Ein Beitrag zur Energieeffizienzsteigerung in der Stückgutproduktion
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- Klara Burgstaller
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1 Ein Beitrag zur Energieeffizienzsteigerung in der Stückgutproduktion Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Johannes Böhner aus Bayreuth Erstgutachter: Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath Tag der mündlichen Prüfung: Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik Universität Bayreuth 2013
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3 Fortschritte in Konstruktion und Produktion herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg und Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper Band 26 Johannes Böhner Ein Beitrag zur Energieeffizienzsteigerung in der Stückgutproduktion Shaker Verlag Aachen 2013
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Bayreuth, Univ., Diss., 2013 Copyright Shaker Verlag 2013 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Geleitwort der Herausgeber Das erfolgreiche Industrieunternehmen von heute ist ein aktives Element der global zunehmend vernetzten Welt. Mit hohem Innovationstempo steigern neue Märkte und Technologien die Arbeitsanforderungen, vergrößern neue Werkstoffe und Verfahren, die Informationstechnik und ein Wertewandel der Kundenwünsche aber auch die Gestaltungund Entfaltungsmöglichkeiten des Ingenieurs. Die Konstruktion ist die Königsdisziplin des Ingenieurs. Die Produktion ist die technische Dienstleistung am König Kunde. Beide Aufgabenfelder zusammengenommen bilden den Kern des industriellen Wertschöpfungsprozesses. Mit der hier vorgelegten Reihe "Fortschritte in Konstruktion und Produktion" ist es den Herausgebern ein Anliegen, Beiträge von wissenschaftlicher Seite zu fördern, die durch Entwicklung neuer Denkansätze, methodischer Vorgehensweisen und zugehöriger Instrumente die Leistungsfähigkeit der industriellen Wertschöpfung verbessern und erweitern. Nicht nur technische Lösungen, sondern auch ökonomische, ökologische und soziale Fortschritte stehen hierbei im Blickpunkt oder zumindest am Horizont. Hierfür bietet die Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften mit ihrer interdisziplinären Ausrichtung und Einbindung in die Universität Bayreuth ein glückliches Umfeld. Das Engagement der beiden Herausgeber ist dort vertreten als - Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD - Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik.
6 Mögen also die von uns betreuten Dissertationen, die in dieser Buchreihe erscheinen, zu den wünschenswerten Fortschritten in Konstruktion und Produktion beitragen. Den Autoren der einzelnen Bände dieser Reihe sei für Ihre wissenschaftliche und redaktionelle Arbeit gedankt, den Lesern wünschen wir eine interessante Lektüre und hoffentlich manch wertvolle Anregung für eine erfolgreiche Anwendung der Forschungsergebnisse in ihrer beruflichen Praxis. Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper
7 Vorwort Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth und der angeschlossenen Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung sowie an meiner vorangegangenen Wirkungsstätte, dem Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation in Stuttgart. Die Begeisterung und Inspiration für das Themenfeld Energieeffizienz in der Produktion sammelte ich in einer Reihe von Forschungsprojekten. Aus der Überzeugung, die industrielle Produktion verstärkt in den nachhaltigen Einklang mit der Natur zu bringen, habe ich mich der spannenden Aufgabe gewidmet, bestehende Maschinen und Anlagen energieeffizienter zu gestalten. Herrn Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper, Ordinarius des Lehrstuhls für Umweltgerechte Produktionstechnik und Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation, Bayreuth, danke ich für die intensive wissenschaftliche Betreuung und für die Annahme dieser Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath, Leiter des Instituts für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement und des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation, Stuttgart, danke ich für die Übernahme des Koreferates. Darüber hinaus möchte ich allen Kollegen und Kolleginnen am Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth und bei Fraunhofer in Bayreuth für den fruchtbaren fachlichen Diskurs danken. Weiterhin gilt auch meinen Stuttgarter Kollegen bei Fraunhofer besonderer Dank für den inspirierenden Dialog bei der Themenausrichtung in der frühen Phase meines Dissertationsprojektes sowie für die gute Zusammenarbeit in Industrie- und Forschungsprojekten. Ebenfalls bedanken möchte ich mich auf diesem Wege bei den beteiligten Industrieunternehmen und Fördermittelgebern, die mir die Evaluation des entwickelten Verfahrens in der industriellen Praxis ermöglichten und die Veröffentlichung der generierten Forschungsergebnisse in anonymisierter Form gestatteten. Abschließend gebührt meiner Familie und meinen Freunden aufrichtiger Dank. Bayreuth, im März 2013 Johannes Böhner
