Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik

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1 Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik Vision einer energieautarken Fabrik - Beitrag des Spitzentechnologieclusters eniprod Neugebauer R., Sterzing A., Koriath H.-J. 1. eniprod-kolloquium 24./

2 Gliederung 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick Vision einer energieautarken Fabrik 2

3 1. Motivation 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick Vision einer energieautarken Fabrik 3

4 1. Motivation These 1 globale Erwärmung = f (menschliches Handeln) These 2 globale Erwärmung f (menschliches Handeln) Lösungsansatz: Vermeidungsstrategien Strategische Elemente Energieeffizienz Regenerative Energien globale Erwärmung = f (globaler Zyklen) Lösungsansatz: Anpassungsstrategien CO 2 -Ausstoß Reaktion auf nichtvermeidbare Veränderungen Vision einer energieautarken Fabrik 4

5 1. Motivation Verbrauchsanteile der Energie in Deutschland verarbeitende Industrie jährlich: PJ/a 25,6 % Deutschland - gesamt Absoluter Primärenergieverbrauch in Deutschland: PJ/a (2008 ) 27% PJ/a 33,2% PJ/a 39,8% PJ/a 12,5% 3,0% 8,3% 16% Einsparpotenzial der Industrie: 30% (1) 24 Kraftwerke á 1,4 GW Quellen: Statistisches Bundesamt 2010; Fraunhofer Gesellschaft; (1) Abschätzung aus dem Betrachtungsraum der Untersuchung Energieeffizienz in der Produktion

6 1. Motivation Neue Wettbewerbsfaktoren Rohstoffpreise + Rohstoff verfügbarkeit = Volkswirtschaftliche Spielberechtigung Geschäftserfolg = f (Qualität, Produktivität, Flexibilität + Ressourceneffizienz) Effizienztechnologien führen zu nachhaltigen Wettbewerbsvorteilen und Produktinnovationen Vision einer energieautarken Fabrik 6

7 2. Relevanz für die Produktionstechnik 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick Vision einer energieautarken Fabrik 7

8 2. Relevanz für die Produktionstechnik 1. Energie- und Materialeffizienz durch Steigerung der Prozessstabilität Handlungsbedarf: Null-Fehlerproduktion Eliminierung von Ausschuss Forschungsbedarf: Entwicklung und Implementierung von voraus denkenden Prozess- und Überwachungsstrategien Entwicklung geregelter Herstellprozesse durch intelligente Maschinen- und Werkzeugsysteme Kompensation von Fehlerursachen durch Selbstoptimierung und Rekonfiguration Vision einer energieautarken Fabrik 8

9 2. Relevanz für die Produktionstechnik 2. Energieeffizienz in mechanischen, thermischen und chemischen Fertigungsprozessen und -systemen Handlungsbedarf: Forschungsbedarf: Null-Abfall und Funktionsintegration 100% Werkstoff-Ausnutzungsgrad Geschlossene Kreisläufe für Hilfsstoffe Nutzung fertigungsbedingter Eigenschaften Ressourceneinsparung durch Produktionstechnologie Netshape-Technologien Prozesskettenoptimierung, -integration, -verkürzung Reduzierung von Anlagengrundverbräuchen Energieeffizienter Produktbetrieb durch P-Technologien Multifunktionalität (Stützfunktion + Sensor/Aktor) Strukturleichtbau (Gradientenwerkstoffe) Funktionale Oberflächen Vision einer energieautarken Fabrik 9

10 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Geschlossene Energiekreisläufe/Ressourcenvernetzung in Prozessketten und Systemen Handlungsbedarf: Null-Kreislauf- verlust Systeme Energiespeicher und -rückgewinnungssysteme Kreislauforientierte Steuerungsstrategien und Antriebsgestaltung Forschungsbedarf: Methoden Bilanzierungsmethoden Energetische Prozesskettenplanung Beschreibungsmodelle für Energiepotenziale (Materialien, Produktionssysteme, Fabrikanlagen) 10

11 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick 11

12 3. Vision einer energieautarken Fabrik 3-Stufen-Strategie Wirkungsgradoptimierte Produktion Total Energy Management Nutzung alternativer Energiequellen (Effizienz) (Nachhaltigkeit) (Substitution) 12

13 3. Vision einer energieautarken Fabrik Wirkungsgradoptimierte Produktion EFFIZIENZ (-30%) Energie pro Teil (E) Gesamtenergie (E U ) Bearbeitungs energie (E M ) Einzelprozessoptimierung Energie für f Werkzeugherstellung und Reststoffe (E O ) Nebenzeiten (E N ) + Material + Vorbearbeitung (E W ) Energieoptimaler Parameterwert E U = E M + E C + E N + E O + E W Bearbeitungsparameter (v c ; a p ; f; VB; ) Energie für f Werkzeugwechsel und Spülung (E C ) 13

