Verbesserung der Energieeffizienz in produzierenden Unternehmen

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1 Verbesserung der Energieeffizienz in produzierenden Unternehmen Normung in ISO und IEC zu Datenerfassung, Evaluation und Simulation 1 Dr. Günter Hörcher, Forschungsstrategie Fraunhofer IPA Convenor IEC TC65 JWG14 Energy Efficiency in Industrial Automation

2 Verbesserung der Energieeffizienz in produzierenden Unternehmen Perspektiven der Forschung ISO «Evaluating energy efficiency and other factors of manufacturing systems that influence the environment» Energieeffizienzstrategie und Mission der IEC IEC Technical Report «Energy efficiency through industrial automation» IEC Technical Report «Digital Factory» Simulation für Energieeffizienz-Optimierung 2

3 Potenziale der Energieeffizienz in der Produktion 1 1/3 des Endenergieverbrauchs entfällt auf die Industrie. Energieeffizienz: Einsparung von Energie in der Industrie durch Systematisches Energiemanagement und Lastmanagement Optimierung bestehender Technologien und Anlagen Investition in neue energieeffiziente Produkte Mittel- bis langfristig sind Energieeinsparungen in der Produktion von 20 bis 30 % möglich Bildquelle: AGEB AG Energiebilanzen e.v. 2 Neugebauer, R. : Energieeffizienz in der Produktion

4 Forschungsprojekt des Fraunhofer IPA: Total Energy Efficiency Management 4

5 Forschungsprojekt des Fraunhofer IPA: Total Energy Efficiency Management Messung + Darstellung der Energieverbrauchsdaten zusammen mit den Produktionsdaten Bewertung der Daten mit Energiewertstrom-Analyse Energieeffizienz- Management der Fertigungslinien 5

6 Forschungsprojekt des Fraunhofer IPA: Total Energy Efficiency Management Simulation der Prozesse für weitere Verbesserungen Prozessqualität und Durchsatz erhalten! Zuordnungsmöglichkeit der Energiekosten zu Produktionsprozessen Produktionseinrichtungen Produkten 6

8 ISO 20140: Einführung This International Standard establishes a method for evaluating environmental influences of manufacturing systems, e.g. energy consumption, waste and release, etc. It consists of five parts: Part 1: Overview and fundamental principles Part 2: Environmental index evaluation process model Part 3: Environmental influence aggregation process model Part 4: Indirect/manufacturing system life cycle influence allocation/charge process model Part 5: Environmental evaluation data model

9 Lebenszyklus des Produktionssystems (MSLC) und Produkt-Lebenszyklus Manufacturing process & system Product life cycle Material Manufacturing Product Product operation/ support Product reuse/ recycle/ disposal Enabled by Other resource e.g. energy, coolant, lubricant Construction/ reconfiguration of Manufacturing system Manufacturing Manufacturing system system operation Indirect mode of Manufacturing system Reusable material Waste & release Reuse/ recycle/ disposal of Manufacturing system direkter Einfluss kurzfristiger indirekter Einfluss - Stillstandszeiten - Wartung MSLC Einfluss Manufacturing system life cycle

10 Modell und Definition der Prozesseinheit (Unit ) indirekt (Betrieb) Other resource for indirect mode of manu facturing equipment Other resource for manufacturing support system Other resource for construction / reconfiguration of manufacturing system I ndirect influence & MSIF influence path System boundary of process Direct influence path (Manufacturing process) direkt Materia l Other resource e.g. energy, coolant, lubricant Work piece in pro cess Manufacturing enabled by Manufacturing system operation Work piece in pro cess Product Reusable material Waste & release Waste & release out of indirect mode of manufacturing equipment Waste & release out of manufacturing support system Waste &release out of reuse / recycle / disposal of manufacturing system indirekt (MSLC) Legend : : Direct influence, : Indirect inf luence, : Mfg. Sys. Init ial & Final influence.

11 Normen-Umgebung zu ISO

13 Energieeffizienz Strategie und Mission der IEC IEC Market Strategy Board Special Working Group on electrical energy efficiency (MSB SWG EEE) March 2010 "White paper" SMB/2419/INF Coping with the Energy Challenge: the IEC s role from 2010 to 2030 IEC "Standardization Management Board" (SMB) Strategic group "Energy efficiency and renewable resources" (SG1) recommendations IEC SMB SG1 recommendation #7: IEC TC 2, SC 22G and TC 65 together with ISO/TC 184 should develop guidelines for the design and operation of energy efficient systems in the field of industrial automation and industrial process control from a system point of view. 13

15 IEC TC65 JWG14 Hauptidee des IEC TR JWG14 entstand aus der IEC SMB SG1 Empfehlung #7 To promote standardisation of concepts on managed energy efficiency... Measurement and management Key Performance Indicators (KPIs) Standardise the network interface control / devices Standardise energy saving modes and commands... in opposition to intrinsic energy efficiency (each component shall be energy efficient in itself) 15

16 Anwendungsbereich des IEC TR This Technical Report provides to the Standardisation Committees a framework for the adaptation and development of documents in order to improve energy efficiency in manufacturing, process control and industrial facility management. 16

