Analytische Energiebedarfsbestimmung von Intralogistiksystemen in der Planungsphase

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1 Analytische Energiebedarfsbestimmung von Intralogistiksystemen in der Planungsphase Dipl.- Ing. Sebastian Habenicht Dipl.- Ing. Rainer Ertl Dortmund fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner Technische Universität München

2 Agenda 1. Einleitung 2. Energiebedarf von Stetigförderern Energiebedarf von Regalbediengeräten Energiebedarf von intralogistischen Systemen Zusammenfassung 2

3 1. Einleitung Ausgangssituation Gesetzgebung Richtlinien EU-Vorgaben (z.b. ErP-Richtlinie (Energy-related Products, 2009/125/EG)) Fokus Energieeffizienz Kosten jährliche Energiekosten ( Blindstrom- Komponente, Max.-Last, Gesamtverbrauch) Kosten für Installation der Energieversorgung Image Grün als Imageträger BMW: Branchenführer im Dow Jones Sustainability Index Wunsch nach grünen Produkten durch den Kunden Energieeffizienz rückt verstärkt bei der Planung von logistischen Anlagen in den Fokus. Ermittlung des Energiebedarfs in der Planungsphase mit den bestehenden Ansätzen ist schwierig. Langwierige Simulationsdurchführung nicht tauglich für schnellen Variantenvergleich. 3

4 Aufwand 1. Einleitung Zielsetzung Analyse- und Dimensionierungsmethoden von Materialflusssystemen Ereignisorientierte numerische Simulation Analytische Berechnung mit Durchschnittswerten Analytische Berechnung unter Berücksichtigung stochastischer Einf lüsse Genauigkeit der Ergebnisse Quelle: Allgayer / Rall Berücksichtigung des Energiebedarfs bei der Auswahl von Planungsalternativen soll erleichtert bzw. erst ermöglicht werden. Aufwandsarme, genaue Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs von Intralogistiksystemen in der Planungsphase. Analytisches Berechnungsmodell für schnelle und einfache Berechnung. 4

5 Agenda 1. Einleitung 2. Energiebedarf von Stetigförderern Energiebedarf von Regalbediengeräten Energiebedarf von intralogistischen Systemen Zusammenfassung und Ausblick 5

6 2. Energiebedarf von Stetigförderern elektrische Leistung [W] Anzahl Paletten Energiebedarfsmessungen - Tragkettenförderer Zeit [s] Messwerte Anzahl Paletten Energiebedarf: E= P(t)dt Innerhalb der Intervalle, in denen die Anzahl an Fördereinheiten konstant bleibt, schwankt die elektrische Leistung wenig. Durch eine reine Betrachtung der Laufzeit zur Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs würden die unterschiedlichen Zustände hinsichtlich der Anzahl an Fördereinheiten und folglich die unterschiedlichen elektrischen Leistungen unberücksichtigt bleiben. Ermittlung des Energiebedarfs durch zyklusabhängige Modellierung der elektrischen Leistung und der Laufzeit Bildquelle: Haro-Gruppe 6

7 2. Energiebedarf von Stetigförderern Leistung [W] Anzahl Fördereinheiten Modellierung Energiebedarf Energiebedarf pro Zyklus Zeit [s] 1.Abschnitt 2.Abschnitt 3.Abschnitt 4.Abschnitt 5.Abschnitt k t j k P j jährlicher Energiebedarf E i n i m E i = j=1 Dauer eines Zyklusabschnitts Anzahl der Abschnitte mittlere Leistung innerhalb des Zyklusabschnitts E Jahr = t j m i=1 P j n i E i Energiebedarf Zyklus Zyklushäufigkeit Anzahl Zyklusausprägungen 7

8 2. Energiebedarf von Stetigförderern Modellierung der elektrischen Leistung Elektrische Leistung P elektrisch = P mechanisch /(η FU η Motor ) Übertragungselemente Motor Getriebe becker-antriebstechnik.org Frequenzumrichter tls-web.de zz-antriebe.com directindustry.de 8

9 2. Energiebedarf von Stetigförderern Prozent vom Tagesmittel 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Modellierung der Laufzeit Problemstellung am Beispiel der Betriebsweise eines Kettenförderers. Steuerung der Fördertechnik auf verschiedene Art möglich. Durchsatz pro Stunde hat Auswirkung auf die Betriebsweise (Zyklushäufigkeit). Betriebsweise S max. Anzahl an FE pro Förderelement Intermittierender Betrieb mit FE (ja/nein) Definierte Auftragsblöcke kontinuierlicher Betrieb (ja/nein) Auftragsschwankungen 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Tagesverlauf Uhrzeit E Jahr = m n i i=1 E i Zyklushäufigkeiten n der verschiedenen Blockgrößen k E i = j=1 t j P j Laufzeiten t je Zyklus 9

