Hilft Industrie 4.0 bei den Auswirkungen der Energiewende auf die Produktionsplanung und Kosten?

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1 VDI / VDI Arbeitskreis Leitsysteme für die Prozess- und Fertigungsindustrie Technoseum Mannheim, Hilft Industrie 4.0 bei den Auswirkungen der Energiewende auf die Produktionsplanung und Kosten? Prof. Dr. Johannes Kals 1

2 Zur Person Geboren 1963, Schule, Studium der BWL in Aachen Assistent an der Uni Duisburg-Essen, Forschungsaufenthalt in den USA Promotion an der TU Berlin über Umweltorientiertes Produktions-Controlling Gerling Consulting Gruppe, Köln, im Bereich Umweltmanagement Hochschule Ludwigshafen, Professor für Produktionswirtschaft, eine Wahlperiode Vizepräsident Forschungsschwerpunkt Energiemanagement Verheiratet, zwei Kinder 2

3 Gliederung Teil 1: Trends und Entwicklungen: Industrie 4.0 In-Memory Databases Energiepreise Netzwerke mit Energiebezug Teil 2: Gesamtkonzept Energie und BWL für Industrieunternehmen Einzelprobleme Energiebeschaffung, Produktionsplanung und Lastmanagement Teil 3: Energiebezogene IT Teil 4: Normengeflecht und Energie DIN ISO 9000er Reihe Qualitätsmanagement DIN ISO 14000er Reihe Umweltmanagement DIN ISO Energiemanagement DIN ISO 14064/65/67 Treibhausgase Teil 5: Prozessleittechnik und ISO-Managementsysteme Zusammenarbeit Technik Management Investitionen und Reporting 3

4 4

5 Industrie 4.0 Begriff populär zur Hannover-Messe 2011 Projekt der Bundesregierung Intelligente Fabrik (Smart Factory): wandlungsfähig, ressourceneffizient, ergonomisch Kunden- und Geschäftspartnerintegration in Netzwerken Cyber-physische Systeme und Internet der Dinge 4. industrielle Revolution (1. Dampfmaschine, 2. Massenfertigung mit Fließbändern und Elektrifizierung, 3. digitale Revolution) => Widerspruch! 5

6 Engineering Data Management (EDM) https://www.proteus-solutions.de/~unternehmen/news-permalink:tm.f04!sm.ni41!article asp 6

7 Redefine R in ERP New challenges New tools in the box Rising prices and costs Internet of things (device for resources connectivity) Volatility of prices and Ability speed of business Emerging networks to process information business Evolving methods and applications 7

8 (abgerufen ) 8

9 Einsparpotenziale in der Industrie nach Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung Bereich des Energieeinsatzes Durchschnittliches Einsparpotenzial in Prozent Gesamtes Einsparpotenzial in Deutschland in Milliarden Kilowattstunden (Terawattstunden) Druckluft Prozesswärme Elektromotoren Raumwärme und Warmwasser Pumpen Ventilatoren Kälteanlagen Beleuchtung

10 Gesetze, z.b. EEG, EnEV, Energiebesteuerung Energie-, CO2preissteigerungen, Handlungsdruck, Wirtschaftlichkeit Neue Akteure, Verteilungskämpfe ProSumer Verbände Energieagenturen Kammern Welche Faktoren führen dazu, dass es in Ländern, Branchen, Unternehmensgrößen los geht, sich eine kritische Masse für das Thema interessiert? Bewusstsein, öffentliche Meinung Hochschulen Wirtschaftsprüfer Berater Zertifizierer Globale Konzerne Software als compelling event 10

11 Neue Netzwerke durch Energie Smart Grid Börse EVUs Projektentwickler Erzeugergenossenschaften IT Einkaufsgenossenschaften Einkaufsdienstleister Contracter Netzbetreiber Supply Chain, Commuter Smart City Wertnetz Unternehmen Kompensation von CO2 Berater Verbände Energieagenturen Kammern Banken Closed Loop Nachbarn Industriegebiet Vernetzung im Konzern Gebietskörperschaft 11

12 Generierung regenerativer Energien (EEG), Production and Consumer zu Prosumern Smart Metering und Smart Grids öffnen der Möglichkeit für Virtuelle Kraftwerke 12

