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Die Digitalisierung der Energiewende – Der Beitrag aus dem Maschinen- und Anlagenbau

DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE 1

Die Forderungen des VDMA 3

Die Digitalisierung der Energiewende – 4der Beitrag aus dem Maschinen- und Anlagenbau

Die Praxisbeispiele 16

Energie intelligent umwandeln • Effizienzgewinne durch intelligente Windenergieanlagen 16• Wirtschaftliche Energie selbst genutzt 18

Das intelligente Gebäude • Energie sparen durch Gebäudeautomation 20• Pumpen 4.0 im Gebäude 22

Energieeffizienz durch Industrie 4.0 • Sensor- statt Gießkannenprinzip 24• Transparenter Energieverbrauch mit der Energy Platform 26• Mit Industrie 4.0 den Energieverbrauch der Pneumatik 28

nachhaltig reduzieren• Digitaler Zwilling erhöht Energieeffizienz 30

Impressum 32

InhaltInhalt

2 DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE 3

Die Forderungen des VDMA

• Die Digitalisierung ist Voraussetzung für die Energiewende – sie muss umfänglich vorangetrieben werden.

• In Deutschland fehlt eine international wettbewerbsfähige digitale Infrastruktur – sie muss zeitnah im Rahmen der Digitalisierung geschaffen werden.

• Disruptive Veränderungen und Innovationen im Rahmen der Digitalisie-rung brauchen Freiraum, der noch geschaffen werden muss.

• Die Verantwortlichkeiten aufseiten der Gesetzgebung müssen klar geregelt werden.

• Industriepolitische Aspekte der Digitalisierung müssen berücksichtigt werden. Sie sind die Erfolgsvoraussetzungen für die Digitalisierung und verlangen

− den Schutz von Daten und Know-how entlang der Wertschöpfungs-kette,

− widerspruchsfreie und offene Standards auf internationaler Ebene, − standardisierte Schnittstellen und geeignete Bedingungen für

Big-Data-Anwendungen.

• Zugriff für Hersteller von Erzeugungstechnologien auf Anlagenparameter weiterhin uneingeschränkt ermöglichen.

• Im Hochbau die Chancen der digitalen Kommunikations- und Arbeits-methodik Building Information Modeling (BIM) nutzen.

• Eine umfassende Modernisierung der Produktion braucht Digitalisierung. Sie ist die Basis für die effiziente Nutzung der Energie und muss deshalb mit marktorientierten Instrumenten vorangetrieben werden, die auf der Freiwilligkeit der unternehmerischen Entscheidung basieren.


Die Digitalisierung der Energiewende – der Beitrag aus dem Maschinen- und Anlagenbau

effizient und kundengerecht zu produzieren. In der Industrie 4.0 kommunizieren Men-schen, Maschinen und Produkte über das Internet miteinander. Das erhöht nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit bestehender Industrien wie Automobil, Stahl, Chemie, Textil oder der Landwirtschaft, es werden auch völlig neue Geschäftsmodelle für Mit-telständler und Start-ups entstehen.

So, wie die Digitalisierung die Lebenswelt der Menschen und die Produktion in den Fabriken verändert, so umwälzend werden Industrie-4.0-Lösungen auch für das Ener-giesystem sein. Schon jetzt ist klar: Eine effiziente Energiewende wird ohne die umfängliche Digitalisierung des Energie-systems nicht zu schaffen sein.

Das Energiesystem der Zukunft wird auf einer großen Zahl überwiegend volatiler Erzeugungsanlagen beruhen. Dadurch wer-den die Anforderungen an das Zusammen-wirken der vielen Akteure steigen, damit Netzstabilität und Versorgungssicherheit gewährleistet bleiben. Digitale Technologien machen nicht nur die Stromnetze intelligen-ter und die Erzeugung von erneuerbaren Energien effizienter – sie werden auch die Geschäftsmodelle und die Nachfrage nach Energie in den Sektoren Industrie, Gebäude und Verkehr grundlegend verändern. Die

Deutschland und die Europäische Union haben sich ambitionierte Energie- und Klimaziele gesetzt. Bis zum Jahr 2050 sollen die Treibhausgasemissionen um mindestens 80 Prozent, nach Möglichkeit aber um 95Prozent abgesenkt werden, ausgehend von den Emissionswerten des Jahres 1990. Dies erfordert die Treibhausgasneutralität des Energiesystems.

Der Maschinen- und Anlagenbau kann und will als innovationsgetriebene Branche den Transformationsprozess hin zu diesem Energiesystem mitgestalten. Er ist Lösungs-anbieter für klimafreundliche Technologien in Energieanlagen, in Produktionsprozessen der gesamten Industrie und im verarbeiten-den Gewerbe sowie in Gebäuden und im Ver-kehr. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Technologien lassen sich künftig noch ungeahnte Potenziale erschließen.

