Softwarelösungen für das Energiemanagement von morgen - Eine vergleichende Studie

 
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Softwarelösungen für das Energiemanagement von morgen - Eine vergleichende Studie
Eine vergleichende Studie

Softwarelösungen für das Energiemanagement von morgen

 2016 Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer

 M. Sc. Sebastian Weckmann

 Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Fabian Zimmermann
Herausgeber:

Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP
Universität Stuttgart
Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart
www.eep.uni-stuttgart.de

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer (Hrsg.),
M. Sc. Sebastian Weckmann,
Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Fabian Zimmermann

Redaktion:
Dr. Birgit Spaeth, Viola Willig M.A.

Juni 2016
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................................................................... IV
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................................................. V
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................................................. VI
1 Einleitung .............................................................................................................................................................. 7
2 Methodik ............................................................................................................................................................... 8
3 Einfluss der globalen Megatrends auf die Ressource Energie ............................................................................. 9
 3.1 Globale Megatrends ...................................................................................................................................... 9
 3.2 Trends im Energiesystem .............................................................................................................................. 11
 3.3 Energiestrategische Positionierungsfelder des Unternehmens ..................................................................... 12
 3.4 Potenzialfelder ............................................................................................................................................... 13
 3.5 Resultierende Anforderungen an Softwarelösungen ..................................................................................... 14
4 Anforderungen an Unternehmen durch Industrial Smart Grids ............................................................................ 16
 4.1 Industrial Smart Grid ..................................................................................................................................... 16
 4.2 Energiespezifische Produktionsplanung und -steuerung .............................................................................. 16
 4.2.1 Energiesensitive Produktionsplanung .................................................................................................. 18
 4.2.2 Energiesensitive Produktionssteuerung ............................................................................................... 18
 4.3 Resultierende Anforderungen an Softwarelösungen ..................................................................................... 19
5 Ansätze des Energiemanagements ...................................................................................................................... 21
 5.1 Energiemanagementsystem .......................................................................................................................... 21
 5.2 Energiemanagement-Softwarelösungen ....................................................................................................... 22
6 Funktionsanalyse Energiemanagement-Softwarelösungen ................................................................................. 24
 6.1 Produktionstyp und Energiemedien .............................................................................................................. 27
 6.1.1 Produktionstyp ...................................................................................................................................... 27
 6.1.2 Energiemedien ..................................................................................................................................... 27
 6.2 Datenerfassung ............................................................................................................................................. 28
 6.3 Datenverwaltung ........................................................................................................................................... 30
 6.4 Datenverarbeitung ......................................................................................................................................... 33
 6.4.1 Energieorientierte Produktionsplanung und -steuerung ....................................................................... 33
 6.4.2 Visualisierung von Energiedaten ......................................................................................................... 36
 6.5 Reporting ....................................................................................................................................................... 37
7 Zusammenfassung und Bewertung ...................................................................................................................... 38
8 Literaturverzeichnis .............................................................................................................................................. 40
9 Anhang ................................................................................................................................................................. 42
 9.1 Berücksichtigte EMS-Systeme ...................................................................................................................... 42
 9.2 Berücksichtigte MES-Systeme ...................................................................................................................... 43
 9.3 Beispielhafte Detailauswertung einer Softwarelösung .................................................................................. 44

IV
Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Methodische Vorgehensweise .......................................................................................................... 8
Abbildung 2: Megatrends Industrie in Anlehnung an Ludovico et al. 2013 ............................................................ 9
Abbildung 3: Trends im Energiesystem ................................................................................................................. 11
Abbildung 4: Energiestrategische Positionierungsfelder des Unternehmens ........................................................ 12
Abbildung 5: Potenzialfelder .................................................................................................................................. 13
Abbildung 6: Anforderungen aus der Trendanalyse ............................................................................................... 15
Abbildung 7: Energetische Bausteine im Industrial Smart Grid ............................................................................. 16
Abbildung 8: Integration des Faktors Energie in die hierarchische Produktionsplanung und -steuerung .............. 17
Abbildung 9: Demand Side Management Aktivitäten, von der Energieeffizienz bis zum Real-Time Demand
 Response (in Anlehnung an Samad und Kiliccote 2012) .................................................................. 19
Abbildung 10: Systemanforderungen für Energiemanagement-Softwarelösungen durch Industrial Smart Grids ... 20
Abbildung 11: PDCA Zyklus auf Basis DIN EN ISO 50001 ...................................................................................... 21
Abbildung 12: Energiemanagement-Softwarefunktionen zur Unterstützung des KVP der DIN ISO 50001 ............ 22
Abbildung 13: Automatisierungspyramide und damit verbundene Planungsebenen (Pickert & Partner 2010) ....... 23
Abbildung 14: Struktureller Aufbau der Software-Funktionsanalyse ........................................................................ 25
Abbildung 15: Durch MES-Software unterstützte Fertigungstypen ......................................................................... 27
Abbildung 16: Durch EMS-Software unterstützte Energiemedien ........................................................................... 28
Abbildung 17: Durch MES-Software unterstütze Energiemedien ............................................................................ 28
Abbildung 18: Durch EMS-Software unterstützte Datenerfassung .......................................................................... 29
Abbildung 19: Durch MES-Software unterstützte Datenerfassung .......................................................................... 29
Abbildung 20: Datenverwaltung EMS ...................................................................................................................... 31
Abbildung 21: Datenverwaltung MES ...................................................................................................................... 32
Abbildung 22: Planung und Steuerung EMS-Software ............................................................................................ 34
Abbildung 23: Planung und Steuerung MES-Software ............................................................................................ 34
Abbildung 24: Visualisierung EMS-Software ............................................................................................................ 36
Abbildung 25: Visualisierung MES-Software ........................................................................................................... 37
Abbildung 26: Reporting EMS-Software .................................................................................................................. 37

