DIGITALISIERUNG UND PRODUKTION IN FORSCHUNG UND WISSENSCHAFT

Transkript

1 DIGITALISIERUNG UND PRODUKTION IN FORSCHUNG UND WISSENSCHAFT Energieeffizienz vs. Digitalisierung? Dr. Tino Langer, Mark Richter Chemnitz, 27. Juni

2 Fraunhofer-Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Kurzprofil Gründung 1991 Standorte: Chemnitz (Hauptsitz) Dresden, Zittau, Wolfsburg, Leipzig Ca. 530 MitarbeiterInnen ca. 40 Mio. Forschungsvolumen Chemnitz Forschung unter dem Leitthema»Ressourceneffiziente Produktion«Kompetenzbereiche: Werkzeugmaschinen und Automatisierung Mechatronik und Leichtbaukomponenten Spanende Technologien Umformtechnologie Fügen und Montage Produktionsmanagement 2

3 Zahlen 2018 google Treffer Energiewende 5,5 Mio. Digitalisierung ca. 13,5 Mio. Energieeffizienz 8 Mio. 5 Mio. Industrie 4.0 4,7 Mio. 3 Mio. 10 Mio. 7,5 Mio. August

4 Digitalisierung 2005 Quelle: 4

5 Digitalisierung 2013 Quelle: 5

6 Digitalisierung % 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 Quelle: statt Revolution 6

7 Digitalisierung Studie: Boston Consulting Group (BCG) 2017 Quelle: Digitalisierung: Wer den Anschluss verliert, Artikel vom 21. April

8 Digitalisierung 2017 Quelle: Beim digital Mindset hapert es am meisten, Artikel vom 22. August

9 Digitalisierung 2017»Künstliche Intelligenz und Lernen«- Der nächste Schritt nach der ersten Digitalisierungswelle? Professor Dr. habil. Christoph Igel (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - DKFI)»Mensch vergessen«besser: Quelle: Igel-Keynote-Künstliche-Intelligenz-und-Lernen.pdf 9

10 Digitalisierung/Energieeffizienz 2018 Quelle: 10

11 Digitalisierung/Energieeffizienz 2018 CO 2 -Preise für Industrieunternehmen steigen aufgrund von Energieeffizienzsteigerungen jedoch von einer Reduktion des Energiebedarfs im gesamten Industriesektor von 26 bis 32 Prozent bis ins Jahr 2050 auszugehen. Bisher werden die Energieeffizienzziele nicht erreicht Die bisherigen Energieeffizienzsteigerungen bleiben deutlich hinter den Zielwerten zurück. Im Energiekonzept der Bundesregierung ist eine Steigerung von 2 Prozent pro Jahr angesetzt. Tatsächlich liegt sie nur bei etwa 1 Prozent. Möglichkeiten der Digitalisierung und innovativer Lösungen zur Erschließung von Energieeffizienzpotenzialen sollten stärker systematisch genutzt werden. Quelle: 11

12 Energiewende - Quo Vadis? 12

13 Energiewende 2018 Teilergebnis einer Befragung im Rahmen der Forschungsinitiative Global Initiative for Distributed and Local Energy (DALE) The German Perspective am Reiner Lemoine Institut in Berlin. Deutsche Energieexperten glauben mehrheitlich, dass Deutschland seine Führungsposition bei der dezentralen Energiewende ganz oder zum Teil verloren hat. International wird Deutschland hingegen weiterhin als führend bei der dezentralen Energiewende gesehen. Quelle: 13

14 Energiewende Quelle:

15 Industrie 4.0 Digitalisierung in der Produktion Fabrik der Zukunft GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, nachvollziehbar. WERKSTOFFE kennen ihre spez. Eigenschaften. PROZESSE kennen ihre Parameter, passen sich an. Wertschöpfung kennen ihre Eigenschaften und Historie. PRODUKTE synchronisieren Energieangebot/-verbrauch. ENERGIE/EVU MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden. Linked Factory kennen ihre Fähigkeiten, fertigen autonom. MASCHINEN PROZESSKETTEN bilden sich ad-hoc/ressourcenadaptiv. Wissen Entscheidungen FABRIKBETRIEB setzt verfügbare Ressourcen optimal ein. Informationen Smart Data intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTION Simulation, prognosebasierte Absicherung. DIGITALE FABRIK Quelle: operieren, adaptieren sich selbstständig. PRODUKTIONSSYSTEME Daten Big Data 15

16 Strategie»Ressourceneffiziente Produktion«Paradigmenwechsel Statt maximalem Gewinn aus minimalem Kapitaleinsatz muss künftig gelten: Maximale Wertschöpfung bei minimalem Ressourceneinsatz! 16

