Energieeffizienz in der Fertigung

Laut einer Erhebung des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) sieht knapp die Hälfte des verarbeitenden Gewerbes mögliche Energieeinsparpotenziale von über 10 Prozent im Produktionsumfeld. Auch die öffentliche Hand hat Massnahmen ergriffen, um produzierende Unternehmen zum Energiesparen zu motivieren. Den Rahmen dazu bildet ein Energiemanagementsystem nach DIN EN ISO 50001.

Energie sparen lohnt sich

Die Energiekosten sind in den vergangenen Jahren erheblich angestiegen. Nicht nur die Privathaushalte bekommen das zu spüren. Auch für die Industrie haben sich beispielsweise die Strompreise seit 2000 mehr als verdoppelt. Ausserdem ist Energie ein entscheidender Imagefaktor. Themen, die sich direkt oder indirekt auf Energie beziehen, finden sich verstärkt in den Medien wieder, wie beispielsweise die Ölkatastrophe im Golf von Mexiko oder die Atomkatastrophe in Fukushima. Die Endverbraucher werden so für die Themen des Umwelt- und Klimaschutzes sensibilisiert. Unternehmen werden folglich aktiv, um die Kosten durch energetische Einsparungen zu reduzieren und ein positives Image bei ihren Kunden zu erzeugen.

Energieverbrauch auf dem Prüfstand

Zukünftig müssen Produktionsbetriebe mit zusätzlichen Kostensteigerungen rechnen. In Deutschland verlangt das Erneuerbare-Energien- Gesetz (EEG) zum Beispiel von den Netzbetreibern, bevorzugt teureren Strom aus erneuerbaren Energien ins Netz einzuspeisen. Um den Stromlieferanten eine Kompensationsmöglichkeit zu schaffen, wurde die EEG-Umlage eingeführt, auf deren Basis sie die Kosten bis zum Verbraucher weitergeben können. Bislang gibt es hierbei Vergünstigungen für die produzierende Industrie. Diese werden ab 2013 jedoch an die Existenz eines Energiemanagementsystems nach DIN EN ISO 50001 gebunden, ebenso wie die Steuervergünstigungen gemäss Energiesteuergesetz. Die Unternehmen werden dadurch quasi verpflichtet, aktiv Energie einzusparen.

DIN EN ISO 50001 zeigt den Weg

Ein Energiemanagementsystem soll Unternehmen dabei unterstützen, den Energieverbrauch systematisch und nachhaltig zu verringern. Die Norm DIN EN ISO 50001 hat die DIN EN 16001 abgelöst und beschreibt die Anforderungen an ein modernes, nach den gesetzlichen Vorgaben konzipiertes Energiemanagementsystem.

Die DIN EN ISO 50001 beschreibt einen Regelkreis gemäss dem Plan- Do-Check-Act-Prinzip. Nach der Definition einer unternehmenseigenen Energiepolitik und der damit verbundenen Planung (Plan), erfolgt die Umsetzung im laufenden Betrieb (Do). Durch stetige Überprüfungen mit Analysen und Audits (Check) erfolgt zuerst die Zertifizierung, welche darauffolgend jährlich überprüft wird. Die aus der Prüfung resultierenden Korrektur- und Verbesserungsmassnahmen müssen umgesetzt werden (Act). Darauf folgt wieder die Planphase – der Regelkreis wirkt erneut und ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP) wird im Unternehmen in Gang gesetzt.

Unterstützung durch MES

Um den Regelkreis mit vertretbarem Aufwand in der Praxis umzusetzen, ist wirksame Unterstützung durch IT-Systeme erforderlich. Eine ideale Plattform sind Manufacturing Execution Systems (MES), da sie die erforderlichen Informationen und Hintergründe für Energieverschwendungen erfassen und offen 

Transparenz und Potenziale

legen können. «Aus unserer Erfahrung wissen wir, dass Unternehmen heute viel mehr Möglichkeiten haben, um systematisch Energie zu sparen. Die technische Voraussetzung bietet ein MES: Es schafft auch aus energietechnischer Sicht die nötige Transparenz und zeigt die Potenziale auf», betont Rainer Deisenroth, Vertriebsleiter und Mitglied der Geschäftsführung des Mosbacher IT-Unternehmens MPDV Mikrolab GmbH. Um Einsparungen vorzunehmen, müssen zuerst die richtigen Informationen wie die exakten Stromverbräuche der Maschinen zur Verfügung stehen. Meist liegen nur summarische Daten vor. Es fehlen detaillierte Informationen, mit denen sich das Verbrauchsverhalten gezielt analysieren und der Verbrauch auch tatsächlich senken lässt.