Die Digitalisierung ist Voraussetzung für die Energiewende

Europas Industrie steht vor einem histori-schen Umbruch. Digitale Technologien eröffnen heimischen Unternehmen enorme Möglichkeiten, in einer ganz neuen Qualität

bisher nicht rentablen Flexibilitäts- und Energieeffizienzpotenziale können künftig durch die Digitalisierung und daraus resul-tierende Geschäftsmodelle gehoben werden. Sie ermöglichen die Kommunikation zwi-schen den Sektoren und werden damit zum Schlüssel für die Sektorkopplung. Diese digi-talen Innovationen können die Kosten für klimafreundliche Technologien reduzieren und die Transformation des Energiesystems dramatisch beschleunigen.

Industriepolitische Aspekte bei der Digitalisierung berücksichtigen

Die Digitalisierung der Energiewende fügt sich als wichtiger Baustein in die Digitalisie-rungsstrategie Deutschlands insgesamt ein. Deutsche Maschinenbauer wollen die Chance nutzen, sich bei Industrie 4.0 und den digitalen Lösungen global als Leitmarkt und Leitanbieter zu positionieren.

4 DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE

DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE 76 DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE

Dazu benötigen sie eine international wett-bewerbsfähige, digitale Infrastruktur – heute liegt Deutschland hier nur im hinteren Mit-telfeld. Die Unternehmen sind auf eine sym-metrisch (gleiche Download- und Upload- Geschwindigkeiten) leistungsfähige und zuverlässige Breitband- und Mobilfunkver-bindung angewiesen. Dies gilt insbesondere für den ländlichen Raum, in dem der indust-rielle Mittelstand stark verwurzelt ist. Gewer-begebiete und Industriestandorte sollten kurzfristig mit mindestens 100 MBit/s erschlossen werden, mittelfristig ausrei-chend sind letztlich nur reine Glasfaserlösun-gen und 5G (10 GBit/s). Wo immer möglich, soll der Ausbau privat erfolgen. Die flächen-deckende Lückenschließung bis zum Verteiler muss die öffentliche Hand garantieren bzw. selbst vornehmen, wenn beispielsweise der Turnover für private Projekte zu niedrig ist. Der VDMA fordert überdies einen regelmäßigen Stresstest zum Überprüfen des Status und der Leistungsfähigkeit des Breitbandausbaus.

Zudem muss der Schutz von Daten und Know-how entlang der Wertschöpfungskette gewährleistet werden. Dabei müssen die Parteien die vertragliche Handlungsfreiheit haben, verlässliche Regelungen treffen zu können, z. B. zur Nutzung von Daten. Da es bei den digitalen Lösungen vor allem darum geht, Unternehmen, Anlagen und Prozesse von Herstellern, Lieferanten und Kunden zu vernetzen, werden auch widerspruchsfreie und offene Standards auf internationaler Ebene benötigt.

Diese grundsätzlichen Forderungen bilden auch für die Digitalisierung der Energie-wende notwendige Rahmenbedingungen. Doch ob der Energiesektor die erste voll digitalisierte Branche wird – wie dies die Bundesregierung im Monitoring-Bericht zur Energiewende ausführt – wird sehr davon abhängen, wie diese Rahmenbedingungen gestaltet werden. Gemessen an diesem Anspruch hat die Bundesregierung in der vergangenen Legislaturperiode mit ihrer Digitalen Agenda leider nur wenige Impulse für den Energiesektor gesendet. Diese Lücke gilt es nun zu füllen!

Klare Verantwortlichkeiten aufseiten der Gesetzgebung

Angesichts der vielfältigen regulatorischen Veränderungen, die sich in den kommenden Jahren ergeben werden, ist für das Thema Digitalisierung eine effiziente Struktur der Ansprechpartner wichtig. Dies ist umso bedeutender, da die Digitalisierung im Ener-giebereich von grundlegenden, für alle Anwendungsbereiche gültigen Regelungen abhängt. Dies gilt für den Ausbau der Infra-struktur (z. B. Breitbandverkabelung), aber auch für viele rechtliche Aspekte wie natio-nale und EU-Datenschutzregelungen (z. B. EU-Datenschutz-Grundverordnung). Klare

Verantwortlichkeiten für Digitalisierung auf-seiten der Gesetzgebung, eine enge Abstim-mung in Europa sowie der zügige Ausbau einer leistungsfähigen Infrastruktur sind erforderlich.