13 Teil 2: Gesamtkonzept Energie und BWL für Industrieunternehmen (Kals, Betriebliches Energiemanagement, Stuttgart 2010) Energiebilanzen Betriebliche Funktionen: Facility Management Logistik Energiebeschaffung Produktion Instandhaltung Wirtschaftlichkeit / Strategische Planung / ethische Fundierung Organisatorische Umsetzung: DIN ISO 9000, 14000, 50001, Serien Hintergründe: naturwissenschaftlich (Klimawandel), technisch (Nutzung regenerativer Energien), volkswirtschaftlich (Allokation, Pigou-Steuer, industrielle Revolution) 13

14 Was tickt wo? Welche wichtigen funktionsübergreifenden Zusammenhänge? Möglichkeiten der Informationsversorgung und -verarbeitung: Internet of Things, In-Memory-Technology, Meters and Sensors, Automation, Gebäude- und Prozessleittechnik, GPS Erste Ebene der Informationsverarbeitung: Kosten- und Erlösrechnung Bilanzierungen von Energie und CO2 nach innen und außen mit unterschiedlichen Bilanzräumen. Produktion und Produkte Anwendung bei isolierten Aufgaben in den Funktionen, Maschinenbelegung, Good Housekeeping im FM, Green IT Richtig interessant wird es funktionsübergreifend: Controlling und Sust.BSC Invest mit LCC, TCO, Querschni tttechnol ogien Energiebeschaffung und Demand Side Management, Betriebe als Knoten im Smart Grid Prosumer, Smart Grids und Smart Cities, Kampf um Strom Unternehmensübergreif end: SCM, Wertnetze, Closed Loops, emobility, smart cities Verankerung in Ethik, Strategie und Organisation (ISO mit möglicher EEGUmlagebefreiung) Vermarkung nach innen (Unternehmenskultur, Motivation) und außen (Image, Umsatz) 14

15 Volatilität der Strompreise: Einkauf und Lastmanagement (Demand Side Management), Production und Consumer verschmelzen zu Prosumern 15

16 Portfoliomanagement zur Beschaffung elektrischer Energie Leistungsbedarf in kw Ausgleichsenergie Blocklieferung Stunden-/Blocklieferung Blocklieferung Bandlieferung zur Abdeckung der Grundlast (Baseload) Zeit (Tag) 16

17 Markt für Regelenergie im Bereich der positiven und negativen Minutenreserve als Element von virtuellen Großkraftwerken Prof. Dr. Ralf Simon, TSB Bingen, Möglichkeiten der Regelenergiebereitstellung: Positive Regelenergie Verbrauch > Erzeugung Netzfrequenz fällt unter 50 Hz (Unterspeisung) Negative Regelenergie Verbrauch < Erzeugung, Netzfrequenz fällt unter 50 Hz (Überspeisung) Stromerzeuger hochfahren: Kraftwerke, Notstromdiesel Stromspeicher (Akkus) entladen Stromerzeuger herunterfahren : BHKWs, evtl. später Solaranlagen usw. Stromspeicher (Akkus) laden => Leistung einspeisen => Leistung reduzieren/ Energie speichern Stromverbraucher (Schmelzöfen, evtl. Elektrolysen zur Wasserstofferzeugung) herunterfahren/ ausschalten Stromverbraucher (Mühlen, Pumpen, Verdichter, Kühlhäuser usw.) herauffahren => Last absenken => Mehr Last aufnehmen 17

18 Beschaffung Produktionsplanung Meteorologie Lastmngt Energieanlagen Produktionssteuerung 18

19 Teil 3 - IT und Energie: Hierarchie der energieorientierten IT In-Memory Database löst Business Intelligence (BI) ab Funktionsübergreifende ITLösungen, insbesondere ERP und Umweltbilanzierung Funktionsbezogene IT-Lösungen Technische Detaillösungen 19

20 Funktionsbeschreibung PILOT [green] Energie der Felten-Group 20

21 Auswahl relevanter SAP Lösungen SAP Energy and Environmental Intelligence EERM (powered by SAP HANA) 1.0 SAP Portfolio and Project Management 6.0 SAP Environmental Compliance 3.0 SAP Manufacturing Integration and Intelligence 14.0 SAP Data Services

22 Zusammenwachsen insbesondere von Management Execution System (MES) Green IT Controlling Reporting Einkauf Gebäudeleittechnik GLT Logistik, Fuhrparkmngt 22

