Intelligente Regelung in der Getränkeproduktion

Ziel des Projektes DESPRIMA ist es, die Potentiale zur Bereitstellung möglicher Systemdienstleistungen durch die Getränkeindustrie aufzuzeigen. DESPRIMA befasst sich mit Modellierungs- und Steuerungsaufgaben. Jedes Produkt stellt beispielsweise andere Ansprüche an seine Abfüllung in die Flasche. Eine Herausforderung ist der energieeffiziente und flexible Betrieb.

DESPRIMA – Demand-Side- und Produktionsmanagement für Getränkeabfüllprozesse

Flexibilitätsbedarf im Stromsystem und Demand-Side-Management

Mit einem Demand-Side-Management (DSM) beeinflusst der Stromkunde flexibel den eigenen Verbrauch, um auf Anfrage des Netzbetreibers die schwankende Stromerzeugung aus Erneuerbare-Energien-Anlagen auszugleichen. Im Gegenzug zur Flexibilisierung seiner Lasten zur Bereitstellung von Systemdienstleistung kann der Kunde spezielle Tarife erhalten und so seine Stromkosten senken.

Durch dieses Bereitstellen in Form von flexiblen P- und Q-Lastkennlinien wird längerfristig:

  • die Netzstabilität (z.B. Aufgaben der Spannungshaltung und der Frequenzregelung) besser geregelt.
  • der Netzausbau sowie die Bereitstellung zusätzlicher Speicherleistung durch das dynamische Verschieben der Residuallasten begrenzt.

Die Zukunft der Abfülltechnik ist flexibel, energieeffizient und digital

Eine herausfordernde Aufgabe für Produktionsbetriebe ist der gleichzeitig energieeffiziente und flexible Betrieb. Das Feld der Bereitstellung von dynamischer Systemdienstleistung durch die Industrie ist noch weitestgehend unerforscht, insbesondere für den hier betrachteten Industriezweig der Getränkeherstellung.

Es fehlt oder mangelt bisher:

  • an Energiemonitoring und -prognose der einzelnen Komponenten der Abfülllinie und Flaschenherstellungskomponenten.
  • an detaillierten Informationen über die Prozessflexibilität.
  • an geeigneten Strategien, die eine dynamische Bereitstellung von Systemdienstleistungen ohne Beeinträchtigung des Produktionsablaufs garantieren.

Smarte Produktion in der Getränkeindustrie

Ziel des Projektes DESPRIMA ist es daher, die Potentiale zur Bereitstellung möglicher Systemdienstleistungen durch die Getränkeindustrie herauszustellen – insbesondere durch eine intelligente Regelung von Flaschenproduktion, Abfüllanlagen und Verpackungsmaschinen. Durch ein neues smartes Energiemanagement soll eine aktive Teilnahme an den Strommärkten möglich werden.

In DESPRIMA zeigen wir gemeinsam mit den Verbundpartnern auf, dass bei ausreichender Flexibilität, Kosten eingespart werden sowie gleichzeitig regelbare und prädizierbare Lasten für das Netz zur Verfügung stehen. Wir entwickeln ein Energiemanagementsystem, dass Energiemonitoring und -prognose bereitstellt. Dabei berücksichtigen wir folgende Aspekte besonders:

  • Produktionsvorgaben und -anforderungen
  • Marktmechanismen für die Symbiose von Produktionsprozessen
  • Betrieb des elektrischen Netzes

Ein Forschungs- und Entwicklungs-Konsortium – bestehend aus einem Netzbetreiber, einem Getränkehersteller und verschiedenen Forschungspartnern – setzt das Vorhaben um. Die Interaktion des Energiemanagementsystems mit dem elektrischen Netz zur Generierung der Symbiose zwischen Produktionsbetrieb und Netzbetrieb simulieren und analysieren wir gemeinsam mit den Stadtwerken SWW Wunsiedel (Netzbetreiber und Versorger). Die Forschungsergebnisse erproben und validieren die Verbundpartner beim Getränkehersteller Brandenburger Urstromquelle als Endanwender.

Modellierung, Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung

Unsere Aufgabe als ITWM-Team besteht in der Entwicklung

  • der physikalischen Modelle
  • der Zustandsschätzung
  • der Umsetzung modellbasierter prädiktiver Regelungskonzepte für das Demand-Side- und Produktionsmanagement

Gemeinsam mit der TU Kaiserslautern (TUK) entwickeln wir dazu eine Modellbibliothek, mit deren Komponenten die Preformherstellung der Flaschen durch Spritzgießen und der gesamte Getränkeabfüllprozess abgebildet wird – auch im Hinblick auf Energieverbrauch, Systemperformance und Stabilität in Abhängigkeit von allen Stellgrößen.

Die Modelle der Produktionslinien und der Preformherstellung werden mit Modellen des elektrischen Netzes der Universität Bremen gekoppelt

Aufbauend auf der resultierenden Systemkonfiguration und den echtzeittauglichen Modellen setzen wir dann gemeinsam mit der TU Kaiserslautern modellprädiktive Regelungsalgorithmen zur Steuerung des Produktionsprozesses um. Dabei sollen sowohl die Produktionsvorgaben als auch die Energievorgaben bei Erhaltung der Systemstabilität eingehalten werden. Hier berücksichtigen und integrieren wir insbesondere die Wechselwirkungen der vorhandenen Regelalgorithmen der Anlagenhersteller innerhalb der Produktionslinie.

Projektpartner

  • SWW Wunsiedel GmbH (Koordinator)
  • TU Kaiserslautern, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
  • Fraunhofer ITWM
  • Dresden Elektronik Ingenieurtechnik GmbH
  • Software AG
  • Universität Bremen
  • Brandenburger Urstromquelle GmbH

Projektlaufzeit

Juli 2019 bis Juni 2022

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert – im Rahmen der Fördermaßnahme »Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung«.

 

BMWi
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Aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags