INDUSTRIE 4.0 UND ENERGIEEFFIZIENZ IN DER PRODUKTION

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1 INDUSTRIE 4.0 UND ENERGIEEFFIZIENZ IN DER PRODUKTION AKTUELLE ENTWICKLUNGEN UND ANWENDUNGSBEISPIELE Mark Richter Chemnitz, 14 Juli 2015

2 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen 2

3 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen 3

4 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen 4

5 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen 56% der deutschen Arbeitnehmer wissen kaum, was sich hinter den Bezeichnungen Digitalisierung und Industrie 4.0 versteckt. Jeder dritte Befragte räumte ein, noch nie von den Begriffen gehört zu haben. Industrie Evolution statt Revolution 5

6 Industrie 4.0 Begriffsbestimmung Die virtuelle IT-Welt und die reale Produktionswelt wachsen immer weiter zusammen. Mit der Entwicklung sogenannter Cyber-Physical Systems (CPS), d.h. der Vernetzung von eingebetteten IT-Systemen untereinander und mit dem Internet, stehen wir nach Meinung vieler Experten und Forscher am Beginn einer vierten industriellen Revolution. Prof. Dr. Dr. Wolfgang Wahlster, Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz (DFKI) Moderne Technologien der Informationstechnik als Voraussetzung für eine zukunftsfähige Produktion 6

7 Industrie 4.0 in der Produktion Daten als Kern der intelligenten Produktion GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, nachvollziehbar. WERKSTOFFE kennen ihre spez. Eigenschaften). PROZESSE kennen ihre Parameter, passen sich an. synchronisieren Energieangebot/-verbrauch. ENERGIE/EVU kennen ihre Eigenschaften und Historie. PRODUKTE VERNETZTE DATEN kennen ihre Fähigkeiten, fertigen autonom. MASCHINEN MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden. FABRIKBETRIEB setzt verfügbare Ressourcen optimal ein. PROZESSKETTEN bilden sich ah-hoc/ressourcenadaptiv. intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTION Simulation, prognosebasierte Absicherung. DIGITALE FABRIK operieren, adaptieren sich selbstständig. PRODUKTIONSSYSTEME Bildquellen: Fraunhofer IWU 7

8 Industrie 4.0 in der Produktion Der Mensch als kreativer Gestalter und Problemlöser Bild: Volkswagen Wie kann die Einbindung des Menschen in die Fabrik der Zukunft durch virtuelle Techniken im Sinne der Industrie 4.0 unterstützt werden, um die Arbeit flexibler und effizienter zu bewältigen? 8

9 POTENZIAL Was leistet, was verspricht Industrie 4.0? 9

10 Bruttoinlandsprodukt [weltweit, kaufkraftbereinigt, Mrd.US$ p.a.] 10

11 Wer zieht Nutzen aus Industrie 4.0? Volkswirtschaftliche Potenziale von Industrie 4.0 sind bedeutend! U.a. folgende Branchen partizipieren als Anbieter oder Anwender: IKT Automobil Chemie Elektrotechnik Maschinenbau 11

12 E³-Produktion wettbewerbsfähig und innovativ Moderne Produktionstechnik vs. Industrie 4.0 Die Zukunft der industriellen Wertschöpfung aus Perspektive des Maschinenbaus in Sachsen? Eine praxisbezogene Einschätzung der sächsischen Industrie, speziell aus Sicht des sächsischen Maschinen- und Anlagenbaus. *) Gewinner der Industrie 4.0 Nutzeffekt Industrie 4.0! 12 *) Ergebnisse einer Studie in Sachsen in 2014

