Energy efficiency on company level Energy Product Model, Production Planning and Benchmarking

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1 Energy efficiency on company level Energy Product Model, Production Planning and Benchmarking November 13 th 2012 Dipl.-Wirt.-Ing Ulrich Brandenburg, Dipl.-Ing. Sebastian Kropp FIR an der RWTH Aachen University Pontdriesch 14/ Aachen, Deutschland

2 Das FIR an der RWTH Aachen Gründung: Rechtsform: Zielsetzung: Leitmotiv: Motto: Leistung: Kurzfakten 1953 durch das Land NRW e.v. als An-Institut der RWTH Aachen in der Fakultät für Maschinenbau Brückenschlag zwischen Wissenschaft & Wirtschaft Betriebsorganisation im Unternehmen der Zukunft Forschung nutzen. Mehrwert schaffen. ca. 40 öffentlich geförderte Projekte p.a. ca. 60 Projekte mit Industriekunden p.a. Grundkapital: ambitionierte Mitarbeiter, Nachwuchsführungskräfte Direktor Prof. Günther Schuh Forschungsfelder Dienstleistungsmanagement Informationsmanagement Service-Engineering Lean Services Community-Management Competence-Center Instandhaltung Informationslogistik Informationstechnologiemanagement Produktionsmanagement Supply-Chain-Design Auftragsmanagement Logistikmanagement Competence-Center IT-Auswahl Geschäftsführer Prof. Volker Stich FIR

3 Das Verständnis von Wertschöpfung Das Prinzip der Wertschöpfung Produzent & Dienstleister Lieferanten Lieferant Kunden Endkunde Geschäftsprozessebene Ausführungsebene Ressourcenebene Material-/Leistungsfluss horizontal/vertikal Informationsfluss horizontal/vertikal Ein Wertschöpfungssystem beinhaltet sämtliche Elemente im globalen Netzwerk zum Austausch von Waren, Dienstleistungen und Informationen vom Kunden des Kunden bis zum Lieferanten des Lieferanten (horizontale und vertikale Integration). FIR

4 Neue Perspektive auf das Thema Enterprise Integration Information-, Communicationand Logistics Technologies Enterprise Integration Entwicklungspfad je Gestaltungsdimension Integrationsbedarf Wertschöpfungssystem? Integrative and Integrating Services Cybernetic System Behavior Entwicklungspfade und Gestaltungsdimensionen Integrative and Integrating Services : Zunehmenden Bedeutung von Dienstleistungen und Diensten für die Integration umfassender Prozesse sowie für die Gestaltung integrativer Systemleistungen, Information-, Communication- and Logistics Technologies : Zunehmende Durchdringung ubiquitärer Technologien und Systeme und den damit verbundenen Möglichkeiten der Verschiebung von Systemintelligenz in dezentral und verteilt angeordnete Komponenten, Cybernetic System Behaviour : Zunehmende Veränderung existierender Planungs- und Steuerungsphilosophien hin zu einem kybernetisch geprägten Verständnis von Zusammenhängen auf der Gesamtsystemebene und unter Einbeziehung verteilter und autonomer Mechanismen der Selbstregulation. FIR

5 Agenda 1) Energy Product Model 2) Benchmarkstudie 3) Energieeffiziente PPS

6 Energy Product Model Zugrundeliegende Hypothese: Energie als Produkt wird durch Informationen angereichert Lastverschiebung in Abhängigkeit der Energieverfügbarkeit Innerbetriebliches Lastmanagement Lastverschiebungen im Unternehmensverbund Entwicklung eines inner und überbetrieblichen Kommunikationsframeworks

7 Wissenschaftlicher Ansatz Überbetriebliches Kommunikationsframework Ganzheitliches Informationsmodell, welches die notwendigen Informationsflüsse zwischen verschiedenen Stakeholder beschreibt. Cloud-Konzept als Basis der Kommunikation Ganzheitliches Informationsmodell, welches die notwendigen Informationsflüsse zwischen den betrieblichen Anwendungssystemen beschreibt. Innerbetriebliches Kommunikationsframework

8 Überbetriebliche Kommunikation Relation der unterschiedlichen Stakeholder Informationsaustausch zwischen den Stakeholdern

9 Cloud Communication Service Public security Industrie consumption Industrie forecast Generator forecats Generator status Web-posting service Reports Real time demand Real time forecast Participation with other countries Private security Industry billing Industrie information Electricity prices Real generation

10 Datenaustausch der EMS Energy Management Systems Relation der EMS zu den Stakeholdern

11 Datenerhebung und -bereitstellung Types of devices/utillities for data generation Frequency Voltage and grid status Smart meter Transformer status Generator status Demand forecast Web-posted-services 1) 1) cf. Loss coefficiency in the electrical grid Real-time demand Forecast demand Real-time generation Forecast renewable generation Historical demand Detailed report of the generation and consumption Export/Import international electricity capability

