Energieoptimierung in technischen Systemen

Aktuelle Forschungsthemen des Forschungsgebiets

• Modellbasierte nutzerorientierte elektrische Energiekostenanalyse von automatisierten Systemen
  bearbeitet von
  Andreas Beck

Beschreibung des Forschungsgebiets

Abbildung 1: Beispiele für Energieverschwendung

In den letzten Jahren häufen sich - nach den Energiekrisen der 70er und 80er Jahre des letzten Jahrhunderts - einmal mehr die Diskussionen über den Energiebedarf und die damit in Verbindung stehenden politischen, wirtschaftlichen und klimatischen Konsequenzen. Nach aktuellen Prognosen wird der Energiebedarf in den nächsten Jahrzehnten weiter deutlich ansteigen. Neben dem nutzbringenden Einsatz der Energie und den dabei auftretenden nicht vermeidbaren Verlusten wird aber all zu oft sehr sorglos oder auch unbedacht mit der Energie umgegangen (siehe Abbildung 1).

Bei der Energieoptimierung in der Automatisierungstechnik gibt es grundsätzlich zwei Problembereiche: Zum einen die Optimierung der automatisierten Systeme selbst, zum anderen die Optimierung bestehender Prozesse und technischer Systeme durch entsprechende Automatisierungslösungen. Am Institut liegt der Fokus hierbei auf der Optimierung des elektrischen Energieverbrauchs.

Abbildung 2: Energiefluß

Betrachtet man den Energiefluss von Primär- über Sekundär- und Endenergie bis hin zur eigentlichen Nutzung der Energie (vgl. Abbildung 2), muss man erhebliche Verluste bei der Umwandlung der im eingesetzten Primärenergieträger enthaltenen Energie in die letztlich durch den Verbraucher genutzte Energie feststellen.

Im Durchschnitt über alle Verbrauchssektoren wird zudem nur etwa die Hälfte der beim Verbraucher ankommenden Endenergie nutzbringend eingesetzt. Dies macht deutlich, dass die Energieoptimierung eine der zentralen Herausforderungen der nächsten Jahre darstellt. Hier spielt die Automatisierungstechnik als Querschnittsdisziplin in allen Verbrauchssektoren eine zentrale Rolle.

Energetische Zusammenhänge in automatisierten Systemen

Abbildung 3: Energetische Zusammenhänge in automatisierten Systemen

Für eine Optimierung müssen zunächst die energetischen Zusammenhänge in automatisierten Systemen bekannt sein. Basis eines automatisierten Systems bildet der technische Prozess, der in einem technischen System abläuft (Abbildung 3). Dieses wird durch das Automatisierungssystem, das über Sensoren Prozessdaten erfassen und über Aktoren geeignete Stelleingriffe vornehmen kann, automatisiert. Das Automatisierungssystem kann wiederum mittels Überwachungs- und Bedieneinrichtungen von einem menschlichen Bediener kontrolliert und beeinflusst werden. Alle diese Bestandteile sind zudem Einflüssen aus der Umgebung ausgesetzt.

Während die Energieoptimierung der technischen Prozesse anderen Disziplinen obliegt, fokussiert die Forschung am Institut auf dem Automatisierungssystem mit seinen Bestandteilen, deren Zusammenhängen und den Einflüssen, die den elektrischen Energieverbrauch verändern. Neben der Reduktion des Energieverbrauchs einzelner Bestandteile, die heute vor allem durch optimierte Technologien und Materialien erreicht wird und Gegenstand spezieller Fachgebiete der Elektrotechnik (Leistungselektronik, Halbleitertechnik, u. a.) und Informatik (Rechnerarchitektur, Kommunikation, s. a. Green IT) ist, existieren durch die Betrachtung der speziellen Zusammenhänge in Automatisierungssystemen weitere Möglichkeiten den Energieverbrauch zu senken.

Ansatzpunkte für die Energieoptimierung in der Automatisierungstechnik

In automatisierten Systemen existieren unterschiedliche Ansatzpunkte für eine Energieoptimierung (vgl. Abbildung 4). Bestehende Systeme werden durch Modernisierung, Pflege und Wartung bezüglich der eingesetzten Komponenten und Strukturen statisch optimiert, d. h. durch Einsatz energieeffizienter Technologien für ein bestimmtes Betriebsprofil einmalig optimal ausgelegt. Darüber hinaus ist auch ein energieoptimierender Betrieb möglich, d. h. eine Steigerung der Energieeffizienz durch dynamische Anpassung an die aktuelle Betriebssituation entweder durch manuelle Eingriffe des Bedieners oder durch autonom durchgeführte Eingriffe des Automatisierungssystems.

