Produktionsbasiertes Energiemanagement in der Lebensmittelindustrie im Forschungsverbund FORETA

Die Produktionsprozesse in Lebensmittel verarbeitenden Betrieben sind sehr energieaufwändig. Weitere Geld- und Energieeinsparungen lassen sich allein durch technische Innovationen nur noch schwer erreichen, so dass sich die Etablierung von neuen Strategien und Werkzeugen als erforderlich erweist. In dem Projekt über das produktionsbasierte Energiemanagement für die Lebensmittelindustrie wird mit Hilfe von Modellierungswerkzeugen ein Prozessabbild der Energie- und Produktströme eines lebensmittelproduzierenden Unternehmens erstellt. Durch die Analyse und die Informationen aus diesem Prozessabbild können dann konkrete Maßnahmen zur Energieoptimierung der Produktionsprozesse identifiziert werden. Dies erfordert eine Datenquelle über die energetischen Verbrauchszahlen eines Unternehmens. Hier sollen die schon vorhandenen Betriebsdatenerfassungssysteme genutzt und durch Analysemethoden und Messsysteme erweitert werden.
Am Beispiel norwegischer Industriebetriebe zeigt eine Studie [Amundsen et al. 2002], dass das Energiemanagement trotz der Bedeutung des Energieverbrauchs für die ökologische und nachhaltige Produktion, nicht in den Umweltmanagementsystemen integriert ist. Als Resümee wird die Empfehlung ausgesprochen, Programme einzurichten, die den entsprechenden Unternehmen Informationen und Unterstützung, besonders in der Implementierungsphase, zur Verfügung stellen. Ziel des Forschungsprojektes ist die Steigerung der Effizienz der Energienutzung in Lebensmittelbetrieben durch den neuartigen Ansatz der produktionsbasierten Energiebedarfsplanung. Grundlage für das Vorhaben ist die Modellierung und Simulation der Betriebsabläufe mit Bezug zu Energiebedarfsmengen um die in den einzelnen Prozessschritten anfallenden Abwärme besser nutzen zu können. Die derzeit noch nicht zurückgewonnene Abwärme soll innerhalb der Simulation des Produktionsprozesses als zusätzliche Wärmequelle integriert und im weiteren Produktionsablauf genutzt werden. Durch die Bilanzierung der grundsätzlich theoretisch zurückgewinnbaren Energie ergeben sich neue technische Lösungen. Diese müssen insbesondere unter Berücksichtigung der der geforderten Produktionskapazität und mit Blick auf den zeitlichen Ablauf des Produktionsprozesses, geschehen. Hieraus lassen sich schließlich Optimierungsstrategien ableiten, die eine Produktionsfeinplanung mit den Zielen der Energieeinsparung, der Vermeidung von thermischen Verlusten aus Prozessen sowie einer Vergleichmäßigung der Energiebereitstellung erlauben. Dazu gehört auch, dass die weitere Nutzung der anfallenden Abwärme mit anderen Prozessabschnitten zeitlich verschränkt betrachtet wird. Dies erlaubt den Einsatz eines produktionsbasierten Energiemanagements, das als Werkzeug ein IT-System erfordert.

Die vier Eckpunkte, die den Aufbau und die Implementierung eines Energiemanagementsystems aufspannen, sind:
•    Standardisierung und Beschreibung der Prozessabläufe
•    Ist-Analyse der Betriebe und automatische Erfassung von Energiedaten
•    Modellierung der verfahrenstechnischen Prozesse
•    Simulation, Validierung und statistische Analyse der Betriebsabläufe

Die Zusammenhänge zwischen den vier Eckpunkten sind in Abbildung 1 dargestellt und werden im Weiteren ausgeführt.

Abbildung1: Eckpunkte eines Energiemanagmentsystems

Betrachtet man Produktionsprozesse in lebensmittelverarbeitenden Betrieben, so beziehen sich bisherige Modellierungs- und Optimierungsansätze in erster Linie auf die weitgehende Verringerung der in einem einzelnen Produktionsschritt zugeführten Energie. Eine umfassende, Synergien berücksichtigende Betrachtung fehlt bislang meist, ebenso werden die innerbetrieblichen auf unterschiedlichen Zeitskalen verschobenen Anforderungen an die Energiebereitstellung oft nicht berücksichtigt. Gerade hier lässt sich eine Vergleichmäßigung der Anforderungen der Verbraucher erzielen, bzw. Anforderungen und Bereitstellung von Energie aufeinander abstimmen. Ein weiterer Aspekt ergibt sich aus der Berücksichtigung der jeweiligen Anlagenkennlinien, so dass zusätzlich ein wirkungsgradoptimaler Betrieb der Anlagen möglich wird. Über den ganzen Betrieb betrachtet zieht diese Betrachtungsweise eine Nivellierung bzw. Reduktion des Wärmeversorgungsniveaus nach sich. Mit dieser umfassenden Sichtweise des produktionsbasierte Energiemanagements lassen sich nicht nur einzelne Verbraucher wirkungsgradoptimal betreiben, sondern ganze Produktionsabschnitte bis hin zum ganzen Betrieb, der damit hinsichtlich Produktionskapazität und Energieeffizienz optimiert wird.

Das vorgestellte Forschungsvorhaben, wird in einer Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe Umwelttechnik in der Lebensmittelindustrie, dem Fachgebiet Biostatistik und dem Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik durchgeführt. Es wird gefördert durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst im Rahmen des Forschungsverbunds energieeffiziente Technologien und Anwendungen (BayFORETA). Der Projektstart war im Oktober 2009. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren. Projektpartner sind die Firma ProLeit AG, Andechser Molkerei Scheitz GmbH und Alpenhain Käsespezialitäten-Werk GmbH & Co KG.

Ansprechpartner

Sven Franke