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Modellbasiertes Lastmanagement

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Ansätze zum Steuern des Lastverlaufs

Im Zuge der ersten Projektphase wurde im Rahmen einer branchenübergreifenden Anwenderbefragung untersucht, welche Möglichkeiten sich in Produktionsbetrieben üblicherweise bieten, um den Lastverlauf zu beeinflussen. Dabei erstreckt sich das Maßnahmenband vom Zu-/Abschalten von Lastgruppen bis zur grundsätzlichen Reduktion des Lastniveaus durch Energiesparmaßnahmen. Dieses Potenzial lässt sich bei allen in der Industrie eingesetzten Energieformen nutzen. Für leitungsgebundene Energieträger bieten sich Speichermassen an, um bei der Erzeugung der Nutzenergie zeitlichen Spielraum zu haben. Zentral ist die Nutzung von Einsparmaßnahmen bei Elektrizität und Druckluft, da diese besonders kostenintensiv sind.

Gleichzeitig wurde eine Reihe von Modellierungsansätzen hinsichtlich der Eignung zur Beschreibungen von Komponenten unter energetischen Gesichtspunkten untersucht. Dabei kristallisierten sich drei für das Projekt geeignete Modellierungssprachen heraus. Der auf Basis der ausgewählten Modellierungsnotation prototypisch zu entwickelnde Editor soll ermöglichen, Anlagenstrukturen jeglicher Art energetisch abzubilden. Die Kenntnisse, die aus dem Modell erlangt werden, sollen wiederum in die reale Anlage einfließen. Es ergibt sich somit ein geschlossener Regelkreis. Die für einen solchen Modelleditor benötigte Komponentenbibliothek muss im Wesentlichen drei Basiselemente enthalten:

  • Umwandlungsanlagen, welche Energie von einer Nutzform in eine andere umwandeln. Beispielsweise wandelt ein Druckluftkompressor die Elektrizität in Druckluft um.
  • Verbraucher, durch die Energie auf das Produktionsgut einwirkt, um es im Sinne des Fertigungsprozesses zu verändern. Oft fällt dabei Energieverlust in Form von Wärme an, welche abgeführt werden muss.
  • Energieverteilungsanlagen sowie Einrichtungen für den Energietransport, die im Modell als Verbindungen zwischen den Komponenten dargestellt sind. Sie enthalten Informationen über Energieträger und Energieverluste durch Transport.

Durch den beschriebenen Lösungsansatz soll es möglich werden, Verbraucher und Lastgruppen und damit die gesamte Energieversorgungsstruktur einer Produktionshalle zu modellieren. Dazu müssen die Lastgruppen einer Basiskomponente zugeordnet und mit charakteristischen Eigenschaften parametriert werden. Zudem erlaubt dieser Ansatz dem Lastmanagement Eingriff in Energieverteilung und Planung.

Energiedaten-Analyse realer Anlagen

Als Grundlage für die exemplarische Modellierung wurden die Energiedaten realer Anlagen analysiert. Diese Lastganganalyse lieferte jedoch einen mathematisch schwer zu beschreibenden Kurvenverlauf. Es mussten andere Zusammenhänge gesucht werden. Bei Produktionsanlagen hat sich gezeigt, dass der Energieverbrauch linear mit der Auslastung der Anlage zusammenhängt. Dabei setzt sich der Energieverbrauch aus einem Fixanteil und einem stückzahlabhängigen Anteil zusammen. Dieser Verlauf ist mathematisch gut zu beschreiben und kann daher auch einen Anlagenzustand darstellen. Eine Anlage verfügt zudem in der Regel über mehrere Stand-By- sowie Produktionszustände. Diese Zustände müssen ebenfalls dem Modell hinterlegt und parametriert werden. Dazu müssen komplexe Anlagen über einen längeren Zeitraum analysiert werden, während Lastgruppen wie etwa Kompressoren ohne längere Beobachtungen beschrieben werden.

Mit diesem Wissen über die Anlagenstruktur soll es möglich sein, ein Lastmanagement durchzuführen. Ein solches ist grundsätzlich für leitungsgebundene Energieträger sinnvoll: Wird die vertraglich definierte Bezugsgrenze überschritten, wird der ’neue‘ Maximalwert als Basis für die Leistungskosten herangezogen, wodurch Mehrkosten auf Unternehmen zukommen können. Die wichtigsten dieser Energieträger sind Elektrizität, Gas und Wärme. Darunter stellt in den meisten Unternehmen Elektrizität die Energieform mit den größten Kostenauswirkungen dar. Einsparungen beim Bezug der Elektrizität wurde auch von allen befragten Unternehmen als größte Motivation angegeben, um ein Lastmanagement einzuführen. Bei allen leitungsgebundenen Energieträgern wird die für die Abrechnung verwendete Bezugslast durch die bezogene Energie über einen Zeitraum bestimmt. Bei Elektrizität dauert eine Abrechnungsperiode in der Regel 15 Minuten.

Beim Bezug von Gas kann der Abrechnungszeitraum von einer Stunde bis zu einem Tag dauern. Ziel eines Lastmanagements muss somit sein, die definierte Bezugsgrenze nicht zu überschreiten, indem geeignete Verbraucher ab- und Erzeuger wie Blockheizkraftwerke oder Flüssiggasspeicher zugeschaltet werden. Technisch ist es nicht möglich, exakt an die Bezugsgrenze hin zu steuern. Das macht die Definition eines Sicherheitsabstands zur Bezugsgrenze notwendig. Dieser darf aber nicht zu groß gewählt werden, damit die Leistungsspanne bestmöglich genutzt wird. Bei Abrechnungszeiträumen, die mehrere Stunden lang sind, muss zudem eine vorausschauende Planung der Schalthandlungen unter Berücksichtigung des Produktionsziels und der resultierenden Anlagen-Schaltzeiten stattfinden, welche das Überschreiten der vertraglich vereinbarten Bezugsgrenze verhindert.

Von der Theorie zum Prototypen

Das nächste Ziel in der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit ist es, mit der Modellierungsnotation eine real analysierte Anlage prototypisch nachzubilden und daraus Potenziale abzuleiten. Nach einem labortechnischen Erstscreening, in dem die automatische Code-Generierung erprobt sowie die erreichte Optimierung analysiert werden soll, ist eine prototypische Implementierung des Modells geplant.. Durch diese schrittweise Entwicklung soll eine stetige Optimierung sichergestellt werden. Nach erfolgreichem Projektabschluss werden die Ergebnisse zeitnah in das Produkt Legato übernommen.


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