10 2. Energiebedarf von Stetigförderern Wahrscheinlichkeit Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (1/2) exponentiell verteilte Zwischenankunftszeiten 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Abstand [s] 20 % der Fördereinheiten besitzen einen größeren Abstand als das Abrisskriterium zueinander Abstandsverteilung Abrisskriterium Quellenverhalten: um Mindestabstand verschobene Exponentialverteilung Beispielhaftes Abrisskriterium: 20 [s] Oberes Beispiel zeigt eine Verteilung, in der 20 % der Fördereinheiten einen größeren Abstand zu einander als den Mindestabstand besitzen. 10

11 2. Energiebedarf von Stetigförderern Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (2/2) >20s 80% 20% 80% 20% >20s einzeln (20%) >20s 2er-Block (16%) 80% 20% 4er-Block (51,2%) Ermittlung der Zyklushäufigkeiten n i = M q 1 q i 1 /i 3er-Block (12,8%) nn N M 1 q N 1 N = M 1 q N 1 /N /N M q N Anzahl Fördereinheiten im Jahr Anteil der Fördereinheiten über dem Abrisskriterium maximale Blockgröße 11

12 2. Energiebedarf von Stetigförderern Anzahl Fördereinheiten Modellierung der Laufzeit - Laufzeiten je Zyklus Zeit [s] Dauer eines Zyklusabschnittes mit weniger als der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t j = 2 l F + l A /v l F l A v Länge der Fördereinheit minimaler Abstand zwischen zwei Fördereinheiten Fördergeschwindigkeit Dauer eines Zyklusabschnittes mit der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t J = l J 1 l F (J 1) l A /v l Länge des Förderers J maximale Anzahl an Fördereinheiten des Zyklus 12

13 2. Energiebedarf von Stetigförderern Zusammenfassung Jahresenergiebedarf Energiebedarf pro Zyklus Modellierung der Zeiten eines Zyklusabschnitts E i = t j P j Modellierung der elektrische Leistung E Ja hr = n i E i Ermittlung der Zyklushäufigkeit 13

14 Agenda 1. Einleitung 2. Energiebedarf von Stetigförderern Energiebedarf von Regalbediengeräten Energiebedarf von intralogistischen Systemen Zusammenfassung und Ausblick 14

15 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte Einflussgrößen auf den Energiebedarf Lagerbewirtschaftungsstrategie Lagerkonfiguration Antriebskonfiguration Verfahrstrategie chaotisch Lagertiefe (einfachtief, doppeltief) Ohne Rückspeisung und Zwischenkreis Durchsatzorientiert Ein- nahe Auslagerung Lage des E/A- Punktes Mit Zwischenkreis Energieorientiert ABC-Zonierung Mit Rückspeisung Vielzahl von Einflussgrößen auf den Energiebedarf von Regalbediengeräten Geschlossener, allgemeingültiger analytischer Ansatz nicht möglich Konkrete Annahmen für ein analytisches Energiemodell Lagerbewirtschaftungsstrategie Lagerkonfiguration Antriebskonfiguration Verfahrstrategie Chaotisch Einfachtief E/A-Punkt unten mit Rückspeiseeinheit durchsatzorientierter Betrieb 15

16 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte Modellierung des Energiebedarfs Kinetische Energie Potenzielle Energie Reibungsarbeit Grundlastverbrauch Energiebedarf Fahrantrieb Kinetische Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige Energie Für : x Für : x x 0 x Ex, kin M ax x x Ex, kin M v x 2 x 1 1 Ex, r wx M g x x 2 1 x0 Ex, r wx M g x 2 1 Ex, R R x M ax wx g x Ex, R R x M vx wx g x0 2 Hubantrieb Potenzielle Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige Energie Für : y 0 Für : y 0 1 Ey, pot m g y E y y, pot 0 x 1 Ey, r wy m g y EyR, 0 y E y, R R y 1 y yr, 0 E w m g y Definition der Fahrstrecke x 0 : Grundlastverbrauch: 2 vx x0 ax E P t GL GL f Keine Berücksichtigung von rotatorischen Energieanteilen und der Zwischenkreiskopplung 16

17 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte Ansatz zur analytischen Berechnung des Energiebedarfs für ein Einzelspiel y H f w >1 B4 B3 v x,max nicht erreicht v x,max erreicht B3 B4 Hubzeitkritisch B2 B1 B2 Fahrzeitkritisch B1 x 0 Unterteilung der Regalwand in vier Bereiche B1-4 Aufstellung der Berechnungsansätze für die vier Bereiche B1-4 L x B E x y mg w y w m m g y M m a w g x, ES, B1 y R y y N N x x y x M m a w g x P 2 t 2 t PEA 2 t 2 R x N x x GL f EA EA 17