Freiraum für disruptive Veränderungen und Innovationen schaffen

Mit der Digitalisierung der Energiewende prallen zwei Welten aufeinander: einer -seits ein regulierter Energiemarkt, anderer-seits eine dynamisch und sich rasant entwickelnde Digitalwirtschaft. Neue Akteure in der Energiewirtschaft und innova-tive Geschäftsideen aus der digitalen Welt der Start-ups werden traditionelle Geschäfts-modelle disruptiv verändern. Die Unterneh-menskulturen müssen sich schnell den neuen Anforderungen anpassen.

Doch auch wenn Digitalisierung- und Indus trie-4.0-Lösungen ein Megatrend im Maschinen- und Anlagenbau sind, so können die Unternehmen das Potenzial noch nicht abschätzen. Disruptive Veränderungen las-sen sich naturgemäß kaum vorhersagen, etwa die Ausbaugeschwindigkeit von Batte-riespeichern oder die Bedeutung neuer Ideen wie Blockchain im Energiebereich. Laut der Umfrage des Energiewende-Barometers Maschinen- und Anlagenbau aus dem Jahr 2016 sehen die befragten Unternehmen zwar mehrheitlich Effizienz- bzw. Flexibili-sierungspotenziale (34 Prozent), ein Großteil der Befragten (47 Prozent) kann die Poten-ziale derzeit jedoch noch nicht abschätzen.

Kehrseite des hohen Innovationspotenzials sind Rückschläge, die Unternehmen in Kauf nehmen müssen. In freien Märkten gehört das zum normalen betriebswirtschaftlichen Risiko, das die Unternehmer üblicherweise übernehmen. Doch im Energiemarkt brau-chen die Unternehmen innerhalb der regula-torischen Grenzen neue Freiräume für unter-nehmerischen Mut, damit sie sich ausprobieren können!

Ein guter Ansatz hierfür sind die geplanten Projekte des „Schaufenster intelligente Ener-gie – Digitale Agenda für die Energiewende“ (SINTEG), die vom Bundeswirtschaftsminis-terium gefördert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten möglichst schnell auch in die Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens einfließen. Angesichts der engen Begrenzung auf die SINTEG-Projekte sollte zudem eine Erweiterung auf weitere Projekte geprüft werden. Dabei sollte zeitlich und räumlich begrenzt untersucht werden, ob der wirtschaftliche und gesellschaftliche Nutzen des Abbaus regulatorischer Hemmnisse die Nachteile überwiegt.

Besonderheiten der Digitalisierung im Ener-giebereich angemessen berücksichtigen!

Viele Hersteller von Umwandlungstechno-logien haben damit begonnen, Digitalisie-rungsstrategien zu entwickeln, ausgehend von bereits heute vorhandenen, digitalisierten Prozessen. Ausgangspunkt sind interne Geschäftsprozesse (kaufmännische Projekt-

abwicklung, Produktentwicklung, usw.) sowie der Servicebereich. Auch erste darüber hinausgehende Geschäftsmodelle befinden sich in der Entwicklung, beispielsweise die Regelenergievermarktung. Vielfach geschieht dies gemeinsam mit Partnern. Vorreiter sind hier oft eher Projekte mit weitgehend stan-dardisierten Produkten im niedrigen Leis-tungsbereich und in Verbindung mit Endkun-den. Ergänzt wird diese Strategie durch bewusste Neugründungen (z. B. Digital Energy Solutions) oder die Beteiligung an Start-up Unternehmen. Hierdurch lassen sich Unterschiede in der Unternehmenskultur vermeiden.

Die Besonderheiten des Energiebereichs müssen angemessen berücksichtigt werden.Mit den Vorgaben der Verordnung für kritische Infrastrukturen im Rahmen des IT-Sicherheitsgesetzes und dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende (GDEW) liegen hierzu erste wichtige gesetzliche Vorgaben vor. Basierend auf deren Anwend-barkeit in der Praxis sind sie gegebenenfalls weiter zu entwickeln. Unter Beachtung eines hohen Datensicherheitsniveaus muss aber der Datenaustausch über Plattformen erfolgen können. Ohne die Möglichkeit eines Datenaustauschs über Wertschöpfungs-stufen hinweg werden die Chancen der Digitalisierung für die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle nicht nutzbar sein.

*n = 333 Unternehmen im Maschinen- und AnlagenbauQuelle: VDMA-Umfrage „Energiewende-Barometer Maschinenbau 2016“

In meinem Unternehmen wird es künftig durch die Digitalisierung neue Effizienz- und/oder Flexibilisierungspotenziale geben (Industrie 4.0)

ja

noch nicht abschätzbar

nein

Befragte* 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 %

34 %

47 %

18 %


Gesetzliche Grundlagen weiterentwickeln – Zugriff auf Anlagenparameter weiterhin uneingeschränkt ermöglichen

Für Hersteller von Erzeugungstechnologien ist der Zugriff auf technische Anlagenpara-meter von besonderer Bedeutung. Der ungehinderte Zugriff auf diese Daten ist erforderlich für • das Optimieren der Produkte,• das Erschließen der Möglichkeiten und• das Entwickeln neuer Geschäftsmodelle

im Servicebereich (z. B. Predictive Main-tenance).

