Energiemanagement nach ISO 50001 und die erforderlichen Daten

ISO 50001 ist die internationale Norm für Energiemanagementsysteme. Sie beschreibt Energiemanagement als fortlaufenden Prozess: eine Energiepolitik, die Untersuchung der Energieverwendung, Ziele und Aktionspläne und schließlich Messungen, die eine Verbesserung der Energieleistung belegen. Aktuell gilt ISO 50001:2018 mit einer Änderung von 2024 zum Klimawandel. ISO 50006:2023 bietet Leitlinien für Kennzahlen und Ausgangsbasen; ISO 50003:2021 regelt das Zertifizierungsaudit. Die Software für ein Energiemanagement-Informationssystem behandelt der IEMS-Leitfaden.

Dieser Leitfaden gehört zum Lernpfad für Gebäude- und Anlagenleistung.

Warum Unternehmen die Norm anwenden

Artikel 11 der neugefassten EU-Energieeffizienzrichtlinie verlangt von Unternehmen mit einem durchschnittlichen jährlichen Energieverbrauch von mehr als 85 TJ (etwa 23,6 GWh) über die drei vorangegangenen Jahre bis zum 11. Oktober 2027 ein zertifiziertes Energiemanagementsystem. Zwischen 10 TJ und 85 TJ muss ein Unternehmen ohne Energiemanagementsystem mindestens alle vier Jahre ein Energieaudit durchführen. Das Managementsystem ersetzt damit den Auditzyklus. Im Vereinigten Königreich ist eine ISO-50001-Zertifizierung, die den gesamten oder den wesentlichen Energieverbrauch (mindestens 95 % des Gesamtverbrauchs) abdeckt, ein vollständiger Weg zur ESOS-Erfüllung in Phase 4. Deckt sie weniger ab, müssen die verbleibenden Energieverbräuche durch ein ESOS-Audit oder einen anderen zulässigen Weg erfasst werden; für einen kombinierten Weg ist ein Lead Assessor erforderlich. Der EED-Leitfaden und der ESOS-Leitfaden erläutern die Einzelheiten.

Das US-Energieministerium berichtet für Organisationen, die die ursprüngliche ISO 50001 eingeführt hatten, eine validierte Verbesserung der Energieleistung von durchschnittlich 4,5 % pro Jahr. Die Standorte nahmen freiwillig an einem Validierungsprogramm teil; die Zahl kann deshalb durch Selbstselektion verzerrt sein.

In Irland fördert das EXEED-Programm der SEAI Investitionsprojekte, die nach IS 399, der irischen Norm für energieeffiziente Planung, entworfen und gesteuert werden. ISO 50001 Abschnitt 8.2 verlangt, die Energieleistung bei der Planung neuer und modernisierter Anlagen zu berücksichtigen. Ein größeres Projekt für einen wesentlichen Energieeinsatz aus dem Aktionsplan kann für EXEED infrage kommen, wenn es nach IS 399 geplant und gesteuert wird.

Plan-Do-Check-Act und die Normabschnitte

ISO 50001:2018 nutzt die gemeinsame Abschnittsstruktur der ISO-Managementsystemnormen. Die Tabelle ordnet jeder Phase des Zyklus die Abschnitte zu, auf die sich ein Auditor beziehen wird.

Energetische Bewertung und wesentliche Energieeinsätze

Die energetische Bewertung nach Abschnitt 6.3 analysiert Energieverwendung und -verbrauch anhand von Messungen und anderen Daten. Sie bestimmt die wesentlichen Energieeinsätze (SEU): Verwendungen, die einen erheblichen Anteil am Verbrauch haben oder nach den Kriterien der Organisation großes Verbesserungspotenzial bieten. Für jeden SEU werden relevante Variablen wie Produktion, Wetter und Belegung, die aktuelle Energieleistung und die Personen ermittelt, deren Arbeit sie beeinflusst.