Abbildung 4: Ansatzpunkte für die Energieoptimierung

Bei neu zu erstellenden Systemen werden Entscheidungen bezüglich eingesetzter Technologien und Eingriffsmöglichkeiten im Engineering getroffen. Durch entsprechend energieoptimale Entscheidungen hat das Engineering also ebenfalls energieoptimierenden Einfluss auf den Betrieb des Systems. Es existieren also zwei Problembereiche: das Engineering und der Betrieb.

Bewertung der Energieeffizienz

Unabhängig vom Problembereich müssen Methoden zur Bewertung der Energieeffizienz zur Verfügung stehen, um geplante oder durchgeführte Maßnahmen und angewandte Methoden zur Energieoptimierung evaluieren zu können. Hierzu haben sich meist domänenspezifische Lösungen herausgebildet, die, wie beispielsweise im Gebäudesektor oder im Bereich von Einzelkomponenten und Geräten, Aussagen zur Energieeffizienz und auch die Ableitung von Energieoptimierungsmaßnahmen ermöglichen. Heutige automatisierte Systeme bestehen allerdings aus vielen einzelnen Teilsystemen, Geräten und Komponenten, die sich wiederum aus Elementen unterschiedlichster technischer Disziplinen (Mechanik, Elektrotechnik, Informationstechnik, u. a.) zusammensetzen und durch entsprechendes Zusammenspiel Prozesse in den verschiedensten Anwendungsbereichen automatisieren. Diese komplexen Zusammenhänge erschweren die Bewertung der Energieeffizienz hinsichtlich energieoptimaler Entscheidungen. In Abbildung 5 ist der prinzipielle Ablauf bei der Bewertung der Energieeffizienz eines automatisierten Systems dargestellt.

Abbildung 5: Ablauf bei der Bewertung der Energieeffizienz

Eine Methode wird durch den Anwender dazu genutzt, die Energieeffizienz eines automatisierten Systems - im Betrieb in Gestalt vorhandener technischer Bestandteile, im Engineering in Form von Modellen - zu bewerten. Der Anwender ist entweder ein unabhängiger Dritter, ein Ingenieur, der während des Engineering zwischen verschiedenen Alternativen entscheiden muss, oder kann im Betrieb in Form des Bedieners oder einer im System integrierten Software, die durch Stelleingriffe Einfluss auf die Abläufe im System nimmt, auch Teil des automatisierten Systems selbst sein. Anwender und Methode werden zudem von ihrem Umfeld, beispielsweise einer staatlichen Kontrollinstanz, dem Management oder dem Kunden, beeinflusst oder müssen sich gegenüber diesem verantworten.

Aktuelle Methoden zur Bewertung der Energieeffizienz

Die Bewertung der Energieeffizienz ist in vielen Bereichen von Interesse. Das Spektrum an Methoden reicht von der politischen Ebene, wo die Bewertungsergebnisse der Überprüfung von global oder in Staatenverbünden vereinbarten Zielen oder national festgelegten Vorgaben dient und meist ökologische, soziale und ökonomische Bezugsgrößen aufweist, über Methoden zur Bewertung ganzer Unternehmen und Industrieanlagen, bis hin zu Methoden zur Bewertung einzelner Teilsysteme, Produkte oder Bestandteile (Abbildung 6).

Abbildung 6: Abdeckung durch existierende Bewertungsmethoden

Letztlich bieten alle diese Methoden bezüglich der von ihnen betrachteten Systeme und der von ihnen verfolgten Ziele verwertbare Ergebnisse. Es bestehen aber Lücken bei der methodischen Verknüpfung. So können heute zwar einzelne Bestandteile oder auch ganze Teilsysteme, wie beispielsweise das Druckluftsystem sowohl statisch als auch dynamisch bewertet und optimiert werden. Die komplexen Zusammenhänge in automatisierten Systemen werden bislang jedoch nur in Methoden für einzelne Domänen, wie beispielsweise dem Gebäudesektor, hinreichend abgebildet, um für eine Energieoptimierung durchgängig verwertbare Ergebnisse bestimmen zu können.

Aktuelle Forschung am IAS

Ein Mittel zur Unterstützung bei der Bewertung der Energieeffizienz und bei der Identifikation von Optimierungspotential sind model-basierte Methoden, wie beispielsweise die Simulation. Mithilfe ausführbarer Modelle und Technologien wie X-in-the-Loop können in allen Lebenslaufphasen von automatisierten Systemen wertvolle Informationen gewonnen werden, die bei der Entscheidungsfindung über in der Entwicklung befindliche Teillösungen, flexible Strukturen und Abläufe oder zu ersetzende Bestandteile verwendet werden können, um ein möglichst energieoptimales System zu erreichen.