Projekt 26999/01

Entwicklung von Werkzeugen zur Entwicklung, Bewertung und Kontrolle von Energieeffizienzmaßnahmen in der Industrie aus Produktions- und Prozesssicht (ENBEKO) – Konzeptphase

Projektdurchführung

Limón GmbH
Große Rosenstr. 21
34117 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Klimawandel sowie die Rohstoffverknappung und steigende Preise für Öl, Gas und Strom erfordern eine deutliche Steigerung der Energieproduktivität. Die Identifikation von Energieeffizienzpotenzialen in produzierenden Unternehmen und die damit verbundene Beurteilung der eingesetzten Technologien ist allerdings aufgrund der hohen Komplexität sehr aufwändig.
Ziel des Projektes ENBEKO ist es, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, welche es erlauben in Industriebetrieben die aktuelle Situation hinsichtlich Energieeffizienz zu bewerten, Potenziale darzustellen und bei der Maßnahmenentwicklung zu unterstützen. Darüber hinaus sollen die durch umgesetzte Maßnahmen erzielten Einsparungen überprüft und quantifiziert werden können. Hierfür werden, neben den vorhandenen Technologien, veränderliche Parameter wie Temperatur, Produktionsmengen, Produkttypen etc. berücksichtigt.
Das Projektkonsortium bringt dabei das jeweilige spezifische Wissen in das Projekt ein. Neben den Kenntnissen rund um das Thema Energieeffizienz ist dabei Know-how hinsichtlich der Programmentwicklung erforderlich, das die ifu Hamburg mitbringt. Die Kenntnisse in der Erstellung von Bilanzierungen aus den ökologischen Bereichen ermöglichen es dem ifu Hamburg sich schnell in die Thematik der energetischen und ökonomischen Bilanzierung einzuarbeiten. Sie sieht im Bereich der Softwareentwicklung für die energetische Bilanzierung und Potenzialabschätzung einen Wachstumsmarkt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Softwarelösung ENBEKO entsteht auf Basis einer Prozessoptimierungssoftware, die um Energie, Effizienz- und Maßnahmenkataloge erweitert wird. Die notwendigen Schritte umfassen dabei die konzeptionelle Gestaltung der Software, sowie die programmtechnische Umsetzung. In der konzeptionellen Phase werden die Bedürfnisse der Zielgruppe erarbeitet und in Zusammenarbeit mit den zukünftigen Anwendern in Workshops die Ziele und Randbedingungen erstellt, die das spätere Programm erfüllen soll. Zudem werden die Strukturen und Umsetzungsmöglichkeiten für die Erstellung der Maßnahmenkataloge erarbeitet. Die Abschätzung der Potenziale erfolgt über Modelle der Fertigungsverfahren, der Primär- und Sekundärprozesse (Gebäudetechnik, Beleuchtung, etc.). Die hierfür notwendigen Arbeitspakte umfassen folgende Tätigkeiten:
1. Erarbeitung eines Nutzerkonzepts (z. B. assistentengeführte Eingabe, Reduzierung auf die wesentlichen Parameter)
2. Entwicklung eines Systems zur Datenaufbereitung
3. Konzeption des Baukastensystems zur Berechnung über verschiedene Modelle
4. Umsetzung in einen Prototyp


Ergebnisse und Diskussion

Für den Anwendungsfall des Spritzgießens hat sich gezeigt, dass der Prozess, obwohl er sehr unter-schiedlich ausgeführt sein kann, in einzelne Teilprozesse (Maschine, Kühlung, Anzahl Kühlkreisläufe) zerlegt werden kann. Der Energiebedarf dieser Prozesse lässt sich wiederum durch mathematische Formeln, die mit relativ wenigen Eingabeparametern auskommen, bestimmen.
Durch das Abfragen der notwendigen Parameter über einen interaktiven Assistenten, der je nach Auswahl weitere Abfragen vornimmt, wird der Benutzer sehr zielstrebig durch den Abfrageprozess geleitet.
Die anschließende Darstellung des Prozesses in einem Sankey-Diagramm ermöglicht es zudem die Hauptenergieverbraucher schnell zu erfassen. Dies gilt insbesondere für Personen, deren Hauptaugenmerk nicht auf dem Energiebedarf der Anlagen, sondern eher auf dem Produktionsablauf liegt. Der Informationsgewinn ist bei den Beteiligten durch diese Darstellungen sehr hoch.

