INTELLIGENTE ÜBERWACHUNG UND EFFIZIENTE STEUERUNG … · eignen sich laut ISO 50006 denkbar schlecht dazu, die energiebezogene Leistung eines Unternehmens zu bewerten. Relative Energieleistungskennzahl

© Fraunhofer IFF, Magdeburg 2018Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Schenk

INTELLIGENTE ÜBERWACHUNG UND EFFIZIENTE STEUERUNG VON ANLAGEN

© Fraunhofer IFF, Oliver Meier

Chemnitz, 27. Juni 2018, Alexander Pelzer


DAS FRAUNHOFER IFFIHR TECHNOLOGIEPARTNER FÜR ANGEWANDTE FORSCHUNG

Im Zentrum der Forschung des Fraunhofer IFF stehen die Themen

Fabrikplanung und -betrieb,

Logistik und

Automatisierung.

Besonderer Fokus liegt dabei auf

neuen Methoden und Technologien des Digital Engineering

entlang des Lebenszyklus von Produkten und Produktionssystemen.

© hks | architekten

Erweiterungsbau am VDTC für kognitive, adaptive Arbeitssysteme

© Fraunhofer IFF, Viktoria Kühne

Virtual Development and Training CentreVDTC

© Fraunhofer IFF, Viktoria Kühne

Hauptgebäude des Fraunhofer IFF

Auf dieser Grundlage entwickelt das Fraunhofer IFF innovative Lösungen und Technologien für eine effiziente und nachhaltige Produktion


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Energiewende

Energieziele bis 2050 Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch auf

80% Senkung des Primarenergieverbrauchs um 50% (2008) Reduzierung des Treibhausgasausstoß um 80-95% (1990)

Handlungsfelder & aktuelle Schwerpunkte Energieeffizienz

Energiemarkt & Akteure

Erneuerbaren Energien

Flexibilisierungspotenziale zur Lastverschiebung Versorgungssicherheit

Netz- und IKT-Infrastrukturausbau

Neue Übertragungsleitungen Neue Technologien zur Überwachung & Steuerung

Energiespeicher

Kostengünstige Speichertechnologien Neue Geschäftsanwendungsfälle

Automatisierung und anwendungsfallbezogene Digitalisierung

Neue Akteure

Netzausbau

Energie--effizienz

Flexibler Verbrauch

Gesetz-gebung

IKT-

Infrastruktur

Erneuerbare Energien

Handlungsfelder


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS - Energieträgerübergreifendes Energiemanagementsystem

VERGANGEN-HEIT ZUKUNFT

Resultierende Potenziale

Integration volatiler Energie in industrielle Prozesse (bis 100%)

Senkung der Energiekosten um bis zu 20%

Senkung der CO2-Emmissionen um bis zu 100%

zusätzliche Synergien durch unternehmensübergreifende Betrachtungen

a posteriori Entscheidungswerkzeug (ISO 50001) Analyse Bewertung Optimierung

Mehrere Energieträger und -formen werden separat erfasst, bewertet und statisch optimiert

Monitoring, Prognose und Optimierung/ Steuerung von Energieerzeugern Energieverbrauchern und Energiespeichern

holistische Betrachtung der Energieträger und -formen (Cross-Energy) zur Steigerung der Energieeffizienz


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS - Konzept

Unternehmensziele

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit Effizienter Energie- und Ressourceneinsatz

Kosten-optimierter Energie-einsatz

Energie-effizienz steigern

Minimier-ung CO2-Emissionen

Zusatz-erträge durch Energie-dienstleist-ungen

Operative Ziele

Systemgrenzen

ManagementprozessPlanung

EnergiewertketteErzeugung/

UmwandlungEnergieeinsatz Speicherung

Energieträger /-formen

Elektrizität Dampf Erdgas Druckluft

Betrachtungsobjekte

Apparat Prozess Infrastruktur

Betrieb

SteuerungÜberwachung Vorhersage OptimierungPotenzial-analyse

Wirtschaft-lichkeit


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS – Komponenten

Energiezähler, Leistungsmessung

Apparaturen

Datenerfassung (SPS)/Gateway

SCADA-Systeme mit Produktions-und Energiedaten

Infrastruktur

Energiemanagement-SoftwaresystemXDEMS

Prozessleitebene

Betriebsebene

cmp Components

Energy management system

User interfaces

Middleware

Communication adapters

Energy management services (Microservices)

Energy system monitor Energy consumption & generation forcaster

Energy resource controller Energy flow simulator & optimizer

User manager system configurator

ISO 50001 services

Desktop application

Mobile application

Energy analizer

Message Broker

Platform adapters

Software adaptersModbus/TCP

EnOcean

BACnet

M2M/ OPC UA

SPS PLC

Data storage

Database storage

File storage

SMTP


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS - Forschungsschwerpunkte

Analyse Vorhersage Optimierung

Verbrauchscharakteristiken der Hauptenergie-verbraucher bewerten

Verbrauchsprofil ermitteln und die jeweiligen Einflussfaktoren

Elektrisch Stochastische Modelle Neuronale Netze mit

unterschiedlicher Konfiguration

Thermisch Dynamisches

Simulationsmodell zur Berechnung des Wärmebedarfs

Vorhersagen

System-

konfiguration

Lösungen der Entscheidungs-variablen

Optimierungssystem

Ergebnis der Zielfunktion

min𝛼𝜉 σ𝑖=1𝑛 𝑡𝑖 + 𝛽𝑚𝑎𝑥 𝑡𝑖


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Energieleistungskennzahl Bewertung

Absolute Energieleistungskennzahl

Die absoluten Kennzahlen erfassen den Energiebedarf als Ganzes. Sie eignen sich laut ISO 50006 denkbar schlecht dazu, die energiebezogene Leistung eines Unternehmens zu bewerten.

