LEOPOLD industriaL Energy OPtimizatiOn and fLexibility through Digitalization

Im Forschungsvorhaben LEOPOLD wird eine digitale Methode zur Flexibilisierung von Energiesystemen durch optimierte Planung und Steuerung industrieller Gesamtsysteme, auf Basis einer flexiblen und effizienten Modellierung und Optimierung, entwickelt.
Der gesellschaftlich erkannten Notwendigkeit, Industrie nachhaltiger und energieeffizienter zu betreiben, steht das Fehlen leistungsfähiger, anwendungsbereiter, digitaler Werkzeuge für die optimierte Gestaltung und Planung von komplexen Energie- und Produktionssystemen für die Industrie gegenüber. Obwohl die grundsätzliche Möglichkeit und das Nutzenpotential einer Synchronisation des industriellen Energiebedarfes mit dem (vermehrt, durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energiequellen im Versorgungsmix) fluktuierenden Energieangebot erkannt wird, fehlen auch hierfür digitale Werkzeuge, aber auch Konzepte für die flexible Energieversorgung für industrielle Verbraucher. Damit bleibt ökologisches und ökonomisches Optimierungspotential in einem Hochtechnologieumfeld ungenutzt.

LEOPOLD adressiert diese Potentialfelder: Komplexe Energiesysteme in Industriebetrieben werden mit einer digitalen Methode optimiert gestaltet (Struktur) und gesteuert (Ablauf), sowie mit dem Ablauf des Industriellen Kernprozesses (Produktion) bestmöglich abgestimmt und dabei auch mit dem fluktuierenden Energieangebot der Energieversorgung synchronisiert. Die zu entwickelnde Methode bietet daher die Möglichkeit, die Industriesysteme bedarfsgerecht in variierendem energetischen Detail zu Modellieren und Optimieren: Für das Gesamtsystem wird eine vorwiegend diskrete Simulation genutzt, für energetisch relevante Bestandteile der Fabrik wird physikalisches Energieverbrauchs-Verhalten in einer hybriden diskret-kontinuierlichen Simulation abgebildet und für komplexe Energiesysteme und seine Elemente (z.B. Speicher/regelbare Einheiten) wird mathematisch sowie datenbasiert (Machine Learning/AI Methodeneinsatz auf Komponentenebene) modeliiert und gradientenbasiert lokal optimiert. Die lokale Energiesystemoptimierung wird mit der globalen Gesamtsystemoptimierung abgestimmt, die metaheuristikbasiert ist und die Simulation des Gesamtsystems als Bewertungsfunktion nutzt; eine hybride Optimierung entsteht. Der Ansatz wird in eine integrierte digitale Methode entwickelt, die eine Perspektive für die Praxisverwendung schafft. Gleichzeitig wird, unter Einbeziehung von Energieversorgern ein Konzept für die flexible Abstimmung von Energieversorgern und industriellen Energieverbrauchern für die optimierte synchronisierte Energiebeschaffung entwickelt und in die digitale Methode integriert.

LEOPOLD zielt auf eine Energieeffizienzsteigerung von bis zu 15% und CO2-Emissions-Reduktion von bis zu 20% im Gesamtprozess als auch auf Ebene der Komponenten komplexer Energiesysteme ab. Gleichzeitig wird durch die Synchronisation von Energiebedarf und -angebot ein Kostenvorteil für die Unternehmen erschlossen, sowie ein Effizienzvorteil – und damit ökologischer Nutzen – für das gesamte System aus Energieerzeugung und industriellen Energieverbrauchern erschlossen.
Das Projekt und seine Methodenentwicklung wird von einem umfangreichen industriellen Use-Case, mit zwei energieintensiven Unternehmen im Bereich Stahlprodukte in einer Wertschöpfungskette, begleitet, der vom Konzept über die Methodenentwicklung bis zur Implementierung die Praxisrelevanz des Ansatzes sicherstellt und das Nutzenpotential quantitativ in einem Demonstrator abschätzt. Durch die Integration eines Energieversorgers ist zudem die direkte Anwendungsperspektive des Konzeptes der flexiblen und synchronisierten Energiebeschaffung bzw. Abstimmung zwischen Energie-Versorger und -verbraucher gesichert. Das interdisziplinäre Konsortium stellt dabei das nötige Know-How sowie Vorarbeit bereit, um das ambitionierte Vorhaben erfolgreich durchzuführen.

Ausgangssituation

Der gesellschaftlich erkannten Notwendigkeit, Industrie nachhaltiger und energieeffizienter zu betreiben, steht das Fehlen leistungsfähiger, anwendungsbereiter, digitaler Werkzeuge für die optimierte Gestaltung und Planung von komplexen Energie- und Produktionssystemen für die Industrie gegenüber. Obwohl die grundsätzliche Möglichkeit und das Nutzenpotential einer Synchronisation des industriellen Energiebedarfes mit dem (vermehrt, durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energiequellen im Versorgungsmix) fluktuierenden Energieangebot erkannt wird, fehlen auch hierfür digitale Werkzeuge, aber auch Konzepte für die flexible Energieversorgung für industrielle Verbraucher. Damit bleibt ökologisches und ökonomisches Optimierungspotential in einem Hochtechnologieumfeld ungenutzt.