18 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte kws Energiebedarf [kws] Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Einzelspiele E mr integral E ES E, E E ES ES i i i1 n p Länge [m] Höhe [m] 6 8 E/A Mehrdimensionale stetige Verteilung Gleichverteilung der Zufallsvariablen x und y (chaotische Lagerung) Berechnung des Erwartungswerts für den Energiebedarf HL 1 E ES EES x, ydxdy A 00 Für f W > 1 E ES wy m g H R y 1 wy m mn g H 2 M mn 1 y x x 0 x 0 2 g x 0 vx 1 wx g L x0 R x 2 M mn vx 1 wx 1 2 L 2 L ax 2 L L 1 2P0 PEA tea P0 fw v 3 f x w 18

19 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Doppelspiele y E/A H P1 P2 Mehrdimensionale stetige Verteilung Gleichverteilung der Zufallsvariablen (chaotische Lagerung) Analoges Vorgehen zum Einzelspiel Erhöhter Komplexitätsgrad für die Zwischenfahrt vom Einlagerungspunkt P1 zum Auslagerungspunkt P2 E 1 HL 1 H L H L x L E/A P1 P1 P2 P2 E/A DS P P E x, y dx dy E E x, y, x, y dx dy dx dy E DS P EA, DS, EAP 1 DS, EAP A , DS, P 1 P A HL E x y dx dy, 2 DS, P2EA 2 A Für f W > w 4 2 x 3x0 x0 x 0 E DS 1 wy R y 1 wy m mn gh MgL 1 R x 2 3 y 3 6 x 3 2L L 6L 1 w x 3 x 3 x x m gl 3 x 2 L 2 L 2L N 1 1 R x x0 1 x0 ² 1 x0 x0 ² R x vx M m 2 N 2 x 2 L 6 L 2 2L 6L L 1 1 L P f P 2 f 30 f 80 f 35 f 25 f ² 10 f ³ 4P P t 0 W 0 W W W W W W 0 EA EA vx, m 3 fw 60 vx, m 19

20 3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte Berechnung des mittleren Energiebedarfs pro Jahr Gesamtenergiebedarf pro RBG Energiebedarf für Einzelspiele (Einlagern) Energiebedarf für Einzelspiele (Auslagern) Energiebedarf pro Doppelspiel E P T P T P T P T RBG ES, E ES, E ES, A ES, A DS DS GL BR E E E ES, E ES, A DS E RBG TES, E TES, A TDS PGL TBR ES ES DS t t t Energiebedarf bei Leerlauf E RBG tes T ES,E E ES,E T ES,A E ES,A tds T DS E DS P GL T BR Mittlerer Energiebedarf je RBG pro Jahr [J] Mittlere Spielzeit eines Einzelspiels [s] Einzelspielbetrieb (Einlagern) im Jahr [s] Mittlere Energie pro Einzelspiel (Einlagern) [J] Einzelspielbetrieb (Auslagern) im Jahr [s] Mittlere Energie pro Einzelspiel (Auslagern) [J] Mittlere Spielzeit eines Doppelspiels [s] Doppelspielbetrieb Jahr [s] im Mittlere Energie pro Doppelspiel [J] Grundlastleistung [W] Brachzeit pro Jahr [s] 20

21 Agenda 1. Einleitung 2. Energiebedarf von Stetigförderern Energiebedarf von Regalbediengeräten Energiebedarf von intralogistischen Systemen Zusammenfassung und Ausblick 21

22 4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System Abschnitt B Aufbau des Logistiksystems Automatisiertes Hochregallager (HRL) mit zwei Gassen mit zwei Regalbediengeräten Lagervorzone bestehend aus Kettenförderern und Eckumsetzern Parameter des Logistiksystems Fördereinheiten pro Jahr Aufteilung auf die Lagergassen zu gleichen Teilen Gleich viele Ein- und Auslagerungen im Laufe des Jahres 250 Arbeitstage im Ein-Schichtbetrieb Graph des Logistiksystems Q S E A E A FE/Jahr FE/Jahr FE/Jahr FE/Jahr Abschnitt A E1 A1 E2 A FE/Jahr Q FE/Jahr FE/Jahr FE/Jahr FE/Jahr Abschnitt C S FE/Jahr 22