17 Electricity Gas Heat Materials Strategie»Ressourceneffiziente Produktion«Eine Erfolgsgeschichte des Fraunhofer IWU Forschungsschwerpunkt Energiesensitivität Gebäudeleittechn./ -automatisierung Forschungsschwerpunkt Energieeffizienz Produktionsautomatisierung Forschungsschwerpunkt Energiemanagement 2.0 (Volatilität, Regionalität, Rollenkonjunktion, Transparenz) 2016 ff. Forschungsschwerpunkt Energieflexibilität IWU E³-Forschungscampus InnoCaT Control Aktorik Sensorik E 3 TP Gebäude IWU E³-Forschungsfabrik Mobility Farming Manufacturing Urban Areas IWU E³-Forschungsfabrik Enabler und Referenz für: Smart production, Mobile IT Linked factory, Industrie 4.0 Grundlagen und Konzepte Systemdemonstratoren (Photovoltaik + BHKW) Sichtbarkeit, Akquiseerfolge, Startprojekte, Vorlauf Zukunftsbaustein Standort Chemnitz 17

18 Energienutzung in Deutschland nach Sektoren Energieträgern 3,2% Erneuerbare Energie 28% Haushalte 28% Industrie Strom (inkl. EE) 31% Gase 35% 15% Gewerbe Dienstleistung Handel 28% Verkehr Fernwärme 8% Erneuerbare Wärme 3% Sonstige 3% Stein- und Braunkohlen 15% Mineralölprodukte 5% Quellen: AG Energiebilanzen: Auswertung zur Energiebilanz 1990 bis 2013, Stand 09/

19 Strompreise für Industriekunden in ausgewählten europäischen Ländern nach Verbrauchsmenge im Jahr 2016 (in Euro-Cent pro Kilowattstunde) Quelle: 19

20 Steigerung der Energieeffizienz in der industriellen Produktion P Transparenz Energieeffiziente Komponenten Produktionspausen Spitzenlasten Aktives Energiemanagement t P Sleep wake on t 20

21 WindNODE - Das Schaufenster für intelligente Energie aus dem Nordosten Deutschlands Reallabor und Schaufenster für ein komplettes Energiesystem (50Hertz-Region) Stärkung des Marktes für Flexibilitäten und mehr Systemverantwortung der Bilanzkreise Innovationen für den Massenmarkt und Beitrag zur Branchentransformation Klare Nutzerorientierung und breite Verankerung in Politik und Gesellschaft IKT-Standards made in Germany für das vernetzte Energiesystem Partner aus: Wirtschaft Wissenschaft AP 7.1»ZIEL«Algorithmen und Methoden für ein Zukunftsfähiges Intelligentes Energie- und Lastmanagement 21 Quelle: WindNODE

22 AP 7.1»ZIEL«Demonstrator»E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion«22

23 AP 7.1»ZIEL«Industrielle Produktion der Zukunft:»micro grid«im»smart grid«algorithmen und Methoden für ein Zukunftsfähiges Intelligentes Energie- und Lastmanagement Aktives Energiemanagement Steuerung/Regelung Energiequellen, -senken und -speichern Energiemärkte Geschlossene Kreisläufe Energiespeicherung/ -rückführung EVU Regenerative Energien dezentrale Erzeugung und Nutzung Gebäudeinfrastruktur/ -leittechnik Verknüpfung mit Produktionstechnik MES GLT»ZIEL«ZIEL* Produktionsplanung/ -steuerung energie-/kostenadaptiv Halle/Standort Maschine Anlage ZIEL* 23

24 »Sektorkopplung in der Fabrik«Algorithmen und Methoden für ein Zukunftsfähiges Intelligentes Energie- und Lastmanagement Energieversorger BHKW PV elektr. Netz Wärmenetz Heizung Maschine Wandler Wandler Fertigung»ZIEL«Kältenetz Druckluft Fabrik Fertigungsplanung Anlage 24

25 AP 7.1»ZIEL«- Energiesensitive Produktionsplanung Kombinierte Energie- und Materialflusssimulation für Produktionsanlagen, UND Produktions- und Gebäude-Infrastruktur Fördertechnik Freie Parametrierung Beleuchtung Druckluftstation Generischer Energiebaustein Energiesensitive Materialflussplanung Quelle: Produktionsanlage, Produktionshalle Trafostation, Energiespeicher Lüftungsanlage 25

