ESiP - Energiespeicher in der Produktion

Herausforderung

Eine ganz normale Situation im Alltag eines Produktionswerks: An verschiedenen Fräs- und Umformmaschinen werden Teile bearbeitet. Die schnellen Bearbeitungsvorgänge verlangen hochdynamische Bewegungen der Maschinenkomponenten, die 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, was zu Verlusten in Teillastzuständen führt und hohe Kosten für den Netzanschluss (Netzentgelte) verursacht. Doch das müsste nicht so sein – wenn die Konstrukteure dieser Maschinen ein nutzerfreundliches Planungswerkzeug an der Hand hätten, das verlässlich die geeignete Speichertechnologie ermittelt, eine sinnvolle Speichergröße berechnet und eine Empfehlung für den Betrieb erarbeitet. 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 wertvolle Energie dann ungenutzt bleibt.

Eine Umfrage unter 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. Auch die jeweils passende Energiespeichertechnologie solle berücksichtigt werden.

Lösungsansatz

Dieser Problematik nimmt sich das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Projekt »Energiespeicher in der Produktion« (ESiP) an, das vom Fraunhofer IWU koordiniert wird. Der zentrale Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt ist die Entwicklung eines Werkzeugs, um Energiespeichersysteme technologieübergreifend an Maschinen und Anlagen der industriellen Produktion auslegen zu können. Das maßgeschneiderte, bedienerfreundliche Software-Tool wird alle gängigen Energiespeichertechnologien berücksichtigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird das Erfahrungswissen der Projektpartner aus den Bereichen der Energiespeichertechnik und der Leistungselektronik mit den Anforderungen aus der Produktionstechnik verknüpft. 

Das Fraunhofer IWU bildet für ESiP eine Vielzahl von Anwendungsszenarien ab, bezogen auf unterschiedlichste Maschinen und Anlagen. Darauf sowie auf den Spezifika der Energiespeichersysteme basierend, werden die passenden Auslegungsalgorithmen entwickelt. Es werden Fragestellungen beantwortet, welche Technologie zur Speicherung von elektrischer Energie für die jeweilige Anwendung den größten technischen und wirtschaftlichen Nutzen bringt. Dazu werden unterschiedliche Integrationsebenen (z. B. Komponente, Maschine, Fabrikhalle) untersucht sowie verschiedene Kopplungen der Energiespeichersysteme betrachtet. Wesentlich für den effizienten Einsatz in der Produktion ist zudem die Betriebsführung. Dabei gilt es, sowohl Faktoren aus Sicht des Energiespeichersystems wie Systemeffizienz, Alterung oder Temperatur als auch Faktoren der Produktionstechnik wie Technologieparameter, Produktionsaufträge oder Lastgrenzen zu berücksichtigen. 

Die Partner werden alle Projektergebnisse an einem realen Demonstrator erproben und validieren.

Eckdaten zum Projekt

Laufzeit
März 2022 bis Februar 2025

Koordination
Fraunhofer IWU

Projektpartner

  • EA Systems Dresden GmbH
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • LioVolt GmbH
  • Skeleton Technologies GmbH
  • Power Innovation Stromversorgungstechnik GmbH