 V
Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beispieltabelle für die Bewertung ........................................................................................................... 26
Tabelle 2: Anforderungsbewertung in der Datenerfassung ..................................................................................... 30
Tabelle 3: Anforderungsbewertung Datenverwaltung ............................................................................................. 33
Tabelle 4: Anforderungsbewertung in der Datenverarbeitung ................................................................................. 35
Tabelle 5: Bewertungsübersicht der EMS- und MES-Softwareanalyse auf Basis eines Industrial Smart Grid ....... 39

VI
1 Einleitung

Das Thema Energiemanagement gewinnt vor dem Mit zunehmender Bedeutung der Energieproduktivität
Hintergrund steigender und volatiler Energiepreise in der Industrie steigt auch die Zahl der Energiema-
sowie der zunehmend schwankenden Bereitstellung nagement-Softwarelösungen sowie die unterschied-
von Energie in der Industrie weiter an Bedeutung. lichen Ansätze in der Systemlösung. Die richtige
Unternehmen stehen im globalen Wettbewerb und Softwarelösung für ein Unternehmen zu finden, ist
sind gezwungen ihre Produktivität kontinuierlich zu ein komplexer Prozess, der sowohl die Unterneh-
steigern. Schwankende sowie steigende Energie- menshistorie und -gegenwart als auch die zukünftige
preise werden zu einem Kostenrisiko und rücken die Entwicklung des Unternehmens auf strategischer
Energieproduktivität damit in den Fokus vieler Unter- und operativer Ebene beinhaltet. Dieser Prozess
nehmen. ist sehr stark unternehmensbezogen und muss in-
 dividuell durchgeführt werden. Besonders wichtig
Entscheidend für ein erfolgreiches und nachhaltiges ist es daher, Entscheidungsgrundlagen auf dem
Energiemanagement ist es, zukünftige Herausfor- Stand der Technik im Energiemanagement sowie auf
derungen frühzeitig zu identifizieren und Synergie- Entwicklungstrends in der Industrie und dem Ener-
effekte technologie- und marktbezogen bestmög- giesystem aufzubauen und in Wettbewerbsvorteile
lich zu nutzen. Energie wird hierbei nicht als allein- umzuwandeln.
stehender Faktor betrachtet, sondern vielmehr als
Teil eines komplexen Systems aus Produktions- Ziel dieser Studie ist es, Entwicklungstrends in der
faktoren, das es zu optimieren gilt. industriellen Produktion und Entwicklungstrends im
 Energiesystem zu erfassen und darauf aufbauend
Mit zunehmender Variabilität des Faktors Energie für Energiemanagement-Softwarelösungen (EMS-Soft-
die industrielle Produktion werden auch Smart-Grid- warelösungen) und Manufacturing-Execution-Sys-
Lösungen in der Produktion relevant und erschließen tem-Softwarelösungen (MES-Softwarelösungen) mit
den Bereich des Industrial Smart Grid (ISG). ISGs Energiefunktionalität gegenüberzustellen. Dabei soll
eröffnen innovative Möglichkeiten, um Lösungen für aufgezeigt werden, in welchen Bereichen Entwick-
die Bereiche Versorgungssicherheit, Energieeffizienz lungsbedarf bei Softwarelösungen besteht und
und Vernetzung auf energetischer Ebene zu schaffen. welche Bereiche heute bereits Entwicklungstrends
ISGs können in diesem Zusammenhang zu einem von morgen abdecken.
wichtigen Schlüssel für die Bewältigung zukünftiger
Herausforderungen und Trends in der industriellen Die berücksichtigten Systeme sind im Anhang aufge-
Energieversorgung werden. listet, ebenso wie das Schema der detaillierten
 Auswertung. Die detaillierte Auswertung der jewei-
 ligen Systeme sind auf der Hompage des EEP zum
 Download verfügbar (www.eep.uni-stuttgart.de).

