierung durch
drehzahlvariable
Antriebssysteme
1 23
Gezielte
Abschaltung /
Steuerung Aus
Optimierung des
Fertigungsverfahren
mittelhoch Aufwand
90%
70%
Energiewertstromanalyse von Werkzeugmaschinen | Stuttgart | 2017-10-18