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Digital Energy Twin – Optimised Operation and Design of Industrial Energy Systems

Ziel des Leitprojektes DigitalEnergyTwin ist es, die Industrie mit einer Methode und einem Softwaretool dabei zu unterstützen, den Betrieb und die Auslegung des industriellen Energieversorgungssystems zu optimieren. Durch die Anwendung der Methode des Digitalen Zwillings werden detaillierte Modelle für ausgewählte energierelevante Prozesse und erneuerbare Technologien entwickelt, validiert und vereinfacht. Kern des Projektes ist die Entwicklung eines Optimierungsansatzes sowohl anhand standardisierter Beispiele als auch realer Anwendung in der produzierenden Industrie (Leiterplattenherstellung). Damit wird erstmals eine Lösung für das Spannungsfeld zwischen volatiler erneuerbarer Energieversorgung und deren effizienter Nutzung für fluktuierenden Energiebedarf auf Prozessebene in der Industrie entwickelt. Die gewählte Methode erlaubt die Nutzung für den Energiemanager 4.0 im Rahmen virtueller (und erweiterter) Realität. Durch die Modularität und standardisierte Entwicklung wird ein maximaler Impact erreicht und Multiplizierbarkeit in anderen Industriesektoren gewährleistet. Dadurch kann die Industrie unterstützt werden, Kosten und Investitionsrisiken erneuerbarer Energiesysteme zu senken und damit deren Anteil signifikant zu erhöhen.

Ausgangssituation

Die industrielle Energieversorgung ist derzeit zu einem großen Teil auf den Einsatz einzelner Versorgungstechnologien ausgelegt und kann auf schwankenden, prozessbedingten Bedarf und volatiler Verfügbarkeit sowohl thermischer als auch elektrischer Energieversorgung nur bedingt reagieren. Gerade aus der Integration erneuerbarer und effizienter aber auch konventioneller Technologien und dem Ausbau hin zu hybriden Versorgungssystemen in der Industrie, lässt sich die Notwendigkeit ableiten, dass die Industriebetriebe selbst dabei die bestmögliche Unterstützung in der Optimierung sowohl des Betriebs als auch in der Auslegung dieser Anlagen benötigen. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach Produkten aus der Industrie und hier im Besonderen aus der Leiterplattenindustrie kontinuierlich, was auch im Sinne steigender Produktionskapazitäten, sich ständig ändernder Kundenanforderungen und der Sicherung des Standortes eine große Herausforderung für Betriebe darstellt. Am Beispiel des Leiterplattenherstellers AT&S lässt sich auch durch die zunehmende Digitalisierung (=erwartete Produktivitätssteigerung) erkennen, dass Grenzen der bestehenden Energie-versorgungsanlagen erreicht werden und gleichzeitig aufgrund der geforderten Flexibilität der Um- und Ausbau der Prozess- und Versorgungsanlagen nur sehr schwer plan- und bewertbar ist. Diese Herausforderungen werden in den nächsten Jahren signifikant steigen.

Projektverlauf

DigitalEnergyTwin startet mit der Erhebung aktueller Entwicklungen im Bereich der Modellierung, des digitalen Zwillings und den Herausforderungen einer breiten Standardisierung in der Datenkommunikation und Datensicherheit. Anhand ausgewählter Prozesse und Versorgungstechnologien wird der Digitale Energiezwilling entwickelt und mit realen Daten validiert und erweitert. Kern des Projektes ist schließlich die Entwicklung und Anwendung eines Optimierungsansatzes für den Betrieb und die Auslegung des industriellen Energiesystems im digitalen Zwilling. Das wird wiederum mit realen Daten validiert und angewandt. Fragestellungen zu Datenmanagement und Datensicherheit werden in konkrete Lösungen übergeführt und die identifizierten Ansätze möglichst standardisiert und somit einer hohen Multiplizierbarkeit zugeführt. Dazu zählt auch die Anwendung von AR- und VR-Methoden für die Nutzung der entwickelten Lösungen.

Meilensteine

  1. Modellierung der für den Energiebedarf relevantesten Prozesse (Produktionslinien) und Versorgungstechnologien - datengetrieben und physikalischer Zusammenhänge
  2. Zusammenführung der Modelle in einer Systemsimulation eines digitalen Energiezwillings und Abbildung einer ausgewählten Produktionslinie
  3. Validierung des systemischen Ansatzes und Entwicklung eines Optimierungsansatzes (Betrieb, Design) als Kern des Projektes
  4. Definition und Anwendung technischer, energetischer und wirtschaftlicher Kriterien
  5. Standardisierungen der Entwicklung für eine möglichst breite Multiplikation (Schnittstellen, Softwareentwicklung, Datensicherheit und Datenmanagement)
  6. Nutzung der gesammelten Daten und Modelle in innovativen AR- und VR-Ansätzen

"Die Methode des digitalen Zwillings wurde bis dato vor allem für die Optimierung von Produktionsabläufen und logistische Fragestellungen genutzt, das Energiesystem wurde dabei nur peripher und für die Auswertung adressiert. Mit dem innovativen Konsortium öffnen wir diesen Ansatz und implementieren die Optimierung des Energiesystems im Betrieb und der Auslegung basierend auf realen Daten und daraus entwickelten Modellen. Die Projektergebnisse helfen uns bei der Dekarbonisierung der Industrie."

