INDUSTRIE 4.0 UND ENERGIEEFFIZIENZ IN DER PRODUKTION AKTUELLE ENTWICKLUNGEN UND ANWENDUNGSBEISPIELE Mark Richter Chemnitz, 14 Juli 2015 © Fraunhofer IWU Einige Schlagzeilen der letzten Wochen © Fraunhofer IWU 2 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen © Fraunhofer IWU 3 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen © Fraunhofer IWU 4 Einige Schlagzeilen der letzten Wochen 56% der deutschen Arbeitnehmer wissen kaum, was sich hinter den Bezeichnungen Digitalisierung und „Industrie 4.0“ versteckt. Jeder dritte Befragte räumte ein, noch nie von den Begriffen gehört zu haben. Industrie 4.0 - Evolution statt Revolution © Fraunhofer IWU 5 Industrie 4.0 Begriffsbestimmung Die virtuelle IT-Welt und die reale Produktionswelt wachsen immer weiter zusammen. Mit der Entwicklung sogenannter Cyber-Physical Systems (CPS), d.h. der Vernetzung von eingebetteten IT-Systemen untereinander und mit dem Internet, stehen wir nach Meinung vieler Experten und Forscher am Beginn einer vierten industriellen Revolution. Prof. Dr. Dr. Wolfgang Wahlster, Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz (DFKI) Moderne Technologien der Informationstechnik als Voraussetzung für eine zukunftsfähige Produktion © Fraunhofer IWU 6 Industrie 4.0 in der Produktion Daten als Kern der intelligenten Produktion WERKSTOFFE kennen ihre spez. Eigenschaften). PROZESSE GESCHÄFTSMODELLE kennen ihre Parameter, passen sich an. transparent, flexibel, nachvollziehbar. kennen ihre Eigenschaften und Historie. PRODUKTE synchronisieren Energieangebot/-verbrauch. kennen ihre Fähigkeiten, fertigen autonom. ENERGIE/EVU MASCHINEN VERNETZTE DATEN PROZESSKETTEN MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden. FABRIKBETRIEB setzt verfügbare Ressourcen optimal ein. operieren, adaptieren sich selbstständig. intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTION © Fraunhofer IWU 7 bilden sich ah-hoc/ressourcenadaptiv. Simulation, prognosebasierte Absicherung. DIGITALE FABRIK PRODUKTIONSSYSTEME Bildquellen: Fraunhofer IWU Industrie 4.0 in der Produktion Der Mensch als „kreativer Gestalter und Problemlöser“ Bild: Volkswagen Wie kann die Einbindung des Menschen in die „Fabrik der Zukunft“ durch virtuelle Techniken im Sinne der Industrie 4.0 unterstützt werden, um die Arbeit flexibler und effizienter zu bewältigen? © Fraunhofer IWU 8 POTENZIAL Was leistet, was verspricht „Industrie 4.0“? © Fraunhofer IWU 9 Bruttoinlandsprodukt [weltweit, kaufkraftbereinigt, Mrd.US$ p.a.] © Fraunhofer IWU 10 Wer zieht Nutzen aus Industrie 4.0 ? Volks w irts chaftliche Potenziale v on Indus trie 4.0 s ind bedeutend! U.a. folgende Branchen partizipieren als Anbieter oder Anwender: IKT Automobil Chemie Elektrotechnik Maschinenbau © Fraunhofer IWU 11 E³-Produktion – wettbewerbsfähig und innovativ Moderne Produktionstechnik vs. Industrie 4.0 Die Zukunft der industriellen Wertschöpfung aus Perspektive des Maschinenbaus in Sachsen … ? Eine praxisbezogene Einschätzung der sächsischen Industrie, speziell aus Sicht des sächsischen Maschinen- und Anlagenbaus. *) „Gewinner“ der Industrie 4.0 Nutzeffekt „Industrie 4.0“ ! © Fraunhofer IWU 12 *) Ergebnisse einer Studie in Sachsen in 2014 HERAUS FORDERUNGEN Was erschwert / gefährdet „Industrie 4.0“? © Fraunhofer IWU 13 Herausforderungen Rechtliche As pekte - Wer trägt die Verantw ortung für vollautomatisierte OnlineTransaktionen (z.B. Bestellung) intelligenter Maschinen? - Wem gehören die Daten? Wie dürfen die Teilnehmer mit dem Bes itz umgehen und welche Rechte Dritter stehen der Nutzung ggf. entgegen? (Datenschutz) - Wer