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KMU-innovativ Förderprojekt D2R2
Dynamische Druckluftoptimierung für ressourcenschonendes Recycling (D2R2)
Die Nutzung von Druckluft in industriellen Prozessen ist weit verbreitet und stellt neben elektrischem Strom einen der häufigsten Energieträger dar. Eine zeitgemäße und effiziente Druckluftversorgung trägt wesentlich dazu bei, die aktuellen Klimaziele zu erreichen. Das Effizienzpotenzial bei der Optimierung liegt allein in Deutschland bei 8,5 Terawattstunden (TWh) im Jahr bzw. 3,6 Megatonnen (MT) CO2e. Dies entspricht ca. 1 Prozent der notwendigen Maßnahmen, um die Energiewende einzuleiten.
D2R2 zielt darauf ab, die Effizienz von Druckluftsystemen durch eine ganzheitliche Optimierung in einem Effizienzmodell auf Basis von 16 vorher definierten Maßnahmengruppen im laufenden Betrieb mittels Datenanalyse und KI-Einsatz von bis zu 50% zu verbessern. Hierzu soll das gesamte Druckluftsystem von der Erzeugung bis zum Prozess als digitaler Zwilling auf einer zu entwickelnden und IoT-Plattform (Cloud Lösung) abgebildet werden.
Bestehende, druckluftbetriebene Sortieranlagen im Recyclingprozess der dem Projekt assoziierten Anwendungspartner (Remondis und Theo Steil) werden als Innovationsgradmesser und zur Erprobung und Validierung der Ansätze und Optimierung des HMI (Human-Maschine-Interface bzw. Dashboard) herangezogen. Rohstoffe, welche durch das Recycling wieder in den Stoffkreislauf integriert werden, können auf diese Weise energetisch günstiger bereitgestellt werden. Es entsteht die messbare Größe in tCO2/t Recyclinggut, indem Werte von vor der Implementation der Lösungen mit jenen danach verglichen werden. Dies erhöht die Wettbewerbsfähigkeit dieser Branche im Vergleich zur Neugewinnung natürlicher Rohrstoffe (Bsp. Rohaluminium oder PET aus Rohöl).
Mit einem Smartfusion Gateway für Sensorik- und Aktorikanbindung zur Datentransformation und -verdichtung sowie einer IoT-Plattform zur Analyse wird eine Recyclingsortieranlage in einem digitalen Effizienzmodell abgebildet. Durch einen bidirektionalen Datenfluss zwischen IoT-Plattform und realer Anlage können intelligente Konzepte zur Prozessoptimierung und der Predictive Maintenance in Echtzeit realisiert werden. Effizienzverluste durch z. B. zu kleine Leitungen, verschmutze Filter oder eine ineffiziente Kompressorauslegung werden automatisch erkannt. Ziel der Forschungsarbeiten der Universität Kassel ist die Untersuchung und Entwicklung eines neuartigen System-on-Chip (SoC) auf der Hardware- und Softwareebene.
Aktuelle Lösungen und Ansätze wie Kompressorsteuerungen oder Verbrauchsebenenanalysen betrachten nur Teile der Anlage oder sind in Form von Audits aufwendig, in zu geringer Frequenz oder basieren auf historischen Daten.
D2R2 verfolgt eine nachhaltige, dynamische Effizienzlösung, die sich ständigen Bedarfsänderungen anpasst und mehrere Eingangsgrößen (Maschinendaten, Sensordaten, Expertenwissen) in Echtzeit auf der IoT-Plattform zu einer kontinuierlichen Modelloptimierung zusammenführt.
Fa. Postberg + Co. und die Flavia IT beabsichtigen die Projektergebnisse mittelfristig als Produkt- und Dienstleistungsangebote für den deutschen und internationalen Markt weiterzuentwickeln. Neben einem Vertriebskonzept für den Verkauf des Smartfusion Gateways in Kombination mit der IoT-Plattform für Drucklufteffizienz sind ergänzende Dienstleistungen für Servicepartner (Bsp. Planungsprognosen, dp-Überwachung, Effizienz der Wärmerückgewinnung, Leckageüberwachung) geplant.