Bereits heute werden viele Anlagen und Gebäude fernüberwacht. Die Möglichkeit eines solchen Zugriffs muss auch in Zukunft gewährleistet sein. Beim Entwickeln von Sicherheitsanforderungen ist dies angemes-sen zu berücksichtigen, ebenso beim Beschreiben der Voraussetzungen für inter-national harmonisierte Normen. Zudem muss berücksichtigt werden, dass die Imple-mentierung und Konformitätsbewertung nach aner kannten Sicherheitsstandards zeit- intensiv ist. Entsprechende Übergangszeiten für die Umsetzung sind zu berücksichtigen.

Bei den meisten Überlegungen dient als Betrachtungsfall ein selbstbewohntes Ein-familienhaus. Daneben gibt es jedoch auch Mehrfamilienhäuser, Gewerbe- und Indus-trieobjekte, die zum Teil über Tausende Ein-zelverbraucher und Erfassungseinrichtungen verfügen. Die Regelungen müssen auch hier-für anwendbar sein.

Möglichkeit zur Datenanalyse (Big-Data-Anwendungen) und die Standardisierung der Schnittstellen sind wichtige Erfolgsvoraussetzungen

Der Erfolg der Digitalisierung in der Energie-wende hängt entscheidend davon ab, welche Daten erfasst werden und wie deren Nutzung geregelt wird. Ohne die Möglichkeit der Weitergabe über Wertschöpfungsstufen hinweg und der Option der Datenanalyse werden sich die Chancen der Digitalisierung für den Erfolg der Energiewende nicht reali-sieren lassen.

Ausgangspunkt hierfür ist das Vertrauen der Kunden in eine zweckgebundene Ver-wendung der Daten. Ohne Akzeptanz beim Kunden ist dies nicht möglich. Gleichzeitig soll der Kunde aber auch selbst über die Möglichkeiten der Nutzung seiner Daten entscheiden können. Aus diesem Grund

DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE 1312 DIGITALISIERUNG DER ENERGIEWENDE

müssen Standards und notwendige Aus-tauschplattformen zügig geschaffen werden. Die derzeitigen Festlegungen im GDEW können hierfür nur der Startpunkt sein. Letztlich werden hierfür geeignete Aus-tauschplattformen benötigt, die von den Kunden akzeptiert werden und einfach zu nutzen sind. Darüber hinaus kommt für Hersteller von Erzeugungstechnologien insbesondere der Schnittstellendefinition eine große Bedeu-tung zu. Fehlende Standards verursachen

heute hohe Anpassungs- und Systemkosten und führen zu einer eingeschränkten Inter- operabilität zwischen verschiedenen Wert-schöpfungsstufen. So werden Erzeugungsan-lagen oft noch über festverdrahtete Kontakte angesprochen oder kundenspezifische Insellösungen angesteuert, da die Festlegung auf ein leistungsfähiges Protokoll fehlt. Hier herrscht dringender Handlungsbedarf, der in enger Abstimmung mit dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) aufgegriffen werden sollte.

Digitalisierung im Gebäudesektor steigert Energieeffizienz

Auch aus dem Gebäude wird die Digitali-sierung künftig nicht mehr wegzudenken sein. Hohe Anforderungen an Lebens- und Arbeitsqualität, treibhausgasneutralerEnergieeinsatz, ein Höchstmaß an Energieef-fizienz und damit kontrollierbare Betriebs-kosten erfordern die Vernetzung sowohl von Gebäudetechnik als auch von Gebäuden ins-gesamt. Gebäudeautomationssysteme und digitale Knotenpunkte steuern das Zusam-menspiel gewerkübergreifend, intelligent und bedarfsgerecht. Die Technologie für die Digitalisierung im Gebäudesektor ist bereits im Einsatz, insbesondere in Nichtwohnge-bäuden. Es gilt nun auch, die noch nicht digitalisierten Gebäude mit intelligenten Gebäudeautomationssystemen, Komponen-ten und Anlagentechnik „smarter“ und effizient aufzurüsten und zu betreiben. Nur so lassen sich die Effizienzpotenziale im Gebäudesektor wirtschaftlich heben und auch messbar machen.