23 Business-Intelligence Cube zu Energie und Kohlendioxid Energiekosten Anlagen: von der Halle bis zur Maschinenkomponente Energieverbrauch und CO2-Emissionen

24 War room Unilever Belgien 24

25 Teil 4: Normengeflecht und Energie Zertifizierung von Managementsystemen Unternehmen, das eine Zertifizierung des QM, UM, EM anstrebt berät Beratungsunternehmen (optional), personell und gesellschaftsrechtlich getrennt vom Zertifizierer zertifiziert Zertifizierungsunternehmen (Zertifizierer, Auditor) Akkreditiert (lässt zu) Deutsche Akkreditierungstelle (DAkkS) 25

26 Überblick QM-System DIN ISO 9000Serie Kontrollieren Planen Steuern Act Plan Chec k Do 26

27 Inhaltsverzeichnis der DIN ISO Umweltmanagement (www.beuth.de) Vorwort Einleitung 1 Anwendungsbereich 2 Normative Verweisungen 3 Begriffe 4 Anforderungen an ein Umweltmanagementsystem 4.1 Allgemeine Anforderungen 4.2 Umweltpolitik 4.3 Planung Umweltaspekte Rechtliche Verpflichtungen und andere Anforderungen Zielsetzungen, Einzelziele und Programm(e) 4.4 Verwirklichung und Betrieb Ressourcen, Aufgaben, Verantwortlichkeit und Befugnis Fähigkeit, Schulung und Bewusstsein Kommunikation Dokumentation Lenkung von Dokumenten Ablauflenkung Notfallvorsorge und Gefahrenabwehr 4.5 Überprüfung Überwachung und Messung Bewertung der Einhaltung von Rechtsvorschriften Nichtkonformität, Korrektur- und Vorbeugungsmaßnahmen Lenkung von Aufzeichnungen Internes Audit 4.6 Management review 27

28 Analogie: Betriebsbilanz Kostenartenrechnung Prozessbilanz Kostenstellenrechnung Produktbilanz Kostenträgerrechnung (Kalkulation) Grundriss/ 1Layout eines Betriebs Prozessbilanz 3 Prozessbilanz Prüfstand NC-Maschine Input der Betriebsb ilanz Pro- kt- dukt- bi- lanz Output der Betriebsbil anz Prozessbilanz 2 Härteofen Als Baustein der Lebenszyklusanalyse, Life-Cycle Assessment (LCA) 28

29 Systemgrenzen der Lebenszyklusanalyse (www.umweltschutz-bw.de) 29

30 Datenbanken für ökologiebezogene Produktbewertungen ProBas Datenbank (Prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanagement-Instrumente) des Umweltbundesamt (http://www.probas.umweltbundesamt.de/php/index.php) Ökobilanzdatenbank der Europäischen Kommission (http://lca.jrc.ec.europa.eu/lcainfohub/datasetarea.vm), GEMIS (Globales Emissions-Modell intergrierter Systeme) des Öko-Instituts in Freiburg (http://www.oeko.de/service/gemis/de/index.htm), ecoinvent Datenbank, u.a. durch die ETH Zürich erstellt (http://www.ecoinvent.org/). 30

31 Energiemanagementsystem nach DIN ISO 50001: Sankey-Diagramm, Energieflussbild für ein metallverarbeitendes Unternehmen ABAG-itm 31

