11.04.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Digitales Engineering für mehr Klimaschutz

Digitales EngineeringQuelle: NicoElNino/Shutterstock

Was im Maschinenbau gang und gäbe ist, die Digitalisierung von Maschinen und Anlagen, soll bald auch verstärkt Anwendung im Energiemanagement von Unternehmen und Gebäuden finden. Diese selbstbewusste Vision verfolgt ein Start-Up aus Erlangen.

Digitales Engineering: Die Mitarbeiter der Heitec Innovations GmbH, Spin-Off der Heitec AG aus Erlangen, ein Digitalisierungsunternehmen von Engineering-, Produktions- und Geschäftsprozessen in der Industrie, wollen Energieflüsse in Unternehmen anhand digitaler Modelle darstellen. Das aus der Industrie gewonnene Know-how, bringt das Spin-Off nun auch in die Energiebranche und die Gebäudeleittechnik ein.

Digitales Engineering und die Energie

Bereits seit geraumer Zeit arbeiten die Ingenieure des neuen Heitec-Spin-Offs an zukunftsfähigen Konzepten für die Sichtbarmachung der Energieflüsse (Strom und Wärme) in Unternehmen und deren Optimierung sowie Zusammenführung zu einem sinnvollen Ganzen im Sinne des Klimaschutzes und der Kostenreduktion.

Den Fußabdruck reduzieren

Der Klimaschutz ist in aller Munde. Er wird nicht nur in der Politik heiß diskutiert, sondern beschäftigt auch viele Unternehmen mehr und mehr. Einerseits müssen immer neue Vorschriften zur Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen eingehalten werden und andererseits werden auch die CO2-Zertifikate immer teurer.

Daraus resultieren steigende Energiekosten, was gerade bei Unternehmen mit einem hohen Stromverbrauch zu Buche schlagen wird. Zudem steigen die Erwartungen der Menschen und Mitarbeiter in Sachen Nachhaltigkeit immer weiter. Deshalb werden die Bestrebungen der Unternehmen immer größer, so wenig wie möglich die Umwelt zu belasten.

Um die Kohlenstoffdioxid-Emission zu reduzieren, helfen vor allem digitale Lösungen: Die Ingenieure berechnen dazu physikalische und elektromechanische Prozesse am Computer und erstellen Simulationen, mit deren Hilfe Anwender und Betreiber ihre individuell optimale Energie-Lösung finden.

Bei dieser Arbeit geht es um die Energieversorgung von ganzen Gebäuden. Die Heitec-Ingenieure entwickeln Simulationen, um beraten zu können, wie das individuelle Energiemanagement für Unternehmen zukünftig aussehen könnte.

Technologiemix der erneuerbaren Energien

Bei Gebäuden werden sich künftig die Technologien mixen. Bei einer CO2-neutralen Versorgung, braucht man verschiedene Energieversorger, sprich eine PV-Anlage, Wasserstoff, Holzvergaser und weitere Techniken.

Diese muss jedoch intelligent gesteuert und gemanagt werden. Vor allem, um immer zur richtigen Zeit die richtige Menge Energie zur Verfügung zu haben. Die Ingenieure des Spin-Offs sehen hier das Potential. Deshalb sind sie gerade dabei digitale Modelle zu erstellen, mit denen sie befähigt sind, diese Themen zu simulieren und später in der realen Welt auch so umzusetzen.

Digitales Engineering: Prozesswärme von Industrieanlagen

Industrieanlagen benötigen beispielsweise Prozesswärme. Diese muss erzeugt werden oder sie kommt in den meisten Fällen von extern, beispielsweise über Fernwärme, die man meist auf ein höheres Energieniveau bringen muss. Das heißt, auf einen höheren Druck oder eine höhere Temperatur.

Wie groß die hierfür benötigte Energie ist, berechnen die Heitec-Ingenieure mittels digitaler Modelle. Durch diese können sie einfacher verschiedene Szenarien mit unterschiedlichsten Komponenten untersuchen.

Kann beispielsweise eine Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaik die benötigte Energie aufbringen? Sicher findet sich dazu eine Lösung, Jedoch ist dabei zu bedenken, dass Photovoltaik-Energie saisonal unterschiedlich vorliegt. Solche saisonalen Effekte muss der Projekteur bei einem Industrieprojekt herausbekommen. Der Industrieprozess oder die Anlage muss kontinuierlich und exakt wiederholbar das ganze Jahr laufen.

Genau hier setzen die digitalen Modelle an und berechnen für den Einzelfall optimale Lösungen. Die Simulation kann saisonale als auch tageszeitliche Effekte berücksichtigen: Haben wir viel Sonnenschein und lohnt sich eine Photovoltaikanlage. Der Ingenieur stellt Fragen wie: Kann überschüssige Energie in Form von Wasserstoff gespeichert werden?

Ferner kann er feststellen, ob am Ende eines solchen Prozesses ungebrauchte Wärme abfällt und ob sich diese aus dem System herausnehmen lässt, um dann wieder am Beginn des Prozesses oder an anderer Stelle genutzt werden kann. Etwa für die Ladesäule der E-Fahrzeuge.

Die wichtige Frage lautet: Wo sind die Energiepunkte des Gebäudes oder der Anlage und wie können diese regenerativ erzeugt werden? Das ganze jeweils in Verbindung mit einem Wärme- oder Batteriespeicher mit der richtigen Auslegung und Größe, sodass ein kontinuierlicher Prozess gewährleistet werden kann.

Energieanalyse per digitalem Zwilling

Es geht primär um die digitale Darstellung von Energieflüssen. Gestartet wird mit der Auswertung der einzelnen Komponenten und des aktuellen Energieverbrauchs der Anlage oder des Gebäudes und den technischen Rahmenbedingungen.

Auf dieser Grundlage können anschließend unterschiedliche Lastfälle bestimmet und mit dem Kunden abgestimmt werden, welche Ziele erreicht werden sollen. Sind diese definiert, betrachtet man die Prozesse und die einzelnen Energiequellen. Der Ingenieur arbeitet mögliche Potenziale heraus. Dabei helfen ihm Simulationen per digitalem Modell, um mögliche Szenarien durchzurechnen.

Wurde eine Lösung festgelegt, beginnt er die Rechnung zu verfeinern und die finanziellen Aspekte auszuarbeiten. Dies ist ausschlaggebend, um Unternehmen zu überzeugen, auf erneuerbare Energien umzusteigen. Gerechnet wird mit einer Amortisationszeit von fünf bis zehn Jahren, je nach individuellen Anforderungen und Gegebenheiten.

Kundenutzen durch smarte Energietechnik

Das Heitec-Spin-Off verfolgt das Ziel, mit zentralen Projekten Wissenschaft, Mobilität und Energietechnik zusammenzuführen. Die Mitarbeiter gestalten durch engen Kontakt zur aktuellen Forschung und Entwicklung die Sicht auf die Energietechnik der Zukunft. Essentiell dabei ist, die konkreten Bedürfnisse der Unternehmen zu verstehen und sie dabei zu unterstützen, individuelle Lösungen zu finden. Ziel ist, für die Anwender-Unternehmen möglichst viel Kohlenstoffdioxid-Emissionen und Kosten einzusparen. Die Simulationen machen deutlich, wie viele Umweltfaktoren zu beachten sind und wie viele Stellschrauben dabei ineinandergreifen.

Der Autor Steffen Schmitt ist Projektingenieur bei der Heitec Innovations GmbH.

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