Große Chancen ergeben sich durch diedigitale Kommunikations- und Arbeitsme-thodik Building Information Modeling (BIM),die langsam Einzug in Planung, Bau,Betrieb sowie Rückbau von Hoch- undTiefbauprojekten hält. Mit BIM werden methodische und technische Vorausset-zungen für die Umsetzung integraler, digita-ler Planung in der Gebäudetechnik geschaf-fen; das ermöglicht eine ganzheitlicheBetrachtung unter Berücksichtigung desLebenszyklus. Als die zentralen Vorteile der BIM-basierten Kommunikations- und Arbeitsmethodik werden Vernetzung und Transparenz bei hoher Datenqualität angesehen. Alle Informationen liegen als umfassende, digitale Dokumentation vor, sind jederzeit auswertbar und können eine höhere Sicherheit in Bezug auf Kosten, Ter-mine und Nachhaltigkeit bieten.

Der Erfolg und die Zukunft von BIM in der Gebäudetechnik braucht vor allem klare Rahmenbedingungen. Der VDMA setzt sich diesbezüglich für einen barrierefreien Zugang zu BIM-Projekten ein. Zudem fordert er die Vermeidung von Dritt- Zertifizierungen und Monopolisierung, die Einhaltung der Richtlinie VDI 3805 bzw. ISO 16757 sowie eine Kommunikationssprache mit offenen Standards.


Die Digitalisierung revolutioniert die Produktion und die Erschließung von Effizienzpotenzialen

Große Chancen können sich im Zusammen-hang mit Industrie-4.0-Lösungen für das pro-duzierende Gewerbe ergeben. Dabei geht es um nichts Geringeres als eine umfassende Modernisierungsstrategie für die Produktion. Vier Chancen bieten Industrie-4.0-Lösungen den Unternehmen:

1) Das größte Potenzial von Industrie 4.0 liegt allein schon in der Schaffung von Datentransparenz. Daten und Sensorik machen Energieverbräuche und Einspar-potenziale transparent. Dabei wollen immer mehr Unternehmen ihre gesam-ten Energiedaten in einem System erfassen: aus der Gebäudeleittechnik, der Produktion und der externen Energiever-sorgung. Industrie 4.0 erweitert die Mög-lichkeiten eines Energiemanagements, denn die Energieverbräuche werden in Echtzeit analysiert.

2) Durch eine bessere Steuerung und eine damit verbundene bessere Auslastung auf der Prozessebene kann die Energieef-fizienz der Maschinen verbessert werden. Wenn Unternehmen die Lastverschiebun-gen selbst nicht nutzen können, bietet sich die Chance, die Flexibilität auf dem Strommarkt zu veräußern.

3) Predictive Maintenance verlängert die Lebensdauer von Komponenten und durch einen vorausschauenden Austausch können weitere Effizienz-potenziale erzielt werden.

4) Durch hochinnovative, digitalisierte Systemlösungen lassen sich noch nicht vorhersehbare Effizienzpotenziale erschließen.

Energieeffiziente Industrie-4.0-Lösungen las-sen sich nicht staatlich verordnen. Ihr Mehr-wert spricht für sich, und deshalb sollte die Energieeffizienz immer mit marktorientier-ten und auf der Freiwilligkeit der unterneh-merischen Entscheidung basierenden Instru-menten vorangetrieben werden. Lernende Netzwerke wie Energieeffizienz-Netzwerke können einen Beitrag zur verstärkten Nut-zung von effizienten Industrie-4.0-Lösungen und Angeboten des digitalen Energiema-nagements leisten. Der moderierte Erfah-rungsaustausch bietet den Unternehmen den Raum, sich zu vernetzen, Best Practices auszutauschen und Informationen von quali-fizierten Energieberatern zu erhalten. Der

VDMA unterstützt und engagiert sich daher aktiv in der von Bundesregierung und deutscher Wirtschaft gemeinsam getrage-nen Initiative Energieeffizienz-Netzwerke und bietet für seine Mitglieder eigene Netz-werke.

Im Folgenden haben wir acht Beispiele aus dem Maschinen- und Anlagenbau ausge-wählt. Sie zeigen, wie die Digitalisierung heute schon die Energiewende beeinflusst.


ENERGIE INTELLIGENT UMWANDELN 1716 PRAXISBEISPIELE16 PRAXISBEISPIELE

Heute sind Maschinen nicht nur vernetzt, sie können bereits miteinander kommunizieren. Beispielsweise tauschen Windenergieanla-gen untereinander Daten aus, um automa-tisch die Leistung zu erhöhen. Möglich ist dies dank moderner Sensoren, die Unmen-gen von Daten über Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Luftdruck in die Cloud ein-speisen. Intelligente Software-Algorithmen werten diese Daten aus und leiten daraus Handlungsanweisungen für die Ausrich-tung der Rotorblätter und den Betrieb der Anlage sowie ganzer Windparks ab. Neben der Optimierung des Wirkungsgrades und der Betriebszeiten kann so auch der ideale Zeitpunkt für das Einspeisen der Energie ins Stromnetz erfasst werden.