Im Laufe des Projekts hat sich allerdings auch gezeigt, dass einige Aufgaben schwieriger waren als erwartet. Bei der Detaillierung der Prozesse fiel auf, dass das Vorhaben, komplexe Prozesse in einfache, für den Benutzer überschaubare Standardabläufe zu transferieren, eine große Herausforderung darstellt. Die Herangehensweise eines Fachmanns für Energieeffizienzanalysen ist vielfach zu kompliziert, um in einfache Abläufe und Abfragen transferiert zu werden.
Zudem mussten die Formel zur Bestimmung der Energiebedarfe häufig vereinfacht werden, da sich her-ausstellte, dass die notwendigen Eingangsgrößen nicht im betrieblichen Umfeld der Kunden vorhanden sind. Hier liegt nach Meinung der Projektbeteiligten auch noch weiter Forschungsbedarf, um einfache Berechnungsvorschriften für weitere Prozesse, auch für weitere Branchen, wie zum Beispiel die Stahl- und Eisenindustrie, zu ermitteln. Dabei kommt es darauf an mit möglichst wenigen Eingangsgrößen eine gute (ausreichend genaue) Abschätzung des Energiebedarfs zu erhalten.
Des Weiteren sind die möglichen Wechselwirkungen einzelner Maßnahmen aufeinander genauer zu un-tersuchen und in die Software zu integrieren. Hier besteht die Herausforderung, der Software so viel In-telligenz einzuprogrammieren, dass diese Wechselwirkungen erkannt werden und Vorschläge zur richtigen Kombination der Maßnahmen gemacht werden. Es hat sich im Laufe des Projekts gezeigt, dass die Berechnungszeit für die Bilanzierung aufgrund der mathematischen Berechnungen und der Notwendigkeit den Energiebedarf für mindestens einen Jahresverlauf zu berechnen nicht unerheblich ist. Es ist davon auszugehen, dass es nicht möglich sein wird alle technischen Varianten der Einsparung zu berechnen, ohne dass die Berechnungsdauer so weit ansteigt, dass das Programm unbenutzbar wird.


Fazit

Abschließend ist festzuhalten, dass die erste Phase gezeigt hat, dass es möglich ist, die energetischen Einsparpotenziale in der kunststoffverarbeitenden Branche durch eine Software aufzuzeigen. Die Prozesse lassen sich größtenteils mit wenigen Eingabeparametern beschreiben. Die Verknüpfung der einzelnen Teilprozesse lässt sich darüber hinaus durch die Erarbeitung eines Baukastensystems einfach realisieren. Dem Anwender wird somit der Aufwand der komplizierten Modellbildung abgenommen. Die Erarbeitung der mathematischen Beziehungen erforderte allerdings mehr Aufwand als geplant, da im betrieblichen Umfeld nur selten die Eingabegrößen zur Verfügung stehen, die zur wissenschaftlichen Berechnung des Energiebedarfs normalerweise benötigt werden. Hier ist es wichtig mit empirischen Daten oder Vereinfachungen zu rechnen. Des Weiteren benötigt die Berechnung aller theoretisch möglichen Optimierungsmaßnahmen im jetzigen Prototyp noch zu viel Zeit, sodass der Einsatz der Software beim Kunden gebremst wird. Hier sind u. a. durch bessere Optimierungsmethoden noch Lösungen zu erarbeiten.
In einer zweiten Phase sollte die Methode dahingehend erweitert werden, dass zum einen die Anzahl der Optimierungsvarianten durch Entscheidungsbäume und/oder Constraints reduziert werden und zum anderen die Methode auf weitere energieintensive Branchen erweitert wird. Hierfür müssen die Berechnungsmethoden und die Analyse der Prozesse noch durchgeführt werden.