Druckluft ohne Strom
Druckluft ohne Strom... na fasst ohne. Aus Erdgas, Biogas oder zukünftig türkiser und/oder grünen Wasserstoff wird in einem Druckluft-Wärmekraftwerk (kurz DWKW) viel Wärme (bis zu 95%) und Druckluft erzeugt. Der Geschäftsführer Peter Otto erklärt wie es geht und welche aktuellen Herausforderungen im Zusammenhang mit der aktuellen Gasmangellage und den Zielen der Energiewende zu überwinden sind. Bei aktuellen Energiepreisen sind Amortisationszeiten von 1,3 bis 3,6 Jahren möglich. Eine Grundlastversorgung mit einem Energiepreissignal gekoppelt ermöglicht eine resiliente Druckluftversorgung aufzubauen.
Pressemitteilung 4. Kasseler Energiemanagertag
Energieeffizienz dient auch dem Frieden
Energieeffizienz dient auch dem Frieden
Deutschland wird auch in einer klimaneutralen Zukunft erneuerbare Rohstoffe und Energie aus nachhaltig fließenden Quellen importieren müssen. Diese Auffassung haben auf dem 3. Kasseler Energiemanagertag der Physiker Jochen Bard, Bereichsleiter Energieverfahrenstechnik Fraunhofer IEE, und Dr. Beate Wenzel, Mitarbeiterin im Sachbereich Klimaschutz bei HessenForst, übereinstimmend vertreten. Sowohl der Bedarf an Energie als auch an Holz könne in Zukunft nur zur Hälfte aus inländischen Quellen gedeckt werden. Um so wichtiger, sagte Peter Otto als Initiator und Ausrichter der Energiemanagertage vor etwa 150 Energiemanagerinnen und -managern aus Europa, sei es, alle Reserven der Energieeffizienz auszuschöpfen. „Das hilft nicht nur dem Klima, sondern kann auch dem Frieden dienen, wie wir in Tagen wie diesen sehen, denn die Haupteinnahmequelle des militärischen Aggressors Russland ist der Verkauf fossiler Energieträger, aus der das Land seine Hochrüstung und deren kriegerischen Einsatz finanziert.“
Bild: Dipl.-Ing. Peter Otto eröffnet den 3. Kasseler Energiemanagertag und erklärt den Grund für die Fokussierung auf die Wärmewende. Copyright: Postberg+Co.
Energieeffizienz dient auch dem Frieden
Deutschland wird auch in einer klimaneutralen Zukunft erneuerbare Rohstoffe und Energie aus nachhaltig fließenden Quellen importieren müssen. Diese Auffassung haben auf dem 3. Kasseler Energiemanagertag der Physiker Jochen Bard, Bereichsleiter Energieverfahrenstechnik Fraunhofer IEE, und Dr. Beate Wenzel, Mitarbeiterin im Sachbereich Klimaschutz bei HessenForst, übereinstimmend vertreten. Sowohl der Bedarf an Energie als auch an Holz könne in Zukunft nur zur Hälfte aus inländischen Quellen gedeckt werden. Um so wichtiger, sagte Peter Otto als Initiator und Ausrichter der Energiemanagertage vor etwa 150 Energiemanagerinnen und -managern aus Europa, sei es, alle Reserven der Energieeffizienz auszuschöpfen. „Das hilft nicht nur dem Klima, sondern kann auch dem Frieden dienen, wie wir in Tagen wie diesen sehen, denn die Haupteinnahmequelle des militärischen Aggressors Russland ist der Verkauf fossiler Energieträger, aus der das Land seine Hochrüstung und deren kriegerischen Einsatz finanziert.“
Bild: Dipl.-Ing. Peter Otto eröffnet den 3. Kasseler Energiemanagertag und erklärt den Grund für die Fokussierung auf die Wärmewende. Copyright: Postberg+Co.
