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• Im Leitstand der Modellfabrik des Anwendungszentrums Industrial Automation von Fraunhofer IOSB in Lemgo entwickeln und testen die Forscher neue ITK-Lösungen für die Fabrik der Zukunft© IOSB
  
• Im Leitstand der Modellfabrik des Anwendungszentrums Industrial Automation von Fraunhofer IOSB in Lemgo entwickeln und testen die Forscher neue ITK-Lösungen für die Fabrik der Zukunft© IOSB
  

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Marktreife2013

Bis 2050 soll das Zeitalter der erneuerbaren Energien erreicht sein – so der im Energiekonzept der Bundesregierung festgeschriebene Plan. Bereits in den kommenden Jahren soll durch mehr Energieeffizienz der Bedarf an Primärenergie auf die Hälfte reduziert werden. In der Produktion ist dies eine kaum vorstellbare Aufgabe: Denn Produktivität und Termintreue sind für die Wirtschaft überlebensnotwendig und folglich der Spielraum für Energiesparmaßnahmen gering. Forscher des Fraunhofer IOSB Anwendungszentrums in Lemgo zeigen aber, dass mit intelligenter Technik und Steuerung eine Effizienzwende in der Produktion möglich ist – den Industrial Smart Grids sei Dank.

Bei den Automatisierungssystemen für Produktionsanlagen konnten durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte erzielt werden. Die Entwicklung der dafür notwendigen Systemtechnik stellt eines der zentralen Themen des Fraunhofer IOSB und seines Anwendungszentrums Industrial Automation (INA) in Lemgo dar. Dabei kombinieren die Experten ihr Know-how aus dem Energiemanagement und Energiedatenmanagement auf der Erzeugerseite mit langjährigen Erfahrungen aus dem Monitoring und der Steuerung von Fertigungsanlagen auf der Abnehmerseite. Industrial Smart Grids sind also eine der Schwerpunktaktivitäten des Geschäftsfeldes Automatisierung des Fraunhofer IOSB. Parallel dazu stellen sich die Forscher nun einer weiteren Herausforderung: Die Energieeffizienz im Bereich der industriellen Produktion deutlich zu erhöhen.
Die Bundesregierung hat in ihrem Energiekonzept das Ziel erklärt, bis 2050 den Primärenergiebedarf deutschlandweit um 50 Prozent zu senken und für die Energieerzeugung überwiegend erneuerbare Energiequellen zu nutzen. Um dies zu erreichen, muss zum einen die zur Verfügung stehende Energie noch viel effizienter genutzt werden als bisher. Und zum anderen ist es erforderlich, den Energieverbrauch so zu steuern, dass insgesamt weniger Erzeugungskapazitäten notwendig sind. Die Voraussetzung hierfür besteht darin, den Energiebedarf gleichmäßiger über die Zeit zu verteilen, also auch kurzzeitige Spitzenverbräuche möglichst zu vermeiden und die Maximallasten im Stromnetz insgesamt zu senken. In den privaten Haushalten sind dafür verschiedene Maßnahmen denkbar: Eine Waschmaschine, die, gesteuert vom intelligenten Stromnetz, ihr Programm erst dann startet, wenn im Netz überschüssiger Strom vorhanden ist. Oder das Elektroauto, welches in der Garage erst nachts geladen wird, wenn das wirtschaftliche und gesellschaftliche Leben, und damit der Energieverbrauch, weitgehend ruhen.

