Energie einsparen – So punkten Unternehmen mit dem richtigen Energiemanagement

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Energie einsparen – So punkten Unternehmen mit dem richtigen Energiemanagement

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Unternehmen suchen verstärkt nach Energieeinsparmöglichkeiten. Doch meist können sie die Fragen nach ­der Effizienz von Anlagen, Linien oder Maschinen nur „aus dem Bauch heraus“ beantworten. Für exakte Entscheidungen sind verlässliche Daten aus dem Prozess in Korrelation mit der Anlagen- oder Maschinen­auslastung sowie Messwerte der der Antriebe erforderlich. Der Automatisierungsspezialist Heitec entwickelte jetzt eine Lösung auf Basis von MindSphere. VON ANDREAS NEUMEIER
Energie einsparen Energiemanagement Unternehmen
  • Die meisten Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, wie sie Energie einsparen können.
  • Dazu muss geprüft werden, wie effizient Anlagen und Maschinen arbeiten.
  • Automatisierungsspezialist Heitec entwickelte auf Basis von Mindsphere eine Lösung.

Als gesetzliches Normativ für Energieeinsparungen gilt die ISO 50001, mit der Unternehmen ihre Energienutzung unabhängig von der jeweiligen Energieform kontinuierlich und nachhaltig verbessern müssen. Der Nachweis ist jährlich in einem internen Audit zu bestätigen. Damit wird die effiziente Energienutzung zu einem strategischen Unternehmensziel. Voraussetzung dafür ist eine adäquate Feldinstrumentierung, die Transparenz der Energieverbräuche schafft. 

Transparente Daten geben allen Beteiligten – vom Management bis zum Anlagenfahrer – schnell Auskunft darüber, ob der Energieverbrauch noch im grünen Bereich liegt oder nicht. Transparente Daten sind gleichzeitig die Grundlage für vorausschauendes Lastmanagement sowie für die Berechnung der Lastgänge der Anlagen und des spezifischen Energieverbrauchs der verschiedenen Produkte. Mit Key-Performance-Indikatoren (KPI) und Verbrauchs-Benchmarking lässt sich ermitteln, ob, wann und an welchen Stellen der Anlage ein Modernisierungsbedarf besteht – und welche technischen und wirtschaftlichen Verbesserungen eine Maßnahme bringt. Anhand der Leistungskennzahlen kann der Anlagenbetreiber prüfen, ob die erwarteten Verbesserungen der Anlagenperformance auch wirklich eingetreten sind.

Energie sparen im Unternehmen: Anschluss an Verbrauchszähler

Bei bestehenden Anlagen ist allerdings die Vielfalt der Teilanlagen mit ihren unterschiedlichen Automatisierungssystemen, verschiedenen Zähleinrichtungen und proprietären Schnittstellen ein Problem. Deshalb ist es notwendig, dass im ersten Schritt alle relevanten Geräte und Anlagen an Verbrauchszähler angeschlossen werden. Das klingt zunächst einfach, ist aber für manches Unternehmen technisch schon sehr aufwändig, zumal jeder Energieverbrauch intern Kostenstellen zugeordnet werden muss. Dies geht nicht ohne Einbau von vernetzten Multifunktionsmessgeräten. 

Um einen Zusammenhang zwischen den verschiedenen Prozessen und dem gemessenen Energieverbrauch herzustellen, muss man die Messergebnisse interpretieren und Schlüsse daraus ziehen. Wichtig ist dabei, dass sich die Daten ohne Schnittstellenverluste aus den unterschiedlichsten Systemen ermitteln lassen.

Energiemonitoring in der Unternehmens-Praxis

Heitec betreibt im oberfränkischen Eckental eine Produktions- und Entwicklungsabteilung für elektromechanische Komponenten. Allerdings war bisher unklar, welche Anlagenteile zu welchen Zeiten den meisten Strom verbrauchen. Die Betreiber kennen nur ihren monatlichen Gesamtenergiebedarf. Ein ­Lösungskonzept sieht vor, ein detailliertes, cloudbasiertes Energiemoni­toring einzuführen, das den Kriterien der ISO 50001 entspricht und mit dem sich in den Unternehmen Energie einsparen lässt. Das System sollte modular aufgebaut sein, so dass es sich in bestehende Automatisierungssysteme integrieren lässt. Die Module für das ­Informations- und Datenmanagement sowie für Analyse, Prognose und Optimierung von Strom sowie Druckluft können anwenderspezifisch kombinieren werden. Die Daten werden in MindSphere gespeichert. Anwender können diese mit Cloud-Applikationen analysieren und geeignete Maßnahmen einleiten. Das System schafft damit die Grundlage für eine detaillierte Erfassung und Analyse aller relevanten Verbrauchswerte, auf deren Basis der PDCA-Zyklus durchgeführt werden kann.