Fraunhofer IEE: Strombedarf für Wärme und Verkehr aus heimischen Quellen
Auch Jochen Bard plädierte für eine Steigerung der Energieeffizienz: „Wenn wir uns in Zukunft effizient aufstellen, können wir langfristig unseren gesamten Strombedarf auch für den Wärmesektor und den Verkehr aus der nationalen Erzeugung mit Erneuerbaren Energien decken. Darüber hinaus werden wir aber in erheblichem Umfang Wasserstoff und grüne Kraftstoffe für schwere Nutzfahrzeuge, den Flug- und Schiffsverkehr und industrielle Anwendungen importieren müssen.“
Bild: Dipl.-Phys. Jochen Bard stellt die zukünftige Rolle des Wasserstoffs bis 2050 dar. Copyright: Postberg+Co. und Fraunhofer IEE
HessenForst: Der nachhaltig bewirtschaftete Wald ist der beste Klimaretter
Für Dr. Beate Wenzel ist der „klug und nachhaltig bewirtschaftete Wald der beste Klimaschützer“. Durch Waldbewirtschaftung, Holznutzung und Substitution werde der Atmosphäre in Deutschland jedes Jahr 92 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente entzogen. Vor allem in der Wachstumsphase lagerten Bäume Kohlenstoff im Holz ein. Im gesunden Zustand geerntet sollte Holz lange, möglichst kaskadenartig genutzt werden. Es ersetze zunächst energieintensives Material wie Stahl, Aluminium oder Zement und kann nach Ablauf von Jahrzehnten oder Jahrhunderten schließlich energetisch verwertet werden oder auf natürliche Weise verrotten, was den Kohlenstoff allerdings ungenutzt freisetzen würde. Aber auch Dr. Beate Wenzel stellte klar: „Deutschland ist ein Holz-Importland. Wir brauchen mehr Holz und Zellstoff, als wir selbst nachhaltig produzieren können. Umso wichtiger ist es, dass das Holz aus nachhaltigen Quellen importiert wird.“
Bild: Förster planen den Buchenwaldbestand im Staatswald Hessen. Copyright: HessenForst
Postberg: Energieeffizienz in der Wärmeversorgung hebt Riesenpotential
„Energieeffizienz in der Wärmeversorgung ist der schlafende Riese in der Energie- und Klimawende. Wir müssen ihn bis 2030 wecken“, forderte Peter Otto. Der Druckluftspezialist und Geschäftsführer der Postberg+Co. GmbH sagte, mehr als 50 Prozent der Energieverbrauchs und der CO2 Emissionen in Deutschland entfielen auf die Erzeugung von Wärme, „denn mehr als 80 Prozent der Wärme erzeugen wir aktuell noch mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Erdöl und Kohle“. Mit etwa 44 Prozent sei Erdgas der wichtigste Energieträger zur Wärmegewinnung, und knapp Zweidrittel (63 Prozent) dieses Gases stamme aus Russland. Etwa diese Menge (66 Prozent) ließe sich heute schon technisch durch Energieeffizienz-Maßnahmen einsparen. Ergänzend könne im Sommer die Wärme für Industrieprozesse erneuerbar hergestellt und im Winter durch Nahwärmenetze mittels Biogas Blockheizkraftwerke (BHKW) oder Holzhackschnitzel ergänzt werden.
Wie das in der Industrie funktioniert, zeigte Benjamin Flaig von der Firma Alfred Ritter mit der Vorstellung Deutschlands größter solarthermischer Aufdachanlage, die im Frühjahr 2022 in Betrieb gehen wird. Diese liefert in einem Jahr etwa 1.141 MWh an Wärme. Mittelfristig will Ritter zusammen mit den lokalen Stadtwerken eine Hackschnitzelanlage zu ergänzen, um 100% CO2 neutral zu werden.
