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Energieversorgung im digitalen Zeitalter: Volatile Erzeugung und Verbrauch müssen aufeinander abgestimmt werden. Bild: iStock,
Energieeffizienz

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Effizienz braucht Daten

Text: Till Tomann, Bilfinger Efficiency
Der Umbruch der Energiebranche ist in vollem Gange. Daten liefern dabei eine fundierte Basis, um Energieverbräuche zu analysieren und nachhaltig zu verbessern. Die Digitalisierung und das Internet der Dinge werden somit zu Wegbereitern für die Steigerung von Energieeffizienz.

Traditionelle Geschäftsmodelle sind für die stattfindende Transformation der Energiebranche nicht mehr ausreichend. Das gilt nicht nur für Energieversorgungsunternehmen, sondern auch allgemein für alle produzierenden Branchen. IT-Systeme und energiespezifische Prozesse sind heute in aller Regel noch lokal begrenzt und durch mangelnde Flexibilität gekennzeichnet. Durch eine transparente, digitalisierte Prozesskette entstehen zukünftig enorme Datenmengen, die aufgrund bisher unerreichter Genauigkeit zu völlig neuen Auswertungsmöglichkeiten führen. Diese Transparenz bietet Chancen für neue Geschäftsmodelle, deren Basis eine weitgehende automatische Analyse und Verbesserung ineffizienter Systeme sein wird.

„If you can't measure it, you can't manage it“ (man kann nur managen, was man auch messen kann) ist längst zum Kerngedanken moderner Energie-Effizienzbemühungen avanciert. Dem Managen der Energieprozesse durch den Energieberater geht stets eine Analyse voraus, für die möglichst detailliert Daten erfasst werden müssen. Genau hier hapert es aber bisher allzu oft. In der Regel werden Daten heute nur rudimentär erfasst, sodass vor der Analyse zunächst weitere aufwändige Messungen erforderlich sind. Denn erst aus der detaillierten Kenntnis von Lastverläufen und Zustandsänderungen in einem Prozess lassen sich Rückschlüsse auf die Betriebsweise ziehen. Frühestens damit werden Abweichungen zwischen dem gewollten oder vermuteten Sollzustand sichtbar.

Um in industriellen Produktionsprozessen einen energieverbesserten Betrieb bei gleichzeitiger Sicherstellung der gewünschten Qualität zu erreichen, müssen alle Betriebszustände wie Druck, Temperatur und Feuchtegehalt kontinuierlich korrekt erfasst werden. Erst dann können Effizienzpotenziale im Prozess gehoben und zugleich unerwünschte Effekte, wie Kondensation, dauerhaft sicher vermieden werden. Dies ist beispielsweise bei industriellen Trocknungsprozessen, etwa von Milchpulver, von Bedeutung.

Ein anderes Beispiel ist die Zuordnung der Leistungsaufnahme zu einzelnen Verbrauchern innerhalb eines Stromkreises. Selbst wenn ein Stromzähler in einem Stromkreis installiert ist, lässt sich der Verbrauch einzelner Geräte nur ansatzweise abschätzen. Genau hier aber liegt die Basis für die Bewertung von Einsparpotenzialen und genau hier kommen Fragen auf, die den Energietechniker interessieren: Wann laufen welche Verbraucher und wie viel tragen sie zur Grundlast bei? Müssen diese Verbraucher die ganze Zeit mit Strom versorgt werden? Wie sind die Abhängigkeiten der einzelnen Verbrauchsmodule untereinander? Hat der Ingenieur erst einmal die erforderlichen Daten zur Hand, lassen sich die Energiefresser rasch erkennen und eliminieren. Die Tücke liegt dabei in der notwendigen Datenerfassung.

Das klassische Beispiel für ein Effizienzpotenzial ist der Wartebetrieb, auch Standby genannt. Diesen nehmen viele Alltagsgeräte ein, wenn sie gerade nicht benötigt werden, aber weiter mit dem Netz verbunden sind. Im Privathaushalt trifft dies zum Beispiel auf die meisten Fernseher oder die zunehmende Anzahl von Ladegeräten zu.

Standby kann richtig teuer werden

Denken wir nun einmal an ein Bürogebäude am Wochenende. Wie viele Verbraucher sind hier auf Standby geschaltet, obwohl sie die nächsten 60 Stunden nicht benutzt werden? Ein typischer Fahrstuhl mit 1000 Kilogramm Nutzlast, der das ganze Wochenende betriebsbereit gehalten wird, kann zum Beispiel über das Jahr hinweg über 4000 Kilowattstunden an zusätzlichem Strombedarf haben und dabei Kosten von einigen hundert Euro verursachen. Das ist als unerwünschte Nebenwirkung dann doch etwas viel für einen geringen Vorteil. Durch den permanenten Standby vermeidet lediglich der erste Mitarbeiter, der den Aufzug am Montagmorgen benutzt, eine Wartezeit von vielleicht 30 Sekunden, bis der Aufzug wieder in den Betriebszustand versetzt ist. Doch selbst ein so offensichtliches Effizienz-Potenzial muss innerhalb der Vielzahl der Verbraucher eines Betriebes zunächst einmal erkannt werden.

Im industriellen Maßstab kann so ein Standby dann richtig teuer werden. Die installierten Leistungen sowie die Anzahl der Geräte sind deutlich höher und das resultierende Einsparpotenzial entsprechend auch. Nicht erkannte Dauerläufer, wie Pumpen oder Ventilatoren, bieten hier oftmals hoch wirtschaftliche Ansatzpunkte.

Natürlich kann ein erfahrener Energieberater diejenigen Verbraucher mit den größten Einsparpotenzialen identifizieren, sobald die oft umfangreiche Verbrauchsdatenerhebung einmal abgeschlossen ist. Das Internet der Dinge bietet aber einen gewaltigen Vorteil: Wie nützlich und effizient wäre es doch, wenn jeder einzelne Verbraucher über einen integrierten Chip permanent seine Daten an ein Auswertungsprogramm sendet. Genau das wird unter dem Paradigma der Industrie 4.0 zum Standard werden.

Geschäftsmodelle basierend auf Daten

Zunächst einmal entsteht dadurch eine gewaltige Daten­menge. Im zweiten Schritt jedoch lässt sich diese Datenmenge direkt in den Rechner des Energie-Ingenieurs übertragen. Die Datenanalyse funktioniert entsprechend schneller und günstiger, sodass sich der Grauschleier über den versteckten Einsparpotenzialen so viel schneller lüften lässt als es bislang möglich ist. Doch damit nicht genug: Die Datenmenge, die die Digitalisierung und das Internet der Dinge erzeugt, ermöglicht auch neue Geschäftsmodelle für Dienstleister.

So müssen als Folge der Energiewende Energiebedarf und Verfügbarkeit von Energie viel genauer aufeinander abgestimmt werden. Erneuerbare Energien unterliegen in ihrer Verfügbarkeit natürlichen Schwankungen, entsprechend fluktuieren auch die Bereitstellungspreise. Mit der nötigen Software lässt sich für einen Betrieb genau dann bevorzugt Strom aus dem Netz abrufen, wenn er günstig zur Verfügung steht. Das gilt besonders für andauernde und energieintensive Prozesse wie das Schmelzen von Metallen oder wie bei der Kälteerzeugung für große Kühlhäuser. Gleichzeitig wird die Stromerzeugung durch die Energie­wende dezentraler. Ein Betrieb kann gezielt auf vorhandene Wind-, Solar-, oder Biomassekraftwerke zurückgreifen, wenn die so erzeugte Energie im Übermaß vorhanden und besonders günstig ist. Gleichzeitig kann der Strom aus Eigenanlagen zu attraktiven Preisen ins Netz gespeist werden, wenn dort Spitzenlast herrscht, der eigene Betrieb aber gerade weniger Strom benötigt. Hinzu kommt der Einsatz intelligenter Energiespeicherlösungen auf Betriebsebene.

Das Ineinandergreifen all dieser Prozesse muss konzertiert und verbessert werden. Schon die dazu nötige Datensammlung ist ein eigenes Geschäftsmodell: Wir kennen es im Alltag von Anwendungen wie Google Maps, bei denen allgemein verfüg­bare Daten erhoben, strukturiert und vermarktet werden können. Dieses Phänomen wird in Zukunft eine noch viel größere Rolle spielen, sodass man vom Google-Prinzip der Industrie 4.0 sprechen könnte.

Mit der Bewirtschaftung dieser Datenmengen können Effizienz-Potenziale zukünftig durch spezialisierte Dienstleister mit geringem Aufwand erkannt und gehoben werden. Die Hürden für die Umsetzung von Energieeffizienz-Maßnahmen werden sinken und in Folge durch Standardisierung eine größere Anzahl an Maßnahmen wirtschaftlich erschließbar sein.

Intelligente Brückentechnik nutzen

So schön das alles auch klingt, die Umrüstung auf Industrie 4.0 kostet Zeit. Allein die flächendeckende Einführung eines Smart-Building-Standards für alle Gebäude dürfte uns noch Jahrzehnte beschäftigen. Zum Glück gibt es Lösungen, die einen Vorgriff auf das Internet der Dinge ermöglichen und stumme Verbraucher auch ohne eigenen Datenchip zum Sprechen bringen können. Ein Beispiel hierzu ist eine neue Technik, die die Datenerfassung für jeden einzelnen Verbraucher durch Analyse des gesamten Stromlastprofils eines Gebäudes mittels intelligenter Hard- und Softwarelösung ersetzt. Selbst eine Kaffeemaschine hinterlässt einen Fingerabdruck ihres individuellen Verbrauchsmusters im Stromprofil. Dieser Fingerabdruck lässt sich ermitteln, wenn die Verbrauchsdaten eines Stromkreises mit hoher Frequenz analysiert und so einzelne Geräte sichtbar gemacht werden. Auf diese Weise wird das Internet der Dinge schon heute Realität, ohne dass jeder Verbraucher dazu seine individuellen Daten senden muss oder Stromzähler erforderlich sind.

Die Zukunft hat begonnen

Große Aufgaben stehen uns für die intelligente Energienutzung bevor. Für die Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie, die Neuausrichtung industrieller Prozesse auf eine fluktuierende Energieversorgung und das verbesserte Zusammenspiel aller Elemente des Energiesystems hat das Bundesministerium für Forschung und Energie (BMBF) für die kommenden zehn Jahre Fördergelder von 400 Millionen Euro bereitgestellt. Der Zusammenschluss all dieser einzelnen Projekte heißt Kopernikus. So wie der große Astronom Nikolaus Kopernikus unsere Vorstellung vom Universum für immer gewandelt hat, werden die Kopernikus-Projekte unser Bild der Energieerzeugung und -nutzung für immer verändern.

Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat im April den Startschuss zum Unterprojekt SynErgie gegeben. In den kommenden Jahren werden so die Voraussetzungen geschaffen, um den Energiebedarf der Industrie effektiv mit dem schwankenden Energieangebot zu synchronisieren und für die flexible Anpassung von energieintensiven Industrieprozessen an die immer volatilere Energieversorgung zu sorgen.

Weitere Informationen zu Bilfinger Efficiency finden Sie im Business-Profil auf Seite 16.

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