14 3. Vision einer energieautarken Fabrik Total Energy Management NACHHALTIGKEIT F H A I I K H A H A E A B L = L A Realisierung geschlossener (-20%) Energiekreisläufe Identifizierung, Visualisierung, Bewertung von Energieverbrauchern, Energieverluste Energieverluste Energierückgewinnung bis zu 65 % (Im Vergl. zu klassischen Kissenantrieb) Umformmaschine + K I D E I J H A F H A I I K H A H A E A B L = L A B H F H A I I K H A E E J = J E 5 A I J H A F H A F H A I I K H A ) I O? D H K I J H 2 M A H = H E L 2 M A H I + K I D E Identifizierung 8 = H E = > E I F =? A A J F K F B H? K I D E? J H Sammeln Wiederverwendung Karobauanlage Speichern Umwandlung Bearbeitungszentrum Energetische Interaktion zwischen Produktion Produktionssystem Gebäude 14

15 3. Vision einer energieautarken Fabrik Nutzung alternativer Energiequellen SUBSTITUTION (~50%) Wind E el Akkum Elektrolyse η=0,7 E el Energieleitstand PV H 2 gas η=0,3 Gas H 2 liq η=0,2 Elt mehrstofftaugliches BHKW mit Trigeneration E mech E th (~400 C) E th (~250 C) Druckluft E el Wärme Kälte Kondensator, Flywheel,... Impulsspeicher Prozess 15

16 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick Vision einer energieautarken Fabrik 16

17 4. Spitzentechnologiecluster eniprod Wissenschaftliche Ziele Kennzahlen, Modelle und Algorithmen zur Beschreibung energetischer Wirkzusammenhänge Wirkprinzipien, Bauweisen und Technologien für die Produkt- und Prozessgestaltung Energiesensitive Entwicklungs-, Bilanzierungs- und Planungswerkzeuge zur Gestaltung von Anlagen und Fabriken 17

18 4. Spitzentechnologiecluster eniprod Interdisziplinäre Forschung 18

19 4. Spitzentechnologiecluster eniprod Handlungsfelder Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) Energiesparende Logistik und Fabrikplanung (LF) Bionisch thermoenergetisch - mobil PE PS PK WS LF 19

20 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) Forschungsgegenstand Gestaltungs- und Planungsphase Bewertung eines virtuellen Objektes Intensivierung der Planungsphase durch virtuelle Verifizierung Integration von Simulationen interdisziplinäre Kennwertinterpretation als Entscheidungsgrundlage Methodenbeispiel Visualisierung energetischer Zusammenhänge mit 3D-Sankey Diagramm Beherrschung der Variantenvielfalt unter energetischen Aspekten Erhöhung der nachhaltigen Nutzung Vortrag J. Glänzel Jeder nicht gebaute (fehlerhafte) Prototyp verringert den Energieverbrauch! 20

21 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung Virtuelle Entwicklung von Produktionssystemen Mechanik Elastisches Modell Aktor Antriebskomponente n Informatik Logisches Modell Starrkörpermodell Entwurf von energetisch optimalen Produktionssystemen Sensor funktionale Kopplung energetische Kopplung Virtueller Prototyp Mehrkriterielle Optimierung Funktion Performance stat./dyn./therm. Verhalten Kosten NEU: Energieeffizienz Elektrik/ Hydraulik Physikalisches Modell x FXLMS S' W x' LMS y Regler P S d y' + Anpassung an energetisch optimale Arbeitspunkte - e Vortrag Klimantl 21

22 4.2. Hochintegrative, energiearme Prozessketten Gesamtprozessketten Virtuell (VR/AR) Energietreibende PK-abschnitte Experimentell (eniprod Lab) 22

23 Hochintegrative, energiearme Prozessketten - Zellstrukturen Herausforderungen Handlungsbedarfe Form-/Presshärten - Technologie zur Erzielung höchster Bauteilfestigkeiten (R m >1500 N/mm 2 ) Aber: HOHER Energieeintrag Form-/Presshärte-Prozess Platinen-/Bauteil-Erwärmung ϑ 950 C Haltezeit im Ofen bis zu t 8 min (Diffusion der Beschichtung) Postprozess Laserbeschnitt Energieeffizienz durch - Reduzierung des Energieeintrages - Substitution des Laserschneidens Verbesserung finaler Bauteileigenschaften (z. B. Tailored Bauteile) B-Säule Schwellerverstärkung B-Säulenfuß Vorträge Rautenstrauch, Schönherr 23

24 Hochintegrative, energiearme Prozessketten - Powertrain Forschungsgegenstand Leichtbau - Stoff-Leichtbau - Struktur-Leichtbau Prozessketten-Verkürzung - Verfahrenskombination/-integration - Integral-Bauteile Reibungsverluste - Surface Engineering Gesamtenergie pro Volumeneinheit u t F A b = a p FT vc = a b v p c FT = a b f p POWERTRAIN Vom Rad bis zum Motor Elektro- Fahrzeug F R F T System-Demonstrator Verbrennungs-, Hybrid-, Elektroantrieb Vorträge Dix, Sylla 24

