Mit dem zielgerichteten Einsatz von Energiespeichern an Maschinen und Anlage lassen sich bis zu 15 Prozent Strom sparen. Um das möglich zu machen, koordiniert das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU das Projekt „Energiespeicher in der Produktion“ (ESiP). Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Vorhabens ist die Entwicklung eines Prototyps für eine maßgeschneiderte, bedienerfreundliche Software.
Eine ganz normale Situation im Alltag eines Produktionswerks: An verschiedenen Fräs- und Umformmaschinen werden Teile bearbeitet. Die schnellen Bearbeitungsvorgänge verlangen hochdynamische Bewegungen der Maschinenkomponenten, welche durch unzählige Beschleunigungs- und Bremsvorgänge der Antriebe ermöglicht werden. Dabei entstehen starke Netzschwankungen mit erheblichen Leistungsspitzen. Diese wiederum können den elektrischen Betriebsmitteln schaden. Um zu hohen Beanspruchungen vorzubeugen, wird oft die Elektroinstallation überdimensioniert. Das wiederum führt zu Verlusten in Teillastzuständen und verursacht hohe Kosten für den Netzanschluss (Netzentgelte).
Nutzerfreundliches Planungswerkzeug gefragt
Doch das müsste nicht so sein – wenn die Konstrukteure dieser Maschinen ein nutzerfreundliches Planungswerkzeug an der Hand hätten. Dieses müsste verlässlich die geeignete Speichertechnologie ermitteln, eine sinnvolle Speichergröße berechnen und eine Empfehlung für den Betrieb erarbeiten. Heute wird die Auslegung von Energieversorgung und -verteilung meist mit einer Tabellenkalkulation ermittelt und großzügig gerundet, um Unsicherheitsfaktoren auszugleichen. Die Folge sind oft überdimensionierte Komponenten. Viele Betriebsleiter verzichten mit Blick auf die Anschaffungskosten ganz auf Energiespeicher. Ein Fehler, denn oft wird völlig unterschätzt, in welchen Größenordnungen dann wertvolle Energie ungenutzt bleibt.
Mark Richter, Leiter des Geschäftsfelds Klimaneutraler Fabrikbetrieb am Fraunhofer IWU ist sicher: „Stark gestiegene Kosten für Strom und Gas lenken bei vielen Unternehmen nun den Blick auf das Energiemanagement. Einsparpotenziale im zweistelligen Prozentbereich sind zu wichtig, um ungenutzt zu bleiben“. Eine von Mark Richter geleitete Workshopreihe mit Maschinen- und Anlagenherstellern ergab, dass zur Grundlastoptimierung und Absenkung von Lastspitzen noch einiger Forschungsbedarf besteht. Unterschiedliche Anwendungsszenarien und Maschinentypen müssten betrachtet werden, um eine maschinenoptimierte Auslegung dank passender Algorithmen zu erreichen, Energiespeicher optimal auszulegen und bestmöglich ausnutzen zu können, so die Rückmeldungen aus der unternehmerischen Praxis.
Passende Speichertechnologie finden
Auch die jeweils passende Energiespeichertechnologie solle berücksichtigt werden. Neben den heute weit verbreiteten Lithium-Ionen Batteriespeichern können das zum Beispiel auch Superkondensatoren (Supercaps – Doppelschichtkondensatoren) und Schwungradspeicher sein. Beide können eine ideale Ergänzung sein, wenn es um schnelles Laden und Entladen in häufig aufeinander folgenden Zyklen und kurzzeitigen Bedarf an hoher Leistung geht.
Im Projekt ESiP spielt für das Energiemanagement auch die Einbindung von lokal erzeugtem Photovoltaik-Strom eine wichtige Rolle. Denn in einer Fabrik kann der direkte Verbrauch des Solar-Stroms ebenso sinnvoll sein wie seine Zwischenspeicherung. Die Algorithmen der ESiP-Software werden entsprechend auch Hybrid-Speicher berücksichtigen können.
Abbildung vieler Anwendungsszenarien
Das Fraunhofer IWU bildet für ESiP eine Vielzahl von Anwendungsszenarien ab, bezogen auf unterschiedlichste Maschinen und Anlagen. Gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT entwickelt es die passenden Auslegungsalgorithmen. Das KIT bringt insbesondere seine Expertise zur bestmöglichen Ausnutzung von Energiespeichern ein. LioVolt ist auf Lithium-Ionen-Bipolarbatterien spezialisiert, und Skeleton Technologies hat langjährige Erfahrung mit Supercaps und Hybridspeichersystemen. Beide unterstützen das Projekt aus Sicht der Speichertechnologie und entwickeln eine Demonstrationsanwendung. Als wesentliche Schnittstelle zum Betrieb der Energiespeicher bringt Power Innovation Stromversorgungstechnik seine Kompetenz im Bereich effizienter Leistungselektronik ein. EA-Systems Dresden übernimmt im gemeinsamen Projekt die Simulation von Energiesystemen und kümmert sich um die Umsetzung in eine prototypische Softwareanwendung.
Im Forschungsansatz geht es nicht zuletzt um einen gezielten Vergleich einzelner Speichertechnologien im Hinblick auf Anforderungen in der industriellen Produktion. Dabei werden insbesondere Faktoren wie Alterung, Größe, Gewicht und Umgebungsbedingungen für eine optimale Auslegung von Energiespeichern berücksichtigt. Die Partner werden alle Projektergebnisse an einem realen Demonstrator erproben und validieren.
