Vergleichende Darstellung zweier Werkzeuge zur Simulation energetischer Aspekte in der Produktion

Energy consideration has been a topic in simulation studies for production and logistics for some years now. The research focus has shifted recently from energy efficiency more to energy flexibility. Ever growing capacities of renewable energies from wind and sun lead to an increasingly volatile energy supply characterized by oversupply and undersupply situations and thus increasing numbers of periods with either very high or even negative electricity prices on the spot market. Energy will therefore be seen as a production factor with fluctuating availability and costs. This trend is reflected exemplarily in the two new developed simulation tools, the eniBRIC introduced in 2016 and the eFlex-Tool developed in 2018. Both tools extent the software Siemens Tecnomatix Plant Simulation and implement an energy model in addition to the actual material flow model in order to assess the energy consumption of production equipment, respectively systems. This paper intends to outline the differences and similarities as well as the designated areas of application for each implementation. 1 Motivation und Einleitung Die Energiewende als Übergang von der derzeitig intensiven Energienutzung auf Basis von Kohle, Erdöl und Erdgas sowie Nuklearenergie zur nachhaltigen Energieversorgung und -nutzung zielt auf eine drastische Reduzierung der klimaschädlichen CO2-Emmissionen und adressiert Probleme der Endlichkeit fossiler Energieträger und Gefahren der Atomenergie. Hauptpfeiler der Energiewende sind die Energieeffizienz, d.h. der optimierte Energieeinsatz in technischen Anwendungen, die Energiesuffizienz, also die systemische Begrenzung des Energiebedarfs durch Eliminierung nicht notwendiger Verbräuche sowie die weitgehende Substitution der bisherigen Energieträger durch erneuerbare Energien. Mit dem weltweit und vor allem auch in Deutschland wachsenden Anteil erneuerbarer Energien wirkt sich deren nur 132 Prell, Bastian et al. begrenzt planbare und zu beeinflussende Variabilität in der Erzeugung unmittelbar auf das Stromsystem aus. Das netzseitige Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie verändert sich hin zu einer zunehmenden Volatilität. Der netzweiten Flexibilisierung von Verbrauch und Nachfrage kommt dadurch eine zentrale Bedeutung bei der Umsetzung der Energiewende zu: Fand bisher ein Reagieren auf diese Volatilitäten nur erzeugungsseitig statt, wird jetzt der Einbezug der energienutzenden Akteure angestrebt, um weitere ökologische und ökonomischen Potentiale zu erschließen. Eine besondere Rolle spielt dabei das produzierende Gewerbe: einerseits besitzt die Industrie mit ihrem Anteil von 30% bis 35% des Gesamtenergiebedarfs in Deutschland bzw. 29% im europäischen Durchschnitt (eurostat 2018; Statistisches Bundesamt 2018) ein beachtliches Potenzial für Nachfrageflexibilität zur Unterstützung der Energiewende, andererseits steht die Industrie vor allem in unserer exportorientierten Wirtschaft unter einem enormen Kostendruck und muss in die Lage versetzt werden, potenziell negative Auswirkungen einer immer volatileren Energiewirtschaft zu kompensieren. Mit der Unterscheidung zwischen Energieeffizienz und Energieflexibilität (Keller and Reinhart 2016) wird die Beeinflussung des Energieeinsatzes in der Produktion, ausgehend von einer Minimierung der nominalen Bedarfe und Glättung der Verlaufsprofile hin zu einer zeitlich gezielten Steuerung der Bedarfsprofile auf Basis externer Angebote erweitert. Da Produktionsprozesse dynamischen Einflüssen unterworfen sind, die sich nicht hinreichend mit statischen Verfahren abbilden lassen, ist die Simulation „ein zentrales