Interdisziplinäre Energieoptimierung in Produktionsbetrieben

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1 Interdisziplinäre Energieoptimierung in Produktionsbetrieben Nachhaltige Auslegung von Antrieben, Maschinen und Anlagen, Energiesystemen und Industriebau durch dynamische Simulation Forschungsaktivitäten der TU Wien

2 Ausgangssituation, Motivation Steigende Wichtigkeit von Energieeffizienz im industriellen Sektor Hauptgründe: Steigende Energiekosten Strengere EU-Regularien Steigendes ökologisches Bewusstsein Energiekonsum der produzierenden Industrie: ca. 40% des gesamten Energiekonsums (in Industrienationen) Potential für Reduktionen: 30 65% abhängig vom Sektor Mögliche Ansatzpunkte zur Reduktion des Energiekonsums: Optimierung des Produktionsprozesses Optimierung der Produktionsinfrastruktur Holisitischer, Lebenszyklus-orientierter Ansatz

3 Bisherige Projekte Competitive Nachhaltige, and wettbewerbsfähige sustainable manufacturing Produktion..... INFO Integrierte Simulation HPM Eco2cut Ecological and Economical Machining Production Process, Machine, Metal High Performance Manufacturing, Metal Cutting, SMEs 2-CUT

4 Herangehensweise Holistischer Ansatz zur Optimierung der Energieeffizienz industrieller Analgen: Produktionsprozesse Maschinen Gebäudetechnische Anlagen Gebäude Ziele: Minimalisierung der Abwärmeproduktion Abwärmenutzung Optimierung der Produktionsprozesse Optimierung der Stand-by Lasten Integrierte Simulation zur Energieoptimierung von Produktionsanlagen zur Erreichung von ökonomischer und ökologischer Nachhaltigkeitsziele im industriellen Sektor.

5 Optimierungsfelder Prozess Maschine Produktionssystem Gebäude Energiesystem Analyse Modellierung Optimierung Integrierte Simulation... für die Energieoptimierung von Fertigungsbetrieben... zur Erreichung ökonomischer und ökologischer Ziele

6 Optimierungsfeld Maschine, Prozess Produktionssystem Haupteinflussfaktoren auf den Energiekonsum einer Werkzeugmaschine: Maschine (Komponenten) Prozess Maschine Produktionssystem Optimierungsansätze für Maschine und System Optimierung in allen drei Optimierungsfeldern Reduktion von Energiekonsum von Maschine/Prozess Integration des thermischen Verhaltens in Gebäudeumgebung und Energiesystem Abwärmenutzung durch intelligente Gebäudetechnologien

7 Optimierungsfeld Maschine, Prozess Leistungsaufnahme von Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinenmessungen zur Verbesserung der Energieeffizienz der Maschine. Gleicher Prozess mit und ohne Werkzeug im Eingriff => Unterschied in Energieaufnahme der Maschine: 5% 30,000 Durchschnittsleistung [W] 25,000 20,000 15,000 10,000 5, Zeit 1000 [s] Leistung ohne ohne Werkstück WZ-Eingriff Leistung mit mit Werkstück WZ-Eingriff Energie Input Energie im Span 5% Wärme im Span Verluste, Wärme 95% Wärme in Werkzeug und Werkstück Verformungsenergie im Kristallgitter

8 Optimierungsfeld Gebäude Planungsziele: Evaluation der Kundenanforderungen an Gebäudeperformance und Funktionalität: Kommunikation zwischen F&E und Produktion Flexibilität der Produktionsflächen (Adaptierbarkeit auf verschiedene Funktionen Ausbaubarkeit der F&E und Produktionsflächen mit minimalem Aufwand Energieeinsparung bei HKLS und Licht durch optimierte Gebäudehülle Gebäudesimulation im Design-Prozess erlaubt: Evaluation von visuellem undthermischem Komfort (Überhitzung, Blendung, ) Reduktion der Energieverbrauches (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung)

