Projekt 35438/01

Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von Gießereien durch ganzheitliche Digitalisierung betrieblicher Prozesse

Projektdurchführung

Kemptener Eisengießerei Adam Hönig AG
Adam Hönig Str. 1
87435 Kempten

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gießen ist ein energieaufwändiges Fertigungsverfahren, und das deutsche Gießereiwesen sieht sich vor die Aufgabe gestellt, einen Beitrag zur Eindämmung des menschengemachten Klimawandels zu leisten. Das Potenzial ist aufgrund der Größe des Industriezweigs erheblich. In der gegenwärtigen, von industriellem Wandel geprägten Weltwirtschaftslage steht diese mittelständisch geprägte Branche auch großen ökonomischen Herausforderungen gegenüber. Die Struktur der spezifischen Zulieferer- und Abnehmermärkte, hohe Energiepreise und geringe Umsatzrenditen zwingen Gießereien, die Effizienz ihrer Produktionsprozesse fortlaufend zu vervollkommnen. Ressourcensparende Produktion und verantwortungsvoller Einsatz von Energie sind Antworten auf beide Anforderungen: die Verbesserung der Umweltbilanz und die ökonomische Optimierung. Für die Kemptener Eisengießerei gehören sie zu den zentralen Unternehmenszielen.
Vom REFFpro-Vorhaben sollen in diesem Sinn neue Impulse ausgehen. Sein Ziel ist es, die Umweltverträglichkeit der Produktion kleiner und mittelständischer Gießereien zu optimieren und einen Betrag zur Verbesserung der Nachhaltigkeit zu leisten. Weil
Energieeinsparmaßnahmen auch wirtschaftlich sinnvoll sind, kann letztlich verhindert werden, dass die umweltschädliche Produktion aufgrund rechtlicher Auflagen ins Ausland verlagert wird.
Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz wurden bislang größtenteils im Bereich der Anlagenmodernisierung vollzogen. Digitalisierungsansätze und datengetriebene Optimierung der Prozesse kamen bis dato wenig zum Einsatz. REFFpro sieht vor, betriebliche Prozesse innerhalb von Gießereien ganzheitlich digital zu erfassen und zu analysieren. Im Gegensatz zur Einzelbetrachtung von Anlagen und Teilabläufen können so auch Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette berücksichtigt werden, die sich mit konventionellen Methoden nicht abbilden lassen. Eine Bewertung des Energie- und Ressourcenverbrauchs erfolgt auf Grundlage der gesammelten Daten innerhalb des Gießprozesses mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens. Sie erlauben die Identifikation von Haupteinflussparametern auf eine Zielgröße und lassen Rückschlüsse auf eine ideale Prozessführung zu.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAP1 IT-Systemlandschaft und Informationsschnittstellen
? Identifikation energierelevanter Herstellungsprozesse und energierelevanter Zielgrößen
? Erstellung eines grafischen Prozessmodells
? Erstellung einer Architektur für die Zentralisierung relevanter Prozessdaten mithilfe einer Microsoft Azure Cloud
? Identifikation nicht sensorisch erfassbarer Energiedaten als Grundlage für die Entwicklung einer mobilen App
? Erstellung eines Energiemodells mithilfe eines ERD-Diagrams
AP2 Datenmanagement und Umsetzung
? Umsetzung der in AP1 spezifizierten Modelle und Architekturen
? Implementierung eines gussteilbezogenen Energieprofils, mit dem sich prozessspezifische Energieauswertungen vornehmen lassen
AP3 Datenanalyse und -auswertung
? Entwicklung eines Energiemodells für den Schmelzofen. Daraus resultiere ein Machine Learning Modell für die Klassifikation und Prädiktion des Verschleißzustandes von Schmelztiegeln. Implementierung eines webbasierten Assistenzsystems
? Identifikation von Prozessschritten für die Formstoffaufbereitung. Entwicklung eines Energiemodells für die Formstoffaufbereitung. Daraus resultierte ein webbasiertes Assistenzsystem, mit dem sich die Verbräuche identifizieren und analysieren lassen
? Identifikation hoher Resteisenmengen und Planung von Optimierungsschritten
AP4 Belegungsplanung Formanlage
? Untersuchung der Planungsrestriktionen für die Formanlage
? Entwicklung zweier Algorithmen für die Reduktion von Resteisenmengen und eine energetische Optimierung
AP5 Entwicklung und Vorhersage- von Entscheidungsmethoden
? Die Ergebnisse dieses APs stellen die zuvor entwickelten Assistenzsysteme dar
AP6 Verifizierung und Validierung
? Verifizierung und Validierung der Projektergebnisse mit den Konsortialpartnern