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9 Inhalt Inhalt 1. Einleitung Ausgangssituation und Problemstellung Handlungsbedarf Zielsetzung und Lösungsansatz Aufbau der Arbeit... 8 Stand der Erkenntnisse Produktentwicklung Entwicklung und Konstruktion Produktweiterentwicklung Umweltorientierte Produktentwicklung Branchenspezifische rationelle Energieanwendung Stückgutproduktion Chargenproduktion Refabrikation Fabrikplanung und technische Gebäudeausrüstung Fabrikplanungsmethodik Fabrikgebäude Technische Gebäudeausrüstung und Peripherie Produktionsplanung und -steuerung Produktionsplanung Produktionssteuerung ERP-Systeme Prozessorientierte Energieanalyse Energieorientierte Wertstromanalyse Ökobilanzierung Lebenszykluskostenanalyse Wissensbasierte Energieanalyse Modellierung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen Theorie der unscharfen Mengen: Fuzzy-Logik Künstliche neuronale Netze Energiemanagementsysteme Vergleich und Bewertung des Standes der Erkenntnisse Verfahrenskonzeption zur Energieeffizienzsteigerung bestehender Produktionsanlagen Anforderungen an das Verfahren Struktur energierelevanter Eingangsdaten I
10 Inhalt Technologische Betrachtung der elektrischen Energieverbräuche Hierarchisches Werksmodell der Datenebenen Kategorien zu erhebender Eingangsdaten Maßnahmenkategorisierung Verfahrensentwicklung zur Energieeffizienzsteigerung von Produktionsanlagen Modul I: Identifizierung zu untersuchender Produktionsanlagen Prozessanalysen bei Anlagenbetreibern Portfolioanalysen bei Anlagenherstellern Modul II: Untersuchung bestehender Produktionsanlagen Einteilung von Komponenten in Verbrauchergruppen Anlagenspezifische Konfiguration mobiler Messkonzepte Durchführung von Leistungsmessungen Auswertung von Leistungsmessungen Definition energierelevanter Betriebszustände Modul III: Entwicklung von Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung Spitzenlasttransparenz und Lastmanagement Komponentendimensionierung Betriebszustandsspezifische Anlagensteuerung Reduzierung bewegter Massen und Massenausgleich Bremsenergierückgewinnung Modul IV: Maßnahmenbewertung hinsichtlich Kostenbeeinflussung und Implementierung Kostenbewertung bei Anlagenherstellern in der Phase der Produktentstehung Kostenbewertung bei Anlagenbetreibern in der Phase der Anlagennutzung Zuordnung der Kostenbeeinflussung je Maßnahme Implementierung der identifizierten Maßnahmen Zusammenfassende Darstellung der Verfahrensmodule Verfahrensevaluierung Anwendung des Verfahrens in der Metallbearbeitung Ausgangssituation im Unternehmen Beschreibung der Anwendung Nutzen der Anwendung für das Unternehmen Anwendung des Verfahrens im Großanlagenbau Ausgangssituation im Unternehmen Beschreibung der Anwendung Nutzen der Anwendung für das Unternehmen II
11 Inhalt 5.3 Anwendung des Verfahrens im Verpackungsanlagenbau Ausgangssituation im Unternehmen Beschreibung der Anwendung Nutzen der Anwendung für das Unternehmen Verallgemeinerung der Erkenntnisse Vergleichende Bewertung der identifizierten Maßnahmen Übertragbarkeit des Verfahrens Diskussion Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Summary and Outlook Summary Outlook Abkürzungsverzeichnis Formelzeichenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Schriftumsverzeichnis Anhang Terminologie relevanter Begriffe Anforderungen an die eingesetzten Messkonzepte Eingesetzte Messgeräte und Sensoren Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzy-Systems Regelbasis des Fuzzy-Systems Glättung der resultierenden Gesamtleistung Wirkungsgradkennlinien Presse Anlage 1: Ausführung mit Gegengewicht Presse Anlage 2: Eingesetzte Hohlwellen Stromverlauf mit 2 Schaltnetzteilen Ruhestromermittlung des Schaltnetzteils Lebenslauf 156 III
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