Universität Stuttgart
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Item Open Access Techno-ökonomische Auslegung von Stromspeichern für Fabriken(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Zimmermann, Fabian; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Für Industrieunternehmen gewinnt der Einsatz von Stromspeichern zunehmend an Bedeutung, da die Kosten für eine sichere und qualitativ hochwertige Energieversorgung kontinuierlich steigen. Insbesondere durch die volatile Erzeugung erneuerbarer Energien und daraus resultierenden schwankenden Strompreisen ergibt sich ein wirtschaftliches Potenzial für die Integration von Stromspeichern. Die vorliegende Arbeit beantwortet aus diesem Grund die Frage, wie Stromspeicher für Fabriken techno-ökonomisch ausgelegt werden können. Ziel ist es, einen Stromspeicher sowohl für die Einsatzoption Netzentgeltreduktion durch Spitzenlastreduktion und atypische Netznutzung als auch für multifunktionale Einsatzoptionen auszulegen und über die Lebensdauer ökonomisch zu bewerten. Durch die multifunktionalen Einsatzoptionen werden mehrere Einsatzoptionen mit einem Stromspeicher bedient, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit werden die Einsatzoptionen Netzentgeltreduktion, Eigenverbrauchsoptimierung und Arbitrage-Handel in unterschiedlichen Möglichkeiten kombiniert. Hierzu werden die Stromspeichertechnologien Blei-Batterie, Natrium-Batterie, Lithium-Batterie und Redox-Flow-Batterie untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem elektrischen Energieversorgungssystem der Fabrik inklusive erneuerbarer Energien. Die Ergebnisse zeigen jeweils eine Konfiguration für die Blei-Batterie, die Natrium-Batterie, die Lithium-Batterie und die Redox-Flow-Batterie sowie einen Fahrplan des jeweiligen Stromspeichers. Im Rahmen von zwei untersuchten Fallbeispielen aus der Praxis konnte für beide jeweils ein wirtschaftlicher Stromspeicher ausgelegt werden. Es zeigte sich, dass die Investition in einen Stromspeicher zur Netzentgeltreduktion für Unternehmen wirtschaftlich sein und die Energiekosten langfristig und dauerhaft reduziert werden können.Item Open Access Techno-ökonomische Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Emde, Alexander; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Um die Klimaziele erreichen zu können, muss die zukünftige Energieerzeugung zu großen Teilen über erneuerbare Energien bereitgestellt werden. Diese Erzeugungsarten unterliegen Fluktuationen, wodurch der Energiebedarf und die Energieerzeugung nicht synchron sind. Energiespeicher sind eine potenzielle Lösung, um die Erzeugung und den Verbrauch zeitlich zu entkoppeln. Energiespeichertechnologien erweisen sich nicht nur im Kontext des Stromnetzes, sondern auch im Einsatz für Industrieunternehmen als sinnvoll. So kann ein Energiespeicher für diverse Anwendungsfälle in der Industrie genutzt werden. Dabei bietet der Einsatz von Energiespeichern verschiedene Vor- und Nachteile. Die größten Hemmnisse beim Einsatz von Energiespeichertechnologien sind die zu hohe Investition und zu geringen Erlöse. Fokus der Arbeit ist die Bewertung und Auslegung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen für Industrieunternehmen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Erlöse, die ein Industrieunternehmen erzielen kann. Das Ergebnis ist ein neues methodisches Vorgehen zur techno-ökonomischen Bewertung von energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichern, der es erlaubt, den Einsatz, die Investition und die Erlöse von Energiespeichersystemen im industriellen Kontext zu optimieren und damit ein zukunftsorientiertes Energiesystem zu betreiben. In dieser Arbeit werden die Anwendungsfälle Netzentgeltreduktion (Peak Shaving und Atypische Netznutzung), Eigenverbrauchsoptimierung, Effizienzsteigerung und Nutzung dynamischer Strompreise näher betrachtet. Dabei wird sich auf die Kombination von elektrochemischen, thermischen, mechanischen und chemischen Energiespeichern zu energieträgerübergreifenden hybriden Energiespeichersystemen fokussiert. Anhand zweier Fallstudie aus der Praxis werden jeweils monoenergetische und hybride Energiespeicherkonfigurationen ausgelegt und bewertet. Dabei zeigt sich, dass die Wirtschaftlichkeit stark von den technischen und ökonomischen Kennwerten der Energiespeichertechnologien und von den eingesetzten Energieträgern abhängig ist.Item Open Access Selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Laribi, Raoul; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der