7.1.2022

Die Suche nach dem perfekten Industrie-Prozess

Wie betreibt man eine Industrieanlage optimal? Wie steigert man Output und Profit – und schafft es gleichzeitig, weniger Energie einzusetzen oder zu verschwenden? Eine Forscherin an der TU Wien hat ein mathematisches Abbild einer Fabrik erschaffen, das diese Fragen beantwortet.  

Der Erfolg einer Industrieanlage hängt nicht nur von der produzierten Produktmenge ab. Entscheidend ist auch: Welcher Energieaufwand ist dafür nötig? Lässt sich die Produktion so anpassen, dass die Energiekosten sinken? Und wie kann man erreichen, dass die entstandene Wärme nicht ungenutzt verpufft? 

Erfahrung und „Bauchgefühl“ bleiben natürlich wertvoll, doch ohne möglichst detaillierte Computermodelle sind schnell Grenzen erreicht. 

Genau damit beschäftigt sich Verena Halmschlager.

Erweiterte Betrachtung der Energiebilanz

Verena Halmschlager ist Dissertantin am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien. Im Zuge ihrer Dissertation im Rahmen des Doktorats-Kollegs „Smart Industrial Concept!“ (man beachte das wunderschöne Akronym) analysierte sie die Abläufe im Spanplatten-Werk der Firma Fundermax.

Das Besondere daran: Es ging nicht nur um die Energie- und Wärmeströme in der Anlage selbst – Produktionsoutput und Energiebilanz wurden ebenso in den Optimierungsprozess einbezogen.

Wie viel Energie kann ins Netz eingespeist werden?

Konkret ging es um die Optimierung des Umgangs mit der Wärmeenergie des Dampfs, der für die Herstellung von Spanplatten benötigt wird. Diese Energie kann ins Fernwärme-Netz eingespeist werden.

Allerdings muss der Industriebetrieb dem Netzbetreiber bestimmte Zusagen machen, die dann auch einzuhalten sind. Was wiederum möglichst exakte Prognostik voraussetzt, wie sich die gesamte Produktionsanlage in welcher Situation verhalten wird und welche Mengen an Wärmeenergie dauerhaft garantiert werden können.

© Fundermax

Nachweis eines enormen Potenzials: Die Produktionsanlage von Fundermax könnte eine fast dreimal so große Menge an Fernwärme garantieren.

Mathematisches Abbild der Fabrik

Im Modell bildete Verena Halmschlager einzelne Maschinen sowie die Energie- und Produktflüsse zwischen ihnen ab und entwickelte so ein mathematisches Abbild der Fabrik. Und das mit unterschiedlichen Methoden: Einerseits lassen sich Komponenten wie Turbinen oder Wärmespeicher physikalisch exakt mit Formeln beschreiben, andererseits kann man auch künstliche Intelligenz in Form von neuronalen Netzen einsetzen, um auf Basis bisher gemessener Daten das zukünftige Verhalten des Systems vorherzusagen.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Mit ihrem Modell ist es Verena Halmschlager gelungen, sowohl die Energiebilanz der Anlage zu optimieren als auch die Produktion zu maximieren: „Mit unserem Optimierungsframework ist es relativ einfach, die entwickelten Komponentenmodelle für die Optimierung aufzubereiten und zu kombinieren, den Prozess zu optimieren, und die Ergebnisse auszuwerten.“

Mit dem entwickelten Ansatz kann zudem berechnet werden, wie sich der Einbau zusätzlicher Komponenten auswirkt – also etwa, ob sich die Investition in zusätzliche Energiespeicher lohnen würde.

Dreifache Menge an Fernwärme möglich

Am Beispiel der Fundermax-Produktionsanlage konnte Halmschlager das Potenzial der Methode eindrücklich nachweisen. Die Berechnungen zeigen: Wenn man die Produktion und Energie optimal ausnutzt, könnte der Betrieb eine fast dreimal so große Menge an Fernwärme garantieren, wie bisher mit dem Fernwärmenetzbetreiber vereinbart wurde.