 7
2 Methodik

Die methodische Vorgehensweise der Studie wird in Ausgehend von Energiemanagementsystemen nach
vier Schritte untergliedert (Abbildung 1). Im ersten DIN EN ISO 50001 werden die Systemansätze von
Schritt der Studie erfolgt eine Trendanalyse. Ausge- MES- und EMS-Softwarelösungen im Bereich des
hend von Megatrends in der Industrie und im Ener- Energiemanagements dargestellt.
giesystem werden drei mögliche energiestrategische
Positionierungsfelder für Unternehmen abgeleitet. Im vierten Schritt wird eine Funktionsanalyse vor
Anschließend werden daraus Potenzialfelder zur dem Hintergrund der Trendanalyse sowie den abge-
erfolgreichen Positionierung identifiziert. leiteten Anforderungen durchgeführt. Grundlage der
 Analyse ist jeweils ein Marktspiegel für EMS-Soft-
Im zweiten Schritt werden auf Basis der in der Trend- ware der Energieagentur Nordrhein-Westfalen
analyse identifizierten Potenzialfelder Anforder- sowie ein Marktspiegel für MES-Software des MES
ungen an Energiemanagementsysteme von morgen D.A.CH Verbands. Die Softwareanalyse umfasst
entwickelt. 79 EMS-Softwareanbieter und 39 MES-Software-
 anbieter.
Im dritten Schritt erfolgt eine Darstellung des Themen-
feldes des Energiemanagements.

 Trendanalyse

 Megatrends in der Industrie Trends im Energiesystem

 Energiestrategische Positionierung des Unternehmens

 Potenzialfelder

 Energiemanagement

 Energiemanagementsysteme
 Anforderungen durch
 Industrial Smart Grids

 Energiemanagementsoftware

 Funktionsanalyse Energiemanagement-Softwarelösungen

 Marktspiegel EMS-Software Marktspiegel MES-Software
 (79 Anbieter) (39 Anbieter)

Abbildung 1: Methodische Vorgehensweise

8
3 Einfluss der globalen Megatrends auf die Ressource Energie

Die globale Wirtschaft unterliegt stetigen Veränder- 3.1 Globale Megatrends
ungen. Ein Verständnis für die Dynamik und die Rich-
tung der Veränderungen versetzt Unternehmen in die Im Bericht der Vereinten Nationen „Emerging trends
Lage, Strategien und Prozesse anzupassen, um das in global manufacturing industries“ werden acht
Risiko, welches durch wirtschaftliche Bewegungen Megatrends für die globale Industrie identifiziert
entsteht, zu minimieren und Wettbewerbsvorteile zu (Ludovico et al. 2013) (Abbildung 2). Die Megatrends
generieren. sind in diesem Zusammenhang nicht unabhängig
 voneinander zu betrachten, sondern bilden vielmehr
Im Folgenden werden ausgehend von globalen ein Spannungsfeld, in dem sich die Industrie bewegt.
Megatrends der Industrie und Trends im Ener-
giesystem energiestrategische Positionierungsfelder
für Unternehmen identifiziert. Darauf aufbauend
werden Potenzialfelder für Unternehmen ermittelt.
Soweit möglich werden alle Trends in Bezug zum
Faktor Energie gesetzt.

 Politische Globalisierung Nachhaltigkeit
 Trends
 Politische Globalisierung Nachhaltigkeit
 Trends

 Sich änderndes Demo-
 Konsumenten-
 Sich änderndes Industrie graphischer
 Demo-
 verhalten
 Konsumenten- Wandel
 graphischer
 Industrie
 verhalten Wandel

 Verkürzte Politische und
 Produktlebens- wirtschaftliche
 Politische und Urbanisierung
 Verkürzte
 zyklen Stabilität
 wirtschaftliche Urbanisierung
 Produktlebens-
 zyklen Stabilität

 Legende: Trends
Legende: Trends
 Trends mit Energiebezug
 Trends mit Energiebezug

Abbildung 2: Megatrends Industrie in Anlehnung an Ludovico et al. 2013

 9
Sich änderndes Konsumentenverhalten zu begrenzen (Christensen 2012). Teil dieses Ziels
 ist die Umstellung auf eine regenerative Energiever-
Durch allgemeinen Wohlstand und steigendes sorgung.
Einkommen, insbesondere in den Entwicklungs-
ländern, wird es zukünftig zu einem Anstieg des
Konsums kommen. Zusätzlich wird sich das Verbrau- Nachhaltigkeit
cherverhalten dahingehend verändern, dass die
Konsumenten immer mehr individualisierte Produkte Die nachhaltige Herstellung von Produkten bekommt
und Dienstleistungen fordern, woraus sich neue eine immer größere Bedeutung, da der gesellschaft-
Herausforderungen für Produktentwicklung und liche Druck und ein möglicher Wettbewerbsvorteil
Produktionssystem ergeben. durch die Nachhaltigkeit steigen. Dabei erstreckt
 sich die Nachhaltigkeit über den gesamten Produkt-
 lebenszyklus, d. h. von der Produktentwicklung über
Demographischer Wandel die Produktion bis zum Recycling.