Viele Funktionen des MES-Systems tragen schon indirekt dazu bei, die Energiekosten zu senken. Beispielsweise wird mit einer optimierten Feinplanung Energie in der Produktion gespart. Die Maschinen laufen nicht unnötig auf Stand-by und Stromverbrauch ohne Produktivität wird verhindert. Ebenso kann die Produktion auf die Nutzung günstiger Energiekontingente abgestimmt werden, Mehrkosten durch Schwellenüberschreitungen werden vermieden. Eine Reduzierung des Ausschusses verringert den Energieverbrauch durch weniger Nachbearbeitung. Auch die Verkürzung der Liege- und Durchlaufzeiten trägt zur Energieeinsparung bei: Die allgemeinen Kosten sinken, wie beispielsweise für Heizung und Beleuchtung.

Hilfe bei Datenerfassung und -analyse

MES-Systeme wie zum Beispiel das MES HYDRA der MPDV Mikrolab GmbH zeichnen sich durch die vielfältigen Möglichkeiten zur Datenerfassung und Datenanalyse aus. Werden diese Fähigkeiten auch auf das Thema Energie angewendet, kann Energiedatenerfassung mit dem MES die Grundlage für ein Energiemanagementsystem nach DIN EN ISO 50001 bilden. Das MES muss dabei sowohl eine automatische als auch manuelle Erfassung des energetischen Verbrauchs unterstützen: Die Daten der Zähler, beispielsweise der Stromverbrauch der Anlagen, werden direkt an das System übermittelt oder – sollte dies technisch mit zu hohem Aufwand verbunden sein – von einem Mitarbeiter mit Unterstützung durch vorkonfigurierte Ablesepläne manuell eingetragen.

Die erfassten Daten müssen zeitnah angezeigt und individuell analysiert werden können, um in Problemsituationen wie zum Beispiel Lastspitzen schnell reagieren zu können. Hier bietet sich eine Leistungsund Verbrauchsübersicht an, die alle relevanten Energiedaten auf einen Blick visualisiert. Ausserdem ist ein Lageplan der Zähler hilfreich, um deren jeweilige Position in den Abteilungen, Hallen oder Werken im

Energieverbrauch von Maschinen

Überblick zu behalten. Im MES HYDRA steht hierfür zum Beispiel der sogenannte grafische Maschinenpark zur Verfügung (Bild 1). Mit dieser Funktion wird sofort ersichtlich, ob und, wenn ja, welche Abteilung oder Halle einen besonders hohen Energieverbrauch hat, und Massnahmen können gezielt eingeleitet werden. So können die Verantwortlichen beispielsweise entscheiden, alternativ zu einer verbrauchsintensiven Maschine auf einer anderen Maschine mit einem niedrigeren Energieverbrauch zu produzieren oder zumindest ein anderes Werkzeug zu nutzen.

Verschwendung genau orten

Auf diese Art und Weise können mit einem MES Energieverschwender zielsicher lokalisiert werden. Dazu gehört auch, dass nicht nur der reine Energieverbrauch als Beurteilungskriterium verwendet wird, sondern andere Kennzahlen wie der Energieverbrauch pro Stück, die das Verhalten von Maschinen und Anlagen besser charakterisieren. Hier haben MES deutliche Vorteile gegenüber reinen Energiemanagementsystemen: Sie können ohnehin erfasste Daten wie Stückzahlen, Materialchargen oder Prozesswerte in Korrelation zum Energieverbrauch visualisieren und somit den Einfluss aller Produktionsparameter erkennbar machen.

Ein aus der Prozessüberwachung oder Qualitätssicherung bekanntes Prinzip lässt sich auch auf das Energiemanagement anwenden. Die aufgenommenen Daten werden nicht nur in Form von Summenwerten visualisiert, sondern es wird auch deren zeitlicher Verlauf aufgezeigt. Definiert man dazu noch entsprechende Eingriffs- oder Toleranzgrenzen, können die aktuellen Leistungswerte permanent auf die Einhaltung der Grenzen überwacht werden. Durch die Visualisierung der Verläufe werden Trends deutlich, und die Verantwortlichen können sehr schnell reagieren – im Prinzip schon bevor eine Problemsituation eintritt. Zum Beispiel können Maschinen in Stand-by oder periphere Verbraucher wie Klimaanlagen bei Lastspitzen kurzfristig abgeschaltet werden.

Produktionsnah vorgehen

Dank MES-Lösungen können die verantwortlichen Mitarbeiter in der Fertigung zeitnah die richtigen Entscheidungen treffen, um Energieverschwendungen abzustellen und damit kostengünstiger zu produzieren.

Die MPDV Mikrolab GmbH bietet mit dem Modul Energiemanagement (EMG) ihrer MES-Lösung HYDRA ein innovatives Werkzeug, mit dem Fertigungsunternehmen alle Anforderungen erfüllen können, die an ein modernes Energiemanagementsystem gestellt werden. HYDRA- EMG wurde mit Unterstützung des Fraunhofer Instituts für Prozessund Automatisierungstechnik (IPA) entworfen. Es unterstützt den Regelkreis nach DIN EN ISO 50001 und hilft den Fertigungsunternehmen dabei, die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten.