Smart Prognosis of Energy with Allocation of Resources

Das Ziel des Forschungsprojektes SPEAR war die Entwicklung einer Optimierungsplattform, die industrielle Produktionsprozesse im Hinblick auf energiebezogene Aspekte verbessert. Ein Schwerpunkt des Vorhabens buldete die die Energieoptimierung von Produktionsabläufen, Produktionslinien und industriellen Gebäuden. Die entwickelte Plattform kann den Energieverbrauch bestehender und neuer Anlagen optimieren. Die Resultate sind im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme als auch auf laufende Produktionssysteme anwendbar. Die Opimierungsplattform kann als lokale Applikation oder als Cloud-basierter Service genutzt werden und greift auf Optimierungsalgorithmen zurück, welche eine Prognose des erwarteten Energieverbrauchs über einen definierten Zeitraum liefern.

Im Rahmen des Projektes wurden digitale Zwillinge einzelner Komponenten um ein entsprechendes Energiemodell erweitert, wodurch komplexe (mechanische) Systeme konstruiert werden können. Zur Vereinfachung und Beschleunigung der Erstellung wurde ein Assistent entwickelt. Die Modelle selbst wurden neutral definiert und bauen auf dem Functional Mock-up Interface (FMI) in Verbindung mit dem Datenformat AutomationML (AML) auf. Diese Kombination erlaubt es, dynamisches Verhalten sowie physikalische Daten und Meta-Informationen von Komponenten, Anlagen und Linien zu beschreiben.

Durch eine exakte Kalkulation des Energieverbrauchs können Industriekunden Energiekosten einsparen. Energieintensive Prozesse können beispielsweise auf Zeitfenster verlegt werden, wo genügend und kostengünstigere Energie zur Verfügung steht. Dies spielt z. B. bei der Verwendung von erneuerbaren Energien, wie der Windkraft oder der Solarenergie eine bedeutende Rolle. Neben einer verbesserten Nutzung erneuerbarer Energien durch die Anpassung der Produktionspläne an die Verfügbarkeitsperioden können Energieversorger das Stromnetz leichter auslegen, verwalten und ausgleichen. Dadurch verringert sich der Gesamtenergiebedarf. Gleichzeitig werden Industriekunden dabei unterstützt, ihre effektiven Emissionen zu senken – was aufgrund gesetzlicher und regulatorischer Aspekte immer mehr an Bedeutung gewinnt.

let's dev leitete das AP5 „Implementierung und Schnittstellen der Optimierungsplattform“ und war verantwortlich für die Durchführung und Koordination aller Aktivitäten hinsichtlich der SPEAR-Optimierungsplattform: Von der Analyse der Anforderungen bis hin zur Realisierung des Demonstrators.

Dabei wurde von Beginn an der User Centered Design Ansatz verfolgt und die Zielgruppe mit Personas beschrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse sind iterativ in den Demonstrator eingeflossen. Neben der nutzerzentrierten Gestaltung war auch die technische Spezifikation und Umsetzung der Cloud Applikation ein wesentlicher Schwerpunkt unserer Arbeit. So wurden verschiedene Kommunikationsprotokolle und Schnittstellen realisiert, um die Bedürfnisse der Partner und Anwendungsfälle gerecht werden zu können. Eine zentrale Technologie der Optimierungsplattorm bildete dabei Apache Kafka.

Eine zentrale Innovation von SPEAR ist die Spiegelung des Energieverbrauchs der Produktionsanlage durch die Simulation erweiterter Verhaltensmodelle auf kostengünstiger Hardware. Diese Hardware wird zudem für eingebettete Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulationen verwendet, die parallel mit der realen Anlage laufen, sodass der digitale Zwilling einer Anlage, um einem digitalen Schatten erweitert wird. Damit können hochflexible und kostengünstige Ansätze erforscht, umgesetzt, sowie die Planung und Durchführung des Produktionssystems durch eine genaue Simulation der Produktionsprozesse optimiert werden. Dies unterstützt Bestrebungen wie Industrie 4.0 oder Smart Industry.

Das deutsche SPEAR-Konsortium spiegelte in Bezug auf die fokussierten Produktionsanlagen die gesamte Wertschöpfungskette einschließlich Maschinen- und Simulationsexperten, sowie Experten für die Modellierung von Energieverbrauchern und -lieferanten aus erneuerbaren Energien wider. Sowohl große und mittelständische produzierende Unternehmen als auch akademische Einrichtungen waren beteiligt. Durch die ausgewogenen Kompetenzen konnten die Konzepte des Vorhabens umgesetzt und Standardisierungsbestrebungen vorangetrieben werden.