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Produktions­infrastruktur

Produktionsinfrastruktur

Der Fokus dieses Arbeitsgebiets liegt auf der Analyse von Technologien zur Bereitstellung von Prozesswärme und -kälte sowie auf energieflexiblen Klimatisierungs- und Lüftungskonzepten für Produktionsumgebungen. Ziel ist die Entwicklung von technischen Lösungen, Methoden und Werkzeugen, die branchenübergreifend zur Flexibilisierung des Strombezugs von Anlagen der Produktionsinfrastruktur beitragen können. Hierbei handelt es sich um Lösungen zur Erfassung, Analyse und Bewertung von Flexibilitätspotenzialen sowie zur Unterstützung von Planungsprozessen für Fabrikneu- und Erweiterungsbauten. Zudem werden Algorithmen zur Prognose von Nutzenergiebedarfen sowie zur Modellierung der Anlagen und zur Optimierung des Anlagenbetriebs entwickelt.

TU Darmstadt: PTW
Interaktion der Teilprojekte innerhalb des Arbeitsgebiets.

Neben der Analyse der Flexibilitätspotenziale im Bereich der Produktionsinfrastruktur bei verschiedenen Anwendern aus der Lebensmittel-, Metallverarbeitenden und Chemieindustrie werden in diesem Arbeitsgebiet verschiedene universell einsetzbarer Werkzeuge entwickelt:

Für die Planungsplattform für Fabrikneu- und Erweiterungsbauten sollen etablierte Planungswerkzeuge identifiziert und die klassischen Abläufe bei der Planung von Produktionsumgebungen mit dem Fokus auf klimatisierten Räumen zusammengefasst werden. Ziel ist es zu erforschen, wie die Zielgröße „Energieflexibilität“ bereits in der Planungsphase konsequent berücksichtigt werden kann.

Des Weiteren wird zur Erfassung und Bewertung von Flexibilitätspotenzialen in der Produktionsinfrastruktur ein webbasiertes Assistenzsystem (E-Flex-Scanner) erarbeitet, dessen Aufbau in enger Abstimmung mit den in der VDI-Richtline „Energieflexible Fabriken“ definierten Schritten zur Potenzialanalyse erfolgt und Hemmnisse für Anwender bei der Potenzialerfassung reduzieren soll.

Um Anlagen der Produktionsinfrastruktur zu flexibilisieren, werden Modelle des Anlagenverhaltens sowie Methoden zur Prognose der Nutzenergiebedarfe benötigt. Vor diesem Hintergrund werden datenbasierter Services zur Modellbildung, Optimierung und Prognose erprobt, die am Ende des Projekts auf der Unternehmensplattform zur Verfügung stehen werden.

Weitere Projektinhalte dieses Arbeitsgebiets sind die Erforschung der Interaktion der verschiedenen technischen Einheiten in einem Fabriksystem, beispielsweise durch Energienetze oder sektorkoppelnde Technologien wie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, und der Einfluss dieser Interaktionen auf das Flexibilitätspotenzial der Fabrik. Zudem wird analysiert, wie das Flexibilitätspotenzial mehrerer Anlagen kombiniert und mit übergeordneten Lastmanagementsystemen oder dezentralen Ansätzen koordiniert abgerufen werden kann.

TU Darmstadt: PTW / ETA-Fabrik / Sibylle Scheibner
Treffen in Darmstadt im Januar 2020

Ergebnisse

Grundlage zur Bewertung von Energieflexibilitätspotenzialen in der Produktionsinfrastruktur ist die Schaffung von Transparenz. Zur systematischen Erfassung unterschiedlicher Querschnittstechnologien wurden Eckdaten verschiedener Energiewandler und -speicher in einer Technologiematrix zusammengeführt. Unterteilt wurden hierfür verschiedene Nutzenergieformen wie Wärme, Kälte und Druckluft, die in Produktionsprozessen typischerweise benötigt werden.

In der Kategorie „Energiewandler“ wurden verschiedene Technologien zur Wandlung von Endenergie (wie zum Beispiel Strom und Erdgas, die aus externen Energienetzen bezogen werden) in verschiedene Nutzenergieformen eingeordnet. Neben thermischen Systemen zur Wärme- bzw. Kältebereitstellung wurde auch die Bereitstellung von pneumatischer, hydraulischer und mechanischer Nutzenergie berücksichtigt. Die betrachteten Energiearten decken ein breites Spektrum an industriellen Einsatzfällen ab und beinhalten Querschnittstechnologien wie Kühltürme, Wärmepumpen, Druckluftanlagen, Hydraulikaggregate und Blockheizkraftwerke.

In der Technologiematrix sind neben einer Kurzbeschreibung und Funktionsskizze der jeweiligen Technologie typische Betriebscharakteristika, energetische Kennwerte wie typische Wirkungsgrade und Leistungsstufen sowie wirtschaftliche Kennwerte und die Eignung für einen energieflexiblen Betrieb hinterlegt. Sie dient somit zur Information über die verschiedenen technologischen Varianten zur Bereitstellung der benötigten Nutzenergieform und zur Identifikation vielversprechender Anlagen im Hinblick auf Energieflexibilitätspotenziale im Unternehmen.