23 4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System Parameter der Subsysteme Stetigfördersystem: fünf Eckumsetzer und Kettenförderer 2er-Blockbildung im Abschnitt C Hochregallager: Einzelspielbetrieb: 66 Ein-/Auslagerungen pro Stunde Doppelspielbetrieb: 43 Ein-/Auslagerungen pro Stunde Einzel- und Doppelspielbetrieb je zur Hälfte 20 % Brachzeit in der Betriebszeit Stetigförderanlage Regalbediengeräte, HRL v 0,3 m/s M 10,7 t m 500 kg m 2,2 t l F Quer: 0,8 m Längs: 1,2 m m N 500 kg l A 0,2 m H 22 m q 20 % L 50 m v x v y 160 m/min 55 m/min a x 0,5 m/s 2 23

24 4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System Energiebedarfsermittlung pro Jahr Stetigförderer: Abschnitt A Abschnitt B Abschnitt C kwh 432 kwh kwh Regalbediengeräte: Einzelspiel (Einlagern) Einzelspiel (Auslagern) kwh 0,1321 kwh 54,59 s 0,1028 kwh 54,59 s Doppelspiel 0,1784 kwh 84,60 s kwh Jährlicher Gesamtenergiebedarf: kwh 89% 11% Stetigförderanlage Hochregallager Stetigförderanlage Hochregallager Jährliche Energiekosten:

25 Agenda 1. Einleitung 2. Energiebedarf von Stetigförderern Energiebedarf von Regalbediengeräten Energiebedarf von intralogistischen Systemen Zusammenfassung und Ausblick 25

26 5. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Neuer analytischer Ansatz zur Energiebedarfsermittlung von Intralogistiksystemen Schnelle und einfache Bestimmung des Energiebedarfs Variantenvergleich unter Einbeziehung des Energieverbrauchs in der Planungsphase Rechnertool zur Einbeziehung des Energiebedarfs in die Logistikplanung Ausblick Regalbediengeräte: Energiemodell für Zwischenkreiskopplung Stetigförderer: Untersuchung der Auswirkungen von Verteil- oder Zusammenführungselementen Umfangreiche Validierung anhand Messungen über längere Zeiträume 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik Dipl.-Ing. Sebastian Habenicht Boltzmannstraße Garching Tel.: 089/ Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik Dipl.-Ing. Rainer Ertl Boltzmannstraße Garching Tel.: 089/

28 BACKUP 28

29 2. Energiebedarf von Stetigförderern - j<j Modellierung der Laufzeit - Laufzeiten je Zyklus Start Zyklusabschnitt Ende Zyklusabschnitt l A l F l A l F Förderrichtung Dauer eines Zyklusabschnittes mit weniger als der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t j = 2 l F + l A /v l F l A v Länge der Fördereinheit minimaler Abstand zwischen zwei Fördereinheiten Fördergeschwindigkeit Dauer eines Zyklusabschnittes mit der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t J = l J 1 l F (J 1) l A /v l Länge des Förderers J maximale Anzahl an Fördereinheiten des Zyklus 29

30 2. Energiebedarf von Stetigförderern - j=j Modellierung der Laufzeit - Laufzeiten je Zyklus Start Zyklusabschnitt Ende Zyklusabschnitt l A l F l A l F l A l F l A l F Förderrichtung Dauer eines Zyklusabschnittes mit weniger als der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t j = 2 l F + l A /v l F l A v Länge der Fördereinheit minimaler Abstand zwischen zwei Fördereinheiten Fördergeschwindigkeit Dauer eines Zyklusabschnittes mit der maximalen Anzahl an Fördereinheiten t J = l J 1 l F (J 1) l A /v l Länge des Förderers J maximale Anzahl an Fördereinheiten des Zyklus 30

31 Energiebedarf von Stetigförderern Modellierung der Laufzeit m E Jahr = n i E i Zyklushäufigkeiten n der verschiedenen Blockgrößen i=1 k E i = t j P j Laufzeiten t je Zyklus j=1 Energiebedarf eines 4er-Blocks ist ungleich dem Energiebedarf zweier 2er-Blocks. Betriebsweise ist variable; Grund: Abrisskriterium Blockgröße einzeln 2er-Block 3er-Block 4er-Block 31

32 Reibbeiwert für den Hubantrieb mgf Fl F l 0 ges mgf Fl F l mgf Fl F ges f mg l F w 2F reib F F 2w reib real real F 1 f l 1 l 2 l ges F 2w reib real f mg l ges f Freib 2wreal mg l f wy 2wreal l ges ges mg F 2 32

33 Vergleich - Simulation // Analytischer Ansatz Mittlere Energie [Wh] 25 Vergleich - Simulation // Analytischer Ansatz Rot - Analytischer Ansatz Grün - Simulation Anzahl Spalten [-] 33