13 HERAUSFORDERUNGEN Was erschwert / gefährdet Industrie 4.0? 13

14 Herausforderungen Rechtliche Aspekte - Wer trägt die Verantwortung für vollautomatisierte Online- Transaktionen (z.b. Bestellung) intelligenter Maschinen? - Wem gehören die Daten? Wie dürfen die Teilnehmer mit dem Besitz umgehen und welche Rechte Dritter stehen der Nutzung ggf. entgegen? (Datenschutz) - Wer ist Hersteller, welche Regressketten bauen sich auf, wer trägt Produkthaftung? Wer haftet für mögliche Fehler und Produktionsausfälle infolge fehlerhafter Datenquellen, Datenerzeugung und Datenübermittlung? Sicherheit - Öffnung der CPS nach außen birgt Risiken im Hinblick auf Datenschutz, Schutz geistigen Eigentums und Manipulation - Unternehmen sind heute unzureichend abgesichert! Erforderlich: Security by Design, Whitelisting, Trusted Computing, etc. Wir bekommen Industrie 4.0, haben aber momentan Sicherheit 0.1 (Hartmut Pohl, GfI) 14

15 Energieeffizienz 15

16 BMBF Studie Ress.-effiziente Produktion IWU-Strategie»Ressourceneffiziente Produktion«Initiativen und Großprojekte Entwicklung der IWU-Standorte Chemnitz-Dresden-Augsburg-Zittau Leistungszentrum Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion Führendes Industrie- und Transferzentrum Wertschöpfung durch Energieund Ressourceneffizienz Qualifizierung des Wissenschaftsstandorts International Center of Excellence Profilstandort für Produktionsforschung im E³- Konzept Transregio 96 BlueS BMBF zwanzig20 (Konsortialführung) REEMAIN eniprod BMBF zwanzig20 (Beteiligung) Joint Laboratory of Excellence on Advanced Production Technology 1. Regionaler Fraunhofer Innovationscluster Mechatronischer Maschinenbau Maschinen- und Automobilbauinitiative Next Economy (MAINE I X, insgesamt 107 Fachprojekte) Cluster off Excellence Uni Neapel Uni Stellenbosch Exzellenzzentrum Automobilproduktion BMBF zwanzig20 (Beteiligung) Initialvertrag E 3 -Forschungsfabrik Fraunhofer E 3 - Leitprojekt Strategische Entwicklung des Themenfeldes Ressourceneffiziente Produktion in Chemnitz 16

17 Motivation Reduzierung CO 2 -Emmission Gesetzgeber Anteil der Erneuerbaren Energien ,8% IMAGE Nachhaltigkeit ist entscheidender Faktor der Außendarstellung Quellen: Mercedes Bosch Volkswagen KOSTEN 17

18 Energieverbrauch in Deutschland nach Sektoren Energieträgern 3,2% Erneuerbare Energie 29% Haushalte 31% Industrie Strom (inkl. EE) 30% Gase 35% 15% Gewerbe Dienstleistung Handel 25% Verkehr Fernwärme 8% Erneuerbare Wärme 6% Sonstige 2% Stein- und Braunkohlen 15% Mineralölprodukte 4% Quelle: AG Energiebilanzen: Auswertung zur Energiebilanz 1990 bis 2011, Stand 09/

19 Energiekosten für die Industrie und Anteil der darin enthaltenen Stromkosten Senkung des Energiebedarfs (bzw. Leistungsaufnahme) zu einem beliebigem Zeitpunkt bedeutet nicht unbedingt eine Senkung der Kosten! 19

20 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! If you can t measure it, you can t manage it. t Verbrauch bewerten Potenziale aufzeigen Prozesse optimieren Bedarfe prognostizieren Kennzahlen bilden (KPI) Energieflüsse managen 20

21 Erhöhung der Energieeffizienz P Energiebedarf von Produktionsanlagen 9% 9% 1% 5% 4% 72% Antriebe IT Licht Heizung/Wasser Prozesswärme Elektrolyse t Transparenz! Energieeffiziente Komponenten z.b. Ecodesign Directive 2009/125/EC (EU) IE2 / IE3 Motoren Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 7% (vor allem im Teillastbereich) Quelle: SIEMENS 21