Das Energieflexibilitätsgateway bietet eine informationstechnische kostengünstige Anbindung von Anlagen, die über keine eigene Steuerung zur Aufnahme von Daten bzw. zur Ausgabe von Stellsignalen verfügen. Die Implementierung in einem realen Produktionssystem erfolgte an ausgewählten hysteresegeregelten Anlagen (z. B. einem elektrisch beheizten Ölbad).

In der Produktionsinfrastruktur ist das Energieflexibilitätspotential auf viele verschiedene Anlagen verteilt. Ist keine speicherprogrammierbare Steuerung an der Anlage selbst vorhanden, lohnt es sich in vielen Fällen nicht eine Industriesteuerung zu beschaffen und die Anlage damit für den energieflexiblen Betrieb zu befähigen.

Aus diesem Grund wurde in diesem Arbeitsgebiet ein kostengünstiger Minicomputer (Raspberry PI) als Energieflexibilitätsgateway umgesetzt, auf welchem zum einen das Energieflexibilitätsdatenmodell in Abhängigkeit der Sensorwerte berechnet wird und an die Unternehmensplattform gesendet werden kann (siehe auch Informations- und Kommunikationstechnik). Zum anderen ist es möglich auch direkt Optimierungsmodelle auf dem Energieflexibilitätsgateway zu hinterlegen und auf diesem auszuführen.

In der ETA-Fabrik wurden eben dies an einem Ölbaddemonstrator umgesetzt. Die Temperatur im Ölbad muss zwischen einer minimalen und einer maximalen Temperatur gehalten werden, während Wärme an die Umgebung sowie die eingetauchten Bauteile abgegeben wird. Um die Temperatur des Ölbads trotz der Wärmeverluste über der Mindesttemperatur zu halten, wird über einen elektrischen Heizstab Wärme in das Ölbad eingebracht. Wenn der Strompreis günstig ist, kann das Ölbad über die Mindesttemperatur hinaus bis auf die maximale Temperatur aufgeheizt werden, um die Energie für die folgenden Stunden zu speichern. Steigt der Strompreis wieder, kann der Heizstab über einen gewissen Zeitraum ausgeschaltet bleiben, ohne dass die Temperatur des Ölbads unter die Mindesttemperatur fällt. Es konnte gezeigt werden, dass auch kostengünstige Steuerungen für die Befähigung von Anlagen der Produktionsinfrastruktur zu einem energieflexiblen Betrieb geeignet sind.

Zur Untersuchung, wie die Energienachfrage bei klimatisierten Produktionsumgebungen in Zukunft flexibel an das immer stärker schwankende Energieangebot aus erneuerbaren Energien angepasst werden kann, wurde im Oktober 2019 der Bau eines innovativen und energieflexiblen Klimaraumes in der ETA-Fabrik des PTW in Kooperation mit dem Institut für Statik und Konstruktion (ISMD) fertiggestellt. Der energieflexiblen Klimaraum ermöglicht mit Hilfe verschiedener Betriebsstrategien und erweiternder Hardware-Komponenten die Quantifizierung des Energieflexibilisierungspotentials bei klimatisierten Produktionsumgebungen.

Der Klimaraum und dessen Versorgungssystems in der ETA-Fabrik verfügt daher über:

  • ein Kältespeicher zur zeitlichen Entkopplung von Kälteerzeugung- und bedarf (mit Phasenwechselmaterial nachrüstbar)
  • Modular austauschbare und thermisch aktive Wandelemente zur Untersuchung der Speicherkapazität verschiedener Materialien und deren Einflüsse auf das Regelverhalten des Raumes
  • ein klassisches Umluftgerät als Referenzfall
  • ein Energieleitstand, der den Raum ansteuert und die Messdaten zusammenführt

Der Raum ist so konzipiert, dass er verschiedene Temperaturniveaus abbilden kann, die typisch für verschiedene Produktionsprozesse sind. Er ist an die thermischen Netze der ETA-Fabrik angebunden und verfügt über umfangreiche Sensorik wie Temperatursensoren, einem Luftfeuchtigkeits- und CO2-Sensor und Wärmemengenzähler. Mit Hilfe des Energieleitstandes lassen sich verschiedene Betriebszustände wie eine Raumkühlung über die Wandelemente oder das Umluftgerät und Bezug der Kälte aus dem Speicher oder dem thermischen Netz einstellen.

Künftig soll eine „smarte“ Kältemaschine nachgerüstet werden. Diese wird in der Lage sein, Kältebedarfsprofile selbstständig zu erlernen und Optimierungsalgorithmen dezentral durchzuführen. Geplant sind weiterhin Untersuchungen zu gebäudeintegrierten Flexibilisierungsmaßnahmen und zur thermischen Interaktion zwischen Maschine und dem Raumklima.

Zusätzlich dient der Klimaraum als Demonstrator um verschiedene Klimatisierungskonzepte und Betriebsstrategien abzubilden und zu vergleichen. So können generierte Messergebnisse zur Validierung von Simulationen genutzt und das Energieflexibilitätspotential der Raumklimatisierung in der Industrie ermittelt werden.