Dezentrale Steuerung von
Energieflexibilität in der Produktion

Alexander Sauer, Sebastian Weckmann

Eine zunehmend fluktuierende Energieerzeugung und damit verbunden schwankende Energiepreise sind neue Herausforderungen für eine nachhaltige und kosteneffiziente Fertigung. Im Zuge einer wachsenden Volatilität in der Energieversorgung werden industrielle Verbraucher zunehmend in die Balance des Energiesystems einbezogen. Ziel ist es, Energie dann zu verbrauchen, wenn sie kostengünstig ist, und den Energieverbrauch in Zeiten hoher Energiepreise zu reduzieren. Auf Seiten der Industrie führt dies zu einem Spannungsfeld zwischen der flexiblen Nutzung von Energie und der Produktionsleistung. Während die aktuell im Vordergrund stehenden Smart Grids Lösungen Angebot und Nachfrage für regionale und höher strukturierte Energienetze balancieren, fehlen noch Lösungen für das industrielle Umfeld. In diesem Beitrag wird die laufende Forschung zur Entwicklung einer dezentralen energiesensitiven Steuerungslösung für ein industrielles Produktionssystem mit fluktuierenden Energiepreisen vorgestellt.

Eine der großen Herausforderungen bei der Etablierung einer nachhaltigen Energieversorgung ist die Volatilität auf Seiten vieler erneuerbarer Energiequellen. Im Jahr 2015 dominierten erneuerbare Energien erstmals das Energiesystem und deckten 32,5 % des deutschen Stromverbrauchs ab [1]. Soll die Stromversorgung – wie im Energiekonzept der Bundesregierung vorgesehen – bis 2050 überwiegend auf erneuerbare Energien umgestellt werden, muss ein System geschaffen werden, das an die zunehmend fluktuierende Erzeugung angepasst ist [2]. Fluktuationen bei der Energieerzeugung durch Windturbinen oder Solaranlagen entstehen sowohl auf saisonaler Ebene als auch auf kurzfristiger Ebene, z. B. durch die turbulenten Eigenschaften des Winds [3]. Um das Energiesystem unter diesen Umständen in einem ständigen Gleichgewicht zu halten, bedarf es einer steigenden Anzahl von Regelungseingriffen auf der Erzeugerseite sowie großer Mengen an Energiespeicherkapazitäten [4]. Zur Reduktion der erforderlichen massiven Investitionen wird ein Paradigmenwechsel im Energiesystem angestrebt – weg von einer zentralen, verbrauchsorientierten Erzeugung hin zu einem Zusammenspiel aus dezentraler, fluktuierender Erzeugung, Speichern und flexiblem Verbrauch [5]. Die Industrie, ein energetischer Großverbraucher, wird daher durch erzeugungsorientierten Verbrauch zukünftig auch Kostenpotenziale erschließen können.
Bereits heute stehen Unternehmen weltweit vor der Herausforderung, eine ausreichend hohe Energieverfügbarkeit für die Produktion zu gewährleisten und dabei möglichst kostengünstig zu produzieren. Vor dem Hintergrund eines zunehmend globalen und immer stärker werdenden Wettbewerbs müssen Unternehmen immer effizienter und flexibler ihre Produktion gestalten.

Demand Side Management

In der Vergangenheit wurde das Energiesystem von Großkraftwerken dominiert, die die erforderlichen Energiemengen produzierten und das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage jederzeit gewährleisteten. Im Rahmen einer zunehmenden Dezentralisierung und Fluktuation in der Energieerzeugung wird es jedoch zu einer immer komplexeren und zunehmend hoch dynamischen Aufgabe, dieses Gleichgewicht zu erhalten. Die Verbraucherseite aktiv mit in die Balance des Energiesystems einzubeziehen, ist kein grundsätzlich neuer Ansatz. Jedoch erleichtern fallende Kosten für die erforderliche Kommunikationsinfrastruktur und eingebettete Systeme einen „smarten“ und steuerbaren Verbrauch [6].
Der Begriff des Demand Side Management (DSM) wurde Anfang der 1980er Jahre in den USA geprägt und findet im Zuge der Energiewende auch im deutschsprachigen Raum verstärkt Gebrauch. DSM liegt die Annahme zugrunde, dass es kostengünstiger ist, eine Last intelligent zu beeinflussen, als zum Beispiel ein neues Kraftwerk zu bauen oder Energiespeicher zu installieren [7]. DSM umfasst dabei die Planung, die Implementierung und das Monitoring von Effizienz- und Flexibilitätsmaßnahmen auf der Verbraucherseite zur Änderung des Lastprofils des Verbrauchers [8].