industrielle Energieeinsatz ist zum Großteil auf motorische Verbraucher zurückzuführen. Die elektrische Leistung für die dynamischen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge von Industriemaschinen müssen durch Gleichrichter vorgehalten werden, auch wenn die maximalen Leistungen nur kurzzeitig auftreten. Dies führt zu überdimensionierten Anschlussleistungen und dementsprechenden Kosten für die elektrische Versorgung. Schwungmassenspeichersysteme können dazu eingesetzt werden, die Spitzenleistungen einer Industriemaschine aus Netzsicht zu reduzieren, Bremsenergie aufzunehmen und zusätzliche Erzeugungskapazität für neuinstallierte Prozesse bereitzustellen. Die Nachrüstung eines Schwungmassenspeichersystems in einer Industriemaschine ist ein komplexer Inbetriebnahmevorgang, der mithilfe der vorliegenden Arbeit vereinfacht wird. In der Arbeit wird ein Software-Artefakt für eine selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen entwickelt. Es ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme eines nachgerüsteten Schwungmassenspeichersystems, bevor die Hardware des Speichersystems integriert wird. Darüber hinaus werden die relativen Potenziale der Leistungsreduktion und Nutzung von Bremsenergie simulativ bestimmt und bewertet. Das Software-Artefakt der selbsteinstellenden Regelung setzt sich aus vier Funktionsmodulen zusammen. Dazu gehören die Lastprofilerkennung, die Systemidentifikation des Frequenzumrichters der Industriemaschine, der Reglerentwurf und die Speicherregelung. Die selbsteinstellende Regelung wurde in zwei Fallbeispielen für die Lastprofile einer Werkzeugmaschine und einer Holzbearbeitungsmaschine erfolgreich validiert.Item Open Access Gestaltung betrieblicher Umweltinformationssysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Waltersmann, Lara; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Aufgrund diverser ökologischer Krisen, wie Klimawandel und Biodiversitätsverlust, und des damit verbundenen gesellschaftlichen und regulatorischen Drucks hin zu einem ökologischen Wirtschaften wird das Umweltmanagement und -controlling für Unternehmen immer wichtiger und zunehmend zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Mit seinen Funktionen zur Information, Planung und Kontrolle, Koordination und Rationalitätssicherung bildet das Umweltcontrolling die Grundlage für die Erfüllung der Anforderungen an die Transparenz und die Verbesserung der ökologischen Leistung von Unternehmen. Durch die steigenden Informationsbedarfe der Stakeholder wird es jedoch zunehmend komplex, wobei Informationssysteme dabei helfen können, diese Komplexität zu beherrschen. Vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen an das Umweltcontrolling und der benötigten informationstechnischen Unterstützung adressiert die vorliegende Arbeit die Forschungsfrage, wie ein betriebliches Umweltinformationssystem unternehmensspezifisch gestaltet werden kann. Ergebnis der Arbeit ist eine Methode zur Gestaltung eines betrieblichen Umweltinformationssystems, die sich an den Phasen des User Centered Design orientiert sowie ein Referenzdatenmodell und -architektur beinhaltet. Durch diese Methode werden unter anderem erstmals unternehmensindividuelle Parameter bei der Gestaltung detailliert berücksichtigt und eine Vollständigkeit der Umweltdaten und -informationen sichergestellt. Unternehmen werden hiermit befähigt ein Informationssystem zu konzipieren, welches alle relevanten Daten für das Umweltcontrolling erfasst, verarbeitet sowie den entsprechenden Personen in geeigneter Form zugänglich macht. Es wird außerdem eine Auswahl und Integration eines Informationssystems in die bestehende Informationssystemarchitektur eines Unternehmens ermöglicht. Anhand von zwei Fallbeispielen mit produzierenden Unternehmen konnte gezeigt werden, dass die Methode in der Praxis anwendbar und für die Gestaltung eines betrieblichen Umweltinformationssystems gut geeignet ist.Item Open Access A simulation-based method for improving material efficiency within the constraints of existing production systems(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Sheehan, Erin; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)With increasing material and labor costs, manufacturers seek to increase material yield in existing production systems without sacrificing logistical performance. However due to a lack of understanding of the material waste causality and its interdependencies, localized and isolated material efficiency efforts are