Ein starker Wandel in der demographischen Struktur Eine nachhaltige Energieversorgung durch rege-
führt zu einem starken Wandel der Arbeiterschaft. nerative Energien ist vor allem in Deutschland Teil
In den Industrienationen ist mit einer zunehmenden des Klimaschutzes. Das bedeutet, dass Treibhaus-
Alterung der Belegschaft zu rechnen. In den Entwick- gase sowohl bei der Energieerzeugung als auch im
lungsländern führt ein starker Zuwachs der Mittel- produzierenden Gewerbe reduziert werden müssen
und Oberschicht zu einer Verschiebung der Absatz- (Krewitt et al. 2006)
märkte. Für die Industrie heißt das, dass sich die
Arbeitsbedingungen an die älter werdende Beleg-
schaft und die geringere Anzahl an Arbeitskräften Politische Trends
anpassen muss.
 Ein wettbewerbsfähiger Produktionssektor wird auch
 weiterhin eine hohe Priorität in vielen Ländern haben.
Globalisierung Da die bereits etablierten Nationen mit Verlusten von
 Produktionsstätten zu kämpfen haben, investieren
In Bezug auf ein produzierendes Unternehmen ist Regierungen in Forschungs- und Entwicklungspro-
einer der wichtigsten Aspekte der Globalisierung gramme, um als Standort bzw. Markt attraktiv zu
die Fragmentierung der Produktion. Heute werden bleiben.
die Produkte in mehreren Stufen an unterschied-
lichen Standorten in verschiedenen Ländern her- Ein politisches Projekt in Deutschland, welches das
gestellt, bevor sie in der Endproduktion bzw. Montage Energiesystem betrifft, ist die Energiewende. Die
sind. Durch diese Fragmentierung wurden viele Ziele der Energiewende sind der Ausstieg aus der
Produktionsstätten in Niedriglohnländer verlagert, Atomenergie bis zum Jahr 2022, ein stetiger Ausbau
während die Industriestaaten das Know-how bzw. die der erneuerbaren Energien, die Steigerung der Ener-
Produktentwicklung beibehalten haben. Die daraus gieeffizienz und der Klimaschutz durch Reduktion der
entstandenen globalen Wertschöpfungsketten haben Treibhausgasemissionen (Umweltbundesamt 2014).
die Integration der Entwicklungsländer erleichtert.
Diese üben mittlerweile enormen Wettbewerbsdruck
auf die traditionell starken Länder aus. Durch Inves- Politische und wirtschaftliche Stabilität
titionen und das dazugewonnene Know-how spielen
sie eine bedeutende Rolle als globaler Wettbewerber Eng verknüpft mit den politischen Trends ist die poli-
und Lieferant. tische und wirtschaftliche Stabilität. Sie wird in drei
 Bereiche aufgeteilt. Die Bereiche sind Konflikte bzw.
Neben der globalen Vernetzung auf Unternehmens- Kriege, Terrorismus & Sicherheit und Naturkata-
ebene findet zudem eine stärker werdende Vernetz- strophen.
ung auf länderpolitischer Ebene statt. So wurde
beispielsweise auf der UN-Klimakonferenz im Jahr Konflikt- und Kriegsgebiete können negative Auswir-
2010 das Zwei-Grad-Ziel anerkannt und verab- kungen auf die Unternehmensabläufe oder Bezie-
schiedet. Das Ziel ist die globale Erwärmung auf zwei hungen zu Zulieferern haben. Zusätzlich können
Grad gegenüber dem Niveau vor der Industrialisierung solche Konflikte den Transport der Güter stören.

10
Ähnliches gilt für das Thema Terrorismus. Durch Verkürzte Produktlebenszyklen
Terrorismus werden die Sicherheitsbedenken der
Länder immer größer. Das Verhalten der Konsumenten wird immer schnell-
 lebiger. In immer kürzeren Zeitabständen werden
Um dem Terrorismus entgegen zu treten, investieren Produkterneuerungen oder -neuheiten erwartet. Das
die Regierungen mehr Geld in Verteidigungs- und setzt flexible Versorgungsketten und schnelle techno-
Sicherheitsindustrie. logische Fortschritte voraus.