32 DIN ISO 14064/65/67 Treibhausgase Kohlendioxidbilanz: Umrechnungsfaktoren Energieträger/ Energie Freigesetztes Kohlendioxid Elektrische Energie pro Kilowattstunde Null bei Verwendung, für die Strom produktion Bundesdurchschnitt: 0,614 kg/kwh. Die EnBW gibt einen Durchschnittswert von 0,25 kg/kwh an, Ökostromanbieter Lichtblick gibt 0,041 kg/kwh an. Heizöl extra leicht 0,820 bis 0,860 kg/l (15 C) spezifisches 2,65 kg pro Liter bei Verbrennung, hinzu kommt der KEA Gewicht wie Diesel Diesel (Liter) 0,845 kg pro Liter spezifisches Gewicht 2,65 kg pro Liter bei Verbrennung, hinzu kommt der KEA (entspricht weitgehend dem Heizöl) Benzin 2,36 kg pro Liter bei Verbrennung, hinzu kommt der KEA 0,720 bis 0,775 kg pro Liter spezifisches Gewicht Flugbenzin (Kerosin) 2,4 bis 2,760 kg pro Liter bei Verbrennung. Bei Emission in Spezifisches Gewicht etwa 0,747 bis 0,840 kg pro Liter großen Höhen ein Faktor von 2,7 nötig. Hinzu kommt der KEA. Bioethanol und Biodiesel Weit auseinandergehende Einschätzungen des Einspareffekts gegenüber Benzin und Diesel, das aus Erdöl gewonnen wird. Die Abschätzungen gehen von 70 Prozent Kohlendioxideinsparung bis zu deutlich negativen Wirkungen. Erdgas (nicht komprimiert) pro Kubikmetern 1,8 kg pro Kubikmeter bei Verbrennung, hinzu kommt der KEA Erdgas (CNG Compressed Natural Gas, auptbestandteil 2,3 bis 2,7 kg pro Liter bei Verbrennung, hinzu kommt der KEA Methan, LNG Liquified Natural Gas, LPG Liquified Propane Gas, Hauptbestandteile Propan und Butan) 32

33 Integrierte Managementsysteme Eine einzige Stabsstelle oder Zentralabteilung bündelt alle sicherheitsrelevanten Aufgabenbereiche. Typisch ist eine Bezeichnung wie SHEQ: Geschäftsführung/ Safety (Arbeitssicherheit), Vorstand oberste Leitung Health (Gesundheitsschutz), Environment (Umweltmanagement), Quality (Qualitätsmanagement). Hinzu können kommen Bereiche wie Safety, Health, Energy (Energiemanagement, EM), Environment, Quality (SHEQ) Security (Werkschutz), IT-Sicherheit, Brandschutz, Sustainability (Nachhaltigkeit), Beschaffung Produktion Gleichstellung, IT-Sicherheit, Datenschutz, Ethik und weitere, oft branchenbezogene Aufgaben. Summ-Abstimmung: Ist QM für Ihre Arbeit hilfreich oder hinderlich? Absatz 33

34 Managementsysteme und Prozessleittechnik Nutzen Ärger 34

35 Teil 5: Prozessleittechnik und ISO-Managementsysteme Die skizzierten Herausforderungen aus Sicht der Prozessleittechnik in integrierte zertifizierte Managementsysteme einführen (ISO als Freund und Instrument): Management-Systemarchitektur und dokumentation, auf integriert drängen Prozesse: Beschaffung und Vermarktung von Energie (Portfoliomanagement EEX und Kapazitätsmärkte) Prozess Demand Side Management: Zusammenspiel von PPS, Fuhrpark, Facility, Medienversorgung und Kraftwerke, IT PPS/ Produktion, Maschinenzuordnung, Fahrweise, Instandhaltung optimiert Aufbauorganisation: Verschiebung der Aufgaben- und Machtverhältnisse, Vorsicht: Betreiberverantwortung für betroffene Anlagen! Schulungen, Fortbildung und Marktbeobachtung einschließlich neuer Akteure im Wertnetz (wer muss was wissen?) IT-Architektur mit Cloud, mobile als Enabler und Betreiben von green IT Wirtschaftlichkeit: Controlling, Kostenrechnung Politik und Werte, Investitionsstrategien Total Cost of Ownership und Life-Cycle Costs Reporting, Nachhaltigkeits-, Umwelt- Energie-, Kohlendioxidbericht 35

36 Optimierung der Druckluftversorgung usw. durch Kostenrechnung 1 Energiebezogene Kostenrechnung Kostenarten- Kostenstellenrechnung Kostenträgerrechnung rechnung Schema der Kostenrechnung: Energiekostenarten erfassen Energiekosten in den Zuschlagssätzen sichtbar machen! Einzelkosten Selbstkosten: Gemeinkoste n als Stelleneinzelk osten Fertigungsmaterial Gemeinkoste n als Stellengemein kosten Materialk.Zuschlag Vorkoste nstell en Endkoste nstell en Verw. Vertri ebskosten stellen Fertigungslöh ne Lohnk.Zuschlag Verw.- u. Vertriebsk.Zuschlag (Buch S ) Zuschlagssätze S36