commonplace. To enable manufacturers to select the best-suited instruments for holistic material efficiency, this thesis presents a simulation-based method, modelling the causality of material waste parallel to manufacturing performance. An Ishikawa analysis of twelve material waste forms addresses the need for deeper understanding of material waste causation. Through abstraction, four types of causes are identified: those setting the frequency and duration of waste-linked activities, those determining the amount of waste per activity, or unnecessarily linking waste to an activity. Based on this finding, the author adapts existing resource consumption modelling structures, e.g. machine operating states, to industrial waste. A model of the factory is developed to illustrate the mechanisms for controlling material waste. The developed procedure begins with a current state survey to examine the relation between material waste and activities of the factory. A systematic method allows the user to generate a list of improvement scenarios. The effectiveness of the improvement measures is investigated in dynamic production simulation (system dynamics).Item Open Access Methodology for the systematic identification, evaluation, and management of operation-friendly energy flexibility in industrial systems(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Tristán-Jiménez, Alejandro; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)This work proposes a methodology to systematically identify, evaluate and manage operation-friendly industrial energy flexibility measures. It is structured in three consecutive phases. In the first phase, the available industrial systems, their relevant features, and their energy consumption patterns are analysed to identify and characterise energy flexibility measures according to their functional, temporal, performance, and economic dimensions. The second phase evaluates each energy flexibility measure's technical and financial capacity to pursue relevant energy flexibility goals. The risks of implementing and utilising these measures are also assessed. In the third phase, energy flexibility measures are prioritised for implementation. Complementary, their utilization strategy is outlined by hierarchizing the energy flexibility goals to be pursued by the industrial facility. The results are summarized into a roadmap for industrial facilities to become energy flexible, enabling them to optimize their energy consumption hence becoming more competitive.Item Open Access Auslegung von Regelungssystemen industrieller Gleichspannungs-Mikronetze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Schaab, Darian Andreas; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Der elektrische Energiebezug in der Industrie wird zu rund zwei Dritteln mit elektrischen Maschinen in mechanische Energie umgewandelt. Ein wachsender Anteil dieser Antriebe wird mit Leistungswandlern betrieben, deren verlustbehaftete Energiewandlung Gleichstrom als eine Zwischenstufe nutzt. Motiviert durch das Potenzial, diese Verluste an den Wandlungsstellen zu reduzieren, Energie aus Produktionsprozessen in das Versorgungssystem zurückzuführen - und somit Energie einzusparen - sowie regenerative Energiequellen vor Ort in das Versorgungssystem zu integrieren, kommt der Einsatz von industriellen Gleichstrom-Mikronetze als Lösungsansatz auf. Erst der Ausgleich von Leistungsbezug und -erzeugung stellt die Versorgungsaufgabe eines elektrischen Netzes sicher. Die von Lasten bezogene Leistung und die Einspeiseleistung muss aktiv in ein Gleichgewicht geführt werden. Ein Regelungssystem ist notwendig. Das Regelungssystem des Wechselstrom-Verbundnetzes liegt in der Hand der Übertragungsnetzbetreiber und betrachtet industrielle Endverbraucher als volatile Lasten, sodass industrielle Wechselspannungsanlagen heutzutage kein lokales Regelungssystem betreiben. Die Gleichspannungszwischenkreise von Antriebssystemen in Produktionsanlagen besitzen ein Regelungssystem, das aber keine lokalen und parallel betriebenen Energiequellen einbezieht. Soll nun lokal, in einer Produktionshalle oder für ein ganzes Industriewerk ein Mikronetz eingesetzt werden, um Wandlungsverluste einzusparen und/oder lokale Energiequellen einzubinden, ist es notwendig, ein Regelungssystem dafür zu entwickeln. Neben der grundlegenden Regelungsarchitektur muss das Regelungssystem individuell je nach Anwendungsfall ausgelegt werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der zentralen Forschungsfrage: Wie