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Modellbasiertes Lastmanagement

Modellbasiertes Lastmanagement

Durch Ressourcenverknappung fossiler Energieträger und politischer Vorgaben ist es zu einem starken Preisanstieg aller Energieformen gekommen. Dieser Trend wird sich aktuellen Prognosen zufolge fortsetzen. Damit wird das Bedürfnis, Energieströme in der Produktion mess- und kontrollierbar zu machen, immer größer.

Herausforderung Lastmanagement: Da eine exakte Ansteuerung der Bezugsgrenzen in der Regel nicht möglich ist, müssen Sicherheitsabstände gewährleisten, dass abrechnungsrelevante Verbrauchsgrenzen nicht überschritten werden. Bild: Gefasoft.

Der Energieverbrauch spielt für Produzenten und ihr IT-Instrumentarium eine immer größere Rolle. Organisationen wie Mesa und VDI geben inzwischen sogar Richtlinien heraus, denen zufolge zukünftig Leitsysteme sowie Manufacturing Execution-Systeme (MES) Module zur Überwachung des Energieeinsatzes bereitstellen sollen. Mit der Hilfe von Lastmanagementsystemen (LMS) soll so die zeitliche Lastverteilung geplant werden, um Energiekosten und Energieverbrauch zu reduzieren. Auch Anreizprogramme wie die Abgabenerleichterung nach ISO 50001 fördern den Wunsch, den Energieverbrauch im Unternehmen zu überblicken.

Herausforderung: Vermeiden von Spitzenlasten

Es gibt eine Vielzahl am Markt angebotener IT-Systeme, die unter dem Begriff Energiemanagementsystem (EMS) verkauft werden. Die meisten Lösungen bieten lediglich die Möglichkeit einer Aufzeichnung von Energiedaten, die mit verschiedenen Analysewerkzeugen aufbereitet und ausgewertet werden können. Der Nutzer muss selbst das Potenzial erkennen und in den Produktionsablauf eingreifen. Nur wenige Systeme bieten Möglichkeiten zum automatisierten Eingriff in die Energieplanung und somit eine Beeinflussung des Verbrauchs. Aber auch Software, die diesem Lösungsansatz folgt, ist in der Regel nicht in der Lage, den zukünftigen Energieverbrauch abzuschätzen sowie Spitzenlasten während der Laufzeit zu vermeiden und so den Lastgang zu glätten. Voraussetzung für alle Systeme zum Management des Energieeinsatzes ist die Kenntnis über die Energieströme. Dazu ist die Montage von Sensoren und vernetzten Energiezählern erforderlich.

Die Zahl der zu verbauenden Komponenten steigt naturgemäß mit der gewünschten Granularität. Die angesprochene Norm DIN EN ISO50001 beschreibt, wie ein Energiemanagementsystem in einem Unternehmen installiert und verankert sein soll. Wie viele Managementsysteme basiert auch diese Norm auf einem ‚Plan-Do-Check-Act‘-Zyklus (PDCA), mit dem der Erfolg von Maßnahmen überwacht wird und weitere Aktionen abgeleitet werden sollen. Ein EMS soll den Anwender dabei durch Überwachung, Messung und Analyse sowie beim Aufzeigen von Nichtkonformität und Vorbeugungsmaßnahmen unterstützen.

Forschungsprojekt zur Verbrauchsprognose

Um den Energieeinsatz außerdem auch steuern zu können ist es notwendig, das Verbrauchsverhalten zu prognostizieren. Solche Prognosen erfordern nicht nur die Analyse aktueller Energiedaten. Vielmehr sind Informationen über die Produktionsprozesse notwendig. Entsprechende Daten laufen in einem automatisierten Produktionsbetrieb beispielsweise im MES zusammen. Systeme wie die Lösung Legato der Gefasoft AG bieten Anwendern die Möglichkeit, Energiedaten zu sammeln und zu analysieren. Vor diesem Hintergrund ist im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms ZIM das Kooperationsprojekt ‚MorE‘ mit der Technischen Universität München entstanden, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert wird. Auf Basis des Leitsystems soll ein Modul prototypisch entwickelt werden, das autark den Energieumsatz überwacht und regelt, sodass ein vorgegebener Lastspitzenwert nicht überschritten wird. Darüber hinaus soll es möglich sein, den Energieeinsatz in der Produktion zu verwalten und insgesamt zur Verbrauchsreduktion beizutragen.

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:

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.