Die Norm gibt die Kriterien nicht vor. Viele Organisationen ordnen die Verwendungen nach Verbrauch und wählen diejenigen aus, die zusammen ungefähr 80 % ausmachen. Das ist eine Pareto-Grenze. Kleinere Verwendungen mit bekannten Verbesserungsmöglichkeiten kommen hinzu. Dokumentieren Sie die Kriterien, denn Auditoren werden danach fragen.

Ohne Unterzähler wird die Rangfolge aus Typenschildleistung in kW mal Betriebsstunden geschätzt. Diese Methode scheitert auf vorhersehbare Weise:

• Die Typenschildleistung eines Motors ist seine mechanische Abgabeleistung, nicht die elektrische Aufnahmeleistung. Zudem laufen die meisten Motoren unter ihrer Nennlast.
• Ein Schraubenkompressor im Last-Leerlauf-Betrieb läuft während aller Betriebsstunden, fördert aber nicht ständig Druckluft. Nach der Compressed Air Challenge benötigt er im Leerlauf noch 15 bis 35 % der Leistung bei Volllast.
• Ein Ventilator mit Frequenzumrichter benötigt bei 70 % Drehzahl theoretisch etwa 34 % der vollen Leistung, gemäß dem Affinitätsgesetz (0,7³). Verluste des Umrichters und ein fester Systemdruck erhöhen den tatsächlichen Wert.
• Die elektrische Aufnahme einer Kältemaschine ändert sich mit Last und Verflüssigertemperatur. Ihr Verbrauch unterscheidet sich deshalb zwischen Sommer und Winter.

Jeder dieser Faktoren kann einen Energieeinsatz in der Rangfolge verschieben. Einige Wochen Messung an den infrage kommenden Verwendungen genügen für eine erste Rangfolge. Für eine Ausgangsbasis braucht es mehr: einen vollständigen Produktionszyklus und bei wetterabhängigen Lasten eine ganze Heiz- und Kühlsaison.

Energieleistungskennzahlen und Ausgangsbasen

Eine Energieleistungskennzahl (EnPI, Abschnitt 6.4) misst die Energieleistung, beispielsweise kWh je Tonne, kWh je Quadratmeter oder die spezifische Leistung von Druckluft in kW je m³/min. Eine energetische Ausgangsbasis (EnB, Abschnitt 6.5) ist die Referenz, mit der die Kennzahl verglichen wird. ISO 50006 empfiehlt die Normalisierung nach relevanten Variablen, damit eine Änderung von Produktion oder Wetter nicht als Effizienzänderung erscheint.

Ein einfaches Verhältnis ist ungeeignet, wenn der SEU eine feste Grundlast hat. Betrachten wir einen Lebensmittelbetrieb mit folgendem monatlichen Strommodell, das durch Regression aus zwölf Ausgangsmonaten ermittelt wurde:

E = 180.000 kWh + 310 kWh/t × P + 95 kWh/HDD × HDD

E ist der monatliche Stromverbrauch, P die Produktionsmenge in Tonnen und HDD die Heizgradtage. Der Achsenabschnitt von 180.000 kWh steht für Lasten, die unabhängig von der Produktion laufen: Grundverluste der Kühlung, Beleuchtung, Lüftung und Druckluftleckagen. HDD ist im Modell, weil der Betrieb Büros und Versandbereich mit Wärmepumpen heizt. Ein mit Gas beheizter Betrieb würde stattdessen Kühlgradtage prüfen, da die Kältearbeit bei warmem Wetter zunimmt.

Die einfache Kennzahl steigt von 634 auf 658 kWh/t und sieht damit um 3,8 % schlechter aus. Das hat zwei Ursachen. Die feste Last von 180.000 kWh verteilt sich auf 520 statt 600 Tonnen, also auf 346 statt 300 kWh/t. Die 110 zusätzlichen Heizgradtage erhöhen den erwarteten Verbrauch um 10.450 kWh. Ohne Änderung vor Ort erwartet das Modell daher 704 kWh/t. Die normalisierte Kennzahl ist das Verhältnis von Ist- zu Erwartungswert: 342.000 ÷ 365.900 = 0,935. Der Betrieb verbrauchte 6,5 % weniger Energie als die Ausgangsbasis vorhersagt, eine Differenz von 23.900 kWh.