Dagegen werden Naturkatastrophen immer latente
Bedrohungen für die Menschheit darstellen. Sie 3.2 Trends im Energiesystem
können die Lieferketten der Unternehmen beein-
flussen und stören, ebenso können Produktions- In Bezug auf das Energiesystem sind insbesondere
stätten beschädigt und der Versand verzögert werden. die Globalisierung, die Nachhaltigkeit, die politischen
 Trends in Verbindung mit der politischen und wirt-
Sowohl durch Konflikte und Kriege als auch durch schaftlichen Stabilität und die Urbanisierung relevant.
Terrorismus oder Naturkatastrophen kann es zu Im Energiesystem können drei große Trends iden-
Störungen und Problemen bei der Energieversor- tifiziert werden, die sowohl untereinander als auch
gung kommen. Daher ist auch die wirtschaftliche und zu den globalen Megatrends in Beziehung stehen
politische Stabilität ein wichtiger Faktor für die Ener- (Abbildung 3).
gieversorgung insbesondere in Bezug auf Netzsta-
bilität und Versorgungssicherheit.
 Ausbau
 regenerativer
Urbanisierung Energien

Die Abnahme der Bevölkerung in Kleinstädten und in
ländlichen Räumen hat zur Folge, dass immer mehr
Menschen in den großen Metropolen leben. Gemäß
den Vereinten Nationen lebt bereits heute mehr als
die Hälfte der weltweiten Bevölkerung in Städten. Energie-
 system
Im Jahr 2050 werden es laut den Vereinten Nationen
72 % der Bevölkerung sein.

Die Urbanisierung kann sowohl Vor- als auch Nach-
teile für die Gesellschaft bringen. Zu den Vorteilen Dezentrale
 Prosumer-
zählen das Vorantreiben von Innovationen durch die Energie-
 Verhalten
 versorgung
Urbanisierung, die Verbesserung der Zusammenar-
beit und eine gleichmäßigere Verteilung des Wohl-
stands in der Gesellschaft. Andererseits kann die
Urbanisierung auch zu einer Verschlechterung der Abbildung 3: Trends im Energiesystem
Lebensqualität, zu großen Umweltschäden und zu
sozialen und politischen Spannungen führen. Städte
mit stark zunehmender Bevölkerung stehen vor der Ausbau regenerativer Energien
Herausforderung die Nahrungs-, Wasser- und Ener-
gieversorgung in gleichem Tempo auszubauen. Der Ausbau regenerativer Energien wird weltweit
Daher wirkt sich die Urbanisierung auch auf die durch die Klimaschutzziele und in Deutschland
Ressourceneffizienz aus (Shell Int. BV 2014). zusätzlich über die Energiewende gefördert. Die EU
 hat bereits 2007 beschlossen, dass der Anteil an
Vor diesem Hintergrund wird die Versorgungssicher- erneuerbaren Energien (Strom, Wärme, Kraftstoffe)
heit zu einem zunehmend wichtigen Faktor in der am Brutto-Endenergieverbrauch der EU-Staaten bis
Industrie. 2020 auf 20 % steigen soll. Für Deutschland ist ein
 Anteil von 18 % bis 2020 gegenüber 2000 festgesetzt.
 Bis 2030 sollen 30 %, bis 2040 45 % und bis 2050
 50 % erreicht werden (Umweltbundesamt 2015).

 11
Dezentrale Energieversorgung Damit einher geht die flexible Nutzung von Energie.

Die Energieversorgung wird sich von einer zentralen Flexibilität eines Unternehmens spiegelt sich auch
Versorgung über wenige Kraftwerke hin zu einer in der Energiebetrachtung wieder. In Folge der
dezentralen Versorgung über viele regenerative vermehrten Erzeugung von Energie durch regenera-
Anlagen entwickeln. Eine dezentrale Erzeugungs- tive Quellen und der Individualisierung der Produkte
anlage ist gemäß § 3 Nr. 11 EnWG „eine an das muss die Produktion nicht nur in der Lage sein sich auf
Verteilernetz angeschlossene verbrauchs- und last- individuelle Kundenwünsche einzustellen, sondern
nahe Erzeugungsanlage“ (Bundesministerium der auch auf Schwankungen in der Energieerzeugung.
Justiz und für Verbraucherschutz 2005). Die Boston Es müssen Ausweichmöglichkeiten wie etwa Ener-
Consulting Group geht davon aus, dass die dezen- giespeicher oder eine eigene Energieproduktion bei
trale Energieversorgung bis 2020 in Europa einen Energieengpässen geschaffen werden.
Anteil an der installierten Gesamtkapazität von 40 %
erreichen wird (The Boston Consulting Group 2010). Der Energiebezug wird in Zukunft eine zentralere
 Rolle spielen. Es wird weiterhin zu Schwankungen
 an der Energiebörse kommen, da die Erzeugung
Prosumer-Verhalten von Energie durch regenerative Quellen nicht genau
 prognostiziert werden kann. Entsprechend wirkt sich
Die Umstellung auf regenerative Energie führt der Energiebezug zu Zeiten, an denen der Energie-
dazu, dass Unternehmen als Verbraucher vermehrt preis niedrig ist, positiv auf die Energiekosten der
eigene Anlagen zur Energieproduktion aufbauen. So Unternehmen aus.
können sie ihre selbst produzierte Energie nutzen
und die überschüssige Energie speichern oder in das Ebenso kann man die aus der Eigenerzeugung
Netz einspeisen. Personen oder Unternehmen, die gewonnene Energie zu Niedrigpreis-Zeiten speichern
gleichzeitig Konsument und Produzent sind, werden und die benötigte Energie extern günstig zukaufen.
Prosumer genannt (Springer Gabler Verlag 2015d). Als positiver Nebeneffekt lässt sich bei vollen Spei-
Ein weiterer Vorteil der Eigenenergieerzeugung und chern ein zusätzlicher Ertrag erzielen, indem Ener-
-nutzung ist, dass die Unternehmen ihre Versor- gieüberschüsse am Regelenergiemarkt verkauft
gungssicherheit besser regeln können. werden.