Energieeffizienz und Energieflexibilität

Grundlage zum aktiven Management der Verbrauchsseite bilden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und der Energieflexibilität. Diese umfassen also auch alle dauerhaften Systemoptimierungen zur Steigerung der Energieproduktivität und reichen vom Austausch von Querschnittstechnologien bis hin zur Optimierung des Energiebezugs auf Maschinenkomponentenebene.
Anhand von Abrufdauer und Netzinteraktion können Maßnahmen zur flexiblen Anpassung des Energieverbrauchs auf Basis von Signalen aus dem Energiemarkt differenziert werden. Die Abrufdauer definiert in diesem Zusammenhang die zeitliche Dauer vom Beginn bis zum Abschluss der einzelnen Maßnahmen. Die Netzinteraktion hingegen definiert die Abrufhäufigkeit der Maßnahmen und die damit verbundene Interaktion mit dem Versorgungsnetz. Dabei können grundsätzlich zwei Bereiche identifiziert werden (Bild 1).


Bild 1: Ebenen des Demand Side Management.

Eine energieoptimierte Ablaufplanung optimiert die Lastkurve einer Produktion hinsichtlich der Vermeidung von Lastspitzen und der Verlagerung von energieintensiven Prozessen in Zeiten günstiger Energiepreise [9].
Eine zeitweise Lastvariabilität beschreibt eine zeitlich befristete Maßnahme zur Reduktion oder Erhöhung der abgerufenen Leistung. Dies kann zum Beispiel durch das Abschalten von Prozessen oder das Variieren von einzelnen Prozessparametern erfolgen [10, 11]. Basiert die Lastveränderung auf Signalen aus dem Energiesystem (z. B. Preis- oder Regelsignale), die durch ungeplante, unregelmäßige oder extreme energiewirtschaftliche Ereignisse ausgelöst werden, wird diese als Demand Response bezeichnet [12].
Sowohl für die energieoptimierte Ablaufplanung als auch die zeitweise Lastvariabilität gilt, dass in der Regel nicht der Energieverbrauch reduziert, sondern das Lastprofil auf Basis der vorhandenen Energieflexibilität verändert wird.
Flexibilität im Allgemeinen steht für die Fähigkeit, sich an ändernde Bedingungen anpassen zu können. Aufgrund einer zunehmenden Komplexität im Produktionsprozess und einer kontinuierlich steigenden Anzahl von Produktvarianten bewegen sich Produktionssysteme in einem Umfeld, das zunehmend durch variierende Einflussfaktoren geprägt ist [13]. Diese Unsicherheiten stellen produzierende Unternehmen vor große Herausforderungen und Risiken. Um in der Lage zu sein, sich solchen schnell ändernden Produktionsbedingungen anpassen zu können, müssen Unternehmen eine ausreichende Flexibilität aufweisen [14].
Energieflexibilität erlaubt es produzierenden Unternehmen, sich an die zunehmende Fluktuation in der Energieerzeugung und die damit verbundenen schwankenden Energiepreise anzupassen [13].


Bild 2: Kommunikationsstruktur der dezentralen Energiesteuerung.

