Verbundforschungsprojekt ESiP - Energiespeicher in der Produktion

Abstract

Die produzierende Industrie und der Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland sind herausgefordert die Energieeffizienz weiter zu steigern, den Eigenverbrauch zu erhöhen und die Energiekosten zu senken, um international wettbewerbsfähig zu sein. Zur Erreichung dieser Ziele bieten elektrische Energiespeichersysteme ein erhebliches Potential zur Zwischenspeicherung von Elektroenergie in Fabriken. Gegenwärtig fehlt es an einsetzbaren Methoden und Werkzeugen für Konstrukteure und Planer, um Energiespeichersysteme in Fabriken zu dimensionieren und deren Einsatzmöglichkeiten zu bewerten. Das Projekt "Energiespeicher in der Produktion (ESiP)" hat zum Ziel den Einsatz von Energiespeichern in der industriellen Produktion zu erforschen sowie deren Anwendung zu verstärken. Der zentrale Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt ist die Schaffung eines Software-Prototyps, um elektrische Energiespeichersysteme unterschiedlichster Technologien in Fabriken auslegen zu können. Hierzu wurde das Erfahrungswissen der Projektpartner aus den Bereichen der Energiesimulation, Energiespeichertechnik und der Leistungselektronik mit den Anforderungen aus der Produktionstechnik verknüpft. Zu Beginn wurde eine umfassende Analyse potenzieller Anwendungsfelder in der diskreten Fertigung vorgenommen. Es wurden Anforderungen an die Energiespeicher und die Leistungselektronik ermittelt sowie unterschiedliche Integrationsvarianten und -ebenen in der Fabrik untersucht. Im nächsten Schritt wurden hierfür adaptierbare Auslegungsalgorithmen und Betriebsführungsstrategien modellbasiert entwickelt. Weiterhin wurde ein Software-Framewerk realisiert, um nutzerorientiert eine technisch-wirtschaftliche Bewertung des Speichereinsatzes für die zentrale Verteilungsebene und die dezentrale Anlagenebene zu ermöglichen. Speziell für die Lastspitzensenkung an Maschinen und Anlagen wurde in einem weiteren Arbeitsstrang ein Ultrakondensator-Speichersystem entwickelt sowie unterschiedliche Betriebsführungsstrategien in industriellen Steuerungsumgebungen erprobt. Das entwickelte Auslegungs-Werkzeug ermöglicht detaillierte Bewertungen des Energiespeichereinsatzes in der Produktion, wodurch Fertigungsunternehmen aktiv bei der Transformation zu einer nachhaltigen Energieversorgung unterstützt werden können. Die Demonstrationsanwendungen lieferten Erkenntnisse aus der maschinennahen Integration und der praktischen Implementierung der Betriebsführung. Für die Projektpartner und deren Kunden bieten die erlangten Ergebnisse ein weitreichendes Potenzial zur Anwendung, weiteren Forschung und Entwicklung sowie Verwertung. The manufacturing industry and the mechanical and plant engineering sector in Germany faces the challenge of further increasing energy efficiency, boosting self-consumption, and reducing energy costs in order to remain internationally competitive. To achieve these goals, energy storage systems offer substantial potential for storing electrical energy within factories. Currently, there is a lack of deployable methods and tools for engineers and planners to size energy storage systems in factories and to assess their application opportunities. The project "Energy Storage in Production (ESiP)" aims to investigate the use of energy storage in industrial production and to promote its application. The central research and development focus is the creation of a software prototype to design electrical energy storage systems across various technologies for use in factories. For this purpose, the know-how of the project partners from the fields of energy simulation, energy storage technology, and power electronics has been linked with the requirements of production engineering. At the outset, a comprehensive analysis of potential application areas in discrete manufacturing was conducted. Requirements for energy storage systems and power electronics were identified as well as different integration variants and levels within the factory. In the next step, model-based adaptable sizing algorithms and operating strategies were developed for this purpose. Furthermore, a software framework was implemented to enable a user-oriented technical and economic evaluation of storage use for the central distribution level and the decentralized plant level. Specifically for peak shaving on machines and plants level, an ultracapacitor storage system was developed and different operating strategies in industrial control environments were tested. The developed sizing tool enables detailed assessments of energy storage deployment in production, thereby actively supporting manufacturing companies in the transformation to a sustainable energy supply. The implemented applications yielded insights from machine-side integration and the practical realization of the operational management module. For the project partners and their customers, the results offer an extensive potential for application, further research and development, and exploitation.