Energie-und Ressourceneffizienz in der ... - ivf-fellbach.de · Priorisierungvon...
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Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Dr. Sebastian Thiede
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF), Professur Nachhaltige Produktionund Life Cycle Engineering
Energie- und Ressourceneffizienz in der ProduktionIVF- / SWF-Veranstaltung bei den Stadtwerken Fellbach, 09. Juli 2014
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Gliederung
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Vorstellung
Handlungsfelder
Vorgehensweise Energieeffizienz mit ausgewählte Methoden und Werkzeugen
Die Lernfabrik
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
BatteryLabLactory
Open HybridLabFactory
Lernfabrik
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) | Forschungsschwerpunkte
FertigungstechnikDr. Hoffmeister
FertigungstechnikDr. Hoffmeister
Spanende
Fertigungsverfahren
Präzisionsbearbeitung
Holz- und Faser-
verbundwerkstoffe
Werkzeugentwicklung
und Simulation
Montage &Fertigungsautomatisierung
Dr. Dietrich
Montage &Fertigungsautomatisierung
Dr. Dietrich
Handhabungs- und
Montageprozesse
Robotertechnik und
Montagezellen
Maschinen- und
Steuerungskonzepte
Nachhaltige ProduktionDr. Thiede
Nachhaltige ProduktionDr. Thiede
Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion
Industrie 4.0
Urbane Fabriken
Flexible und skalierbare Fabriksysteme - von der Maschine bis zum Gesamtsystem
Prof. DröderFertigungstechnologien &Prozessautomatisierung
Prof. DröderFertigungstechnologien &Prozessautomatisierung
Prof. HerrmannNachhaltige Produktion &
Life Cycle Engineering
Prof. HerrmannNachhaltige Produktion &
Life Cycle Engineering
… …
Life Cycle EngineeringDr. Dettmer
Life Cycle EngineeringDr. Dettmer
Zielgruppengerechte Lebensweganalysen –„Life Cycle Assessmentand Life Cycle Costingfor everyone“
Nachhaltige Produkt (&) Service Systeme
End-of-Life-Management
LabFactories
…
… …
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Nachhaltige ProduktionAusgewählte Projekte – Verbundforschung
EMC²-Factory - Eco Manufactured transportation means from Clean and CompetitiveFactory (EU FP7 FoF, 2011-2014)
Joint German-Australian Research Group „Sustainable Manufacturing and Life Cycle Management“, mit University of New South Wales (UNSW), Sydney, BMBF
ESIMA – Mehr Energieeffizienz durch energieautarke Sensorik und Interaktion mit mobilen Anwendern (BMBF)
EnHiPro - Energie- und Hilfsstoffoptimierte Produktion (BMBF)
ExtREMe - Energy and Resource Efficiency in Manufacturing (EUREKA E!5398)
ProGRess - Gestaltung ressourceneffizienter Prozessketten am Beispiel Aluminiumdruckguss (BMBF)
EnoPA - Energieeffizienz durch optimierte Abstimmung von Produktion und technischer Gebäudeausrüstung (TGA) (BMWi)
LPSN (Lean Production System Network, gegründet vom IWF)
Lean & Green – „Efficiency and Effectiveness in Production“ (DAAD, BITS Pilani, India)
Sustainable Manufacturing through Ubiquitous System Engineering (DAAD, mit POSTECH Südkorea)
Sustainability Cockpit: An Integrated Tool for Assessment and Improvement ofSustainability in Manufacturing (ARC Linkage Australia)
verschiedene Industrieprojekte zum Thema Energieeffizienz (Spritzguss, Gießerei, Werkzeugmaschinen)
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Projektsteckbrief: EnHiPro
Energie- und Hilfsstoffoptimierte Produktion
06/2009 – 05/2012
Entwicklung einer KMU-geeigneten Methodik zur kontinuierlichen Ablei-tung von Maßnahmen zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz
Erfassung und Zielgruppen-gerechte Aufbereitung relevanter Energie- und Hilfsstoffflüsse als Entscheidungs-unterstützung für Unternehmens-planung und -steuerung (z.B. ERP)
Definition von Messstrategien und Vorgehen zur Datenerfassung
Integration in die vorhandene betriebliche Datenwelt von KMU
Kooperationspartner
Konzept / Arbeitsprogramm
www.enhipro.de
Projektrahmen
Teilziele
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Gliederung
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Vorstellung
Handlungsfelder
Vorgehensweise Energieeffizienz mit ausgewählte Methoden und Werkzeugen
Die Lernfabrik
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Motivation
Steigende Relevanz des Themas Nachhaltigkeit in der Produktion
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Treiber Nachhaltigkeit in der Produktion
[Fichter 2005]
Unternehmen
Regulative Pull(z.B. Förderprogramme/Anreize)
Vision Pull(z.B. eigene Überzeugung, Kopplung zu Unternehmenszielen)
Market Pull(z.B. Kostendruck, Kundenerwartungen)
Regulative Push(z.B. Gesetze)
Society Push(z.B. Klimadiskussion,
gesellschaftliche Erwartungen)
Technology Push(Verfügbarkeit effizienterer
Technologien)
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Ganzheitlicher Ansatz
Energie- und Ressourcenverbrauch von Fabriken durch Vielzahl von Einzelverbraucher bestimmt
ganzheitliche Perspektive notwendig
Produktion - Einzelprozesse, Maschinen, Prozessketten
technische Gebäudeausrüstung (TGA) - z.B. Druckluft, erneuerbare Energien
Gebäudehülle
Berücksichtigung aller relevanten Energie- und Stoffflüsse und derer dynamischen Wechselwirkungen
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Quelle: eigene Darstellung
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Energie- und Ressourceneffizienz in der ProduktionGenerelle Vorgehensweise
Integration
Simulation von Szenarien/Ableitung
Maßnahmen
Analyse / Bewertung
Modellierung
Datenerfassung / Messen
[Herrmann, Thiede, Heinemann 2010: A Holistic Framework for Increasing Energy and Resource Efficiency in Manufacturing, in:Global Conference on Sustainable Manufacturing, Abu Dhabi]
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Etablierung eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
[EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Gliederung
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Vorstellung
Handlungsfelder
Vorgehensweise Energieeffizienz mit ausgewählte Methoden und Werkzeugen
Die Lernfabrik
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Vorgehen zur energetischen Analyse
Produktions-anlagen
LokalesKlima
WärmeAbluft
Technische Gebäude-
ausrüstung(TGA)
HeizungKühlung Definierte
Produktionsbedingungen(z.B. Temperatur, Feuchtigkeit,
Reinheit)
Gas, Öl,Strom
Strom
Bereitstellung von Energie / Medien
(z.B. Druckluft, Dampf, Kühlwasser)
(z.B. Dampf, Wasser)
RückflussWasser
Makroanalyse („top-down“)
was geht in das Unternehmen, was wird tatsächlich bezahlt
kumulierte Verbräuche, Max-Min-Betrachtungen, zeitliche Betrachtung
Kostenbewertung / Vertragsmodelle
Ableitung von grundsätzlichen Prioritäten und Handlungsfeldern
Mikroanalyse („bottom-up“)
zeitliche Betrachtung der Verbräuche einzelner Maschinen/Anlagen
Berücksichtigung interner Energieflüsse
Priorisierung von Verbrauchern in Abgleich mit Makroanalyse
Ableitung konkreterer VerbesserungsansätzeMakroanalyse
Mikroanalyse
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
[IWF 2010]
0,000
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
0,000
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150,000
200,000
250,000
Lastgang November/Dezember
8.12.-12.12.Jahreshoch 235 kW
Grundlast ca. 5-6 kW, vereinzelt auch 10-15 kWhochgerechnet auf 365 Tage / 24hca. 50.000 kWh = 15% des Gesamtverbrauchs
Verringerung Spitzenlast 200 kWmögliche Ersparnis pro Jahr ca. 600€
Verringerung Spitzenlast 190 kWweitere mögliche Ersparnis pro Jahr ca. 450€
Makroanalyse – Energetisches Lastprofil
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Priorisierung von Verbrauchern über Energie-Portfolio
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
[IWF 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Zusammenspiel Makro- und Mikroanalyse
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
[IWF 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Energetische Betrachtung von ProduktionsmaschinenBsp. Werkzeugmaschine
Messen von Lastprofilen, Zuordnung von Maschinenzuständen – wertschöpfendeVerbrauchsanteile relativ klein, hoher Anteil Standby
Ableitung von Parametermodellen für Maschinen zur energetischen Beschreibung
Bewertung der Prozess- bzw. Maschineneffizienz und Benchmarking
Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen
[IWF 2010, Zein 2012]
0
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12
0 50 100 150 200 250 300Time [s]
Po
we
r [k
W]
basic power
process power
Exhaust airsystemstartup