Für einen reinen Heizungsvergleich lassen sich Gradtagzahlen aus täglichen Mitteltemperaturen und einer festgelegten Basistemperatur berechnen. Halten Sie Referenzzeitraum, Einheiten und Behandlung der Grundlast konsistent. Diese einfachere Normalisierung ist nicht die obige Regression mit mehreren Variablen und liefert keine statistische Konfidenz.

Das Modell prüfen

Prüfen Sie das Modell, bevor Sie es verwenden. Der FEMP-Leitfaden zu Messung und Verifizierung nennt die IPMVP-Prüfwerte: Jede Variable braucht eine t-Statistik über 2,0; das Modell ein R² von mindestens 0,75. Eine Variable, die den t-Test nicht besteht, wird weggelassen.

R² sagt nicht, ob das Ergebnis eines einzelnen Monats real ist. Dazu dient der quadratische Mittelwert des Modellfehlers (RMSE). Angenommen, das Beispielmodell hat bei Ausgangsmonaten mit durchschnittlich 380.000 kWh einen RMSE von 9.500 kWh. Sein CV(RMSE) beträgt dann 2,5 %. Bei zwölf Monaten und drei Koeffizienten hat das Modell 9 Freiheitsgrade; der t-Wert für 95 % beträgt 2,26. Das 95-%-Vorhersageintervall für einen einzelnen Monat liegt ungefähr bei ±2,26 × 9.500 × √(1 + 1/12) = ±22.400 kWh. Die Einsparung von 23.900 kWh liegt nur knapp außerhalb dieses Intervalls. Über drei Monate mit unabhängigen Fehlern wächst das Intervall um √3 auf etwa ±39.000 kWh, während sich eine gleichbleibende Einsparung verdreifacht. Drei Monate mit derselben Rate ergeben ungefähr 71.700 kWh und liegen deutlich außerhalb des Intervalls. Liegen Produktion oder Wetter eines Berichtsmonats weit vom Mittelwert der Ausgangsmonate entfernt, ist das Intervall größer.

Ergebnis mit CUSUM verfolgen

Tragen Sie die kumulierte Summe (CUSUM) aus tatsächlichem minus erwartetem Verbrauch Monat für Monat auf. Solange der Standort wie im Ausgangszeitraum betrieben wird, liegen die monatlichen Abweichungen auf beiden Seiten der Null und die CUSUM-Kurve bleibt in deren Nähe. Eine dauerhafte Änderung erscheint als neue Steigung.

Im Projektmonat wechselt die Steigung von ungefähr null auf etwa −23.400 kWh pro Monat. Flacht sie später wieder ab, ist die Einsparung weggefallen, etwa weil die Steuerung übersteuert wurde. Der Leitfaden zur Messung von Einsparungen behandelt die Statistik und die Unsicherheit des Ergebnisses.

Ausgangsbasis überarbeiten oder anpassen

Nach Abschnitt 6.5 muss die Ausgangsbasis überarbeitet werden, wenn die EnPIs die Energieleistung nicht mehr abbilden, wenn sich statische Faktoren wesentlich ändern oder wenn eine vorab festgelegte Methode dies vorsieht. Eine neue Produktionslinie, eine Gebäudeerweiterung oder andere Schichtzeiten ändern solche statischen Faktoren.

Eine Änderung, die eine separate messbare Last hinzufügt, lässt sich durch eine Anpassung der Ausgangsbasis behandeln, ohne das Modell neu zu schätzen. Der FEMP-Leitfaden nennt das eine nicht routinemäßige Anpassung. Der Lebensmittelbetrieb installiert beispielsweise für die Abwasserbehandlung ein kontinuierlich laufendes Belüftungsgebläse mit 25 kW. Es ist keine Effizienzmaßnahme und darf nicht als Verschlechterung erscheinen. Messen Sie das Gebläse und addieren Sie seinen gemessenen Verbrauch, etwa 18.250 kWh in einem Monat mit 730 Stunden, ab Inbetriebnahme zum monatlichen Erwartungswert. Verwenden Sie den Messwert statt der Typenschildleistung.