12 Innerbetrieblicher Informationsaustausch Ecological and Smart GRID/EMS Energieeffiziente PPS Layers of IT-Systems 1) ERP MES Production Control 1) cf. SCHUH: Produktionsplanung und steuerung, 2006

13 Agenda 1) Energy Product Model 2) Benchmarkstudie 3) Energieeffiziente PPS

14 Allgemeine Informationen zur Benchmarkstudie 27 Unternehmen aus unterschiedlichen Industriezweigen 7% 4% 7% Bewertungsschema: Gesamtbewertung: Competence in Energy Management 46% Bewertung innerhalb von Peer-Gruppen (Branche & Unternehmensgröße) 36% Auswertungen auf Handlungsfeldebene Metal production Mechanical engineering Automobile industry Plastic industry Other

15 Gestaltungsrahmen der Benchmarkstudie Ecological and

16 Auswertungen auf Unternehmensebene Ecological and Handlungsfeld 1: IT-support in planning and distribution processes Handlungsfeld 2: Machine efficiency Handlungsfeld 3: Production efficiency

17 EM Strategy Kernergebnisse (1/2) Über 81% geben an, dass Energieeffizienz relevant für die Unternehmensführung ist. Für 52% der Unternehmen ist die Reduzierung des Energieverbrauchs auch ein strategisches Ziel 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% Is energy efficiency relevant? (sorted by company size) 83,3% 81,5% 77,8% 18,5% 22,2% 16,7% Yes No Total SME Large companies Are changes of the energy consumption a strategic target figure? Was the planned reduction achieved? 55% der Unternehmen geben an, dass das strategische Ziel auch tatsächlich erreicht wurde. No; 48% Yes; 52% No; 45% Yes; 55%

18 EM Strategy Kernergebnisse (2/2) 59% der befragten Unternehmen sehen in der Analyse von Energiedaten zukünftig einen Wettbewerbsvorteil. 52% der Unternehmen evaluieren Projekte zur Verbesserung der Energieeffizienz nach ihrer Implementierung. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Unternehmen im Handlungsfeld EM-Strategy gut aufgestellt sind. 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Competitive advantage of competence in energy data analysis 8% 33% 59% Agreement Rejection N/A Evaluation of energy effiency action after their implementation 52% 22% 18% Yes No Not sure

19 EM Organisation Kernergebnisse (1/2) 4% der Unternehmen setzen Photovoltaik zur Energieerzeugung ein und decken damit über 60% ihres Energieverbrauchs. Ecological and 5% der Unternehmen setzen Wasserkraft ein und decken damit weniger als 30% ihres Energieverbrauchs. 0% der Unternehmen setzen Solarthermie, Geothermie oder Windkraft ein.

20 EM Organisation Kernergebnisse (2/2) Ecological and Sowohl im Bereich der technischen Ausführungssysteme (machine efficiency) als auch in der Produktionsorganisation (production efficiency) gibt es noch Optimierungspotenziale Die Unternehmen sind im Handlungsfeld EM Organisation nicht ausreichend aufgestellt; es bieten sich sowohl im Bereich der technischen Ausführungssysteme als auch in der Produktionsorganisation noch erhebliche Optimierungspotenziale 50% Recovery of breaking energy 13% 71% 17% 50% Yes No Partly Avoidance of no-load or part load operation Yes No

21 EM System Kernergebnisse (1/3) Weniger als 50% der Unternehmen erstellen eine Energieverbrauchsplanung für das folgende Jahr Ungefähr 67% der Unternehmen geben an, dass die Heizung in Bürogebäuden manuell geregelt wird. 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Level of detail of the energy consumption planning 30% 19% 15% 15% 11% 7% 4% Manually adjustable heating in the office 30% Yes No 4% 67% Partly

22 EM System Kernergebnisse (2/3) Weniger als 50% der teilnehmenden Unternehmen erstellen eine Energieverbrauchsplanung für das folgende Jahr Ungefähr 67% der unternehmen geben an, dass die Heizung in Bürogebäuden manuell geregelt wird. Analysis of the load Profile Yes 44% 56% No Manually adjustable heating in the office Zwischenfazit: Die Automatisierung im Bereich HVAC ist, gemessen an den technischen Möglichkeiten, ungenügend. 30% 4% 67% Yes No Partly

23 EM System Kernergebnisse (3/3) IT-Systems connected to ERP-/PPC-System 52% 48% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 28% 28% 24% 20% 20% 12% 12% 4% 0% 24% Lediglich 11% der Unternehmen setzen ein EMS ein. Nur bei 4% ist dieses auch mit dem ERP-System verbunden. Über 75% der Unternehmen stimmen zu, dass eine IT-Systemintegration die Entscheidungsfindung und die operative Planung unterstützen würde Über 75% sind der Meinung, dass nur Echtzeitverarbeitung von Maschinenund Betriebsdaten zu echter Transparenz und Kompetenz im Bereich des Energiemanagements führt. Im Handlungsfeld EM-System besteht ein dringender Handlungsbedarf (Energieverbrauch-relevante) Planungssysteme innerhalb eines Unternehmens zu integrieren