kann ein Regelungssystem für ein industrielles Gleichspannungs-Mikronetz ausgelegt werden mit dem Ziel, Leistungsgleichgewicht und Leistungsaufteilung zu erreichen? Die Arbeit führt zunächst in elektrische Versorgungssysteme und den Einsatz von Leistungselektronik in der Industrie ein. Die Problemstellung und der Forschungsbedarf werden dargelegt und die Zielsetzung sowie die Forschungsfragen, die den Aufbau der Arbeit leiten, vorgestellt. In den Grundlagen wird der Betrachtungsrahmen der Arbeit definiert und in wesentliche Theorien eingeführt. Anhand verwandter und übertragbarer Ansätze zur Regelung von Gleichspannungs-Mikronetzen werden die Anforderungen an das Regelungssystem und die Auslegung abgeleitet. Der sich daraus ergebende Handlungsbedarf wird diskutiert. Zur Beantwortung der zentralen Forschungsfrage wird ein Vorgehensmodell zur Auslegung entworfen. Dieses wird anschließend in den Fallbeispielen einer Roboterzelle und einer Hallenversorgung erprobt. Die Arbeit schließt mit der Bewertung der Anforderungen und der zusammenfassenden Beantwortung der Forschungsfragen. Der gefundene Lösungsansatz umfasst neun Prozeduren: Auslegungsmodell erzeugen, Systemverhalten identifizieren, funktionale Zustände entwerfen, Regelkennlinien bestimmen, Primärregler entwerfen, Großsignalstabilität prüfen, Netzresonanzen entkoppeln, Umschaltpunkte analysieren und Übergangsstabilität sicherstellen. Die technischen Zusammenhänge werden detailliert beschrieben und lösungsorientierte Hilfsmittel für die Auslegungsaufgabe vorgestellt. Diese werden zunächst theoretisch behandelt, wobei die wesentlichen Auslegungsregeln hergeleitet und vorgestellt werden. Für zwei reale Fallbeispiele werden die Parameter des Regelungssystems bestimmt. Theoretisches und reales Verhalten werden experimentell abgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die gefundene Lösung das reale Verhalten des Regelungssystems außerordentlich gut vorhersagen kann. Die gefundene Methode reduziert die Komplexität der Auslegung des Regelungssystems maßgeblich, da die Auslegung auf die wesentlichen Schritte reduziert wird. Die detaillierte Darstellung der physikalischen Zusammenhänge und die exakte Begründung der empfohlenen Grenzen erlaubt es, die Methode für den jeweiligen Anwendungsfall abzuwandeln. Die Methode bietet dem Projektierer einen einfachen Zugang zu relevantem Wissen bzgl. der Auslegung des Regelungssystems. Sie ermöglicht, definierte Problemstellungen des jeweiligen Anwendungsfalles zu bewerten und die notwendigen Werkzeuge zielführend und lösungsorientiert anzuwenden.Item Open Access Entscheidungsmodell für die Bestimmung optimaler Investitionsprogramme von Energieeffizienzmaßnahmen in der Fabrik(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Christian; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Im Zuge einer möglichst zügigen Reduzierung der Treibhausgasemissionen kommt der Energieeffizienz in der Industrie eine gewichtige Rolle zu. Autoren sehen begrenzte Fortschritte in der Energieeffizienz eng verknüpft mit dem begrenzt rationalen Verhalten der beteiligten Akteure. Entscheidungen in der Energieeffizienz werden demnach oftmals basierend auf unvollständigen Informationen getroffen, da die Sammlung von Informationen Beschränkungen unterworfen ist und zudem nur eine begrenzte Anzahl an Alternativen geprüft wird. An diesem Punkt zeichnet sich ein Spannungsfeld zwischen Entscheidungstheorie und industrieller Energieeffizienz ab. Die formulierte Zielsetzung des Forschungsvorhabens basiert auf der These, dass Entscheidungsträger in der Fabrik durch ein Entscheidungsmodell in ihrer rationalen Entscheidungsfindung unterstützt werden können. Die entstehenden Herausforderungen sind in ihrer Komplexität von den Entscheidern nicht mehr überblickbar und aufgrund der eingeschränkten Rationalität von menschlichen Entscheidungen nur in seltenen Fällen im mathematischen Sinne optimal. Im Fokus der Arbeit steht die Entwicklung eines Entscheidungsmodells für die Bestimmung optimaler Investitionsprogramme von Energieeffizienzmaßnahmen in der Fabrik. Mithilfe des entwickelten Artefakts kann der optimale Investitionsplan für Energieeffizienzmaßnahmen unter Einbeziehung weiterer Nebenbedingungen ermittelt werden. Zudem können unterschiedliche Gewichtungen der Zieldimensionen durch den Entscheidender berücksichtigt werden und durch eine integrierte Monte-Carlo-Simulation ermittelte Investitionsprogramme umfassend analysiert werden. Im Rahmen von zwei Fallbeispielen wird der