Energieeffizienz in der Serienproduktion verbessern

Die Herstellung ist ein grosser Teil des weltweiten Energieverbrauchs, etwa ein Drittel davon. Das ist ein bedeutendes Problem, da wir nachhaltigere Wege suchen, Energie zu nutzen. Ein Bereich, der viel Energie in der Produktion verbraucht, sind Batch-Prozesse. Bei diesen Prozessen werden mehrere Artikel gleichzeitig hergestellt. Die Verbesserung der Verwaltung dieser Batch-Prozesse ist der Schlüssel, um die Fertigung energieeffizienter zu gestalten.

#Was sind Batch-Herstellungsprozesse?

Batch-Herstellung bedeutet, eine bestimmte Anzahl von Artikeln zusammen zu produzieren, bevor die Produktion beginnt. Zum Beispiel könnte eine Fabrik 100 Flaschen Limonade auf einmal herstellen, anstatt sie einzeln zu machen. Batch-Prozesse nutzen oft grosse Maschinen wie Mischgeräte und Reaktoren, die viel Energie verbrauchen. Daher kann die Art und Weise, wie wir diese Prozesse planen und steuern, den Energieverbrauch erheblich beeinflussen.

#Der Bedarf an Energieeffizienz

Energieeffizienz in der Produktion ist nötig, um Kosten zu senken und Umweltziele zu unterstützen. Wenn Hersteller ihren Energieverbrauch senken können, können sie auch ihre Betriebskosten insgesamt reduzieren. Das hat zu verschiedenen Programmen und Anreizen geführt, die Hersteller dazu anregen, energieeffizienter zu werden.

#Zeitabhängige Energiepreise

Eine Strategie zur Verbesserung der Energieeffizienz besteht darin, zu bestimmen, wann Maschinen arbeiten, basierend auf den Energiekosten. Die Strompreise ändern sich oft im Laufe des Tages. Wenn die Preise niedrig sind, ist es kosteneffektiver, energieintensive Maschinen laufen zu lassen. Indem die Produktion auf diese günstigeren Zeiten verschoben wird, können Unternehmen Geld sparen. Dieser Ansatz wird als zeitabhängige Energiepreisgestaltung (Time-of-Use, TOU) bezeichnet.

#Die Herausforderung der Planung

Die Planung des Produktionsprozesses in der Batch-Herstellung ist nicht einfach. Jede Produktionsmaschine hat ein Limit, wie viele Artikel gleichzeitig verarbeitet werden können. Ausserdem verbrauchen grössere Chargen tendenziell mehr Energie, was es wichtig macht, ein Gleichgewicht zwischen der Anzahl der produzierten Artikel und dem verbrauchten Energieaufwand zu finden. Den optimalen Batch-Zeitplan zu finden, während die Energiekosten berücksichtigt werden, kann schwierig sein und erfordert eine fortschrittliche Planung.

#Einführung eines neuen Rahmens

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird ein neuer Rahmen vorgeschlagen, der System-Level Energy-Efficient Digital Twin (SLEE-DT) heisst. Dieser Rahmen soll die Planung und Kontrolle des Energieverbrauchs während der Produktionszeit verbessern. Statt an einem festen Zeitplan festzuhalten, ermöglicht der SLEE-DT-Rahmen Herstellern, ihre Batch-Prozesse anhand von Echtzeitdaten über Energiekosten anzupassen.

#Wie der Rahmen funktioniert

Der SLEE-DT-Rahmen basiert auf einem digitalen Modell des Herstellungs-Systems. Dieses Modell ermöglicht eine bessere Entscheidungsfindung darüber, wann bestimmte Artikel produziert werden sollen, wobei die Echtzeit-Energiepreise berücksichtigt werden. Der Rahmen umfasst mehrere Komponenten:

1. Energie-bewusster Planungsmodell: Dieser Teil des Rahmens betrachtet die Dynamik des Batch-Prozesses und die Kosten, die mit dem Energieverbrauch zu verschiedenen Zeiten verbunden sind.

2. System-Level Planungsmodell: Dieses Modell analysiert sowohl historische als auch Echtzeitdaten, um das energie-bewusste Planungsmodell aktuell zu halten.

3. Entscheidungsträger: Diese Komponente nutzt Optimierungstechniken, um den besten Batch-Zeitplan während der Produktionszeit zu erstellen.

4. Datenbank: Ein Ort, an dem alle wichtigen Daten gespeichert werden, einschliesslich vorheriger Aufträge, Produktionsprozesse und Energiepreise.

#Simulation des Rahmens

Um zu sehen, wie der SLEE-DT-Rahmen funktioniert, wird eine simulierte Fallstudie durchgeführt. In diesem Szenario wird ein Fertigungssystem mit einer Batch-Verarbeitungsmaschine und einem Lagerbestand eingerichtet. Ein Kunde benötigt eine bestimmte Anzahl von Artikeln, die bis zu einem bestimmten Termin produziert werden müssen. Die Simulation ermöglicht es dem Rahmen, zu demonstrieren, wie er effizient einen Batch-Zeitplan basierend auf den aktuellen Energiepreisen und der Kundennachfrage erstellen kann.

#Die Vorteile des Rahmens

Durch die Nutzung des SLEE-DT-Rahmens können Hersteller fundiertere Entscheidungen über ihre Produktionszeitpläne treffen. Dadurch können sie die Energiekosten erheblich senken. Zum Beispiel wurden in der simulierten Fallstudie die Energiekosten um mehr als 2,5 % im Vergleich zu traditionellen Planungsstrategien gesenkt. Dies wird erreicht, indem energieintensive Produktionen auf Zeiten mit günstigerem Energiepreis verschoben werden.

#Herausforderungen angehen

Eine der grössten Hürden in den Herstellungsprozessen ist die Unvorhersehbarkeit der Energiepreise und anderer Störungen wie Geräteausfällen oder Änderungen in den Produktionszielen. Der SLEE-DT-Rahmen geht diese Herausforderungen an, indem er kontinuierlich seine Planung basierend auf Echtzeitinformationen aktualisiert. Wenn sich die Bedingungen ändern, kann der Rahmen den Produktionsplan flexibel anpassen, um sicherzustellen, dass der Energieverbrauch optimiert bleibt.

#Zukünftige Richtungen

In der Zukunft ist das Ziel, die Anwendung des SLEE-DT-Rahmens auf grössere Fertigungssysteme auszuweiten, die mehrere Maschinen und Lageroptionen umfassen. Ausserdem sind Pläne zur Umsetzung dieses Rahmens in echten Fertigungsumgebungen in Arbeit. Die Hoffnung ist, dass mit diesen Fortschritten die Energieeffizienz in der gesamten Fertigungsbranche verbessert werden kann.

#Fazit

Zusammenfassend bietet der SLEE-DT-Rahmen eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Batch-Herstellung. Durch die Nutzung digitaler Modelle und Echtzeitdaten können Hersteller ihre Produktionszeitpläne optimieren, um sowohl Energie als auch Kosten zu sparen. Dieser Ansatz ist entscheidend, um Nachhaltigkeitsziele zu unterstützen und die Fertigungsindustrie in eine energiebewusste Zukunft zu führen. Die fortlaufende Entwicklung und Anwendung solcher Rahmenbedingungen kann den Weg für eine effizientere und umweltfreundlichere Fertigungslandschaft ebnen.