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Energiekostenorientierte Belegungsplanung

Stromintensive Fertigung

Energiekostenorientierte Belegungsplanung

Eine neue Produktionsplanungsmethode unterstützt Anwender, Lastspitzen in der energieintensiven Fertigung gering zu halten, um Stromkosten zu reduzieren. Dabei tragen die Entwickler dem Umstand Rechnung, dass verschiedene Fertigungsaufträge einen unterschiedlichen Stromverbrauch verursachen.

Bild: IPH2013

Im letzten Jahrzehnt sind die Energiepreise deutlich angestiegen. In Fertigungsbetrieben haben die Energiekosten daher einen erheblichen Anteil an den Produktionskosten. Zukünftige Ereignisse wie der Atomausstieg und der Netzausbau lassen weitere Preisanstiege erwarten. Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in energieintensiven Branchen wie der Schmiede-Industrie führt dies zu erheblichen finanziellen Belastungen. Daher haben diese Unternehmen ein Interesse daran, ihre Energiekosten zu senken. Um das zu erreichen, stehen verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz zur Verfügung. Viele dieser Ansätze erfordern zuvor allerdings Investitionen beispielsweise bei der Erneuerung der technischen Gebäudeausrüstung. Dies führt kurzfristig zu einer weiteren Erhöhung der finanziellen Belastung.

Ein anderer Ansatz zur Kostenreduzierung besteht darin, bei konstantem Energieverbrauch die Kosten für die bezogene Energiemenge zu verringern. Diese Herangehensweise bietet den Vorteil, dass zumindest kurzfristig keine größeren Investitionen notwendig werden und dennoch Kosten eingespart werden können. Als Mittel zur Senkung der Energiekosten bei konstantem Energieverbrauch kann dabei die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) dienen. Ein Bestandteil der PPS mit unmittelbarem Einfluss auf die Energiekosten eines Unternehmens ist die Belegungsplanung: Mit diesem Werkzeug werden Zeit und Reihenfolge der Fertigungsaufträge auf einer Maschine bestimmt. Dabei wird die Maschinenbelegung auf eine logistische Zielgröße – wie etwa Durchlaufzeiten – optimiert. Um die Belegungsplanung um die Möglichkeit zu erweitern, mit ihr Energiekosten reduzieren zu können, muss eine entsprechende Zielgröße hinzugefügt werden.

Hebel zur Reduzierung von Energiekosten

Die Energiekosten energieintensiver Unternehmen setzen sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen. Durch die Belegungsplanung lassen sich zwei dieser Bestandteile beeinflussen. Dies ist zum einen der Arbeitspreis, der für die bezogene elektrische Arbeit anfällt und mengenbezogen pro verbrauchte Kilowattstunde abgerechnet wird. Das Potenzial für einen verringerten Arbeitspreis geht in diesem Zusammenhang von dem Preisunterschied zwischen dem Hoch- und Niedertarif aus. Im Niedertarif, meist zwischen 22 und sechs Uhr, ist der Arbeitspreis geringer. Da diese Unterscheidung jedoch vom gewählten Stromtarif abhängt, kann das Potenzial zur Senkung der Energiekosten insgesamt als eher gering eingeschätzt werden. Der andere Hebel zur Kostenreduktion ist der Leistungspreis, welcher für die Bereitstellung der elektrischen Arbeit anfällt. Dieser wird über die Lastspitze in Kilowatt errechnet, die in einem festgelegten Zeitraum im Fertigungsbetrieb gemessen wird. Häufiger Bestandteil von Energietarifen ist zudem eine vereinbarte Leistungsobergrenze.

Diese legt eine Höchstleistung in Kilowatt fest, die das Unternehmen nicht überschreiten soll. Wird diese Obergrenze auch nur einmal im Jahr verletzt, erhöhen sich der Multiplikator zur Berechnung des Leistungspreises und somit die Energiekosten signifikant. Für diese Berechnung wird der Energieverbrauch eines Unternehmens über den Hauptzähler des Versorgers gemessen und als viertelstündlicher Mittelwert gespeichert. Der höchste Mittelwert stellt die Lastspitze dar. Bei produzierenden Unternehmen können durch zeitliche Überlagerungen einzelner Fertigungsaufträge große Schwankungen in der Energienachfrage auftreten. Wenn es vor diesem Hintergrund gelingt, Lastspitzen zu reduzieren und den Energieverbrauch besser über die Zeit zu verteilen, lässt sich das Kostensenkungspotenzial heben. Dies gilt insbesondere für Unternehmen, deren Energietarife eine vereinbarte Leistungsobergrenze beinhaltet.

Energieverbrauchsmessungen bei Unternehmen zeigen, dass sich der Energieverbrauch etwa einer Spritzgussanlage von Fertigungsauftrag unterscheiden kann. Auf der Basis dieser Verbrauchsdifferenz ermittelt die Produktionsplanungsmethode des IPH Hannover eine Auftragsreihenfolge, die als Zielgröße eine Verringerung der Laststpitzen hat. Die Methode entstand im Rahmen des Projektes ‚Energiekostenoriente Belegungsplanung‘, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Forschung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Bild: IPH 2013

Planerische Zielgröße Verbrauchsnivellierung

Das IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover hat sich zur Aufgabe gemacht, eine Methode zur energiekostenorientierten Belegungsplanung zu entwickeln. Diese unterstützt das gezielte Einplanen von Fertigungsaufträgen an Maschinen mit dem Ziel, sowohl den Energieverbrauch über der Zeit zu nivellieren, als auch die Einhaltung der logistischen Zielgrößen Termintreue, Durchlaufzeit und Bestand sicherzustellen. Durch die Nivellierung des Energieverbrauchs können sich so Lastspitzen vermindern und die Energiekosten minimieren lassen. Die Methode zielt vor allem auf kleine und mittlere Fertigungsunternehmen ab, deren Produktion in einer Werkstattfertigung organisiert ist. Eine Anwendungsvoraussetzung der Methode besteht darin, dass Produkte mit unterschiedlichen Energieverbräuchen je Maschine gefertigt werden, da sonst das Tauschen von Aufträgen keinen Einfluss auf den Energieverbrauch ausüben kann. Die auf der Methode basierende Software zur energiekostenorientierten Belegungsplanung terminiert die Fertigungsaufträge an den entsprechenden Maschinen so, dass die Summe aus Logistikkosten und Energiekosten minimiert wird. Um die Energiekosten zu errechnen, müssen die sich aus dem Belegungsplan ergebenden Lastspitzen identifiziert werden.

Dafür summiert die Methode die Energieverbräuche aller zu einem bestimmten Zeitpunkt laufenden Anlagen, wodurch sich der Gesamtenergieverbrauch über die Zeit ergibt. Um die Zielgröße ‚Termintreue‘ in der Methode zu garantieren, werden die Arbeitsgänge eines Auftrags bis zum Liefertermin vollständig bearbeitet. Die Minimierung der Bestände und der Durchlaufzeit eines Auftrags können durch verringerte zeitliche Abstände zwischen den Arbeitsgängen sowie verringerte Liegezeit von Teilen im Rohteil- und Fertigwarenlager erreicht werden. Diese Regeln wurden als mathematische Gleichungen formuliert und in einem linearen Optimierungsproblem modelliert. Das so entstehende ‚Problem‘ wird daraufhin in Form eines ‚genetischen Algorithmus‘ abgebildet und eine Lösung entwickelt. Zur Validierung der Methode wurden die Planungsergebnisse mit den Daten zu Maschinen, Aufträgen und Energieverbräuchen eines energieintensiven Unternehmens verglichen. Dazu wurde von einem Produktionsplaner anhand erfasster Aufträge ein praxisnaher Belegungsplan erstellt. Dieser wurde dem kostenoptimierten Belegungsplan gegenübergestellt, den der genetische Algorithmus errechnet hat. Durch die Anwendung der Methode in einer energiekostenorientierten Belegungsplanung ließ sich in diesem Fall die Lastspitze deutlich senken. Gleichzeitig kam es zu keinem unverhältnismäßigen Anstieg der Logistikkosten.