– Jürgen Fluch –

Ergebnisse

Das übergeordnete Ziel von DigitalEnergyTwin ist es, der Industrie eine Methodik und ein Softwaretool zur Verfügung zu stellen, dass genau die Optimierung des Betriebs und der Auslegung des industriellen Energiesystems unterstützt. Kern des Projektes ist die Entwicklung eines holistischen Optimierungsansatzes, der basierend auf realen (live) Betriebsdaten sowie historischen und zukünftig erwarteten Betriebs- und Prozessdaten, erstmals eine Lösung des Zusammenspiels zwischen fluktuierendem Bedarf, volatiler erneuerbarer Energieversorgung sowie dem Einsatz möglichst effizienter Prozess- und Versorgungstechnologien bereitstellt. Durch die Anwendung der Methodik des digitalen Zwillings wird diese detaillierte Energiesystemmodellierung für ausgewählte Prozesse (energierelevant) und erneuerbare Energieversorgungstechnologien entwickelt, validiert und vereinfacht. Basierend auf definierten einzelnen Use Cases und vor allem der Implementierung und Anwendung in der Fertigungsindustrie (Leiterplattenhersteller AT&S) wird die Methode unter der Voraussetzung einer konstanten (oder verbesserten) Produktqualität angewandt und weiterentwickelt.
Die Vereinfachung und Entwicklung technischer Standardlösungen (Modelle für energierelevante Prozess- und Versorgungstechnologien) werden zu einer kostengünstigen Verbreitung, nicht zuletzt aufbauend auf Entwicklungen der Digitalisierung, in anderen Industriezweigen führen. Zusätzlich wird es der Einsatz der Methodik des digitalen Zwillings auch ermöglichen, Augmented and Virtual Reality (AR/VR) zu erleben und zu nutzen, womit eine effiziente Produktions- und Energiesystemüberwachung und -steuerung sowie Schulung ermöglicht und der Energiemanager4.0 unterstützt wird.
Dadurch profitiert die Industrie von einer Reduzierung der Kosten und des Risikos von Investitionsentscheidungen, was zu einer signifikanten Steigerung der Umsetzung von energieeffizienten Prozess- und Versorgungstechnologien sowie erneuerbarer Energieträger in der industriellen Produktion führen wird. Am Ende des Projekts wird DigitalEnergyTwin die folgenden Hauptprodukte anbieten und damit sicherstellen, dass die gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse über die Projektlaufzeit hinaus genutzt werden:
• Ganzheitlicher Optimierungsalgorithmus und Software für industrielle Energiesysteme
• DigitalEnergyTwin-Software – Anwendung der Methode des digitalen Zwillings auf industrielle Energiesysteme
• Ganzheitliche und vereinfachte Energiemodellierung (Prozess-, Energieversorgung konventionell und erneuerbar)
• Validierung und standardisiertes Vorgehen zu Datensicherheit und Datenmanagement zwischen Soft- und Hardwarekomponenten
• Standardisiertes und vereinfachtes Modell und Workflow für die Multiplikation von DigitalEnergyTwin
• Dienstleistungserbringung und EnergyManager4.0 in Kombination mit Augmented and Virtual Reality (AR/VR) für die Mensch-Maschine-Interaktion im Rahmen von Industrie 4.0.

Jürgen Fluch Profilbild

Dipl.-Ing. Jürgen Fluch

Projektleitung

DI Jürgen Fluch ist seit Jänner 2011 bei AEE – Institut für Nachhaltige Technologien (Gleisdorf) tätig und leitet den Bereich Industrielle Prozesse und Energiesysteme. Schwerpunkte seiner Arbeit sind thermische Energieeffizienz in Industrie, hybride Versorgungssysteme, Digitalisierung, Wärmenetze , Solare Prozesswärme, sowie die Weiterentwicklung einer exergetisch getriebenen Optimierung industrieller Systeme (Pinch-Analyse).
Zusätzlich ist er externer Vortragender an der Fachhochschule Pinkafeld im Bereich Energieverfahrenstechnik sowie an der Fachhoschule Joanneum.
Vor seinem Wechsel zu AEE INTEC war Jürgen Fluch bereits von 2003 bis August 2010 als Projektleiter in den Bereichen Optimierter Betrieb von Biomasse-, KWK- und Müllverbrennungsanlagen bei BIOENERGY 2020+ GmbH tätig.

j.fluch@aee.at

Steckbrief

“Eine Welt ohne Öl ist vorstellbar, eine Welt ohne Wasser nicht.”

Klaus Töpfer

Energieforschung: Facts & Figures

7 Themenfelder
Energieeffizienz
Erneuerbare
IEA
Smart Grids
Mobilität
Speicher
Transformation

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Ausschreibungen

Finalisierte Projekte
750/799

€ 361.577.993

Vergebene Fördergelder

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