Im nächsten Ausbauschritt will man die Zähler von verschiedenen Prozessstufen der Produktion sowie der Gebäudetechnik einpflegen. Damit ergibt sich ein ausgezeichneter Überblick über alle Energiedaten. Sämtliche Energiedaten lassen sich Kostenstellen zuordnen und können automatisiert als Berichte, als aussagekräftige Kennzahlen oder als zielgerichtete Visualisierung dargestellt werden. Auf Knopfdruck lässt sich der Energiebericht der Anlage ausgeben. So sieht der Bediener, wie lange welche Anlage und welches Aggregat produziert hat und wie viel Energie dabei verbraucht worden ist. Diese Auswertung gibt einen ersten Hinweis auf die Effizienz der Produktion, auf den Verschleiß und den Wartungszustand. Außerdem liefern Lastspitzen, Grenzwertverletzungen und periodische Verbrauchsanstiege wichtige Hinweise für weiteres Optimierungspotenzial und eine bessere Planung. 

Energiemanagement: Potenziale definieren und Energie einsparen

Die erfassten Energiedaten werden mittels des Gateways MindConnect Nano direkt in die MindSphere von Siemens übertragen. In der MindSphere-Cloud werden die Datenmengen analysiert und Optimierungspotenziale identifiziert, so dass sich die Verantwortlichen jederzeit über die aktuellen Energieflüsse informieren können. In der Praxis lässt sich der Stromverbrauch der Anlage jede Sekunde aufzeichnen. Auf diese Weise erhält der Kunde eine transparente Darstellung seines Produktionsverlaufes. Und er sieht, was er bisher nur vermutet hatte: Nämlich, dass der Energieverbrauch anders ist als bisher angenommen. Durch Abgleich mit den Betriebsdaten hat er einen genauen Überblick über die verschiedenen Aktivitäten wie Mittagspause, Umrüstung und zweite Schicht sowie den entsprechenden energetischen Auswirkungen. Auf diese Weise lassen sich Verbraucher identifizieren, die durchgehend in Betrieb sind – auch wenn nicht produziert wird. Oft sind dies Schmier- und Kühlmittelpumpen, Drucklufterzeuger, Vakuumpumpen oder Förderbänder. Insbesondere bei Werkzeugmaschinen kann der Stand-by-Verbrauch mit bis zu 30 Prozent der Gesamtenergiekosten vergleichsweise hoch sein. 

Energie einsparen Energiemanagement UnternehmenQuelle: Heitec
Ein IoT-Gateway sammelt Daten von unterschied­lichen Geräten der OT (Operational Technology).

In einem zweiten Schritt stellen die ­Heitec-Spezialisten den Zusammenhang zwischen Prozess und Energieverbrauch her. Wichtig ist hierbei, die Messergebnisse zu interpretieren und Schlüsse daraus zu ziehen. So laufen in Unternehmen häufig ältere Druckluft- oder Vakuumsysteme, bei denen sich im Laufe der Zeit Verluste durch undichte Leitungen und Dichtungen eingestellt haben. Beispielsweise erzeugt eine Leckage von zwei Millimeter Durchmesser Verluste in der Größenordnung des Druckluftverbrauches einer Produktionsanlage mit vier Montagezellen. Beseitigt man diese Leckagen, benötigt man bis zu einem Drittel weniger Energie, um den gleichen Dienst zu verrichten. Eine Überprüfung der Hydraulik kann Stromeinsparungen bis zu 70 Prozent ermöglichen. Und lässt sich dann noch aus warmer Abluft, heißen Abgasen oder warmen Abwässern die Restwärme zurückgewinnen, kann dies den Heizöl- oder Erdgasverbrauch um 50 bis 80 Prozent mindern.

Die Anlagen-, Maschinen- oder Prozessauslastung gibt einen wichtigen Hinweis auf die Stellgrößen. Sie werden verglichen mit Produktionszahlen, Schichtbüchern und Daten aus dem BDE-System. Nach der Auswertung und der Bildung von Kennzahlen lässt sich für verschiedene Batches auch der Energieverbrauch pro Batch berechnen. 