Ergebnisse und Diskussion

Auflistung energierelevanter Herstellungsprozesse und Prozessparameter
? Cloud-Lösung für eine zentralisierte Speicherung aller relevanter Daten
? Mobile App für die Erfassung nicht sensorisch messbarer Daten
? Gussteilbezogenes Energieprofil für die prozessspezisiche Analyse von Energieverbräuchen
? Energiemodell für den Schmelzofen
? Energiemodell für die Formstoffaufbereitung
? Assistenzsystem für die Visualisierung und Auswertung von Energiedaten einzelner Prozesse (beispielsweise der Formstoffaufbereitung)
? Assistenzsystem für die Klassifikation und Prädiktion des Verschleißzustands eines Schmelztiegels
? Assistenzsystem für die Belegungsplanung an der Formanlage
? Identifikation zu hoher Resteisenmengen
? Insgesamt konnte das Unternehmen seine CO2-Emissionen um durchschnittlich 1.138.200,00 kg reduzieren (verglichen zum Jahr 2019)
Einsparung von CO2-Emissionen im Projektzeitraum:
Allgemein wirken sich Energie- sowie Rohstoffeinsparungen auf die Ökonomie der Gießerei aus. Im Fokus steht jedoch auch die Auswirkung des Projektes auf die ökologischen Aspekte. Abb. 19 zeigt den vom Energiemanagement errechneten CO2-Ausstoß der Kemptener Eisengießerei zwischen den Jahren 2019 und 2022. Das REFFpro-Projekt startete im Jahr 2020. Im Vergleich zum Jahr 2019 konnten 973.665,00 kg CO2 eingespart werden. Dies ist als großer Erfolg zu bewerten und übertrifft die im Projektantrag geschätzte Einsparungsmenge um 849,655 t. Gegenüber dem Vergleichsjahr 2019 konnte in den Folgejahren der CO2Ausstoß maßgeblich reduziert werden. 2022 war dieser um 1.385.822,00 t geringer als im Vergleichsjahr. Die Projektpartner sehen diese massiven Einsparungen als vollen Erfolg an.
Die Gießereileitung der Kemptener Eisengießerei ist sich sicher, dass REFFpro Maßnahmen entscheidend zu den CO2-Einsparungen beigetragen und darüber hinaus viel Bewusstheit für eine umweltfreundlichere Produktion geschaffen hat. Viele Optimierungs- und Einsparungsmaßnahmen sind auch nach Abschluss des Projektes weiterhin im Einsatz und neue in Vorbereitung (bspw. die Untersuchung der Formstoffaufbereitung). Somit ist also auch in den Folgejahren mit weiteren Einsparungen durch das Projektvorhaben zu rechnen.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Tagungsbeiträge, Fachausschüsse und Arbeitskreise
? Ressourceneffizienz- und Kreislaufwirtschaftskongress (Kongress BW) des Landes Baden-Württemberg. Oktober 2021. Stuttgart.
? Eine Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie – Aus der Forschung in die Praxis (Webinarreihe). Bayern Innovativ. Februar 2022. Online. https://www.bayern-innovativ.de/de/veranstaltung/ausder-forschung-in-die-praxis#!rueckblick
? Roadmap zur Vision: 2045 - Zur klimaneutralen Produktion mit Digitalisierung (als Diskussionsgrundlage mit Branchenvertretern und dem Bayrischen Staatsministerium). Bayern Innovativ . März 2022. https://www.bayern-innovativ.de/de/seite/roadmap-vision-2045
? Steigerung der Energieeffizienz durch künstliche Intelligenz (KI) – Berichte aus der Praxis (Webinarreihe). Deutsche Bundesstiftung Umwelt: #DBUdigital Online-Salon. Juni 2022. https://www.youtube.com/watch?v=iVTQl3d1cnk
? Vorstellung des REFFpro-Projektes vor Studierenden der Hochschule Kempten. Juni 2022.
? Fachausschuss Eisenguss (Teilnahme und Präsentation der Ergebnisse). Oktober 2022.
? Barbaratagung (Teilnahme und Poster-Präsentation des Projektes). Dezember 2022.
? Bdguss Arbeitskreis Gießerei 4.0 (Teilnahme an unterschiedlichen Sitzungen des Bdguss, bei denen das REFFpro-Projekt vorgestellt und bisherige Ergebnisse mit der Fachgemeinschaft besprochen wurden). 2022 und 2023.
? Vorstellung des REFFpro-Projektes im Rahmen eines Workshops (in Anlehnung an die Roadmap zur Vision 2045). Bayern Innovativ und Bayrisches Staatsministerium. Januar 2023.
? Präsentation des Projektes auf der GIFA. 2023.
? Barbaratagung (Teilnahme und Poster-Präsentation des Projektes). Dezember 2023.
Publikationen
Mit Digitalisierung die Produktion nachhaltiger gestalten (Fachartikel). Eine Brücke zwischen Wis-senschaft und Industrie – Aus der Forschung in die Praxis. Bayern Innovativ. Februar 2022.
? Roadmap zur Vision: 2045 - Zur klimaneutralen Produktion mit Digitalisierung (als Diskussionsgrundlage mit Branchenvertretern und dem Bayrischen Staatsministerium). Bayern Innovativ . März 2022. https://www.bayern-innovativ.de/de/seite/roadmap-vision-2045
? Wie künstliche Intelligenz beim Energiesparen hilft (Interview und Veröffentlichung). Süddeutsche Zeitung. September 2022. https://www.sueddeutsche.de/wirtschaft/ki-energie-sparen-deutschlandindustrie-1.5650707
? Vernetzt – Das Innovationsmagazin von Bayern Innovativ 2023-01 (Artikel über das REFFpro Projekt). Januar 2023.
? Giesserei Ausgabe 7 2023 - KI-getriebene Handlungsempfehlungen für Gießprozesse. 2023.
? Kempten iron foundry: We want to take the future into our own hands. Foundry Planet. Mai 2023. https://www.foundry-planet.com/d/kempten-iron-foundry-we-want-to-take-the-future-into-our-ownhands/