24 EM Culture Kernergebnisse 84% der Unternehmen führen keine systematischen Mitarbeiterschulungen Verbesserungsvorschläge werden nur in 19% der Unternehmen systematisch gesammelt (SME: 6%) Positiv ist die Wartung im Bereich der energieintensiven Heizungsund Klimatisierungssysteme Insgesamt sind die Unternehmen im Handlungsfeld EM-Culture befriedigend aufgestellt; es bieten sich noch erhebliche Verbesserungspotenziale 13% 42% Instruction of employees on energy saving measures 4% 96% 42% Employees are not instructed for energy saving measures. Employees are instructed less than once a year Employees are instructed once a year on a fixed date Employees are instructed more than once every half a year Regular maintainence of the heating and air conditioning system 4% Yes No

25 Zwischenfazit Folgende Aspekte zeigt die Benchmarkstudie aus Industriesicht auf: die Energieeffizienz ist im Bereich der Produktionsplanung und steuerung nicht adäquat repräsentiert Es fehlt eine Datenbasis für mehr Transparenz in der Produktion Die Planungssystem sind nur unzureichend integriert Aus wissenschaftlicher Sicht ist Energie als Steuerungskriterium in der Produktionsplanung bisher kaum vorzufinden 1 1 : vgl.: Interview mit Prof. Neugebauer in den VDI Nachrichten, Jahr 2012, Ausgabe 15, Seite 2 2 : vgl. Erlach/Westkämper, Energiewertstrom Der Weg zur energieeffizienten Fabrik, 2009

26 Agenda 1) Energy Product Model 2) Benchmarkstudie 3) Energieeffiziente PPS

27 Anforderungen an eine energieeffiziente PPS Ecological and Folgende Anforderungen gelten für eine energieeffiziente Produktionsplanung und - steuerung: Detaillierte Kenntnis und Verständnis des Energieverbrauchs und der Zusammensetzung der Energiekosten Integriertes Zielsystem (ökonomische und ökologische Ziele) Planungsverfahren auf der Basis des integrierten Zielsystems Selbstoptimierende, zielsynchrone und adaptive Produktionsplanung und - steuerung vgl. Wiendahl et al. 2006

28 Vergleich der Anforderung mit Lösungsansätzen Erfüllt Teilweise Erfüllt Nicht betrachtet

29 Ausblick Eco2Production

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ecological and Dipl.-Ing. Sebastian Kropp Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Mobil: +49 (0) Dipl.-Wirt.-Ing. Ulrich Brandenburg Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Mobil:

31 Literatur Behrendt, T.; Zein, A.; Min, S.: Development of an energy consumption monitoring procedure for machine tools. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012) 1, S Brosze, T.: Kybernetisches Management wandlungsfähiger Produktionssysteme. 1. Auflage. Apprimus-Verl., Aachen Bruzzone, A. et al.: Energy-aware scheduling for improving manufacturing process sustainability: A mathematical model for flexible flow shops. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61 (2012) 1, S Dietmair, A.; Verl, A.: Energy Consumption Forecasting and Optimisation for Tool Machines. In: Modern Machinery (MM) Science Journal. Band 2, Nummer 1, S , 2009 Hesselbach, J. et al.: Energy Efficiency through optimized coordination of production and technical building services. In: Proceedings of the 15th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering. March , Sydney, Australia, S , 2008 Pechmann, A.; Schöler, I.: Optimizing Energy Costs by Intelligent Production Scheduling. In: Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing. Hrsg.: J. Hesselbach; C. Herrmann. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, S

32 Literatur Rager, M.: Energieorientierte Produktionsplanung. Analyse, Konzeption und Umsetzung. 1. Auflage. Betriebswirtschaftlicher Verlag Dr. Th. Gabler / GWV Fachverlage, Weisbaden, Wiesbaden Neugebauer, R.: Nachhaltigkeit prägt Produktion der Zukunft. In: VDI Nachrichten 2012 (2012) 15, S. 2. Vijayaraghavan, A.; Dornfeld, D.: Automated energy monitoring of machine tools. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 59 (2010) 1, S Weinert, N.: Vorgehensweise für Planung und Betrieb energieeffizienter Produktionssysteme. Hrsg.: Seliger, G. Fraunhofer-Verl, Stuttgart Weinert, N.; Chiotellis, S.; Seliger, G.: Methodology for planning and operating energy-efficient production systems. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 60 (2011) 1, S Wiendahl et al Wiendahl, H.-P.; Nyhuis, P.; Fischer, A.; Grabe, D.: Controlling in Lieferketten. In: Schuh, G. (Hrsg.): Produktionsplanung und -steuerung. Grundlagen, Gestaltung und Konzepte. 3., völlig neu bearbeitete Aufl. Springer-Verlag, Berlin u. a. 2006, S