In der Literatur finden sich bereits unterschiedliche Ansätze zur Implementierung von Flexibilität in der Produktion wie Mengenflexibilität, Routenflexibilität, Produktflexibilität, Maschinenflexibilität oder Personaleinsatzflexibilität [14]. Die Mengenflexibilität beschreibt in diesem Zusammenhang die Fähigkeit eines Produktionssystems, die Ausbringungsmengen in Abhängigkeit ökonomischer Randbedingungen zu ändern. Routenflexibilität beschreibt die Möglichkeit eines Produktionssystems, ein bestimmtes Produkt über alternative Routen oder Fertigungsreihenfolgen herzustellen. Produktflexibilität hingegen ermöglicht es Unternehmen, mit geringem Aufwand die Produktion auf verschiedene Produkte umzustellen. Die Maschinenflexibilität beschreibt die Möglichkeit einzelner Maschinen, verschiedene Fertigungsoperationen mit geringem Rüstaufwand durchzuführen. Personaleinsatzflexibilität ist die Möglichkeit, Personal im Falle von Veränderungen der Fertigungsaufgabe flexibel einsetzen zu können.
Basierend auf den allgemeinen Ansätzen zur Flexibilität lassen sich wiederum energiespezifische Ansätze zur Flexibilität ableiten [11]:
• Das Anpassen von Prozessparametern beschreibt die Regelung von Prozessparametern gemäß der Änderung des Strompreises: Beispielsweise kann in einem Kühlhaus zeitweise die Verdichterleistung der Kältemaschine reduziert werden, wobei die Kühlhaustemperatur konstant bleibt oder sich langsam reduziert.
• Das Anpassen des Zeitraums für die Instandhaltung und Rüsten zu Zeiten geringer Energiepreise.
• Die Nutzung von Lagerbeständen zur Erhöhung der Energieflexibilität, vergleichbar mit dem Einsatz von Energiespeichern: In Zeiten geringer Energiepreise wird die Produktionsmenge erhöht und das Lager gefüllt. In Zeiten hoher Energiepreise wird die Produktionsmenge reduziert und der Lagerbestand abgebaut.
• Die temporäre Unterbrechung der Produktion beschreibt das Abschalten der Produktion aufgrund einer zu hohen Netzlast oder extrem hoher Strompreise. Durch temporäres Stoppen der Prozesse wird neben Leistungsaufnahme der Produktion auch Produktivität in großem Maße reduziert.

Implementierung von Energieflexibilität

Um erfolgreich Energieflexibilität in einem Produktionssystem zu integrieren, ist es notwendig, Produktionskosten, Qualität und Zeit in die Optimierung einzubeziehen. In diesem Zusammenhang kann Energieflexibilität auf unterschiedlichen Ebenen implementiert werden. In Abhängigkeit der Netzinteraktion lassen sich Strategien zur Implementierung von Energieflexibilität der energieoptimierten Betriebsplanung oder der zeitweisen Lastvariabilität zuordnen. Auf Ebene der energieoptimierten Betriebsplanung wird Energie als ein Faktor in den Produktionsplanungsprozess integriert, z. B. in Enterprise-Ressource-Planning- oder Manufacturing Execution Systemen [8, 16, 17]. Auf Ebene der zeitweisen Lastvariabilität ist eine hohe Versorgungsnetzinteraktion notwendig [3]. Was bisher fehlt, ist eine automatisierte Energieoptimierung, von der Grobplanung (ERP) über die Feinplanung (MES) und Überwachung (Scada) bis zur Maschinensteuerung (SPS).

Entwicklung einer energieorientierten Steuerung

Um die Lücke zwischen der energetischen Optimierung auf der Planungsebene und der energetischen Optimierung auf der Prozessebene zu schließen, muss eine Kommunikation zwischen der Planungs- und Prozessebene sichergestellt werden. Zudem muss die energetische Versorgungssituation der Produktion echtzeitnah erfasst werden. Um Energie- und Produktionsdaten nicht nur auf der Planungsebene verarbeiten zu können, muss jeder Prozess in die Lage versetzt werden, sowohl mit dem Produktionsplanungs- und -steuerungssystem (PPS) als auch mit den einzelnen Prozessen und Lagersystemen in der Produktion zu kommunizieren.

Aufbau einer energieflexiblen Steuerung

Das PPS plant und steuert den Ablauf der Produktion und sorgt dafür, dass alle Aufträge zum erforderlichen Termin fertiggestellt werden. Für jeden Prozess werden die zu fertigenden Aufträge und der damit verbundene Start- und Endtermin definiert (Bild 3). Zudem werden jedem Prozess Daten zur Energieversorgungssituation der Produktion zur Verfügung gestellt. Auf der Grundlage dieser Informationen ist es möglich, für jeden Prozess die Energieflexibilität in Abhängigkeit der folgenden Faktoren zu bestimmen:
• Flexibilitätspotenzial: Das Flexibilitätspotenzial wird durch das Verhältnis von verfügbarer Arbeitszeit eines Prozesses pro Tag zu der Zeit, die benötigt wird, um alle Aufträge des Tags abzuarbeiten, beschrieben.
• Lagerpotenzial: Das Lagerpotenzial wird durch das Verhältnis von einem Mindestlagerbestand produktionseigener Lager zu dem aktuellen Lagerbestand beschrieben.
• Energiepotenzial: Das Energiepotenzial kann durch den aktuellen Energiepreis beschrieben werden. Für Inselsysteme ist es jedoch auch möglich, über die Spannung oder die Frequenz des Verteilnetzes die Versorgungssituation der Produktion zu bestimmen.
Die Prozessessteuerung ist in der Lage, in Abhängigkeit der vom Planungssystem vorgegebenen logistischen Rahmenbedingungen, des Lagerpotenzials und des Energiepotenzials den Prozess autonom und dynamisch energetisch zu steuern. Der Prozess produziert in dem für ihn ökonomisch und technisch vorteilhaften Zeitintervall. Im Rahmen der Vorgaben aus der Produktionsplanung wird nicht nur eine Einzelprozessoptimierung durchgeführt, sondern eine energetische Optimierung des gesamten Produktionssystems erzielt. Hierbei wird bestehende Flexibilität in der Produktion genutzt, ohne die Produktionsrandbedingungen zu ändern. Zum Beispiel Personalnutzungsgrad, Lagerkapazität oder Produktionsoutput bleiben unberührt. Es wird ein System geschaffen, das sich dynamisch ändernden logistischen und kapazitiven Randbedingungen flexibel anpasst.