17 Inhalt des IEC TR Scope 2 Normative references 3 Definitions 4 Generic models 4.1 Functional hierarchy of production systems 4.2 Taxonomy aspects 4.3 Operation aspects 4.4 Engineering aspects 5 Generic tools and methods 5.1 Organisational issues 5.2 Energy Managed Unit (EMU) 5.3 General requirements 5.4 Key Performance Indicators (KPIs) for energy efficiency 6 Applications 6.1 The application point of view 6.2 Discrete manufacturing 6.3 industry 6.4 Support functions Generic models Generic methods for the evaluation of energy efficiency Methods for the evaluation of the efficiency specific to different industry sectors (applications) 17

18 IEC TR 62837: Kapitel 4 - Modelle model (reference to the project ISO 20140) indirekter Einfluss Indirect modes of the manufacturing system (idle, standby, maintenance) Manufacturing support system (power distribution, on-site power generation, oil/water/ chemicals/gas/air supply/treatment system, lighting, air conditioning) Manufacturing system life cycle (construction / reconstruction) direkter Einfluss Resources Resources Resources System boundary of process Direct manufacturing process Material / parts Other direct resources (energy, coolant, lubricant...) Work piece in process Manufacturing process Enabled by Manufacturing system operation Product Reusable material Direct waste & release Waste & release Waste & release Waste & release 18 (reuse / recycle / disposal)

19 IEC TR 62837: Kapitel 4 - Modelle model (reference to the project ISO 20140) indirekter Einfluss Indirect modes of the manufacturing system (idle, standby, maintenance) TR betrachtet nur die direkten und kurzfristigen indirekten Einflüsse des Produktionssystems und -prozesses direkter Einfluss Resources System boundary of process Direct manufacturing process Material / parts Other direct resources (energy, coolant, lubricant...) Work piece in process Manufacturing process Enabled by Manufacturing system operation Product Reusable material Direct waste & release Waste & release 19

20 IEC TR 62837: Kapitel 4 - Modelle Matrioschka-Architektur Factory Factory facilities Building Manufacturing support system Manufacturing support system Plant Plant facilities Building Plant Plant facilities Building Shop Shop Shop Shop Line Line Line Line Line Line Line 20

21 IEC TR 62837: Kapitel 4 - Modelle Enterprise-control system integration (reference to IEC ) General functions Level 4 Business planning & logistics Establishing the basic plant(s) schedule: production, material use, delivery and shipping. Determining inventory levels. Level 3 Manufacturing operations management Workflow / recipe control to produce the desired end products. Maintaining records and optimizing the production process. Level 2 Monitoring, supervisory control and automated control of the production process. Batch control Continuous control Discrete control Sensing and manipulating the production process. Level 1 Level 0 The actual production process. 21

22 IEC TR 62837: Kapitel 4 - Modelle Enterprise-control system integration (reference to IEC ) Energy functions Level 4 Business planning & logistics Carbon foot print CSR data management ISO14001, ISO support Level 3 Manufacturing operations management Energy intensity (basic cost) Energy cost management Analyse energy data Planning energy conservation Level 2 Batch control Continuous control Discrete control Pump control by inverter Multiple control Electric power meter Enthalpy calculation Level 1 Level 0 Exhaust heat recovery Thermal storage Heat pump 22

23 Grundprinzip für Energieeffizienz-Bestimmung direkter Produktionsprozess Material / Teile Produkt andere direkte Resourcen (Energie, Schmierung, Kühlung,...) Prozesseinheit Restmaterial Abfall, Abwärme vereinfacht bezüglich Energieeffizienz Material Energie Prozesseinheit Produkt Verlustenergie Energieeffizienz = Maßgröße für gewünschtes Ergebnis (Produkt) dafür aufgewendete Energie Die Maßgröße ist für jeden Prozess spezifisch festzulegen 23

25 Digitale Fabrik: IEC TR «Reference model for representation of production facilities»

26 Digitale Fabrik: IEC TR Eine standardisierte Datenbank für alle Fabrik-Elemente

27 Digitale Fabrik: IEC TR Repräsentation aller Eigenschaften von Automatisierungsgeräten

29 Simulation für Energieeffizienz-Optimierung Aktuelle Entwicklungen Die aktuellen Normungsaktivitäten schaffen die Voraussetzungen für die Simulation auf Basis standardisierter Daten und Konzepte Begleitende Forschungsprojekte entwickeln die technischen Umsetzungen und ermöglichen erste Erprobungen Ganzheitliche Simulationen auf Basis der gemessenen Energiedaten zusammen mit den Produktionsdaten werden in naher Zukunft wesentlich zur Optimierung der Energieeffizienz in der Produktion beitragen.

30 Simulation für Energieeffizienz-Optimierung Zukunftsperspektiven Die Elemente der Digitalen Fabrik müssen zukünftig automatisiert angelegt werden. Komponentenhersteller liefern komplette digitale Datensätze und digitale Funktionsmodelle. Die Verknüpfung der Komponenten erfolgt Software-gestützt und abgesichert durch automatisch mitlaufende Simulationen mit Konsistenzprüfungen. Simulationssysteme werden selbst-lernend und selbstoptimierend, entsprechend vorgegebener Regeln und Randbedingungen.

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Dr. Günter Hörcher Leiter Forschungsstrategie Institut für Energieeffizienz in der Produktion Universität Stuttgart Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Convenor IEC TC65 JWG Mit Beiträgen von: - Joseph Briant, Schneider Electric, France - Prof. Fumihiko Kimura, Hosei University, Japan - IEC TC65 JWG14 - IEC TC65 WG16 - ISO TC184 SC5 WG10