Bild: Benjamin Flaig präsentiert auf dem 3. Kasseler Energiemanagertag die Neuplanung der größten solarthermischen Aufdachanlage Deutschlands. Copyright: Postberg+Co.
Auf dem YouTube Kanal von Postberg+Co. GmbH:
Die Eröffnungsansprache von Peter Otto,
Das Interview mit Dr. Beate Wenzel
Der Vortrag von Benjamin Flaig
Das Interview mit Jochen Bard
HD- Bildmaterial für die Pressemitteilung per ZIP Datei. Fotos von Jochen Bard und Benjamin Flaig sind aus dem Vortrag bzw. Interview (niedrige Auflösung).
Artikel von Claus Müller von der Grün
Forschungsprojekt SCIENTIA: „Zuverlässige SoC-Sensorik zur Effizienzsteigerung bei Hochleistungskompressor-systemen auf KI-Basis"
Forschungsprojekt SCIENTIA: „Zuverlässige SoC-Sensorik zur Effizienzsteigerung bei Hochleistungskompressor-systemen auf KI-Basis"
Projektbeteiligte
Das Projektkonsortium besteht aus den KMU Postberg + Co GmbH, Kassel und der inTec automation GmbH, Baunatal sowie dem Fachgebiet Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung - Institut für Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung (ICAS) der Universität Kassel.
Die Postberg + Co GmbH verfügt über Expertenwissen im Themenbereich Druckluft und hat seit der Gründung im Jahr 2003 eine Vielzahl von Sensoren und Armaturen entwickelt und patentieren lassen. Die inTec automation GmbH wurde 1997 gegründet und verfügt über Expertenwissen im Bereich der Industrieautomation und Steuerungstechnik. Die Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen, IPCs und Datenbanken gehört, ebenso wie die Prozess- und Anlagenvisualisierung, zu den Kernkompetenzen des KMU. Das Institut für Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung der Universität Kassel forscht seit langem am Prototyping sowie die Verifizierung unterschiedlicher (programmierbarer) elektronischer Systems in einem breiten Anwendungsbereich. Dazu gehören beispielsweise das Internet of Things (IoT), sicherheitsgerichtete System-on-Chips (SoC), die Automobil-Elektronik, autonom fahrende Fahrzeuge, Bahntechnik, industrielle Automatisierung, Logistik, Robotik und medizinische Geräte.
Forschungsprojekt SCIENTIA: „Zuverlässige SoC-Sensorik zur Effizienzsteigerung bei Hochleistungskompressor-systemen auf KI-Basis"
Projektbeteiligte
Das Projektkonsortium besteht aus den KMU Postberg + Co GmbH, Kassel und der inTec automation GmbH, Baunatal sowie dem Fachgebiet Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung - Institut für Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung (ICAS) der Universität Kassel.
Die Postberg + Co GmbH verfügt über Expertenwissen im Themenbereich Druckluft und hat seit der Gründung im Jahr 2003 eine Vielzahl von Sensoren und Armaturen entwickelt und patentieren lassen. Die inTec automation GmbH wurde 1997 gegründet und verfügt über Expertenwissen im Bereich der Industrieautomation und Steuerungstechnik. Die Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen, IPCs und Datenbanken gehört, ebenso wie die Prozess- und Anlagenvisualisierung, zu den Kernkompetenzen des KMU. Das Institut für Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung der Universität Kassel forscht seit langem am Prototyping sowie die Verifizierung unterschiedlicher (programmierbarer) elektronischer Systems in einem breiten Anwendungsbereich. Dazu gehören beispielsweise das Internet of Things (IoT), sicherheitsgerichtete System-on-Chips (SoC), die Automobil-Elektronik, autonom fahrende Fahrzeuge, Bahntechnik, industrielle Automatisierung, Logistik, Robotik und medizinische Geräte.
