IWU Vortrag Mark Richter - VDMA Forum Industrie 4.0

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
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Einige Schlagzeilen der letzten Wochen
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Einige Schlagzeilen der letzten Wochen
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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
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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
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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
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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?
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POTENZIAL
Was leistet, was verspricht „Industrie 4.0“?
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Bruttoinlandsprodukt
[weltweit, kaufkraftbereinigt, Mrd.US$ p.a.]
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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
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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“
!
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*) Ergebnisse einer Studie in Sachsen in 2014
HERAUS FORDERUNGEN
Was erschwert / gefährdet „Industrie 4.0“?
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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“
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(Hartmut Pohl, GfI)
Energieeffizienz
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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
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2020
Motivation
Reduzierung CO2-Emmission
Gesetzgeber
Anteil der Erneuerbaren Energien
2014
27,8%
IMAGE
Nachhaltigkeit ist entscheidender
Faktor der Außendarstellung
KOS TEN
Quellen: Mercedes
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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
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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!
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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.
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 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
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Quelle: SIEMENS
Erhöhung der Energieeffizienz
Transparenz!
Energieeffiziente
Komponenten
P
Produktionspausen
Abs chalten in
nichtproduktiven Zeiten
t
Sleep
Quelle: KUKA
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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
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•Energie
-bedarf
Energiecontroller
Erhöhung der Energieeffizienz
Transparenz!
Energieeffiziente
Komponenten
P
Produktionspausen
Spitzenlasten
t
Quelle: directindustry.de
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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
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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%
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Energiespeicher in der Produktion
Beispiel: Prozesskette Powertrain
Zerspanung und Funktionale Oberflächen
Kaltmassiv- und Präszisionsumformung
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Energieverteilung E³-Forschungsfabrik
EVU
(238kW)
NSHV
Bestandsnetz
Energie
management
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(58,5kW)
Energiespeicher in der Produktion
Beispiel: Prozesskette Powertrain
Netzleistungsbezug
Reduzierung Lastspitzen ca. 80%
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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 !
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 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
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Fraunhofer IWU Chemnitz - Campus
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Mark Richter
Fraunhofer IWU Chemnitz
[email protected]
+49 371 5397 1103
© Fraunhofer IWU
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