Effizienzgewinne durchintelligente Windenergieanlagen

Künstliche Intelligenz erhöhtWirkungsgrad

Für die Zustandsüberwachung in Echtzeit und eine darauf aufbauende, vorausschau-ende Wartung der Anlagen eignet sich das Modell des „digitalen Zwillings“. Damit kann die Beanspruchung wichtiger Teile in einem Modell am PC repliziert werden. Serviceein-sätze lassen sich entsprechend der voraus-sichtlichen Nutzung ideal abstimmen, Aus-fallzeiten werden minimiert. Diese Art von künstlicher Intelligenz verspricht eine aus-sichtsreiche Zukunft: Digitale Windparks können nach ersten Berechnungen 20 Pro-zent mehr Strom erzeugen. Diese Effizienzge-winne sind nur durch die Errungenschaften des industriellen Internets möglich. In weni-ger als fünf Jahren werden 50 Milliarden industrielle Geräte an das Internet ange-schlossen sein. Dies wird die Vision der vernetzten Welt in die Realität umsetzen.

Mit digitalen Windparks

können bis zu 20 Prozent mehr Strom

erzeugt werden.

18 PRAXISBEISPIELE ENERGIE INTELLIGENT UMWANDELN 19

Wirtschaftliche Energie selbst genutzt

Die hohe Effizienz der Kraft-Wärme-Kopp-lungs-Anlage (KWK-Anlage) basiert auf der gekoppelten Energieumwandlung und der damit verbundenen doppelten Nutzung des eingesetzten Brennstoffs. Durch eine intelli-gente Steuerung lässt sich diese Effizienz noch weiter steigern.

Normalerweise arbeiten KWK-Anlagen wärmegeführt: die Anlage liefert den Grund-bedarf an benötigter Heizenergie, der Strom ist praktisch ein Nebenprodukt. Mit einer digitalen Lösung lässt sich die KWK-Anlage nun auch stromgeführt betreiben. Der Vorteil liegt auf der Hand: Wird der Strom kosten-günstig selbst produziert, muss er nicht teuer aus dem Versorgungsnetz bezogen werden. Eigenstromquoten von 60 bis 80 Prozent sollen so möglich sein. Die Energie-kosten des jeweiligen Gebäudes sinken.

Kostensparer Eigenverbrauch

Für das Bonner Hotel Willkens liefert die neue Mikro-KWK-Anlage die Energie seit einem Jahr. Zusätzlich profitiert das Hotel von der eigenstrom-optimierten Betriebs-weise. Die ersten Ergebnisse sind beachtlich, wie ein Blick auf die Energiebilanz von Dezember 2016 zeigt: Von den 2.697 kWh Strom, die so produziert wurden, konnte das Hotel Willkens 2.005 kWh selbst nutzen. Die restlichen 692 kWh speiste das Hotel gegen eine Vergütung ins öffentliche Versorgungs-netz ein. Das entspricht einer Eigenstrom-quote von 74 Prozent. Die eigenstrom-opti-mierte Betriebsweise zahlt sich für den Hotelier monetär aus: Auf das gesamte Jahr gesehen spart das Hotel rund 5.700 Euro Energiekosten.

Die digitale Steuerung

von Mikro-KWK-Anlagen senkt die

Energiekosten.

20 PRAXISBEISPIELE DAS INTELLIGENTE GEBÄUDE 21

Energiesparen durch Gebäudeautomation

Gewerblich genutzte Gebäude zählen welt-weit zu den größten Einzelenergieverbrau-chern. Entsprechend hoch ist das Potenzial, dort nachhaltig Energie einzusparen. Die Voraussetzung dafür bilden intelligente Gebäudeautomationssysteme. Sie messen, steuern und regeln permanent die komple-xen Abläufe in Gebäuden. Die einzelnen Anlagen, etwa für Heizung und Lüftung, kommunizieren miteinander und liefern wertvolle Informationen an die übergeord-neten Management- und Überwachungs-ebenen. Die daraus resultierende Daten- und Verbrauchstransparenz lässt sich nutzen.

Tagesaktuelles Energiemonitoring

Im Funkhaus des ARD-Senders Radio Bremen zum Beispiel sind mehrere tausend Daten-punkte in ein Gebäudemanagement system integriert. Das schafft die Basis für ein umfassendes Energiemonitoring und -cont-rolling, mit dem die Ist- und Sollzustände der Anlagen tagesaktuell ausgewertet werden können. Damit lassen sich konkrete Optimierungs- und Einsparpotenziale aufzeigen. Radio Bremen hat auf diese Weise den Gasverbrauch im Vergleich zum Vorjahr um 14 Prozent gesenkt.

Gewerblich genutzte Gebäude bieten enorme Potenziale,

nachhaltig Energie zu sparen. Die Voraussetzung dafür schaffen

intelligente Gebäudeautomationssysteme.