3.3 Energiestrategische Positio-
nierungsfelder des Unternehmens
Ausgehend von den globalen Megatrends in der Energie-
 effizienz
Industrie und den Trends im Energiesystem können
sich Unternehmen im Bereich des Energiebezugs,
der Energieeffizienz und der Energieflexibilität posi-
tionieren (Abbildung 4).
 Energie-
Energieeffizienz beschreibt das Verhältnis von ener- strategische
getischem Input und Output. Sie ist in allen Unter- Positionierungs -
 felder des
nehmensbereichen ein wichtiger Faktor mit dem Ziel Unternehmens
Prozesse energetisch zu optimieren. Grundlage für
die Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen ist
die Erfassung des Ist-Verbrauchs, auf dessen Basis
ein Soll-Ist-Vergleich der Daten durchgeführt wird. Energie-
 Energiebezug
Das Ziel ist es, zu bewerten wie effizient die Energie flexibilität
genutzt wird.

Im Zuge des sich verändernden Konsumentenver-
haltens von Massenware hin zu individualisierten
Produkten wird die Produktion zukünftig flexibel auf Die Abbildung 4: Energiestrategische Positionier-
Kundenwünsche reagieren müssen. ungsfelder des Unternehmens

12
3.4 Potenzialfelder Vielmehr dauert der Automatisierungstrend seit
 geraumer Zeit an und erfindet sich immer wieder
Auf Basis der energiestrategischen Positionierungs- neu. Eng damit verknüpft ist die Modularisierung der
felder lassen sich Potenzialfelder ableiten (Abb. 5). Produktion. Wichtige Voraussetzung für die Modula-
Die sechs Potenzialfelder finden sich in Deutschland risierung ist die Festlegung von Standards (Bundes-
auch unter dem Begriff „Industrie 4.0“ wieder. ministerium für Bildung und Forschung 2013).

Die Potenziale Automatisierung und Modularisie- Im Folgenden werden die weiteren vier strategischen
rung werden nur am Rande betrachtet, da diese Erfolgspotenziale (Aufbau von Wertschöpfungsnetz-
für das Energiemanagement eine untergeordnete werken, Individualisierung der Produkte, Integration
Rolle spielen. Die Automatisierung der Produktion ist von realer und virtueller Welt über den gesamten
keineswegs ein neuer Trend. Produktlebenszyklus und die Vernetzung der Pro-
 duktionssysteme) in Bezug zur Energie näher darge-
 stellt.

 Aufbau
 Aufbau von von
 Wertschöpfungs-
 Wertschöpfungs-
 netzwerken
 netzwerken

 Vernetzung
 Vernetzung der der Automatisierung
 Produktions- Automatisierung
 Produktions- der Produktion
 der Produktion
 systeme
 systeme

 Potenzial-
 Potenzial-
 felderfelder

 Modularisierung
 Modularisierung Individualisierung
 Individualisierung
 der Produktion
 der Produktion der Produkte
 der Produkte

 Integration
 Integration von von
 realer und virtueller
 realer und virtueller
 Welt über den den
 Welt über
 gesamten
 gesamten Produkt-
 Produkt-
 lebenszyklus
 lebenszyklus