Bild 3: Untersuchtes Produktionssystem: Spritzgießteilefertigung.

Beispielhafte Implementierung einer energieflexiblen Steuerung

Für die beispielhafte Implementierung wurde eine Kunststoffteileproduktion untersucht (Bild 3). Fabrikdaten, logistische Parameter und Energiedaten wurden vor Ort aufgenommen. Basierend auf den erfassten Produktionsdaten wurde eine hybride Simulation aufgebaut.
Auf der einen Seite wurde eine logistische Simulation der Produktionskette in der Software Plant Simulation erstellt. Alle vor Ort gesammelten Daten wurden in das Modell importiert und ein Produktionsplanungssystem programmiert. Das Modell ist somit in der Lage, die Parameter Logistik und Energie zu verfolgen, z. B. Produktionsmenge, Energieverbrauch auf Maschinenebene oder Lagerbestände.
Auf der anderen Seite wurden die Energieversorgung und die entsprechenden Energieverbraucher des Produktionssystems im Modellmaßstab nachgebaut. Die Prozess- und Lagersysteme wurden mit einer Maschinensteuerung als Hardware in the Loop Sub-System ausgestattet. Darüber hinaus wurde jeder Prozess mit einem Energiemesssystem ausgestattet und eine Kommunikationsplattform implementiert, die den Datenaustausch auf Prozess-, aber auch Modellebene ermöglicht.
Mithilfe der erfassten spezifischen Bearbeitungszeiten, Rüstzeiten und Produktionsvolumen wurde die Produktion hinsichtlich Flexibilitätspotenzial, Lagerpotenzial und Energiepotenzial dynamisch gesteuert. Basierend auf der Fähigkeit eines jeden Prozesses und Lagersystems, miteinander zu kommunizieren, wurde im Gesamtsystem eine Kostenreduzierung erreicht.
Das Produktionssystem wurde über einen Zeitraum von vier Wochen energieflexibel gesteuert. Die Energiepreise wurden dabei alle 15 Minuten von der deutschen Energiebörse importiert und die im Unternehmen erfasste Auftragslage abgearbeitet. Insgesamt wurden die Energiekosten um 10 % reduziert (Bild 4). Die Lagerkapazität sowie der Personaleinsatz wurden nicht verändert. Alle eingehenden Aufträge mussten gefertigt werden.


Bild 4: Kumulierte Energiekosten des untersuchten Produktionssystems über einen Zeitraum von vier Wochen.

