Der Anstieg der Energiekosten erzeugt in der Industrie einen hohen Handlungsdruck, um auf den Weltmärkten wettbewerbsfähig zu bleiben. Im Bereich des Strombezugs bietet der energieflexible Fabrikbetrieb eine Strategie, auf steigende und volatile Strompreise zu reagieren. Dabei beschreibt die Energieflexibilität die Fähigkeit, sich schnell und mit geringem Aufwand an Änderungen des Energiemarkts anzupassen, um einen wirtschaftlichen Nutzen zu erzielen.

Dabei sollen niedrige Strompreisfenster intensiv genutzt und Zeitfenster, in denen der Strompreis vergleichsweise hoch ist, vermieden werden. Das verlangt eine Vielzahl von Informationen. Neben einer externen Informationsschnittstelle für das Erlangen entsprechender Preissignale ist vor allem die Information über den aktuellen Zustand der Fabrik entscheidend.

Die Verwaltungsschale

Informationen aus verschiedenen Quellen lassen sich in einem digitalen Zwilling zusammenführen. Um die entsprechenden Informationen an den jeweiligen Quellen zu erfassen und vorzuverarbeiten, bietet sich der Einsatz der Verwaltungsschale an. Die Verwaltungsschale dient als Integrationsschicht zwischen physischer und virtueller Welt. Aus diesem Grund besitzt jedes Asset – darunter können Produktionsressourcen, Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung oder die Produkte fallen – eine eigene und eindeutig identifizierbare Verwaltungsschale.

Das digitale Abbild des Assets auf der Verwaltungsschale umfasst sowohl statische als auch dynamische Daten. Zu den statischen Daten gehören beispielsweise Herstellerinformationen und Typenbezeichnungen des Assets. Zu den dynamischen Daten gehören Statusdaten wie der aktuelle Betriebszustand, Energiebedarf und Auftragsdaten sowie die Beschreibung von möglichen Systemzuständen, die angesteuert werden können, um beispielsweise das Energieprofil kurzfristig zu verändern.

Die Entscheidungen zur Veränderung des Energieprofils werden auf der Planungs- und Steuerungsebene getroffen. Während die Verwaltungsschale die Informationen eines Assets beinhaltet, werden auf der Planungs- und Steuerungsebene die Informationen der Fabrik aggregiert, sodass sich auch Zusammenhänge zwischen einzelnen Assets abbilden lassen.

Außerdem wird durch die zentrale Überwachung sichergestellt, dass keine Lastspitzen entstehen. Der digitale Zwilling erfüllt damit im Wesentlichen zwei Funktionen: die Überwachung der Fabrik sowie die Umsetzung von Maßnahmen, um den gewünschten Zustand herzustellen. Um einen entsprechenden Eingriff umsetzen zu können, werden die möglichen Maßnahmen in einer Übersicht dem Entscheider angeboten, der auf Grundlage dieser Optionen eine geeignete Maßnahme auswählt und einsteuert.

Nutzen des energieflexiblen Fabrikbetriebs

Durch das beschriebene Konzept lässt sich die Fabrik energieflexibel betreiben, sodass durch Energie-Einsparungen die Wirtschaftlichkeit der Fabrik steigt. Umsetzungen in der Industrie haben gezeigt, dass die Stromkosten im zweistelligen Prozentbereich gesenkt werden konnten.

Die Verwendung der Verwaltungsschale führt zudem dazu, dass sich weitere Anwendungen aufwandsarm integrieren lassen. Eine beispielhafte Anwendung ist die automatisierte Datenanalyse des Maschinenverhaltens, sodass Ursprünge von Ineffizienzen automatisiert und frühzeitig erkannt werden können.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsprojekts VerEFab – Verwaltungsschale für den energieflexiblen Fabrikbetrieb erarbeitet. Am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV wird das Projekt durch Prof. Dr.-Ing. Johannes Schilp betreut und durch die Wissenschaftler Lukas Bank und Christian Härdtlein bearbeitet.