9 Optimierungsfeld Energiesystem Energieflussanalyse und Optimierung Elektrische Energie Thermische Energie Jahresenergieverbrauch IFT Labor Alle Werte in kwh Gesamtenergie Werkstatt Druckluft Betrieb Büro 5607 Küche und Getränke 8371 Warmwasser 4958 Serverbetrieb 8574 Elektrische Hilfsanlagen 5388 Beleuchtung Gebäudeheizung Maßnahmen: Reduktion des Endenergieverbrauches durch verbesserte Heizungsregelung von 277 MWh auf 234 MWh Substitution durch erneuerbare Energien Elektrische Energie Netz Elektrische Energie PVAnlage Thermische Energie Solar 2093 Thermische Energie Netz Alle Werte in kwh Einspeisung PV 3610 Werkstatt Druckluft Betrieb Büro 5607 Küche und Getränke 8371 Serverbetrieb 8574 Elektrische Hilfsanlagen 5388 Beleuchtung Gesamtenergie Warmwasser 2576 Gebäudeheizung => Reduktion des CO2-Ausstosses von 107t auf 85,6t

10 Modellansatz Unternehmen Von Werkzeugmaschine (Mikro-Level) Zu Standort Ebene (Makro-Level) Top Down Standort Gebäude Prozesskette Maschine Bottom Up Prozess Operation Komponente Organisation

11 Modellierungsziele Basis für Simulation der gesamten Anlage Fokus auf Energieflüssen Einbeziehung mehrerer Simulationsumgebungen Unabhängig von verwendeten Umgebungen Dokumentation aller Aspekte des Systems Individuell anpassbar Optimierung auf Basis der Simulation Energieeffizienzsteigerung Integration erneuerbarer Energieträger Manueller Vergleich ausgewählter Szenarios Keine automatische Designoptimierung

12 Modellaufbau Gesamtsystem wird in Komponenten aufgeteilt: abgegrenzte Teile des Ganzen mit klaren Schnittstellen Es gibt physikalische Komponenten und Informationskomponenten Komponenten haben Eigenschaften; diese werden durch Regeln (z.b. mathematische Beziehungen) und Parameter charakterisiert Der momentane Zustand einer Komponente wird durch Variablen beschrieben Komponenten beeinflussen sich gegenseitig; die den Zusammenhang charakterisierende Größe ist eine Ausgangsvariable der beeinflussenden Komponente und eine Eingangsvariable der abhängigen Komponente, die an den Schnittstellen ausgetauscht werden. Im Rahmen der Planung werden konsistente Sets von Parametern für die Komponenten festgelegt Die wird durch Parameterverweise auf Planelemente abgebildet Planelemente sind nicht selbst Bestandteil der dynamischen Simulation, sondern bilden einen einheitlichen, statischen Bezugspunkt

13 Modellstruktur Ein- und Ausgangsvariablen

14 Co-Simulation Ziel: Integrierte dynamische Simulation Momentan nicht als Gesamtpaket verfügbar Dynamische Abhängigkeiten einbeziehen Rückkoppelungen während Laufzeit Ansatz: Verknüpfung etablierter Simulationswerkzeuge = Co-Simulation Präferiertes Werkzeug jeder Domäne Wiederverwendung existierender Modelle und Wissen Geeignet für Parallelisierung

15 Technische Integration der Simulation Building Controls Virtual Test Bed M. LBNL Auf Basis Ptolemy II Open source Co-Simulation mit kontrollierten Zeitschritten Koppelt: EnergyPlus Dymola Radiance Matlab/Simulink

16 Simulationsergebnisse Die integrierte Simulation Ist ein Werkzeug zur Unterstützung des Planungsprozesses von Fertigungsanlagen Setzt Energieeffizienzmaßnahmen mit finanziellem Kosten/Nutzen in Relation Zeigt den gegenseitigen Einfluss von Einsparungsmaßnahmen und die operativen Ergebnisse des Betriebs CO 2 / produzierter Einheit Einheit 2 Einheit 3 Einheit 1 Einheit 4 Öko-Effizienzanalyse: Setzt die Wirtschaftlichkeit in Beziehung zu den Auswirkungen auf die Umwelt Kosten/produzierter Einheit