Digitale Innovation/Technologie
Der Einsatz von Druckluft spielt in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens, insbesondere in der industriellen Fertigung, eine große Rolle. Eine zeitgemäße und effiziente Druckluftversorgung trägt wesentlich dazu bei, die aktuellen Klimaziele zu erreichen. Das Effizienzpotenzial bei der Optimierung liegt allein in Deutschland bei 8 Terawattstunden (TWh) im Jahr bzw. 5 Megatonnen (MT) CO2e. Dies entspricht ca. 1 Prozent der notwendigen Maßnahmen, um die Energiewende einzuleiten. Die aktuelle bitkom-Studie „Klimaeffekte der Digitalisierung“ sieht bis 2030 in der industriellen Fertigung bei einer Beschleunigung der Digitalisierung ein CO2e-Einsparpotenzial von insgesamt 61 MT. Möglich wird die signifikante Energieeinsparung durch eine intelligente Sensorik und Steuerung auf KI-Basis im Bereich der Druckluftversorgung. Wesentliche Ansatzpunkte dafür sind die Wärmeauskopplung der Kompressoren, die Prozessoptimierung bei der Kompressorsteuerung und -taktung, ein innovatives Leckagemanagement und schließlich die vorbeugende Instandhaltung der Kompressoren. Im Fokus des Projekts steht daher die „digitalisierte Volumenstrommessung Druckluft“ direkt hinter dem Kompressor. Die Messung dieses Wertes vor Ort hat den Vorteil, dass die realen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden können. Unmittelbar auftretenden Störungen werden erkannt, weitere Anlagenkomponenten können einbezogen werden und in Konsequenz die Effizienz der Kompressoren gesteigert werden.
Geplanter Anwendungsbereich
Laut VDMA werden in Deutschland jährlich ca. 62.000 Kompressoren mit einer mittleren Betriebsdauer von jeweils 3.500 BH p.a. betrieben, deren Effizienzpotenzial vielfältig jedoch bislang ungenutzt ist. Eine vorbeugende und zustandsorientierte Instandhaltung auf der Basis des zuverlässigen Parameters Energieeffizienz des Einzelkompressors ist bislang noch nicht möglich. Daraus ergibt sich das Erfordernis einer Volumenstrommessung direkt hinter dem Kompressor, um die Leistungsdaten der Kompressoren zu überprüfen und für den Dauerbetrieb dessen Energieeffizienz sicherzustellen. Als dritte und neue Regelgröße wird die Effizienz des Einzelkompressors übergeordneten und KI-basierten Kompressorsteuerungen dienen, um die max. mögliche Systemeffizienz zu erreichen.
Förderhöhe / Förderzeitraum
15.12.2020 - 14.01.2023 / 462.971,00 EURO
gefördert durch das Hessische Ministerium für Digitale Strategie und Entwicklung
DISTR@L digitales.hessen
Veröffentllichungen: Wirtschaft Nordhessen: Ausgabe 01/2021 als PDF
Vortrag von Prof. Josef Börscök und Peter Otto auf dem 3. Kasseler Energiemanagertag am 22.02.2022 auf unserem YouTube Kanal
Industrie 4.0 - für Hessens produzierendes Gewerbe
In enger Abstimmung mit der Kundschaft entwickelt Postberg Messtechniken und Software, um Druckluftanwendungen in der Industrie effizienter zu machen. Allein in der deutschen Wirtschaft liegt das Einsparpotenzial bei ca. 400 Millionen Euro pro Jahr. Eine digitale Simulation hilft bei der Analyse des Betriebs.
Für die stetige Entwicklung des eigenen Know-hows orientiert sich Postberg konsequent an den Bedürfnissen und Anliegen von Druckluftbetreibern. Denn Einsparpotenziale bei industriellen Druckluftanwendungen sind das Kerngeschäft des Kasseler Unternehmens seit über 15 Jahren.