26 AP 7.1»ZIEL«- Energiesensitive Produktionsplanung Bereich»Mechanische Fertigung«22 Maschinen zur spanenden Bearbeitung Erfassung/Analyse Messdaten Ableitung Betriebszustände und mittlere Leistungsniveaus für Parametrierung Modell Maschinennahe Energiespeicher Quelle: 26

27 AP 7.1»ZIEL«- Energiesensitive Produktionsplanung 1 Energieangebotsorientierte Produktionsplanung Taggenaue Auflösung und Planung im Wochenhorizont Simulation der Leistungsflüsse (im Sekundenbereich) mit Signal zur Umplanung bei der Verletzung systembedingter und/oder energieliefervertraglicher Grenzwerte (z. B. Spitzenlasten) 3 Leistungsflussorientiertes Rescheduling zur Umplanung des Maschinenbelegungsplans im begrenzten Suchraum 2 4 Lastprofiloptimierter Maschinenbelegungsplan Übergabe zur ereignisorientierten Fertigungssteuerung/Fabriksteuerung 4 Mehrstufiges multikriterielles Job-Shop-Scheduling (wt-online - Ausgabe , S ) 27

28 AP 7.1»ZIEL«Spezifikation ZIEL-System-Funktionen Betriebsarten Automatik Hand A1.1 Eigenerzeugung max/min/fix A1 - Versorgung A1.3 Energieträgerwechsel A2 - Nutzung A2.2 P>P soll1 A2.1 Lastspitzenminimierung A1.2 Nutzung Energiespeicher A2.4 A2.3 P soll2 <P<P soll1 P<P soll2 H1 (nur) EVU H2 Speicher laden/entla den H3 Autarkie 28

29 »Energetischer Digitaler Zwilling«Energetischer Digitaler Zwilling im Unternehmen Gekoppelte Simulation (PPS, elektrisch, therm.) Sensorik, Schnittstellen, Datenintegration Prognose Energienutzung Maschinelles Lernen von Prozess und Maschinenzuständen Transparenz Entwicklung Lösungen Algorithmen für MES, NC, Optimierung Energiesensitive Optimierung Betriebsführung Gesamtsystem (Maschine + Prozess) Produktionsplanung und Steuerung Auslegungsunterstützung Maschinenkonstruktion (ET) Unternehmensinterne Versorgungssysteme (insb. Speicher) ERP MES SCADA SPS E/A-Si gnale»prozesse in der industriellen Produktion«(Maschine und Technologie) Energiebasiertes Condition Monitoring predictive maintenance Prozesse 29

30 Kopernikus-Projekt Ausrichtung von Industrieprozessen auf fluktuierende Energieerzeugung Energieflexibilisierung im Maschinen- und Anlagenbau Akzeptanz von technischen und organisatorischen Lösungen in der Zivilgesellschaft Produktionsprozessübergreifende, organisatorische und technische Lösungen Energieflexibilisierung von Schlüsselproduktionsprozessen Lebensmittelindustrie Papierherstellung Maschinen und Anlagenbau Energie-Synchronisations-Plattform Produktion: Energiesynchronisierte Steuerung von Produktionssystemen Markt: Schnittstelle für einen (teil-) automatisierten Abruf von Strommarktprodukten Neue Geschäftsmodelle Regulierungen Produkte im Strommarkt mit Integration konventioneller Erzeuger Abbildung von Teillösungen in einer Modellregion 30

31 Kopernikus-Projekt Ausrichtung von Industrieprozessen auf fluktuierende Energieerzeugung Energieflexibler Fabrikbetrieb Identifikation Energienutzung vs. Betrieb Stellhebel (Schaltkonzepte, Produktionsplanung /-steuerung) Befähigung Vernetzung (Energie, Daten)»Sektorkopplung in der Fabrik«(E-Wandler, -speicher) Verknüpfung Planungstools Planbarkeit Kurz-/ mittel-/ langfristige Verwertung von Angebots- /Nachfragewissen 31

32 Kopernikus-Projekt Ausrichtung von Industrieprozessen auf fluktuierende Energieerzeugung Energieflexibler Fabrikbetrieb DigET Digital Energetic Twin REAL DigET Der DigET ist Voraussetzung für Pro-Aktives Energie- und Lastmangement Prognose von Lastbedarfen auf Grundlage von live - Produktionsplanungsdaten Aktives Management von Energie über alle Steuerungsinstanzen hinweg Kommunikation mit Energiemärkten über DigET 32

33 Energieeffizienz und -flexibilität durch Digitalisierung! Mark Richter Gruppenleiter»Energiesysteme in der Dr. Tino Langer Hauptabteilungsleiter»Smarte Fabrik - Digitalisierung und Automatisierung«tino.langer@iwu.fraunhofer.de