Projektvorstellung

Das Projekt „Supervision von Industriestandorten mit Open-Source Tensor-Algorithmen“ (SIOSTA) liefert einen Beitrag zum energetisch optimalen und bedarfsgerechten Betrieb von Industriestandorten. Deren Energieflüsse zeigen eine komplexe multilineare Systemdynamik, die mit Hilfe eines SCADA-Systems (Supervisory Control and Data Acquisition) gesteuert werden, das ausschließlich Open-Source Code nutzt, insbesondere multi-index Tensor-Algorithmen. Das Ziel des Vorhabens ist die vollständige Abbildung des Entwurfs und der Implementierung einer Koordinationsregelung mit Open-Source-Software und die Demonstration des kompletten Entwicklungsprozesses an einem Industriestandort.

Die Automation komplexer Produktionsprozesse ist ein wesentlicher Bestandteil für den effizienten Betrieb von Produktionsstandorten. Dabei ist die Verknüpfung und Automation von Produktionsanlagen auf Basis bestehender Hardware- und Softwareprodukte bereits weit fortgeschritten. Die Optimierung der Gewerke für den Gebäudebetrieb, speziell Heizung, Lüftung und Klimatechnik (HLK) wird dabei in der Industrie meist vernachlässigt. Die Steuerung dieser Anlagen erfolgt heute in der Regel über konventionelle Einzelregelungen in dezentraler Regelungsstruktur, welche das Zusammenwirken verschiedener Gewerke, speziell auch die Einflussgrößen von Produktionsanlagen (Abwärme, Staubemissionen, etc.), nicht berücksichtigen.

Die Energieflüsse hängen somit von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab, die nur teilweise mess- bzw. vorhersagbar sind. Aufgrund der Komplexität dieser Abhängigkeiten sind statische Sollwerte oder fixe Zeitprogramme für die dezentralen unterlagerten Regelungen zwar einfach einzustellen, aber in der Regel nicht optimal. Dies führt zu manuellen Eingriffen – falls der suboptimale und ineffiziente Betrieb überhaupt bemerkt wird. Allerdings ist die Systemdynamik gesamter Industriestandorte gerade durch die Kopplungen der Energieflüsse in der Regel zu komplex für langfristig erfolgversprechende, manuelle Steuereingriffe zur Effizienzmaximierung. Potentiale der Energieeinsparung können nicht gehoben werden, da viele heutige SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) einen energetisch optimalen und bedarfsgerechten Betrieb nicht automatisch herstellen.

Der aktuelle Stand der Wissenschaft zeigt Forschungsbedarf im Bereich des Entwurfs und der Implementierung von modellbasierten Koordinationsregelungen für Industriestandorte als nachrüstbare SCADA-Lösung zu geringen Investitionskosten für einen großen Bestands- und Wachstumsmarkt. Die Fokussierung des Vorhabens auf Tensor-Algorithmen und Open-Source Software ist praxisrelevant, methodisch sinnvoll und stellt ein wissenschaftliches wie wirtschaftliches Alleinstellungsmerkmal dar.

Das SIOSTA Projekt verfolgt von der Entwicklung über die Implementierung bis hin zur Demonstration eine durchgehende Open-Source-Strategie. Dabei wird hoher Wert auf einen modularen Design-Ansatz zur Modellierung der Systeme gelegt, um Modifizierungen, Adaptionen und die Erweiterungen der Projektergebnisse im Rahmen der wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Verwertung nach Projektende sicherzustellen. Die Kommunikation mit lokalen Regelkreisen wird dabei über weit verbreitete, standardisierte Protokolle der Automations- und Gebäudetechnik realisiert. Das SCADA-T System wird daher herstellerunabhängig für die Nachrüstung bestehender Systeme geeignet sein.

Durch die neuartige Koordinationsregelung der HLK-Systeme werden Einsparpotenziale von bis zu 40% angestrebt. Dieses Potenzial wurde durch angewandte Studien nachgewiesen [Imal 2015]. In der praktischen Anwendung an Industriestandorten wird mit einer durchschnittlichen Einsparung von 20% gerechnet, da zum einen das individuelle Einsparpotenzial wesentlich von den Eingriffsmöglichkeiten der bestehenden Einzelregelungen abhängt und zum anderen der Aufwand für die Installation von Signalkabeln und Datentechnik für alle relevanten HLK- und Prozessanlagen Anwender dazu veranlassen wird lediglich Großanlagen in das SCADA-T System einzubinden und die Summe der Kleinanlagen auszunehmen.

Trotz des signifikanten wirtschaftlichen Potenzials, werden moderne Optimierungsansätze nicht genutzt. Der Hauptgrund hierfür, neben fehlenden Wissen und Vertrauen bzgl. neuer Technologien, ist die finanzielle Einschränkung der Industrie bzw. deren hohe Anforderung an die Armortisationszeit, welche oftmals unter 1,5 Jahren liegen soll [UBA 2015]. Durch die herstellerunabhängige Kompatibilität zu bestehenden Hard- und Softwareprodukten der Automations- und Gebäudetechnik begegnet das SIOSTA Projekt diesem Hemmnis, da Investitions- und Installationskosten für Kunden sehr gering ausfallen, weil die bestehenden Einzelregelungen durch die übergeordnete SCADA-T Software gekoppelt werden.

Neben dem wirtschaftlichen Vorteil für Kunden dient das Projekt SIOSTA der Bereitstellung von Lösungen für den gesellschaftliche Bedarf nach systembezogenen Technologien, Verfahren und Dienstleistungen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie. Der Raumwärmebedarf in Deutschland beträgt ca. 625 Mrd. KWh/a, wovon ca. 197 Mrd. KWh/a auf Nichtwohngebäude fallen, von denen ca. 59% Hallengebäude (Bestand ca. 359.000), d.h. typische Industriegebäude, sind – diese entsprechen also ca. 19% des Gesamtraumwärmebedarfs von Deutschland. Untersuchungen zeigen, dass diese Hallengebäude Einsparpotenziale von bis zu 42% aufweisen, von denen etwa 50% auf Anlagen und Anlagensteuerungen zurückzuführen sind [Ochatz et al. 2011]. Unter der Annahme, dass die Ergebnisse des SIOSTA Projekts später nur 1% des heutigen Bestands erreichen, verspricht es bei durchschnittlich 20% Einsparung eine absolute CO2-Reduzierung von mehr als 100.000 t/a (nur Heizung), was einem jährlichen CO2-Ausstoß von ca. 60.000 modernen PKW entspricht (Grundlage: Neuzulassung 2015, Jahresfahrleistung 10.000 km). Das SIOSTA Projekt trägt damit direkt dem, durch die Politik formulierten, Wunsch der Gesellschaft nach einer spürbaren Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz Rechnung. Das Projekt SIOSTA leistet dadurch einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des weltweiten CO2-Ausstoßes zur Erreichung der nationalen und internationalen Klimaschutzziele.

Das SIOSTA-Team

Nils Heinrich
Nils Heinrich
Envidatec GmbH
Gerrit Schutz
Gerrit Schutz
Envidatec GmbH
Florian Simon
Florian Simon
Envidatec GmbH
Parthiban Palani
Parthiban Palani
Envidatec GmbH
Gerwald Lichtenberg
Gerwald Lichtenberg
HAW Hamburg
Aadithyan Sridharan
Aadithyan Sridharan
HAW Hamburg
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