Machinestartup
Spindlestartup
Machining Spindle andair systemstopped
Internal cylindrical grinding
Grinding wheel: CBN
Workpiece: 100Cr6 (62HRC)
Q'w = 1,5 mm³mm-1s-1
V'w = 200 mm³mm-1
vc = 60 ms-1
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0 50 100 150 200 250 300Time [s]
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basic power
process power
Exhaust airsystemstartup
Machinestartup
Spindlestartup
Machining Spindle andair systemstopped
Internal cylindrical grinding
Grinding wheel: CBN
Workpiece: 100Cr6 (62HRC)
Q'w = 1,5 mm³mm-1s-1
V'w = 200 mm³mm-1
vc = 60 ms-1
Messen Analyse/Modellierung Benchmarking
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Mitarbeiterworkshops zum Thema Energieeffizienz
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Beispiel einer Sofortmaßnahme im Schwerpunkt
Energieeffizienz
EHT CNC 3000 PS – Abkant-Biegemaschine - 180 t
Lösung: Reduzierung des Leistungsbedarfes in Nebenzeiten
von 10,8 auf 0,2 kW durch Änderung des Benutzerverhaltens
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14:53:15 14:54:15 14:55:15 14:56:15
[Wir
kle
istu
ng
] kW
[Zeit] hh:mm:ss
Technisch unproblematisches Wiederanfahren in wenigen Sekunden
Manuelles abschalten der Hydraulik während der Nebenzeiten
Hinweisschild zum Energiebewussten Bedienerverhalten
Neuer, leicht erreichbarer Hydraulik-Hauptschalter
SEHRHOHE
STANDBYLEISTUNG
Maschine abschalten während:- Arbeitspausen - Werkstückwechsel
Standby-Leistung: _________ kW
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Mitarbeiterworkshops zum Thema Energieeffizienz
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Handlungsfeld Druckluft (Beispiel
Leckageortung mit Mitarbeitern)
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Modellierung und Bewertung der Stoff- und Energieflüsse auf Systemebene
Stoffflüsse in kg [EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Modellierung und Bewertung der Stoff- und Energieflüsse auf Systemebene
Energieflüsse in kWh [EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Modellierung und Bewertung der Stoff- und Energieflüsse auf Systemebene
(Rechnung mit Beispielwerten) [EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Modellierung der Stoff- und Energieflüsse auf Systemebene
[EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Konzepte zur Erfassung und Bereitstellung von Energiedaten
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Syslog-ERP (PPS)(Programmansicht)
Datenerfassung auf Feldebene(Echtzeitfähig oder auch zeitgetaktet) E!Sankey/Umberto
Visualisierung
EnyFlow oder Web-Server(Schnellansicht)
mySQL Datenbank(Server)
Datenkommunikation via (W)LAN(Lokales Netzwerk)
[EnHiPro 2011]
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Industrie 4.0 | EnyFlow – Energy Flows Made Transparent
EnergieL
eis
tun
g (
W)
Zeit (s)
Steuerung
Antriebe
Aktua-toren
Sensoren
Ver-kabelung
Mess-systeme
Datenerfassung auf Feldebene(Echtzeitfähig oder auch zeitgetaktet)
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Gliederung
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Vorstellung
Handlungsfelder
Vorgehensweise Energieeffizienz mit ausgewählte Methoden und Werkzeugen
Die Lernfabrik
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Die Lernfabrik
Schaffung einer Lern- und Forschungsumgebung für
„Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion“
Ziele: praktische „Erlebbarkeit“ und Plattform für
gezielte Weiterentwicklung, Sensibilisierung und
Weiterbildung
Zielgruppen: Industrie, Forschung, Lehre
verschiedene Stationen mit z.T. interaktiver Darstellung
von Inhalten
1. Energieleitstand
2. Effiziente Druckluft
3. Mineralölfreie Produktion
4. Energietransparente Maschine
5. Späneentölung
6. Erneuerbare Energien
7. Energieeffizienz lernen
8. Green Office
9. Elektromobilität (neu)
kontinuierliche Erweiterung geplant
E-Mobility and Smart factory
Sebastian Thiede | Energie- und Ressourceneffizienz
Institut für Werkzeugmaschinenund Fertigungstechnik
Dr. Sebastian Thiede
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF), Professur Nachhaltige Produktionund Life Cycle Engineering
Energie- und Ressourceneffizienz in der ProduktionIVF- / SWF-Veranstaltung bei den Stadtwerken Fellbach, 09. Juli 2014