ist Hersteller, welche Regres s ketten bauen sich auf, wer trägt Produkthaftung? Wer haftet für mögliche Fehler und Produktionsausfälle infolge fehlerhafter Datenquellen, Datenerzeugung und Datenübermittlung? S icherheit - Öffnung der CPS nach außen birgt Ris iken im Hinblick auf Datenschutz, Schutz geistigen Eigentums und Manipulation - Unternehm en sind heute unzureichend abges ichert! Erforderlich: Security by Design, Whitelisting, Trusted Computing, etc. „Wir bekommen Indus trie 4.0, haben aber momentan S icherheit 0.1“ © Fraunhofer IWU 14 (Hartmut Pohl, GfI) Energieeffizienz © Fraunhofer IWU 15 IWU-Strategie »Ressourceneffiziente Produktion« Initiativen und Großprojekte Entwicklung der IWU-Standorte Chemnitz-Dresden-Augsburg-Zittau Leistungszentrum „Energie- und Ressourceneffizienz in der Produktion“ Führendes Industrie- und Transferzentrum „Wertschöpfung durch Energieund Ressourceneffizienz“ Profilstandort für Produktionsforschung im E³Konzept Qualifizierung des Wissenschaftsstandorts International Center of Excellence BMBF Studie Ress.-effiziente Produktion Transregio 96 BMBF zwanzig20 (Konsortialführung) BlueS REEMAIN BMBF zwanzig20 (Beteiligung) eniProd Cluster off Excellence Joint Laboratory of Excellence on Advanced Production Technology | Uni Neapel | Uni Stellenbosch BMBF zwanzig20 (Beteiligung) 1. Regionaler Fraunhofer Innovationscluster Mechatronischer Maschinenbau Initialvertrag E3-Forschungsfabrik Maschinen- und Automobilbauinitiative Next Economy (MAINE I – X, insgesamt 107 Fachprojekte) 2000 2005 Exzellenzzentrum Automobilproduktion 2010 Fraunhofer E3- Leitprojekt 2015 Strategische Entwicklung des Themenfeldes Ressourceneffiziente Produktion in Chemnitz © Fraunhofer IWU 16 2020 Motivation Reduzierung CO2-Emmission Gesetzgeber Anteil der Erneuerbaren Energien 2014 27,8% IMAGE Nachhaltigkeit ist entscheidender Faktor der Außendarstellung KOS TEN Quellen: Mercedes © Fraunhofer IWU 17 Bosch Volkswagen Energieverbrauch in Deutschland nach… Sektoren Energieträgern 3,2% Erneuerbare Energie 29% Haushalte 15% Gewerbe Dienstleistung Handel S trom (inkl. EE) 30% 31% Industrie Fernwärme 8% 25% Verkehr Erneuerbare Wärme 6% Quelle: AG Energiebilanzen: Auswertung zur Energiebilanz 1990 bis 2011, Stand 09/2012 © Fraunhofer IWU 18 Gase 35% Stein- und Braunkohlen 15% Sonstige 2% Mineralölprodukte 4% Energiekosten für die Industrie und Anteil der darin enthaltenen Stromkosten Senkung des Energiebedarfs (bzw. Leistungsaufnahme) zu einem beliebigem Zeitpunkt bedeutet nicht unbedingt eine Senkung der Kosten! © Fraunhofer IWU 19 Erhöhung der Energieeffizienz P Transparenz! Verbrauch bewerten Potenziale aufzeigen Prozesse optimieren Bedarfe prognostizieren Kennzahlen bilden (KPI) t If you can‘t measure it, you can‘t manage it. © Fraunhofer IWU 20 Energieflüsse managen Erhöhung der Energieeffizienz Transparenz! Energieeffiziente Komponenten P z.B. Ecodesign Directive 2009/125/EC (EU) IE2 / IE3 Motoren t Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 7% (vor allem im Teillastbereich) Energiebedarf von Produktionsanlagen 9% Antriebe 9% 1% IT Licht 5% 4% 72% Heizung/Wasser Prozesswärme Elektrolyse © Fraunhofer IWU 21 Quelle: SIEMENS Erhöhung der Energieeffizienz Transparenz! Energieeffiziente Komponenten P Produktionspausen Abs chalten in nichtproduktiven Zeiten t Sleep Quelle: KUKA © Fraunhofer IWU 22 Maschine SPS wake on 1 2 3 1.1 1.2 3.1 Erhöhung der Energieeffizienz Transparenz! Energieeffiziente Komponenten P Produktionspausen t Beschreiben •Komponenten •Abhängigkeiten Parametrieren Modell Simulation Schaltbefehle •Energie •Zeit Automatische Optimierung © Fraunhofer IWU 23 •Energie -bedarf Energiecontroller Erhöhung der Energieeffizienz Transparenz! Energieeffiziente Komponenten P Produktionspausen Spitzenlasten t Quelle: directindustry.de © Fraunhofer IWU 24 Erhöhung der Energieeffizienz Transparenz! Energieeffiziente Komponenten P Produktionspausen Spitzenlasten Energiemanagement t Energieoptimale Steuerung der Produktion Fertigungsanlagen + Produktionsplanung Fertigungsinfrastruktur (Luft, Wärme, Kälte, Wasser) Gebäudeleittechnik (EVU, Gas, Wärme, Wasser, EE) Energies peicher © Fraunhofer IWU 25 Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Bearbeitungszentrum 12 SuperCap MC 50F/56V C = 4,2 F DECKEL MAHO DMP 45V linear Energiespeicher auf DSK-Basis 10 8 6 4 2 0 -2 -4 Wirkleistung, kW mit DSK ohne DSK Pmax Active Line Module Sinamics S120 2 3 4 t, s 5 6 7 8 Reduzierung Lastspitzen ca. 67% © Fraunhofer IWU 26 Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Prozesskette Powertrain Zerspanung und Funktionale Oberflächen Kaltmassiv- und Präszisionsumformung © Fraunhofer IWU 27 Energieverteilung E³-Forschungsfabrik EVU (238kW) NSHV Bestandsnetz Energie management © Fraunhofer IWU 28 (58,5kW) Energiespeicher in der Produktion Beispiel: Prozesskette Powertrain Netzleistungsbezug Reduzierung Lastspitzen ca. 80% © Fraunhofer IWU 29 These Produktionstechnik bietet an vielen Stellen hohes Potenzial für Energiespeichereinsatz… verlangt dafür aber die Berücksichtigung besonderer Rahmenbedingungen. Seite 30 ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE Nutzung von Energiespeichern in der PT – Ziele: Reduzierung von Spitzenlasten Direkte Nutzung regenerativer Energien Senkung des Grundlastbezuges vom EVU Einbindung in intelligente Stromnetze Energieautarke Maschinen Bedarfsgerechte Auslegung von Versorgungsbaugruppen ... Seite 31 ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE „Innovative Energiespeicherkonzepte für die industrielle Produktion - ESiPinno“ 09/2014 bis 02/2015 VISION Energiespeicher für die industrielle Produktion EVU EM Büro EM Maschine Anlage EM Halle/Standort ENERGIESPEICHER-FUER-DIE-PRODUKTION.DE Das Fraunhofer IWU Konzept »E3-Produktion« »Die Zukunft der Produktion in Deutschland muss im engen Verbund gesehen werden. Sie hat nur dann eine Chance für die Zukunft.« Effiziente Produktionstechnik Emissionsneutrale, energieautarke Fabriken Innovative Technologien und Werkstoffe Effiziente Produktionssysteme Nutzung alternativer Energiequellen Einbindung moderner I&K-Technologie Autarke Energieversorgung Individualisierte Produkte Energiemanagement Energie- und Wertstoffkreisläufe Minimale Emissionen Einbindung des Menschen Faktor »Mensch« Wissen und Information Konzept ! © Fraunhofer IWU 34 Alternde Gesellschaft - Produktionsassistenz Motivation und Lebenswirklichkeit der Jugend E³-Produktion – wettbewerbsfähig und innovativ Fraunhofer IWU E³-Forschungsfabrik »Ressourceneffiziente Produktion« Forschung für die Automobilproduktion Ressourceneffiziente Technologien und Anlagen für Powertrain- und Karosseriekomponenten Forschung: Energie Produktion Energiemanagement Energiespeicherung/-rückführung Aktive Schnittstellen zur Gebäudeinfrastruktur und –leittechnik Nutzung Erneuerbarer Energien Geschlossene Ressourcenkreisläufe in Produktionsprozessen © Fraunhofer IWU 35 Fraunhofer IWU Chemnitz - Campus Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Mark Richter Fraunhofer IWU Chemnitz [email protected] +49 371 5397 1103 © Fraunhofer IWU 36
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