Werkzeug zur Untersuchung auch sehr komplexer Zusammenhänge zwischen produktionslogistischen Abläufen und den peripheren Energieund Medienversorgungssystemen in Unternehmen“ (Wenzel et al. 2017). Anwendungsgebiete sind z.B. die bedarfsgerechte Auslegung der versorgenden Infrastruktur im Sinne der Energieeffizienz oder die Identifikation von Anlagen, die prozessabhängig, z.B. bei länger andauerndem Ausbleiben von Material, in energetisch günstigere Zustände im Sinne der Energiesuffizienz geschaltet werden können. Die Autoren präsentierten in vergangenen Publikationen (Stoldt et al. 2015a, 2016) sowohl den eniBRIC Baustein als auch das neuentwickelte eFlex-Tool (Prell et al. 2018) die es ermöglichen, energetische Betrachtungen in die Materialflusssimulation einzubinden. Beide Erweiterungen für das etablierte Simulationswerkzeug Siemens Tecnomatix Plant Simulation wurden zur Untersuchung von Fragestellungen der energieeffizienten und energieflexiblen Produktion entwickelt. Der vorliegende Beitrag soll Gemeinsamkeiten und Unterschiede sowie spezifische Anwendungsgebiete der beiden Werkzeuge aufzeigen und herausstellen, welche Indikation auf die vorteilhafte Nutzung des jeweiligen Werkzeugs hinleitet. Beide Werkzeuge bauen auf der Formulierung von Betriebszuständen auf, die mit energetischen Bedarfen verbunden sind. Diese haben elementaren Einfluss auf die Validität und Genauigkeit der energetischen Simulationsergebnisse. Daher wird in Abschnitt 4 auf die spezifischen Herausforderungen zur Erfassung und Aufbereitung energetischer Eingangsdaten für die Simulation eingegangen und dazu ein mögliches Vorgehen vorgestellt. Vergleich zweier Werkzeuge zur Simulation energetischer Aspekt 133 2 Einordnung bisheriger Arbeiten und Trends Energieund umweltpolitische Schwerpunktsetzungen und Anstrengungen sowie eine höhere Gewichtung energetischer Aspekte in der Produktion führten im letzten Jahrzehnt speziell auch zur Erforschung energiesensitiver Verfahren der Fertigungsteuerung sowie zur Entwicklung entsprechender Komponenten für Fertigungsleitsysteme. Eine solche Steuerung umfasst Produktion, Gebäude(-verbund) und Energiebzw. Medienversorgung über die verschiedenen Leitebenen und Systeme (ERP, MES, EMS, GLT) hinweg. Für eine breite Akzeptanz im industriellen Umfeld dürfen produktionslogistische Kenngrößen mit hoher Kostenrelevanz wie Durchlaufzeiten, Bestände, Auslastung oder Termintreue nicht negativ beeinflusst werden. Generell bedingen die neuen Steuerungsverfahren und die Hinzunahme neuer, energiebezogener Zielgrößen eine wachsende Komplexität der Planung und Steuerung. Die Transparenz über das Ausmaß vorhandener Flexibilitäten und über Auswirkungen energiebezogener Steuerungsentscheidungen auf die produktionslogistischen Kenngrößen wird somit fundamental. Qualitative Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass Energieflexibilität durch eine Reihe von Maßnahmen im industriellen Umfeld erreicht werden kann. Welche Anwendung jedoch sinnvoll ist, hängt von vielen Faktoren ab. Eine Einteilung nach der Branche und dem Betätigungsfeld der Unternehmen bietet hier eine erste Orientierung. Wenn mit dem aktiven Demand-Side Management ein Nutzen für alle Netzteilnehmer generiert wird, so ist die Vergütung folgerichtig. Die produktionsseitigen Potentiale müssen jedoch dafür in Produkte und Angebote des Energiemarktes überführt werden. In Abbildung 1 sind die derzeitigen Möglichkeiten zur aktiven oder mittelbaren Teilnahme am Energiemarkt oder zur Erbringung von Netzdienstleistungen und deren Potentiale dargestellt. Abbildung 1: Faktoren zur energieorientierten Simulation von Produktionssystemen sowie Möglichkeiten zur Teilnahme an Energiemärkten oder zur Erbringung von