Schätzen Sie das Modell neu, wenn die Änderung den Zusammenhang mit den Variablen verändert. Eine neue Linie mit anderen kWh je Tonne oder ein anderer Produktmix verändert den Produktionskoeffizienten; nur den Achsenabschnitt anzupassen wäre falsch. Sammeln Sie neue Daten für die neue Ausgangsbasis. Dokumentieren Sie in beiden Fällen Grund, Datum, Methode und verwendete Daten.

Die Rechner für spezifische Druckluftleistung, Kältemaschinen-COP und Wärmepumpen-COP liefern EnPIs für diese SEUs.

Datenerfassungsplan

Abschnitt 6.6 verlangt einen Plan für die Daten, mit denen die Energieleistung überwacht wird. Er umfasst mindestens:

• die relevanten Variablen für jeden SEU;
• den Energieverbrauch jedes SEU und der Organisation insgesamt;
• die Betriebskriterien für die SEUs;
• statische Faktoren, soweit anwendbar;
• die in den Aktionsplänen festgelegten Daten.

Abschnitt 9.1.1 verlangt außerdem die Überwachung der EnPIs, des Betriebs der SEUs und des tatsächlichen gegenüber dem erwarteten Energieverbrauch sowie die Untersuchung und Behandlung wesentlicher Abweichungen. Der Erwartungswert kommt aus dem Modell der Ausgangsbasis. Für die Abweichungsprüfung müssen Energiedaten und variable Daten denselben Zeitraum abdecken.

Messen Sie Strom in Intervallen von höchstens 15 Minuten, damit Verbrauch außerhalb der Betriebszeit und Grundlast sichtbar werden. Erfassen Sie die Produktion für dieselben Zeiträume wie die Energie. Beginnt der Zählertag um Mitternacht, der Produktionstag aber um 06:00 Uhr, stehen die Tonnen einer Schicht den kWh einer anderen gegenüber. Synchronisieren Sie die Uhren, kennzeichnen Sie Lücken als Lücken und füllen Sie sie nie mit Nullen.

Messungen müssen genau und wiederholbar sein; die Organisation muss Nachweise zur Kalibrierung oder Überprüfung aufbewahren. Ein Zähler der Klasse 0.5S nach IEC 62053-22 liegt ab 5 % des Nennstroms innerhalb von ±0,5 % des Messwerts und bis hinunter zu 1 % Nennstrom innerhalb von ±1 %. Vor Ort montierte Stromwandler bringen zusätzliche Fehler ein, sofern die Genauigkeitsklasse nicht das Messgerät und seine Stromsensoren zusammen umfasst. Im Beispiel entsprechen 1 % Messfehler etwa 3.700 kWh im Monat. Das Vorhersageintervall des Modells von ±22.400 kWh ist sechsmal so groß. Der Leitfaden zur hochgenauen Strommessung erklärt die Genauigkeitsklassen.

Betriebskriterien für SEUs festlegen

Abschnitt 8.1 verlangt Kriterien für den wirksamen Betrieb jedes SEU; nach Abschnitt 9.1.1 muss die Organisation sie überwachen. Leiten Sie die Kriterien aus Messdaten ab, nicht aus Vermutungen.

Druckluft ist oft das erste Beispiel. Messen Sie die Zuleitung der Kompressoren über mehrere Wochenenden ohne Produktionsluftbedarf, nachdem Leckagen gesucht und beseitigt wurden. Angenommen, die Last außerhalb der Produktion stabilisiert sich bei 24 kW für pneumatische Ventile und verbleibende Leckagen. Setzen Sie das Kriterium auf 30 kW, etwa 25 % über dieser Grundlast, für länger als 30 Minuten zwischen Freitag 22:00 Uhr und Montag 06:00 Uhr. Ein Wochenende mit 45 kW liegt 21 kW über der Grundlast. Über 56 Stunden sind das 1.176 kWh, auf die Wochenenden eines Jahres hochgerechnet ungefähr 61.000 kWh. Wiederholen Sie die Grundlastmessung nach jeder Leckageprüfung und senken Sie den Grenzwert, wenn die Grundlast sinkt.