22 PRAXISBEISPIELE DAS INTELLIGENTE GEBÄUDE 23

Pumpen 4.0 im Gebäude

Die Digitalisierung hat auch längst die Welt der Gebäudetechnik-Pumpen erreicht – smarte Pumpen 4.0 fördern nicht einfach Heiz- oder Kühlwasser von A nach B; sie sind Teil von Systemlösungen, die anspruchsvolle und komplexe Förderaufgaben mit minima-lem Energieaufwand lösen.

Eine zentrale, digitale Schnittstelle für das gesamte System

Die Ökodesign-Richtlinie schreibt bei der Neuinstallation energieeffiziente Pumpen vor – derzeit die Effizienzklasse IE3. Der Antrieb ist jedoch nicht allein unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz von ent-scheidender Bedeutung: Er ist die Schnitt-stelle zum Gesamtsystem, steuert und regelt die Pumpe – dazu analysieren Sensoren die aktuellen Förderbedingungen und übermit-teln einem Frequenzumrichter die entspre-chenden Signale zur Drehzahlstellung. Die im Mikroprozessor hinterlegten Regel- Algorithmen sorgen für die gewünschte Funktionalität – von der einfachen Prozessre-gelung mit konstanten Parametern (Druck / Volumenstrom / Füllhöhe / Temperatur) bis hin zu komplexen kundenspezifischen Regelungen.

Die Digitalisierung der Gebäudetechnik-Pumpen macht die Anlagen der

Heizungs- und Klimatechnik transparent. Das bedeutet Installations- und

Betriebssicherheit für den Fachplaner für technische Gebäudeausrüstung

ebenso wie für den Installateur und den Betreiber.

24 PRAXISBEISPIELE ENERGIEEFFIZIENZ DURCH INDUSTRIE 4.0 25

Sensor- statt Gießkannenprinzip

Dünge- und Pflanzenschutzmittel werden längst nicht mehr nach Gefühl ausgebracht. Nicht über den Daumen gepeilt, sondern zentimetergenau entfalten Nährstoffe und Spritzmittel ihre Wirkung – dank minimalin-vasiver Injektion. Das Gießkannenprinzip hat ausgedient. Leistungsfähige Sensorik und intelligente Algorithmen sind an seine Stelle getreten.

Sprühregen war gestern

Pflanzenschutz von heute ist weit entfernt vom dichten Sprühregen, der sich einst flächendeckend und unkontrolliert über Äcker und Wiesen ergießen konnte. Stattdes-sen stehen Präzision und Bodenschutz im Vordergrund; geht es doch darum, energie-intensive Betriebsmittel nur dort auszu-bringen, wo sie wirklich von Nutzen sind. Schließlich werden zur Produktion von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln ganz erhebliche Mengen an Erdöl benötigt; bereits für ein Kilogramm Stickstoffdünger ist in etwa ein Liter des fossilen Energieträgers erforderlich.

Radartechnik senkt Energiebedarf

„Section Control“ lautet eine wirksame agrartechnische Lösung, um nennenswerte energetische Effizienzpotentiale zu heben. Leistungsfähige Jobrechner arbeiten dabei die programmierten Aufgaben teilflächen-spezifisch ab. So werden beispielsweise wäh-rend des Düngens Nährstoffe nur dort aus-gebracht, wo positive Effekte zu erwarten sind. Das Streubild, also das zugrunde lie-gende Muster der Substratausbringung, lässt sich dabei mithilfe maßgeschneiderter Soft-ware koordinatengenau an die unterschied-lichen Fruchtbarkeitsniveaus des Schlages anpassen. Modernste Radartechnik optimiert die Querverteilung des Düngemittels. In wel-che Richtung das einzelne Düngerkorn aus-geworfen werden muss, errechnet der Com-puter auf Basis der vom Korn reflektierten Radarwellen. Da dies in Echtzeit geschieht, ist höchste Präzision garantiert. Auf diese Weise lässt sich der anfallende Energiebedarf um bis zu 20 Prozent senken.

Digital Farming macht

Ackerbau noch effizienter.


Transparenter Energieverbrauchmit der Energy Platform

Multifunktionale Managementtools machen Energieverbräuche und Fertigungsprozesse transparenter. Dabei wird der exakte Energie-verbrauch von Anlagen und Gebäuden in kurzen Zeitabständen erfasst und sicher an zertifizierte Rechenzentren übertragen. Je nach gewünschtem Detaillierungsgrad kann der Energiebedarf bis auf Maschinenebene analysiert werden. Dadurch entsteht ein voll-ständiger Verbrauchsüberblick in Echtzeit über relevante Prozessmedien wie Wärme, Kälte oder Druckluft.