 Legende: Potenzialfelder
Legende: Potenzialfelder

 Potenzialfelder mit Energiebezug
 Potenzialfelder mit Energiebezug

Abbildung 5: Potenzialfelder

 13
Aufbau von Wertschöpfungsnetzwerken Vernetzung der Produktionssysteme

Durch die Vernetzung produktionsrelevanter Die Vernetzung der Produktionssysteme wird auch
Prozesse über Unternehmensgrenzen hinweg vertikale Integration der IT-Systeme genannt. Die
können Wertschöpfungsnetzwerke gebildet werden. Verknüpfung aller IT-Systeme auf unterschiedlichen
Diese Vernetzung wird auch horizontale Integra- Hierarchieebenen eines Produktionssystems ist das
tion genannt. Das Ergebnis der Integration ist, dass Ziel (BITKOM, VDMA, ZVEI 2015).
aus den einzelnen Prozessen kontinuierlich Daten
erhoben werden, die eine flexible Steuerung ermögli- Dadurch wird es zu einer Verschmelzung der Ebenen
chen. Somit können Produktionsprozesse schnell an in der Automatisierungspyramide kommen (Abbil-
Marktentwicklungen wie zum Beispiel Energiepreise dung 13). In diesem Zusammenhang wird auch der
angepasst werden (Bundesministerium für Bildung durchgängige und automatische Energiedatenfluss
und Forschung 2013). über die Hierarchieebenen der Produktionssysteme
 zu einer Notwendigkeit.

Individualisierung der Produkte
 3.5 Resultierende Anforderungen
Auf Seiten der Nachfrage wünschen Kunden zuneh- an Softwarelösungen
mend individualisierte Produkte. Produzierende
Unternehmen stehen vor der Herausforderung, hohe Anhand der Trendanalyse ergeben sich unter-
Kosten für individualisierte Produkte abzudecken. Ziel schiedliche Systemanforderungen an die Ener-
ist, dass die Produktion auf individualisierte Kunden- giemanagement-Softwarelösungen (Abbildung 6).
wünsche reagieren kann und das zu möglichst nied- Die Systemanforderungen an die Energiemanage-
rigen Mehrkosten (Bundesministerium für Bildung ment-Softwarelösungen sind durch die energiestra-
und Forschung 2013). tegischen Positionierungsfelder und Potenzialfelder
 untergliedert.
Mit zunehmender Individualisierung und damit
verbundenen Produktvariationen ändert sich der Energieflexibilität erfordert die Datenerfassung auf
Bedarf der Ressource Energie. Zur Schaffung von Prozessebene und die Vernetzung von Produktions-
Kosten- und Energietransparenz sind Energiedaten prozessen. Dies ist die Grundlage für den Aufbau
auf Produktebene notwendig. von Wertschöpfungsnetzwerken. Produktbezogene
 Energiedaten ermöglichen die Individualisierung der
 Produkte und damit einhergehender Produktvaria-
Integration von realer und virtueller Welt tionen.
über den gesamten Produktlebenszyklus
 Die Optimierung der Energieeffizienz erfordert
Das Zusammenspiel von realer und virtueller Welt zusätzlich zu den genannten Potenzialfeldern die
über den gesamten Produktlebenszyklus ist ein Vernetzung der Energiedaten mit der Produktionspla-
wichtiger Faktor auf dem Weg zur Industrie 4.0. In nung und -steuerung. Daraus ergibt sich die Vernet-
der virtuellen Welt haben alle Objekte ein digitales zung der Produktionssysteme. Eine Schnittstelle
Abbild (Modell). Die reale Welt charakterisiert sich zum Energiemarkt sowie ein virtuelles energetisches
durch das Lösen von Problemen und das Treffen von Abbild der Produktion dienen der Integration von
Entscheidungen. In der Umsetzungsstrategie Indus- realer und virtueller Welt über den gesamten Produk-
trie 4.0 wird für die Integration beider Welten eine tionslebenszyklus.
produktionstechnische Modellierungstheorie für den
Maschinen- und Anlagenbau entwickelt (BITKOM,
VDMA, ZVEI 2015).

Durch die Verschmelzung von realer und virtueller
Welt ist es unter anderem möglich, dass Unternehmen
Teil eines virtuellen Kraftwerks werden. Prosumer
hingegen haben die Möglichkeit ein eigenes virtuelles
Kraftwerk aufzubauen.

14
Megatrends
 Megatrends der
 der Industrie
 Industrie Megatrends
 Megatrends des des Energiesystems
 Energiesystems

 Globalisierung
 Globalisierung Politische
 Politische Trends
 Trends Prosumer-
 Prosumer- Verhalten
 Verhalten

 Nachhaltigkeit
 Nachhaltigkeit Politische
 Politische und
 und wirtschaftliche
 wirtschaftliche Stabilität
 Stabilität Dezentrale
 Dezentrale Energieversorgung
 Energieversorgung

 Urbanisierung
 Urbanisierung Verkürzte
 Verkürzte Produktlebenszyklen
 Produktlebenszyklen Ausbau
 Ausbau Regenerativer
 Regenerativer Energien
 Energien

 Energiestrategische Positionierung
 Energiestrategische Positionierung Unternehmens
 desdes Unternehmens