Auf die spezifischen Anforderungen in der Produktion sind derartige Maßnahmen aber in der Regel nicht übertragbar, denn hier stehen Produktivität und optimal aufeinander abgestimmte Fertigungsprozesse im Fokus. Sie sind das Rückgrat des Markterfolgs der Unternehmen und somit auch des gesamten Wirtschaftssystems. »Dennoch schlummert in den Werkshallen häufig ein bisher nicht genutztes Potenzial zur Reduzierung des Einsatzes an Primärenergie und zur Verringerung temporärer Spitzenlasten«, so Prof. Dr. Jürgen Jasperneite vom Fraunhofer IOSB-INA. Konzepte und Lösungsansätze, um dieses Potenzial zu nutzen, entwickeln und erproben die Forscher von Fraunhofer IOSB in der Lemgoer Modellfabrik. Diese Forschungs- und Demonstrationsplattform für die Fabrik der Zukunft ermöglicht es ihnen, verschiedenste Anwendungsszenarien aus der Produktionspraxis nachzustellen. Sogar für komplexe Fertigungsstrukturen lässt sich damit praxisnah das Zusammenspiel verschiedenster Produktionsanlagen, produktionsnaher Software sowie der Produktionsleitsysteme analysieren und testen. Zusätzlich zu ihrer Aufgabe der optimierten Steuerung der Produktionsprozesse wollen die Forscher den Leit- und Steuerungssystemen beibringen, intelligent und weitgehend automatisiert auch für ein deutliches Plus bei der Energieeffizienz zu sorgen.

Als erstes wird dazu in den Produktionshallen das elektrische Versorgungsnetz zum Industrial Smart Grid ausgebaut, in dem alle Energieverbraucher, -erzeuger und -speicher miteinander vernetzt sind. Rechnermodelle der Produktionsanlage wissen exakt, zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Komponenten jeweils in Betrieb gehen beziehungsweise wieder abgeschaltet werden. »Diese Energieprofile erlauben nun die Spielräume für die Lastverschiebung des Stromverbrauchs zu nutzen«, erklärt Jasperneite. Besonders »energiehungrig« sind im Bereich der Produktion die elektrischen Antriebe für Maschinen, Förderbänder, Pumpen oder Kompressoren. Sie allein sind für etwa 70 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in der Fertigung verantwortlich, so der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI). Solche Spitzenverbräuche sind vor allem auf das zeitgleiche Anfahren mehrerer Antriebe zurückzuführen. Mit dem von Rechnern verarbeitbaren Wissen über die gesamte Anlage wird es nun möglich, den Energieverbrauch der gesamten Produktionsstätte gezielt zu steuern. Mit Hilfe der Leit- und Steuerungstechnik könnten spezielle Algorithmen dafür verwendet werden, die Ein- und Ausschaltzeiten der Antriebe so aufeinander abzustimmen, dass der dafür erforderliche hohe Stromverbrauch zeitlich gestaffelt wird. »Die besondere Herausforderung ist dabei, dass dadurch weder Produktivität noch Arbeitsfluss negativ beeinträchtigt werden dürfen«, erläutert Jasperneite. Mit Algorithmen der Selbstoptimierung, die automatisiert selbst kleine Zeitfenster zum Abbau der Lastspitzen erkennen und nutzen, sei diese Hürde aber durchaus überwindbar.

Zur Senkung des Stromverbrauchs sind aus Sicht der Forscher noch eine Reihe weiterer Maßnahmen denkbar. In einem Hochregallager etwa wird viel Energie verbraucht, um Palletten, Material und Waren auf ihre Regalplätze zu heben. Umgekehrt wird diese Energie – zumindest im Prinzip – wieder frei, wenn die Lasten wieder aus den Regalen entnommen und zurück auf den Hallenboden gesenkt werden. Bisher verpufft dieses Energiepotenzial an den Hebegeräten allerdings in der Regel ungenutzt in Wärme. Hier könnten die Antriebe der Hochregallager die während des Absenkens erzeugte elektrische Energie in geeignete Kurzzeitspeicher übertragen und von dort für die nächsten Hebe- oder Fahrvorgänge wieder abrufen.

Insofern ist die Wissenschaft nah dran an der Effizienzwende in der Produktion, und das Vorhaben für die nahe Zukunft, durch mehr Energieeffizienz den Bedarf an Primärenergie auf die Hälfte zu reduzieren, stellt ein durchaus realistisches Ziel dar – zumindest im produzierenden Gewerbe. (stw)