Nutzen des entwickelten Entscheidungsmodells validiert. In Summe werden bestehende Hemmnisse in der Energieeffizienz abgebaut und hierdurch ein Beitrag zur weiteren Steigerung der industriellen Energieeffizienz geleistet. Das Entscheidungsmodell ermöglicht es, die optimalen Investitionsprogramme unter Einbeziehung weiterer Nebenbedingungen zu ermitteln.Item Open Access Techno-ökonomische Bewertung von Produktionsanlagen mit dynamischem Energieträgerwechsel(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Köse, Ekrem; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Produktionsanlagen mit dynamischem Energieträgerwechsel können zu einer nachhaltigen und ökonomischen Unternehmensentwicklung beitragen und zeitgleich den Fortschritt der Energiewende weiter unterstützen. Der Klimawandel und die damit verbundenen eingeleiteten Maßnahmen durch die Politik zur Verlangsamung des Wandels bzw. zur Reduzierung der Einflüsse auf das Klima haben bedeutende Auswirkungen auf produzierende Unternehmen. Vor dem Hintergrund des ansteigenden Kostendrucks, dem Bedarf an Energieflexibilität und Elektrifizierung der Industrie und der Unsicherheit über die Energiepreisentwicklung beschreibt die vorliegende Arbeit eine Bewertungsmethodik, mit der Industrieunternehmen Produktionsanlagen mit einem dynamischen Energieträger-wechsel techno-ökonomisch bewerten können. Das Ergebnis der Bewertung bietet sowohl Anlagenherstellern, als auch -betreibern eine Entscheidungsgrundlage. Der Verantwortliche im betroffenen Unternehmen wird befähigt, eine fundierte Bewertung hinsichtlich einer Umrüstung des eigenen Produkts oder des zu beschaffenden Produkts bezüglich einer energieträgerflexiblen Ausstattung der Produktionsanlage durchzuführen. Produzierende Unternehmen befinden sich im Spannungsfeld zwischen energetischer und nachhaltiger Optimierung des Betriebs und ökonomischem Handeln. Die Bewertungsmethodik wird technischen und ökonomischen Anforderungen gerecht. Die Berücksichtigung der Energieeffizienz und -flexibilität der Produktionsanlage, inklusive deren Interaktion mit Energieflexibilitätsmärkten und der internen Energieerzeugung stehen im Fokus. Dabei wird die komplette Energiewandlungskette von der Erzeugung, Wandlung, Nutzung und auch der Energierückgewinnung vollständig erfasst. Die techno-ökonomische Bewertungsmethodik wurde in zwei repräsentativen Anwendungsfällen für ein Druckguss- und ein Galvanikunternehmen erfolgreich getestet. Es wird gezeigt, dass die Bewertungsmethode in der Praxis anwendbar ist und eine fundierte Entscheidungsgrundlage bietet.Item Open Access Techno-economic analysis of hydrogen production from biomass with carbon capture and storage(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Full, Johannes; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)In addition to reducing greenhouse gas emissions, it is inevitable to remove carbon dioxide (CO2) from the atmosphere to achieve climate-neutrality. Options for this purpose are negative emission technologies (NETs) that couple bioenergy production with carbon capture and storage (BECCS). In this paper, a novel technology concept for BECCS is introduced with the peculiarity that the energy carrier hydrogen is produced from biogenic sources: hydrogen bioenergy with carbon capture and storage (HyBECCS). For the HyBECCS concept, no possibilities for technology-specific assessment exist. However, standardized evaluation fundamentals are necessary to support potential users and investors in their entrepreneurial decision-making processes. They are of great importance with regard to the technical implementation of HyBECCS technologies. Additionally, political framework conditions and qualification systems for public subsidies could also be improved in a more targeted way. The solution developed in this doctoral thesis provides a methodological basis for techno-economic assessment of HyBECCS technologies. It includes uniform system boundaries for ecological and economic balancing and key performance indicators (KPIs). The KPIs can be applied to compare HyBECCS technologies with other hydrogen production technologies and NETs. In addition to conventional economic criteria, these indicators integrate macroeconomic effects resulting from the GHG emissions and reductions as a special feature. On the basis of an exemplary HyBECCS implementation project, a techno-economic analysis is carried out with the help of these KPIs. It is shown that the theoretical principles developed can be applied in practice.