Energiedaten können jederzeit und überall abgelesen werden

Dabei ist das Handling der Lösung dank einer modernen Softwarearchitektur einfach: Ein Abruf der gesamten Energiedaten ist über jeden Internetbrowser sowie über mobile Geräte weltweit möglich – überall und zu jederzeit.

Weitere digitale Vernetzung ist möglich

Auch hinsichtlich „Industrie 4.0“ ist die Lösung vorbereitet. Die „Energy Platform“ verfügt auch über einen leistungsstarken Controller in der Feldebene; über ihn können Steuer- und Regelalgorithmen in bestehen-den Fertigungsnetzwerken problemlos imple- mentiert werden. Damit bietet die Energy Platform die Basis zur Automatisierung von Prozessen, um weitere Energieeffizienz- potenziale in einer „Connected Industry“ zu generieren. Dazu kommen produktions- relevante Funktionen wie das dynamische Management von Verbrauchern und Erzeu-gern, um Spitzenlasten und Energiekosten nachhaltig zu senken.

Die digitale Analyse von

Energie verbräuchen senkt den

Energiebedarf und damit

die Produktionskosten. Damit

werden nicht nur die

CO2-Emissionen verringert,

auch Netzausfällen kann

vorgebeugt werden.


Mit Industrie 4.0 den Energieverbrauchder Pneumatik nachhaltig reduzieren

Wenn es um Industrieautomation geht, bietet die Pneumatik das beste Verhältnis von Kraft zu Gewicht bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit. Und beim Thema Energie-effizienz kommt es nur auf die richtige Planung an. Durch eine energieeffiziente Projektierung und durch den Einsatz von Zylinder-Ventil-Einheiten oder elektro-pneumatischen Druckregelventilen kann der Luftverbrauch im Vergleich zu bestehenden Konstruktionen in der Regel deutlich reduziert werden.

Anlagenverfügbarkeit durch konsequente Maschinenüberwachung steigern

Eine konsequente Maschinenüberwachung bietet weitere Möglichkeiten, Pneumatik noch effizienter zu nutzen. Denn die Über-wachung sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit und eine schnellere Identifizierung von Abweichungen zum optimalen Betriebs-punkt. Zum Beispiel wird der „Smart Pneu-matics Monitor“ direkt in die Ventilelektronik integriert. Dieser erfasst wesentliche Daten und tauscht sie über einen „OPC UA“-Server mit anderen Systemen aus. Beim Erreichen von Grenzwerten sendet die Elektronik automatisch Meldungen über das Internet. Damit steigt die Anlagenverfügbarkeit, und die Wartungskosten sinken.

Mit intelligenten Lösungen wie der konsequenten Maschinenüberwachung

lässt sich der Energieverbrauch in der Pneumatik nachhaltig reduzieren.


Digitaler Zwilling erhöht Energieeffizienz

Der Begriff „Digitalisierung“ betrifft auch die moderne Anlagensteuerung in der Fabrik. Der „Digital Twin“ oder „Digitale Zwilling“ einer Anlage kann vielfältig genutzt werden, um alle Aspekte des Anlagenbetriebs zu simulieren und zu optimieren. Dies ist keine Zukunftsmusik, sondern schon heute bei Anlagenbauern eine täglich genutzte Praxis. Die Softwaretools für diesen Bereich sind in den letzten Jahren permanent weiterentwi-ckelt worden und erlauben es, Fabriken und Produktionslinien mit digitalen Simulations-methoden auf größtmöglichen Durchsatz bei höchster Qualität zu optimieren.

Maschinen virtuell auf Effizienz trimmen

Schichtmodelle werden mit dem Hochfahr-verhalten der Anlage abgeglichen; das Her-unterfahren der Anlagen für die Mittags-pause oder die Wochenenden wird simuliert, bewertet und optimiert, noch bevor der Anlagenbetrieb festgelegt wird. Die Energie-daten können heute effizient über die SPS-Steuerung erfasst werden. Diese Zusatz-funktion ergänzt die klassische Anlagensteu-erung. Die erfassten Verbrauchswerte sind entscheidend für den nächsten Schritt: Die aktive Beeinflussung des Betriebsverhaltens der Anlage auf Basis von kontinuierlichen Simulationsergebnissen. Weitere Einsparpo-tenziale von mehr als 20 % ergeben sich, wenn die Produktionsanlagen mit ihrer Abwärme als Teil der Gesamtinfrastruktur (Gebäude etc.) betrachtet werden.

Mit der Simulation des Energieverbrauchs entsteht

eine neue Optimierungsdimension.


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Redaktion Dr. Carola Kantz

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Daniel Ingold/Getty ImagesSeite 28 Aventics GmbHSeite 30 Siemens AG, Plant Simulation Energy Map

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