Zertifizierung vorbereiten

1. Sammeln Sie zwölf Monate Rechnungen für jeden Energieträger und gleichen Sie sie mit vorhandenen Standortzählern ab.
2. Messen Sie die wahrscheinlichen SEUs und ihre relevanten Variablen in Intervallen von höchstens 15 Minuten, mindestens über einen Produktionszyklus und bei Wetterabhängigkeit über eine Heiz- und Kühlsaison.
3. Definieren Sie EnPIs und Ausgangsbasen. Dokumentieren Sie Normalisierung, Modellstatistik und Regeln zur Überarbeitung und Anpassung.
4. Legen Sie Betriebskriterien für jeden SEU fest und lösen Sie bei Überschreitungen Meldungen aus.
5. Schließen Sie mindestens ein internes Audit und eine Managementbewertung ab. Erfassen Sie genügend Monate an EnPI-Daten, um eine Verbesserung gegenüber der Ausgangsbasis nachzuweisen.

Die Zertifizierung folgt ISO/IEC 17021-1 und ISO 50003. Im Audit der Stufe 1 wird das dokumentierte System geprüft: energetische Bewertung, SEU-Kriterien, EnPIs, Ausgangsbasen und Datenerfassungsplan. Das Audit der Stufe 2 prüft, ob das System in der Praxis funktioniert. Nach ISO 50003:2021 muss das Auditteam vor Ausstellung des Zertifikats und bei der Rezertifizierung eine fortlaufende Verbesserung der Energieleistung bestätigen. Ein System, das nur auf dem Papier vollständig ist, aber keine Daten zur Verbesserung hat, besteht nicht.

ISO 50003 legt keine Mindestzahl von Monaten mit Berichtsdaten fest. Der Nachweis muss eine Verbesserung zeigen, die größer ist als die Unsicherheit des Modells. Im durchgerechneten Beispiel ist ein Monat grenzwertig, drei Monate sind deutlich. Stimmen Sie den Berichtszeitraum im Audit der Stufe 1 mit der Zertifizierungsstelle ab. Das Zertifikat gilt drei Jahre; jedes Jahr findet ein Überwachungsaudit statt. Dabei muss die Organisation zeigen, dass Verbesserungsmaßnahmen umgesetzt werden.

ISO-50001-Daten mit EpiSensor

ZEM-Strommessgeräte messen Strom mit der Klasse 0.5S für Messgerät und Stromsensoren als Gesamtsystem und übertragen die Werte über Zigbee an den Gateway. Ein ZEM an der Kompressorzuleitung liefert die kW für eine Kennzahl zur spezifischen Leistung und für das Kriterium außerhalb der Produktion. ZPC-Impulszähler lesen Impulsausgänge von Gas-, Wasser- und Durchflusszählern. Ein Durchflusszähler an der Druckluft-Hauptleitung liefert m³/min. ZHM-M-Bus-Schnittstellen lesen Wärmezähler. TES-Temperatursensoren messen Außenluft für Gradtagzahlen sowie Raum- oder Prozesstemperaturen. ZIO-Analogsensoren lesen 4- bis 20-mA-Transmitter, etwa einen Drucksensor an der Hauptleitung.

Ein Gateway mit Edge speichert die Daten vor Ort. Ein berechnetes Gerät in Edge kann eine Verhältniskennzahl wie spezifische Leistung oder COP in einem an der Uhr ausgerichteten Intervall berechnen. Eine Automatisierungsregel mit Zeitfenster und Dauerbedingung kann eine Warnung auslösen oder eine E-Mail senden, wenn der Kompressor den Grenzwert außerhalb der Produktion überschreitet. Die Datenseite exportiert die geladenen Zeitreihen als CSV; eine fehlende Messung erscheint als leere Zelle und nicht als Null. Monatliche Energie- und Variablendaten können so in die Regression und EnPI-Nachweise eingehen, ohne dass Datenlücken als Einsparungen zählen.