22 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! Energieeffiziente Komponenten Produktionspausen Abschalten in nichtproduktiven Zeiten t Maschine SPS Sleep wake on Quelle: KUKA 22

23 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! Energieeffiziente Komponenten Produktionspausen Beschreiben Komponenten Abhängigkeiten t Modell Simulation Schaltbefehle Energiecontroller Parametrieren Energie Zeit Automatische Optimierung Energie -bedarf 23

24 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! Energieeffiziente Komponenten Produktionspausen Spitzenlasten t Quelle: directindustry.de 24

25 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! Energieeffiziente Komponenten Produktionspausen Spitzenlasten Energiemanagement Energieoptimale Steuerung der Produktion Fertigungsanlagen + Produktionsplanung Fertigungsinfrastruktur (Luft, Wärme, Kälte, Wasser) Gebäudeleittechnik (EVU, Gas, Wärme, Wasser, EE) Energiespeicher t 25

26 Wirkleistung, kw Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Bearbeitungszentrum 12 SuperCap MC 50F/56V C = 4,2 F DECKEL MAHO DMP 45V linear Energiespeicher auf DSK-Basis P max mit DSK ohne DSK t, s Active Line Module Sinamics S120 Reduzierung Lastspitzen ca. 67% 26

27 Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Prozesskette Powertrain Zerspanung und Funktionale Oberflächen Kaltmassiv- und Präszisionsumformung 27

28 Energieverteilung E³-Forschungsfabrik EVU (238kW) (58,5kW) NSHV Bestandsnetz Energie management 28

29 Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Prozesskette Powertrain Netzleistungsbezug Reduzierung Lastspitzen ca. 80% 29

30 These Produktionstechnik bietet an vielen Stellen hohes Potenzial für Energiespeichereinsatz verlangt dafür aber die Berücksichtigung besonderer Rahmenbedingungen. Seite 30 ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE

31 Nutzung von Energiespeichern in der PT Ziele: Reduzierung von Spitzenlasten Direkte Nutzung regenerativer Energien Senkung des Grundlastbezuges vom EVU Einbindung in intelligente Stromnetze Energieautarke Maschinen Bedarfsgerechte Auslegung von Versorgungsbaugruppen... Seite 31 ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE

32 Innovative Energiespeicherkonzepte für die industrielle Produktion - ESiPinno 09/2014 bis 02/2015

33 VISION Energiespeicher für die industrielle Produktion EVU EM Büro EM Halle/Standort Maschine Anlage EM ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE

34 Das Fraunhofer IWU Konzept»E 3 -ProduktionDie Zukunft der Produktion in Deutschland muss im engen Verbund gesehen werden. Sie hat nur dann eine Chance für die Zukunft.«Effiziente Produktionstechnik Emissionsneutrale, energieautarke Fabriken Nutzung alternativer Energiequellen Autarke Energieversorgung Energiemanagement Energie- und Wertstoffkreisläufe Minimale Emissionen Konzept! Innovative Technologien und Werkstoffe Effiziente Produktionssysteme Einbindung moderner I&K-Technologie Individualisierte Produkte Einbindung des Menschen Faktor»Mensch«Wissen und Information Alternde Gesellschaft - Produktionsassistenz Motivation und Lebenswirklichkeit der Jugend 34

35 E³-Produktion wettbewerbsfähig und innovativ Fraunhofer IWU E³-Forschungsfabrik»Ressourceneffiziente Produktion«Forschung für die Automobilproduktion Ressourceneffiziente Technologien und Anlagen für Powertrain- und Karosseriekomponenten Forschung: Energie Produktion Energiemanagement Energiespeicherung/-rückführung Aktive Schnittstellen zur Gebäudeinfrastruktur und leittechnik Nutzung Erneuerbarer Energien Geschlossene Ressourcenkreisläufe in Produktionsprozessen Fraunhofer IWU Chemnitz - Campus 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Mark Richter Fraunhofer IWU Chemnitz