Rund 60.000 Druckluftanlagen kommen in der deutschen Industrie als Energieträger zum Einsatz. Die Anlagen verdichten atmosphärische Luft und transportieren sie über weite Strecken. Bei der Entspannung setzen sie die Druckluft in Arbeit um. Im Vergleich zu anderen industriellen Verfahren zählt Druckluft nach wie vor zu den Energieverschwendern: An Leckagen entweicht Luft, komplexe Anlagen arbeiten oft ineffizient. Steigende Energiekosten und Nachhaltigkeitsvorgaben erhöhen den Handlungsbedarf der Betriebe zusätzlich.
Im Konfigurationsbereich der Simulyse werden die zu vergleichenden Druckluftanlagen, das noch erschlossen werden kann. Konzepte und Szenarien angelegt – ein digitaler Klon der aktuellen und späteren Realität des Druckluftsystems.
In enger Abstimmung mit der Kundschaft entwickelt Postberg Messtechniken und Software, um Druckluftanwendungen in der Industrie effizienter zu machen. Allein in der deutschen Wirtschaft liegt das Einsparpotenzial bei ca. 400 Millionen Euro pro Jahr. Eine digitale Simulation hilft bei der Analyse des Betriebs.
Für die stetige Entwicklung des eigenen Know-hows orientiert sich Postberg konsequent an den Bedürfnissen und Anliegen von Druckluftbetreibern. Denn Einsparpotenziale bei industriellen Druckluftanwendungen sind das Kerngeschäft des Kasseler Unternehmens seit über 15 Jahren.
Rund 60.000 Druckluftanlagen kommen in der deutschen Industrie als Energieträger zum Einsatz. Die Anlagen verdichten atmosphärische Luft und transportieren sie über weite Strecken. Bei der Entspannung setzen sie die Druckluft in Arbeit um. Im Vergleich zu anderen industriellen Verfahren zählt Druckluft nach wie vor zu den Energieverschwendern: An Leckagen entweicht Luft, komplexe Anlagen arbeiten oft ineffizient. Steigende Energiekosten und Nachhaltigkeitsvorgaben erhöhen den Handlungsbedarf der Betriebe zusätzlich.
Im Konfigurationsbereich der Simulyse werden die zu vergleichenden Druckluftanlagen, das noch erschlossen werden kann. Konzepte und Szenarien angelegt – ein digitaler Klon der aktuellen und späteren Realität des Druckluftsystems.
Schon die Analyse der Schwachstellen ist für Betreiber eine große Herausforderung. „Die allgemein üblichen Analysen beruhen auf groben Erfahrungswerten und nehmen nicht die gesamte Anlage in den Blick“, berichtet Peter Otto, Geschäftsführer und Gesellschafter von Postberg. „Sie können die komplexen Dynamiken und spezifische Zustände im Realbetrieb unserer Kundschaft nicht in ihren Prognosen abbilden.“
Den Ungenauigkeiten der üblichen Prognosen begegnet Postberg mit einer detaillierten Simulation des gesamten Druckluftsystems. Vorbild dafür waren vergleichbare Programme für komplexe Heizungs- und Lüftungssysteme. „Wir haben den Industrie-4.0-Gedanken aus diesem Bereich übernommen und speziell für Druckluftbetreiber immer weiter ausgestaltet“, erzählt Otto.
Den gesamten Artikel ist in der Broschüre "Industrie 4.0 - für Hessens produzierendes Gewerbe" vom Hessischen Ministerium für Wirtschafts, Energie, Verkehr und Wohnen erschienen.
PDF-Kurzversion - nur Beitrag von Postberg+Co.
PDF-Langversion - Alle Beiträge Hessischer Unternehmen zum Thema "Industrie 4.0"
Quelle: Hessen Trade & Invest GmbH, 2021