Fazit

Das Forschungsprojekt REFFpro hatte zum Ziel, die Umweltverträglichkeit kleiner und mittelständischer Gießereien zu optimieren und einen Beitrag zur Verbesserung der Nachhaltigkeit zu leisten. Aufgrund aktueller politischer und weltwirtschaftlicher Entwicklungen, welche die deutsche Gießereiindustrie stark beeinflussen, erreichte das Projekt großen Zuspruch und auch mediales Interesse.
Durch unterschiedliche Maßnahmen hat das Projektkonsortium energierelevante Prozessdaten identifiziert, zentralisiert und gespeichert. Mithilfe eigens entwickelter Assistenzsysteme, die auf modernen Data Science Ansätzen sowie Algorithmen der Künstlichen Intelligenz basieren, lassen sich die Energieverbräuche von Gussteilen identifizieren und auch analysieren. Die Assistenzsysteme unterstützen die Mitarbeitenden der Kemptener Eisengießerei dabei, prozessoptimale Entscheidungen zur Reduktion von Energie- und Ressourcenverbräuchen zu treffen. Weitere Assistenzsysteme für die Klassifikation und Vorhersage des Schmelztiegelverschleißes sowie für die Optimierung der Belegungsplanung am Formautomaten stellen mit ihren Handlungsempfehlungen weitere Einsparungsmaßnahmen dar.
Aus ökologischer Perspektive konnte die Kemptener Eisengießerei ihre CO2-Emissionen um durchschnittlich 1.138.200,00 kg reduzieren (verglichen zum Jahr 2019). Diese Einsparungen sind (neben weiteren Aspekten) auf die Projektergebnisse zurückzuführen. Die Konsortialpartner bewerten REFpro daher als beachtlichen und nachhaltigen Erfolg. Die bereitgestellten Projektergebnisse finden mittlerweile Anwendung in der Gießerei und tragen auch künftig zu prozessoptimalen Entscheidungen bei. Auch über die Laufzeit hinaus gibt es weitere Untersuchungen und Projekte, welche die Kemptener Eisengießerei aufgrund der in REFFpro gewonnen Erkenntnisse kontinuierlich und ohne Unterbrechung weiterführen möchte.