Energie einsparen in Unternehmen: Messdaten einspeisen

Um das angestrebte Ziel, also die zeit­nahe Erfassung des Energieverbrauchs in der Produktion zu erreichen, müssen alle Messdaten für Strom, Wasser und Wärme in ein Datenbanksystem eingespeist werden. Eine komfortable Lösung dieses Problems bietet eine cloudbasierte ­Lösung wie MindSphere. Die Multifunktionsmessgeräte Sentron Pac3200 lesen via ­Modbus/TCP über 50 verschiedene elektrische Kenngrößen wie Spannungen, Ströme, Leistungen, Energiewerte, Frequenz, Leistungsfaktor und Unsymmetrie aus und übertragen sie zum MindConnect Nano. 

Das Simatic-IPC-basierte Cloud-Gateway setzt dabei auf Standards wie OPC UA und das Siemens-eigene Simatic-S7-Protokoll und ermöglicht so den Anschluss von Steuerungen und Antriebssystemen unterschiedlichster Hersteller. Die erfassten Daten werden direkt in ­MindSphere übertragen. Dort kann auch die Konfiguration der Datenpunkte vorgenommen werden. Dank leistungsstarker Web-Dienste für die Analyse, zum Beispiel Visual Analyzer und Fleet Manager, können Anwender in einem ersten Schritt den Zustand von Maschinen und Anlagen beurteilen und optimieren. Für ein hohes Maß an Sicherheit sorgen die verschlüsselte Kommunikation sowie die Nutzung von zertifizierten Datenzentren zur Verarbeitung und Speicherung der Daten. Dabei kommen ­Cyber-Security-Technologien zum Einsatz.

Energiemanagement: Datenintegration als Lösung

Bei der Berichterstellung erlaubt die Heitec-Lösung, die Datenbankanfragen nach den verschiedensten Kriterien zu parametrieren. Beispielsweise ist es möglich, freie Zeiträume einzugeben. Aber auch schicht-, auftrags – oder chargenbezogene Abfragen werden unterstützt. Des Weiteren kann man durch die Angabe einer zeitlichen Granularität, zum Beispiel Tage, Wochen, Monate und Jahre, die erfassten Daten verdichten, um so die Darstellung den aktuellen Bedürfnissen anzupassen. Mit den Standardeinstellungen erhält man Maximum, Minimum, Summe und Durchschnitt für den Verbrauchszeitraum. Andere Kennzahlen lassen sich durch die Eingabe einer Formel berechnen.

Bei der Datenintegration muss man nicht sofort den großen Wurf ansteuern, sondern kann schrittweise vorgehen und muss so nicht alles bis ins Detail vernetzen. Für eine erste Abschätzung reicht es bereits aus, die Einspeisung sowie Hauptabteilungen und Gebäude zu erfassen. Schrittweise lassen sich weitere relevante Verbraucher in MindSphere einbetten. Auf diese Weise entsteht ein intelligentes Lastmanagement, mit dem die Energiebilanz optimiert werden kann. Damit erfüllt die Heitec-Lösung als Teil des operativen Energiemanagements die ISO 50001, die das Monitoring der aktuellen Verbräuche, die Auswertung geeigneter Kennzahlen und die Durchführung von Benchmarks vorschreibt. 

Ernergie einsparen durch Auswertung der Daten und des Energieverbrauchs

Bei der Analyse der Daten kann man nach Lastspitzen, Grenzwertverletzungen und periodischen Verbrauchsanstiegen suchen. Dies gibt bereits einen ersten Hinweis auf Optimierungspotenzial, denn periodische Verbrauchsanstiege lassen sich zum überwiegenden Teil durch bessere Planung vermeiden. Beispielsweise werden am Montagmorgen oft große Verbraucher gleichzeitig angeschaltet. Deshalb entzerrt ein zeitversetzter Schichtbeginn erheblich den Energieverbrauch zu Arbeitsbeginn. Wenn die Daten sichtbar sind, ist es für die Unternehmen leicht, auch das Potenzial in den Köpfen ihrer Mitarbeiter zu erschließen und die Prozesse so effizient wie möglich zu gestalten.

Deshalb lohnt sich die Investition in ein Energiemanagementsystem. Durch das Energie einsparen gibt es weniger Kosten und man erhält gleichzeitig eine Zertifizierung. Und durch die Transparenz kann sich der ROI schon nach wenigen Monaten einstellen.

Andreas Neumeier ist Technischer Consultant Industrie 4.0 bei der Heitec AG.

Lesen Sie auch: Siemens und ARM: So wollen sie die Automobil-Elektronik neu denken

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