Energietransparente Produktionsplanung für KMU
Eine transparente Darstellung von Energieverbräuchen ist ein zentraler Hebel, um Kosten zu senken und Produktionsabläufe nachhaltiger zu gestalten. Mit einer energietransparenten Produktionsplanung lassen sich bislang verborgene Effizienzpotenziale sichtbar machen und datenbasiert erschließen.
Im Projekt mit der W. Brodhage oHG wurde untersucht, wie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mit einfachen Mitteln Transparenz über ihren Energieverbrauch schaffen können. Ziel war es, Lastspitzen und Einsparpotenziale zu identifizieren und Ansätze für eine energiebasierte Produktionsplanung abzuleiten. Hierzu wurden Kurzzeitmessungen an zentralen Produktionsanlagen durchgeführt und mit Produktionsdaten verknüpft. Die Analyse zeigte, dass bereits mit geringem Messaufwand aussagekräftige Energieprofile erstellt werden können. Darauf aufbauend wurden Maßnahmen zur Lastspitzenreduktion und flexibleren Produktionsplanung entwickelt. Das Projekt zeigt, dass auch ohne komplexe Energiemanagementsysteme eine fundierte Grundlage für energieeffiziente Produktionsstrategien geschaffen werden kann.
Steigende Energiekosten und wachsende Anforderungen an Energieeffizienz stellen KMU vor zunehmende Herausforderungen. Insbesondere in der Produktion gewinnen Energiekosten als Wettbewerbsfaktor an Bedeutung. Gleichzeitig fehlt vielen Unternehmen Transparenz über die Verteilung des Energieverbrauchs innerhalb ihrer Prozesse. Ohne diese Transparenz können Lastspitzen und Einsparpotenziale nur schwer identifiziert werden. Vor diesem Hintergrund wurde gemeinsam mit der W. Brodhage oHG ein Ansatz zur energiebasierten Produktionsplanung entwickelt und erprobt.
Herausforderung und Zielsetzung
Trotz steigender Energiekosten fehlte bislang eine Datengrundlage zur Bewertung des Energieeinsatzes in der Produktion. Insbesondere war unklar, wie sich der Energieverbrauch auf Maschinen, Prozesszustände und Aufträge verteilt. Ein wesentliches Hindernis stellt die bestehende Maschineninfrastruktur dar: Viele Anlagen verfügen über keine integrierte Energiedatenerfassung. Vorhandene Systeme sind häufig zu kostenintensiv oder zu komplex für KMU.
Ziel des Projekts war daher die Entwicklung eines niedrigschwelligen Ansatzes zur Erfassung und Auswertung relevanter Energiedaten sowie die Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen für eine energieeffizientere Produktionsplanung.
Lösungsweg
1. Datenerhebung und Systemdefinition
2. Datenanalyse
Die erhobenen Daten wurden systematisch ausgewertet. Da der Hauptenergiebedarf durch die Stanzmaschinen entsteht, wurde eine Energy-Breakdown-Analyse nach Maschinenzuständen durchgeführt. Ziel war die Zuordnung des Energieverbrauchs zu verschiedenen Betriebszuständen, um energieintensive Phasen sichtbar zu machen. Neben der Identifikation der einzelnen Maschinenzustände wurde insbesondere untersucht, wie hoch der jeweilige Energieverbrauch innerhalb dieser Zustände ist und welche Auswirkungen sich daraus auf den Gesamtenergiebedarf der Produktion ergeben.
Die Maschinenzustände wurden anhand auffälliger Leistungszu- oder -abnahmen identifiziert. Dabei konnten drei wesentliche Zustände erkannt werden: Leerlauf, Produktion und Aus. Die Analyse zeigte, dass die Maschinen auch außerhalb der eigentlichen Produktion dauerhaft elektrische Leistung aufnehmen. Besonders deutlich wurde dies im Leerlaufbetrieb, bei dem weiterhin ein konstantes Grundlastniveau vorhanden ist, obwohl keine wertschöpfende Bearbeitung stattfindet. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die elektrische Leistungsaufnahme einer mittelgroßen Stanze. Während der Produktion steigt die Leistungsaufnahme deutlich an, wohingegen im Leerlauf ein konstantes Grundlastniveau bestehen bleibt. Bezogen auf den gesamten Energiebedarf wurden rund 72 % der Energie während des Leerlaufs verbraucht. Dies verdeutlicht, dass nicht allein die Produktionsphasen, sondern insbesondere lange Warte- und Bereitschaftszeiten einen wesentlichen Einfluss auf den Gesamtenergieverbrauch haben.
Die Analyse zeigte zudem, dass dieses Verhalten bei allen gemessenen Maschinen auftritt. Insbesondere bei kurzfristigen Unterbrechungen zwischen Produktionsaufträgen oder während organisatorischer Wartezeiten verbleiben die Anlagen häufig über längere Zeiträume im Leerlaufbetrieb und es bedarf häufiger energieintensiver Anschaltvorgänge (bspw. um 9:34 Uhr). Dadurch entstehen erhebliche Energieverbräuche ohne direkte Wertschöpfung.