Reflexion und Ausblick

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass auch kurzfristige und kleinteilige Maßnahmen zur Steigerung der Nachfrageflexibilität und Nutzung volatiler Energiepreise einen monetären Vorteil für Unternehmen bedeuten können. Von hoher Relevanz sind hierbei der Zugang zu den variablen Marktpreisen der Energie und die Kosten für die Kommunikationsinfrastruktur und Steuerungstechnik.
Mit einem zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien und einer damit zunehmenden Volatilität in der Energieerzeugung wird in Zukunft das ökonomische Potenzial für den Einsatz von Energieflexibilität stark zunehmen. In diesem Zusammenhang wird im Kopernikus Projekt Synergie die Implementierung von Energieflexibilität in der Industrie und eine notwendige Anpassung des Markt- und Stromsystems untersucht.
Grundsätzlich kann der vorgestellte Ansatz in jeglicher Produktion integriert werden. Dabei wird das energetische Flexibilitätspotenzial dynamisch genutzt, sofern es verfügbar ist. Im nächsten Schritt wird untersucht, wie zusätzliche Flexibilitätspotenziale erschlossen werden können, um auch die Dynamikträger Produktionssysteme zu erhöhen.
Das vorgestellte Modell berücksichtigt weder eine zusätzliche Integration von Energiespeichern noch eine lokale Energieproduktion oder eine Anpassung von Prozessparametern. Neben diesen technologischen Ansätzen, die zusätzliche Möglichkeiten zur energetischen Flexibilisierung bieten, besteht die Möglichkeit zur Integration von Prognosemodellen in die Simulation, um eine weitere Kostenreduzierung zu erzielen. Diese Ansätze werden derzeit im Zusammenhang mit Energieflexibilität und Energieeffizienz vertieft untersucht.

Schlüsselwörter:

Volatile Energieversorgung, Smart Grid, Energiemanagement, Energieverbrauchssteuerung

Literatur:

[1] Agora Energiewende: Die Energiewende im Stromsektor. Stand der Dinge 2015. Rückblick auf die wesentlichen Entwicklungen sowie Ausblick auf 2016. URL: http:// www.agora-energiewende. de/fileadmin/Projekte/2016/ Jahresauswertung_2016/ Ag o r a _ J a h r e s a u s w e r - tung_2015_web.pdf, Abrufdatum 05.02.2016.
[2] Elsner, P.; Fischedick, M.; Sauer, M. U. (Hrsg): Flexibilitätskonzepte für die Stromversorgung 2050. Technologien – Szenarien – Systemzusammenhänge. Energiesysteme der Zukunft. München 2015.
[3] Heide, D.; Bremen, L.; von Greiner, M.; Hoffmann, C.; Speckmann, M.; Bofinger, S.: Seasonal optimal mix of wind and solar power in a future, highly renewable Europe. In: Renewable Energy 35 (2010) 11, S. 2483-2489.
[4] Bundesnetzagentur: Redispatch, 2015. URL: http:// www.bundesnetzagentur.de/ cln_1432/DE/Sachgebiete/ ElektrizitaetundGas/Unternehmen_ Institutionen/Versorgungssicherheit/ Stromnetze/ Engpassmanagement/ Redispatch/redispatch-node. html, Abrufdatum 01.02.2016.
[5] Aichele, C.; Doleski, O. D.: Smart Meter Rollout. Praxisleitfaden zur Ausbringung intelligenter Zähler. Wiesbaden 2013.
[6] Müller-Scholz, W.: Die stille Transformation. Wie Unternehmen jetzt von IT und E-Commerce profitieren. Wiesbaden 2013.
[7] Palensky, P.; Dietrich, D.: Demand Side Management: Demand Response, Intelligent Energy Systems, and Smart Loads. In: IEEE Transactions on Industrial Informatics 7 (2011) 3, S. 381-388.
[8] Kreith, F.; Goswami, D. Y. (Hrsg): Handbook of energy efficiency and renewable energy. Mechanical engineering series. Bosa Roca United States 2007.
[9] Samad, T.; Kiliccote, S.: Smart grid technologies and applications for the industrial sector. In: Computers & Chemical Engineering 47 (2012), S. 76- 84.
[10] Graßl, M.: Bewertung der Energieflexibilität in der Produktion. Forschungsberichte IWB. München 2015.
[11] Rackow, T.; Kohl, J.; Canzaniello, A.; Schuderer, P.; Franke, J.: Energy Flexible Production. Saving Electricity Expenditures by Adjusting the Production Plan. In: Procedia CIRP 26 (2015), S. 235-240.
[12] Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.: Demand Response. URL: https:// www.ffe.de/publikationen/ fachartikel/344-demand-res p o n s e ? t m p l = c o m p o - nent&print=1&page=, Abrufdatum 03.03.2016.
[13] Sethi, A.; Sethi, S.: Flexibility in manufacturing. A survey. In: International Journal of Flexible Manufacturing Systems 2 (1990) 4, S. 289-328.
[14] Browne, J.; Dubois, D.; Rathmill, K.; Sethi, S.P.; Stecke, K.E: Classification of Flexible Manufacturing Systems. In: The FMS Magazine 2 (1984), S. 114-117.