ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN

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1 PROJEKTGRUPPE RESSOURCENEFFIZIENTE MECHATRONISCHE VERARBEITUNGSMASCHINEN ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Simon*, Schultz*, Keller*, Glasschröder, Reinhart TU Graz 14. Symposium Energieinnovation 2016 M. Sc. Peter Simon Fraunhofer * Nachwuchsautoren

2 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 2

3 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 3

4 DEFINITIONEN Relevante Begrifflichkeiten Produktionssystem Unter einem Produktionssystem wird dabei ein soziotechnisches System verstanden, welches Input (z. B. Know-How, Methoden, Material, Finanzmittel, Energie) in wertschöpfenden (z. B. Fertigung oder Montage) und assoziierten Prozessen (z. B. Transport) zu Output (z. B. Produkte, Kosten, Reststoffe) transformiert. 1 Energieflexibilität Energieflexibilität [ist] die Fähigkeit [ ], sich schnell und mit sehr geringem finanziellen Aufwand an Änderungen des Energiemarktes anzupassen. 2 4 Quelle: Nyhuis et al. 2010, Graßl 2015

5 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 5

6 AUSGANGSSITUATION UND MOTIVATION EINFLUSS DER ENERGIEWENDE AUF DIE STROMPREISENTWICKLUNG Deutschland als Vorreiter Ausstieg aus der Kernenergie bis 2022 Steigerung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien von aktuell 28 % auf 80 % bis zum Jahr 2050 Vorrangiger Ausbau von Windkraft und Photovoltaik Auswirkungen Energieangebot wird zunehmend wetterabhängig und damit volatil Große regionale Unterschiede bei der Stromerzeugung Ausbaukosten der Energiewende fließen über Umlagen in die Stromkosten ein Die Substitution der Kernenergie durch erneuerbare Energien stellt die zukünftige Herausforderung für das deutsche Stromsystem dar. 6 Quelle: BMWi, AGORAEnergiewende Quellen: BUA, BMU & BMWi 2009, dena, sueddeutsche.de

7 AUSGANGSSITUATION UND MOTIVATION FOLGEN DES AUSBAUS REGENERATIVER ENERGIEN Stunden Bedarf an Redispatch-Maßnahmen +500% Der Bedarf an Redispatch- Maßnahmen steigt, z.b. mittels: Leitungsausbau Speicher flexibler Lasten Der Strommarkt 2.0 sieht daher eine stärkere Flexibilisierung vor: Regelleistungsmärkte für neue Anbieter öffnen Netzentgeltsystematik weiterentwickeln Regeln für die Aggregation von flexiblen mittelgroßen und kleinen Verbrauchern Der Bedarf an flexiblen Lasten ist erkannt. 7 Quelle: BMWi, AGORAEnergiewende

8 STAND DER FORSCHUNG UND HANDLUNGSBEDARF BEEINFLUSSUNG DER LAST DURCH ZUSTANDSWECHSEL Zur Bewertung von Energieflexibilität werden mögl. Zustandswechsel betrachtet 8 Quelle: Graßl 2015

9 Leistung [kw] STAND DER FORSCHUNG UND HANDLUNGSBEDARF KATEGORIEN VON MAßNAHMEN DER ENERGIEFLEXIBILITÄT 80 Saisonal Wochen/Tage Minuten Max Ø Strompreis Min *EEX SpotBase (tägliche Durchschnittspreise) Verschiebung von Teilen der Produktion in den Sommer Zeit [t] Energiebedarf eines Lasers abh. von Art & Dicke des Materials Anpassung des Energiebedarfs einer Werkzeugmaschine Technisch Organisatorisch Saisonal Monatlich Täglich 15 Minuten Anlage System Segment Fabrik Fokus von Graßl 2015 Fokus des Papers Vollständige Bewertungsmethode existiert bisher nur auf der Anlagenebene 9

10 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 10

11 LÖSUNGSANSATZ IDENTIFIZIERUNG VON MAßNAHMEN ZUR ENERGIEFLEXIBILITÄT Prämissen Geringer finanzieller Aufwand Berücksichtigung des vorhandenen Messequipments Produktionssystem-Ebene Bestandteile Energiebedarf Entkopplung Zustandswechsel TGA Relevante Anlagen Relevante Puffer Maßnahmen Zusätzliche Leistungsveränderung Ergebnis: Katalog mit technisch möglichen Maßnahmen 11

12 Kosten [ ] LÖSUNGSANSATZ TECHNISCHE BEWERTUNG UND KOSTENFUNKTIONEN VON MAßNAHMEN FÜR DIE PPS Zeitliche Eigenschaften 1. Definition der benötigten Werte 2. Berücksichtigung von Wechselwirkungen und Systemzuständen Kostenfunktion 1. Dynamische Bewertung der Kosten in Abhängigkeit der Verweildauer 2. Berücksichtigung von Opportunitätskosten Variable Kosten Optimum Break-Even-Point Energiekosteneinsparungen Technische oder Materialfluss begingte max. Verweildauer Anzahl Wiederholmöglichkeit = t Vo+ t Akt + t Verweil t Deakt + t Na Betrachtungszeitraum Verweildauer [min] Fixe Kosten Ergebnis: Technisch bewertete Maßnahmen mit hinterlegter Kostenfunktion 12

13 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 13

14 UMSETZUNG IN DER PRODUKTIONSPLANUNG ANWENDUNG DES MAßNAHMENKATALOGS IN DER PPS Energieflexible Fabrik Preissignal Energieversorgung Katalog PPS Bewertung Energieeinkauf Mittelfristiges Erweiterungsmodul im ERP-System Kurzfristiges Erweiterungsmodul im Maschinenbelegungsmodul Automatische Optimierung der Produktionsreihenfolge anhand der Fertigungsinformationen der Produkte wie z. B. Arbeitspläne und dem Energieprofil Erstellung Fertigungsplan & Übergabe des Energieprofils an die P-Steuerung 14

15 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 15

16 UMSETZUNG IN DER PRODUKTIONSSTEUERUNG LASTMANAGEMENT ALS BESTANDTEIL DER UNTERTÄGIGEN PRODUKTIONSSTEUERUNG A Produktionsplanung Fertigung Ist-Daten Rückmeldungen Störungen 1 Datenerfassung Bereitstellung der Schnittstellen Datenvorverarbeitung Bereitstellung des Produktionszustands 2 Bedarfsüberwachung Aktualisierung des Belegungsplans Bedarfsprognose Identifikation von Abweichungen Maßnahmendefinition 4 Laststeuerung Maßnahmenauswahl Abweichungskompensation Kostenminimierung C B Generierung von Maßnahmen Quantifizierung Priorisierung der Maßnahmen Iteration Energieversorger Maßnahmenauswahl durch geeignete Algorithmen z.b. im MES 3 16

17 AGENDA ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Definitionen Ausgangssituation und Motivation Stand der Forschung und Handlungsbedarf Bewertung von Energieflexibilität Umsetzung in der Produktionsplanung Umsetzung in der Produktionssteuerung Zusammenfassung 17

18 ZUSAMMENFASSUNG BEWERTUNG DER ENERGIEFLEXIBILITÄT IN PRODUKTIONSSYSTEMEN Identifikation Bewertung Kategorisierung Zeitliche und Kosten- Bewertung Input : Bewertete Maßnahmen Umsetzung Integration PPS Produzierende Unternehmen können durch den Einsatz ihrer Energieflexibilität einen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende leisten Die Bewertung der Potentiale gelingt in 3 Schritten Die konkreten Maßnahmen werden von der PPS automatisiert zum optimalen Zeitpunkt umgesetzt 18