37 Wertebasierte Investitionsstrategien Strategie 8 Energiestrategien Passive Strategie Kurzfristig-rechenbare Typische Rentabilitäts- und Einbezogene Planungshorizont Amoratisationserwartung Aufwendungen und für Energieprojekte Erträge 25 Prozent, 4 Jahre Kurzfristig, Keine systematische quantifizierbar Planung Kurzfristig, 1-5 Jahre 25 Prozent, 4 Jahre Strategie quantifizierbar Langfristige Strategie mit 5 bis10 Prozent Quantitative und schwer rechenbaren 10 bis 20 Jahre qualitative Faktoren Offensiv-ethische Weighted Average Cost of Quantitative und Jahrzehnte/ Strategie: Realisierung Capital (WACC) qualitative Faktoren generationenübergreifend Maximale Strategie, Unterschiedlich, nicht Rechenhafte und Jahrzehnte/ Veränderung des zwangsläufig mit der qualitative Faktoren generationenübergreifend Unternehmenszwecks offensiven Strategie Jahrzehnte Einflussfaktoren aller wirtschaftlichen Energiesparmaßnahmen (Kals, 2010, S ) verbunden S37

38 Total Cost of Owenership, Life-cycle Costs: 60 bis 95 Prozent der TCO/ LCC von elektrischen Antrieben, Heizungen usw. können Energiekosten sein (Hier nicht behandelt: Optimaler Ersatzzeitpunkt) Two model calculations show the difference in short- and long-term investment: Let us assume an investment with a life of five years and 25% cash flowing back every year. This project is meeting the sharp decision criteria of a pay-back period of four years. But there is only one year of useful life left to get a return on investment (ROI). This last year would provide 25% ROI for the whole life span of five year, so a ROI of 5% per year is yielded. Without integrating interest in the model, the net present value and the ultimate value are the same, 25% of the investment (independent from the sum). In comparison, a long-termproject is assumed with a useful life of 20 years but only 10% return every year. Many companies would not pick this option, because the pay-off period is 10 years or more. (When the time is longer, interest becomes more important and the pay-off period is extended.) But after the first 10 years of operation there are another 10 years left with 10 % cash flow every year. So net present value and ultimate value double almost the amount invested, the overall profit of the project is 100 percent. The ROI per year is again 5%, because the overall profit of 100 percent has to be divided through a life span of 20. But the assumptions were much worse, 10 percent per year in the long-term investment versus 25 in the short-term calculation. What does this mean for corporate planning and decision making? The often favored investment criterion of pay-off period is an indicator of risk, not an appropriate indicator for profitability or profits. If return on investment, net present value or final value, are considered additionally, the decision is sounder 38

39 Reporting, z.b.: Umwelterklärung nach EMAS, Global Reporting Initiative (GRI), Nachhaltigkeits-Apps für Verbraucher (WeGreen.de) Beispiel BASF: SocioEcoEffiency Analysis (SEEBalance) als Nachhaltigkeits-Bilanz mit Triple-Bottom-Line (Ökonomie, Ökologie, Soziales) 39

40 Zusammenfassung: Energieeffizienz und Energiewende

41 Ausgewählte Literatur Förtsch G, Meinholz H (2011) Handbuch betriebliches Umweltmanagement. Vieweg + Teubner, Wiesbaden Finkbeiner M (2012) Umweltmanagement für kleinere und mittlere Unternehmen Die Normenreihe ISO und ihre Umsetzung. Beuth Verlag, Berlin Kals, Johannes, Betriebliches Energiemanagement, Stuttgart 2010 Kals, Johannes; Würtenberger, Kathrin: IT-gestütztes Energiemanagement, in: HMD - Praxis der Wirtschaftsinformatik, Heft 285/2012, S F&DOKV_HS=0&PP=1 Kals, Johannes: Neue Anforderungen an die PPS in Folge der Energiewende, in: Productivity Management, 17 (2012) 4, S Regen S (2012) DIN EN ISO 50001: Arbeitsbuch zur Umsetzung. Weka Medien, Kissing Reimann G (2013) Erfolgreiches Energiemanagement nach DIN EN ISO 50001: Lösungen zur praktischen Umsetzung - Textbeispiele, Musterformulare. Beuth, Berlin 41

42 Kontakt: Prof. Dr. Johannes Kals University of Applied Sciences Ludwigshafen Ernst-Boehe-Straße Ludwigshafen Deutschland 0049(0)621/

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