25 4.3. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen Energieeffizienz in Produktionssystemen durch: Mobile Maschinen Thermo-energetische Gestaltung Bionische Maschinen Bearbeitung Lagersitz Mobile Maschine Mobile Maschine Verspannt in Pressengestell Automatische Ausrichtung am Tisch Ansätze und Effekte für die Energieeffizienz: Kleine Maschinen an große Thermo-energetische Gestaltung Werkstücke enegieautarke Kompensation Einspareffekte beim Transport durch Funktionswerkstoffe Miniaturisierung Einspareffekte bei Herstellung und Betrieb von Maschinen Energetische Interaktion Maschine-Prozess energieoptimale Entw.-methodik Strukturbionik Struktur folgt den Belastungspfaden Bewegungsbionik Energetisches Optimum f( Masse, Weg) Vorträge Paetzold, Rentzsch, Fries 25

26 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) Forschungsgegenstand WS1: Funktionalisierte Schichten und Strukturen Sprühkompaktieren, Hartanodisieren, thermisches Beschichten Niederenergetische Verbindungs- und Auftragverfahren Simulation und Integrierung aktiver Sensor- und Aktorfunktionen WS2: Ressourcenschonende Verbundstrukturen durch Ultraleichtbau Recyclinggerechte Mischbauweisen Strukturelle Auslegung von Leichtbauweisen Ressourceneffiziente Fertigung WS3: Mikro- und nanoskalige Werkstoff- und Schichtsysteme Nanokompositschichten zur Verschleißminderung Fe-basislegierte Schichten als ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Schutzschichten Thermomechanische Prozesse für Mehrphasenstähle 26

27 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung (LF) Forschungsgegenstand Energieeffiziente Planung, Steuerung und technische Auslegung Phasen- und Aktivitätsmodelle für Fabrikplanungsprozesse; Planungsbaukästen für Materialflusssysteme Algorithmen und Methoden der Fertigungssteuerung; Optimierung & Simulation; VR zur Entscheidungsunterstützung neue Wirkprinzipien und Bauweisen der Technischen Logistik; bedarfsgerechte Dimensionierung, Reduzierung der Antriebsenergie Effekte / Demonstratoren Beispiel 1: DLC-Beschichtung für Kunststoff-Gleitkettenförderer Reibwertreduzierung Reduzierung erf. Antriebsenergie Verschleißfestigkeitserhöhung Ressourcenschonung Beispiel 2: energiesensitive Reihenfolgeplanung + Auftragsfreigabe Nivellierung des Energiebedarfs von Einzellinien und Gesamtsystem Senkung der Spitzenlasten (Elektro) bei gleicher Produktivität 27

28 5. Zusammenfassung/Ausblick 1. Motivation 2. Relevanz für die Produktionstechnik 3. Vision einer energieautarken Fabrik 4. Spitzentechnologiecluster eniprod 4.1. Virtuelle, energiesensitive Produktentwicklung (PE) 4.2. Energieeffiziente Wirkprinzipien und Strukturen von Produktionssystemen (PS) 4.3. Hochintegrative, energiearme Prozessketten (PK) Zellstrukturen Powertrain 4.4. Ressourcenschonende Werkstoffe und Strukturen (WS) 4.5. Energiesparende Logistik und Fabrikplanung 5. Zusammenfassung / Ausblick Vision einer energieautarken Fabrik 28

29 5. Zusammenfassung/Ausblick Verwertungspotenzial: 30 Prozent Energieeinsparungen in der unmittelbaren Produktion, 20 Prozent Emissionssenkung durch geschlossene Kreisläufe Intelligente Energienetze mit hohem Anteil alternativer Energiequellen Weiterer Handlungsbedarf: Steigerung der Prozessstabilität bis zur Nullfehler-Produktion Null-Abfall durch Nearnetshape-Technologien und Funktionsintegration durch Nutzung fertigungsinduzierter Eigenschaften Null-Kreislauf- verlust durch geschlossene Ressourcenzyklen und Energierückgewinnung eniprod-nachhaltigkeit Folgeprojekte, Patente, Publikationen, Ausgründungen eniprod-lab 29

30 Gegenüberstellung eniprod - blues Grundlagenforschung Angewandte Forschung Ziele: Langfristige Aufstellung, Nachprüfung und Diskussion theoretischallgemeingültiger Prinzipien für energieeffiziente Produktionstechnik Prozessstufensubstitution bzw. - eliminierung Zeithorizont Ziele: Kurzfristige industriegetriebene Erforschung und Entwicklung konkreter Produkte und Prozesse für ressourceneffiziente Fertigungssysteme und -technologien Prozessstufenoptimierung 5 10 Jahre 1 3 Jahre A n w e n d u n g Themenkomplexe: A- Produktentwicklung (PE) B- Produktionssysteme (PS) C- Prozessketten (PK) D- Werkstoffe und Strukturen (WS) E- Logistik und Fabrikplanung (LF) Basis für angewandte Forschung Ableitung von Forschungsbedarf Themenkomplexe: A- Energieerzeugung/-rückgewinnung B- Automobilbau (Antrieb, Karosserie) C- Schienenfahrzeugbau D- Flugzeugbau E- weitere Produktionssysteme 30

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! eniprod wird gefördert von der Europäischen Union aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) sowie aus Landesmitteln des Freistaats Sachsen. 31