Relative Energieleistungskennzahl

Relative Kennzahlen setzen den Energieverbrauch in Bezug zu einem anderen Wert: Mitarbeitern etwa, oder Quadratmeter. Sie stoßen dann an ihre Grenzen, wenn sich die Variablen stark verändern oder die Grundlast von sich aus hoch ist.

Statistisches Modell

Statistische Kennzahlen untersuchen die Beziehung zwischen der energiebezogenen Leistungen und verschiedenen Variablen. Sie nutzen dafür lineare und nicht-lineare Regressionen. Wer die energiebezogene Leistung eines Hotels bei unterschiedlicher Bettenbelegung und Temperaturen ermitteln will, ist hier richtig.

Ingenieurtechnisches ModellAuf technische Modellierungsansätze sollten Sie immer dann zurückgreifen, wenn sich verschiedene relevante Variablen auch gegenseitig beeinflussen – so wie zum Beispiel Druck und Temperatur.

Ko

mp

lexi

tät

Gemessener Energieeinsatz (kWh), Produktionsmenge (t)

Spezifischer Energieeinsatz für ein Produkt (kWh/tProdukt),

Lineares/ nicht lineares und einfaches/ multiples Regressionsmodell

Simulationsmodelle

Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS - AnalyseEnergieleistungskennzahlen Berechnung/ Ermittlung

Quelle: DIN EN ISO 50006


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Kennzahl bilden Einflussfaktoren bestimmen

adjustiertes Bestimmtheitsmaß (R²) >75%

Beispiele für Einflussgrößen aus dem Energieeffizienznetzwerk Bitterfeld-Wolfen

Wetter

Temperatur, Windgeschwindigkeit, Relative Luftfeuchtigkeit

Schwankende Produktionsmenge

Produktionslinenstart/-ende/-abbruch

Betriebsdauer

Wartung

Veränderungen am Produkt/ neue Produktionslinie testen

Variierende Mitarbeiteranzahl

Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von Anlagen XDEMS - AnalyseEnergieleistungskennzahlen & Einflussfaktoren bestimmen

Quelle: DIN EN ISO 50006


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS – Analyse/ VorhersageBerechnung/ Ermittlung mit dynamischen Simulationsmodellen

Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Apparaturen mittels mathematischer Gleichungen


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMS – Integration von neuen Anlagen Energiespeichersysteme

Technologische

Unterschiede

Einsatzdauer

entscheidend für

Auswahl der

Speichervariante

Doppelschicht-kondensator

Supraleitende magnetische Spulen

Schwungmasse-speicher

Pumpspeicher-kraftwerke

Druckluft-speicher

Thermoelektrischer Speicher

Batteriespeicher

Redox-Flow-Speicher

Power-to-Gas-Speicher

• Wasserstoff-speichersysteme

• Erdgasspeicher-systeme

Kurzzeitspeicher Langzeitspeicher

Sekunden Tage Wochen Jahre


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMSEnergiespeichersysteme – Aktueller Entwicklungsstand

Forschung und Entwicklung Prototypen Kommerzialisierung

Thermochemisch

Synthetisches Erdgas

WasserstoffAdiabate CAES

Power-Caps

supraleitende Spulen

Flow-Batterien

Schwungmassespeicher(Turbo-Läufer)

Lithium-Batterien

Schwungmassespeicher (Langsam-Läufer)Flüssigsalz

Eis-Speicher Natrium-Schwefel-Batterien

Druckluftspeicher

Erdwärmespeicher

Vorratsspeicher

Pumpspeicherkraftwerke

Grundwasserspeicher

Warmwasserspeicher (Haushaltsversorgung)

Inve

stit

ion

& R

isik

o


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMSBatteriespeicher

Batteriespeicher

PV-Anlage• Volatile Einspeisung

Windkraftanlage• Volatile Einspeisung

Produktionsprozesse• Dynamische Lasten

E-Kfz mit Ladeinfrastruktur• Steuerbare Lasten/ Speicher

Mini BHKW, Biomasse etc.• Steuerbarer Erzeuger• Inselnetzbetrieb

Netz

Energieflüsse

Informationsaustausch

Vermeidung von Lastspitzen Lastflexibilisierung vs. Energieeffizienz Nutzung der pot. abgeregelter Energie Kurzfristige Versorgung mit Notstrom (USV) Erhöhung der Versorgungssicherheit Erhöhung der Versorgungsqualität* Bereitstellung von Blindleistung

Wirtschaftlichkeitsunter-suchung neuer

Systemdienstleistung


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Intelligente Überwachung und effiziente Steuerung von AnlagenXDEMSAuslegung von Energiespeichersystemen

Datenanalyse

• Lastgänge

• Zielgrößen der Nutzungsstrategie

ökonomische Analyse

• Residuallast

• tech. Anforderungen

Speicherdimensionierung

• Energiepreise

• Investitions- & Betriebskosten

• Technologieportfolio

• Umgebungsbedingungen

Optimale Speicherkonfiguration

Szenariensimulation


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