Energieeffizienz von Fertigungsprozessen

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1 Institut für Fertigungstechnik u. Hochleistungslasertechnik Bewertung und Optimierung der Energieeffizienz von Fertigungsprozessen Dipl.-Ing. Matthias Hacksteiner Forschungsprojekt Gebäudeebene Entwicklung und Implementierung von Energiemonitoring-Lösungen für komplexe Produktionssysteme Lastganganalyse und Guideline für die Erhebung von Energieströmen Implementierung von Optimierungsmaßnahmen nebene Standardisierte nvermessung und Bewertung der neffizienz Standardisierte Bewertung der Prozesseffizienz über energetische Messungen Energetische Analyse produktionsplanerischer Einflüsse über Simulationen 2 1

2 (Mobiles) Messsystem für energetische Größen Messrechner Kommunikation Messtechnik Software WinCC OA Flexibles User Interface Verschiedene Kommunikationstreiber Berechnung von Kennzahlen, statistischen Werten etc. minimale Messauflösung 100 ms Datenbank- und Datenexport-Funktion Industrial Ethernet Switch SCALANCE XF208 Auswertung Messung Optimierung Analyse Multifunktions-Messgerät SENTRON PAC 3200/4200 für U, I, P, Q, S, cos(φ) SIMATIC S SPS FESTO CPX-CEC SPS/Ventilinsel Stromwandler 50/5 A 60/1 A 75/1 A 100/1 A 125/1 A 250/1 A 400/1 A 600/1 A 1000/1 A Sensorik Druckluft (Volumenstrom und Druck) Kühlkreisläufe (Volumenstrom und Temperatur) 3 Energiemonitoring: Ziele Erfassung, Überwachung und Visualisierung von Energieflüssen Bestimmung von Optimierungspotentialen Nachweis der Wirkung von Optimierungen Condition-Monitoring Kennzahlen für das Energiemanagement (Reporting) Energieflüsse erfassen KPI Optimieren & Überwachen Energiekosten senken und Gewinn steigern Gesetzliche Vorgaben erfüllen (EU-Klimaziele) CO 2 -Ausstoß verringern und Image verbessern KVP Einflussfaktoren untersuchen Kennwerte ableiten 4 2

3 Energiemonitoring: Optimierungsstrategien Energieverbrauch vermeiden Energieverbrauch optimieren Komponenteneffizienz optimieren Systemübergreifend optimieren Öfen Beleuchtung Kühlung Kompressor n Wärmetauscher Druckluftnetz Prozesse Hilfsaggregate Auslastung HLKK EDV Taktzeit 5 Energiemonitoring: Industrielles Beispiel 1 Energiemonitoring mit 30 Messpunkten Quick Wins (bezogen auf Gesamtenergieverbrauch) Gezielte Abschaltung verschiedener n in arbeitsfreier Zeit 6% der elektrischen Energie Steuerungstechnische Optimierung von Heizlüftungsanlagen 4% elektrisch und 8% Gas Optimierung der Kompressorensteuerung und des Druckluftsystems 5% elektrisch Jährliches Einsparpotential: 1010 MWh elektrisch und 477 MWh Gas 6 3

4 Energiemonitoring: Industrielles Beispiel 2 Ermittlung der Auslastung und des energetischen Verhaltens von Produktionsanlagen über kurzzeitige Messungen Energieeffizienz und Auslastung von Härteöfen η = m c p T P Auswahl des effizienteren Ofens je nach Fördermenge Beschickung optimieren (Produktbatching) Ofen 1 auch am Wochenende beschicken (keine Standby-Verluste) Wärmerückgewinnung Kühlwasser 7 Energiemonitoring: Messkonzept mi-factory nhalle Energieversorgung Legende Messpunkt Druckluft (Volumenstrom und Druck) Messpunkt elektrische Leistung CompAir L15RS 50 A Schaltschrank mi-factory 400 A Stromnetz Druckluftnetz Kompressor Beleuchtung, EDV etc. restliche Druckluft- Verbraucher Antriebe HAAS VF2 35 A Antriebe KSS- Aggregat EMCO MAXXTURN45 50 A Antriebe KSS- Aggregat HERMLE C42U 80 A Hydraulik- Aggregat Kühlung 8 4

5 Energiemonitoring: User Interface mi-factory 9 Energiemonitoring: Optimierungsstrategien 10 5

6 Werkzeugmaschine: beispielhafte Messpunkte elektrisch Achs- und Spindelantriebe Hydraulik/Hydrostatik Kühlung Absaugung Druck Durchfluss Strom Spannung pneumatisch Sperrluft MMS Abblasung Werkstückabfrage thermisch Kühlwasser KSS-System Temperatur Durchfluss Quelle: ISO 11 Werkzeugmaschine: Energieflüsse Elektrische Energie P K = Q ρ c p T 1 η p 2 p 1 κ 1 κ 1 Druckluftverbräuche Ringspalt: Q = 2 p ρ r a 2 r i 2 π Bedarfsgerechter Einsatz Effiziente und richtig dimensionierte Komponenten 12 6

7 P in kw P in kw Werkzeugmaschine: Effizienz und Produktivität E Zerspanung = t B Pmit WS P ohne WS dt 0 η = E Zerspanung + Q ab nutz E Steigerung der Produktivität und des energetischen Wirkungsgrades durch optimierte Werkzeugtechnologie 13 Werkzeugmaschine: Optimierungsbeispiel Energetische Messung der Bauteilbearbeitung Transferzentrum (Automobilindustrie) Optimierung des Fertigungsablaufes t in s t in s 2,4 s früherer Spindelhochlauf möglich Reduktion der Taktzeit um 5% ergibt bei gleichbleibender Stückzahl eine jährliche Energieeinsparung von ca. 10 MWh pro ergibt bei gleichbleibender Produktionszeit bzw. gleichem Energieeinsatz einen um Stück höheren Output 14 7

8 Zusammenfassung Energiemonitoring auf Hallen-/Bereichsebene Ermittlung und Visualisierung des Energieverbrauchs von Unternehmensbereichen und Kostenstellen bis hinunter auf n- und Anlagenebene Identifikation und Optimierung von Grundlast- bzw. Schwerpunktverbrauchern Basis für Energieplanung und ROI-Ermittlung von Effizienzmaßnahmen Überwachung von Anlagen zur Sekundärressourcenbereitstellung (wie etwa Kompressoren oder Kälteanlagen) sowie von Verteilernetzen Berechnung von Energiekennzahlen als Basis fürs Energiemanagement (KVP) Energetisches n- und Prozessmonitoring Einfache und kostengünstige Überwachung der Auslastung und somit der Produktivität von Anlagen über energetische Messungen Detaillierte energetische Prozessanalyse über hochaufgelöste Messdaten als Basis für organisatorische oder technische Optimierungen Condition Monitoring zum Rückschluss auf die Produktqualität oder zur Vorbeugung von Werkzeug- oder ndefekten Erstellung individueller CO 2 -Footprints gefertigter Werkstücke und Basis für TCO-Kalkulation Bestimmung und Vergleich der Effizienz und Produktivität von Produktionsprozessen als Basis für Taktzeit- oder Technologieoptimierungen Analyse und Überwachung der Produktivität von Produktionsanlagen (OEE), etwa zur Koppelung an ein Produktionsleitsystem 15 Kontakt Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn Friedrich Bleicher Institutszentrale Getreidemarkt 9/ Wien Dipl.-Ing. Matthias Hacksteiner hacksteiner@ift.at +43-(0) Dipl.-Ing. Fabian Dür duer@ift.at +43-(0)