Darüber hinaus wurde untersucht, welchen Einfluss das eingesetzte Material auf den Energieverbrauch der Stanzen hat. Aus den Daten wurde ersichtlich, dass Unterschiede in den Materialeigenschaften, beispielsweise beim Raumgewicht des verarbeiteten Polyethylenschaums, nur einen geringen Einfluss auf den Energiebedarf haben. Der Energieverbrauch wird somit stärker durch Maschinenzustände und Produktionsorganisation beeinflusst als durch das eingesetzte Material. Zusätzlich wurde ein Vergleich zwischen großer und mittelgroßer Stanze durchgeführt. Abbildung 3 zeigt, dass die Leistungsaufnahme der großen Stanzen deutlich höher ist als bei den mittelgroßen Anlagen. Werden mehrere große Stanzen gleichzeitig betrieben oder überschneiden sich Produktions- und Rüstvorgänge mehrerer Maschinen, entstehen entsprechend hohe Lastspitzen.
3. Ableitung von Maßnahmen
Auf Grundlage der Analyse wurden konkrete Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz erarbeitet. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist, dass insbesondere Leerlaufzeiten und parallele Maschinenbetriebe einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch und die Lastspitzen besitzen. Daraus wurden mehrere praxisnahe Maßnahmen abgeleitet. Ein wesentlicher Ansatz besteht in der Reduktion von Wartezeiten zwischen Produktionsphasen, um unnötige Leerlaufzeiten zu vermeiden. Gleichzeitig sollten häufige An- und Abschaltvorgänge vermieden werden, da diese hohe Anschaltströme verursachen und zusätzliche Lastspitzen erzeugen können. Zusätzlich wurde eine detailliertere Analyse einzelner Maschinenkomponenten im Leerlaufbetrieb empfohlen, um energieintensive Verbraucher innerhalb der Anlagen zu identifizieren und gezielt zu optimieren. Perspektivisch ergeben sich dadurch weitere Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz.
Besonders relevant ist die zeitliche Verteilung von Produktions- und Rüstvorgängen, um parallele Lastspitzen zu vermeiden. So zeigte sich, dass insbesondere große Stanzen möglichst nicht gleichzeitig betrieben werden sollten. Zusätzlich kann eine gezielte zeitliche Aufteilung von Rüstvorgängen dazu beitragen, hohe gleichzeitige Leistungsaufnahmen zu reduzieren. Gleiches gilt auch für mittelgroße Anlagen. Aufgrund der stark auf „Just-in-Time“-Produktion ausgelegten Fertigung ist dies jedoch nicht in allen Fällen vollständig umsetzbar. Potenziale für eine energiebasierte Produktionsplanung bestehen insbesondere bei lagerbezogenen Aufträgen, bei flexibleren Lieferterminen oder bei eingeschränkter Personalkapazität.
4. Unterstützung der energiebasierten Produktionsplanung
Zur Demonstration der energiebasierten Produktionsplanung wurde ein Excel-Tool entwickelt, mit dem Produktionsaufträge auf vier Stanzen geplant werden können. Grundlage des Tools bilden Auftragsgröße, Stückzahl pro Hub und weitere maschinenspezifische Kennwerte. Auf dieser Basis werden die jeweiligen Bearbeitungszeiten automatisch berechnet und in Form eines Gantt-Diagramms dargestellt. Dadurch wird die zeitliche Verteilung von Produktions- und Rüstzeiten sichtbar.
Zusätzlich berücksichtigt das Tool die elektrische Leistungsaufnahme der einzelnen Stanzen. Dadurch können Lastverläufe und potenzielle Lastspitzen direkt während der Planung erkannt werden. Auf Basis der hinterlegten Regeln werden Empfehlungen zur Reihenfolge von Aufträgen sowie zur zeitlichen Verteilung von Rüstvorgängen gegeben, um Parallelbetrieb energieintensiver Maschinen zu reduzieren und Leerlaufzeiten zu minimieren. Das Tool unterstützt die Anwendenden insbesondere bei der zeitlichen Verteilung von Aufträgen und Rüstvorgängen sowie bei der Vermeidung eines parallelen Betriebs energieintensiver Maschinen. Gleichzeitig können freie Zeitfenster genutzt werden, um Leerlaufzeiten zu reduzieren und Maschinen besser auszulasten. Das entwickelte Excel-Tool dient somit als niedrigschwellige Unterstützung für eine energiebasierte Produktionsplanung in kleinen und mittleren Unternehmen.
Nutzen für den Mittelstand
Das Projekt zeigt, dass bereits mit einfachen und kostengünstigen Methoden ein fundiertes Verständnis der Energieflüsse in der Produktion aufgebaut werden kann. Der gewählte Ansatz ist bewusst niedrigschwellig und verzichtet auf komplexe IT-Systeme oder umfangreiche Sensorik. Durch die geschaffene Transparenz können Energieeinsparpotenziale schneller identifiziert und Produktionsprozesse gezielter geplant werden. Gleichzeitig verbessert sich die Entscheidungsgrundlage für die Produktionsplanung, insbesondere im Hinblick auf Lastmanagement und Energiekosten. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und zur nachhaltigen Transformation der Produktion im Mittelstand.
Die 1864 gegründete W. Brodhage oHG produziert Dichtungsscheiben und -ringe aus PE-Schaum für die chemische, pharmazeutische und kosmetische Industrie. Das Unternehmen wird in fünfter Generation als Familienbetrieb geführt. Zentrale Produktionsanlagen sind mehrere Stanzen unterschiedlicher Größenklassen mit einem Alter von 20 bis 60 Jahren. Insgesamt sind sieben Maschinen im Einsatz, darunter zwei große sowie mehrere mittelgroße und kleinere Anlagen.
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