 Abbildung 6: Anforderungen aus der Trendanalyse
 Energieflexibilität
 Energieflexibilität Energieeffizienz
 Energieeffizienz Energiebezug
 Energiebezug

 Potenzialfelder
 Potenzialfelder

 Integration
 Integration realer
 vonvon realer virtueller
 undund virtueller
 Aufbau
 Aufbauvon
 vonWertschöpfungs-
 Wertschöpfungs- Individualisierung
 Individualisierung Produkte
 derder Produkte Welt über den gesamten
 Welt über den gesamten Vernetzung der Produktionssysteme
 Vernetzung der Produktionssysteme
 netzwerken
 netzwerken Produktlebenszykluss
 Produktlebenszykluss

 Anforderungen
 Anforderungen

 -Vernetzung von - Schnittstelle zum Energiemarkt
 -Vernetzung von - Vorhanden sein produktbezogener - Schnittstelle zum Energiemarkt - Vernetzung der Energiedaten mit
 Produktionsprozessen - Vorhanden sein produktbezogener - Virtuelles energetisches Abbild der - Vernetzung der Energiedaten mit
 Produktionsprozessen Energiedaten - Virtuelles energetisches Abbild der PPS
 - Datenerfassung auf Prozessebene Energiedaten Produktion PPS
 - Datenerfassung auf Prozessebene Produktion

15
4 Anforderungen an Unternehmen durch Industrial Smart Grids

Smart Grids bieten das Potenzial, Herausfor- Der Schlüssel zum Erreichen des Primärziels liegt in
derungen im Energiesystem, wie den Zuwachs erneu- der Integration der Variablen Energie in die Produk-
erbarer Energien, die Dezentralisierung der Energie- tionsplanung und Steuerung (PPS). In diesem
erzeugung sowie den zunehmenden Wechsel von Zusammenhang wandelt sich der Faktor Energie von
reinen Verbrauchern hin zu Prosumern zu meistern einer Konstanten hin zu einer dynamischen Variablen
(vgl. Kapitel 3.2). in der Produktionsgleichung.

„Das konventionelle Elektrizitätsnetz wird zu einem
Smart Grid, wenn es durch Kommunikations-, Mess-,
 Energie-
Regel- und Automatisierungstechnik sowie Automati- verbraucher
sierungskomponenten aufgerüstet wird. Im Ergebnis
bedeutet „smart“, dass Netzzustände in „Echtzeit“
erfasst werden können und die Möglichkeit zur Steu-

 Eigenenergie-

 beschaffung
 erzeugung
erung und Regelung der Netze besteht, so dass die Industrial

 Energie-
 Smart
bestehende Netzkapazität tatsächlich voll genutzt Grid
werden kann“ (Bundesnetzagentur 2011).

Smart Grids reduzieren den Ausbau der Versorgungs-
infrastruktur und erhöhen die Versorgungssicherheit Energie-
 speicherung
im Energiesystem. Netzzustände des Verteilnetzes
können besser nachvollzogen werden und das Netz
kann lokal gesteuert werden.
 Abbildung 7: Energetische Bausteine
 im Industrial Smart Grid

4.1 Industrial Smart Grid
 4.2 Energiespezifische Pro-
Mit zunehmender Bedeutung des Faktors Energie für duktionsplanung und -steuerung
die industrielle Produktion werden auch Smart-Grid-
Lösungen in der Produktion relevant und erschließen „Die Produktionsplanung und -steuerung, als Teilbe-
den Bereich des Industrial Smart Grid. Das ISG reich des operativen Produktionsmanagements, hat
eröffnet die Entwicklungspotenziale Vernetzung, für die wirtschaftliche Gestaltung und den reibungs-
Automatisierung und das Verschmelzen von realer losen Ablauf der Produktionsprozesse zu sorgen“
und virtueller Welt in Bezug auf die Komponente (Springer Gabler Verlag 2015b). Das Konzept der
Energie. Es ermöglicht eine steigende Integration von hierarchischen Produktionsplanung und -steuerung
regenerativer Energieerzeugung, eine Erhöhung der zerlegt das Gesamtproblem der PPS in Teilprobleme
Versorgungssicherheit, eine Reduktion der Energie- auf unterschiedlichen Planungsebenen (Switalski
und Infrastrukturkosten und eine Verminderung der 1989). In Abhängigkeit der wirtschaftlichen Gewich-
Abhängigkeit vom Versorgungsnetz. tung der Variablen Energie fließt diese in die Optimie-
 rungsgleichungen der Teilprobleme ein (Abbildung 8.)
Grundsätzlich können im ISG vier energetische
Bausteine unterschieden werden (Abbildung 7).
Dazu gehören die Eigenenergieerzeugung, die Ener-
giebeschaffung, die Energiespeicherung und die Pro-
duktion als Energieverbraucher.

Das Industrial Smart Grid hat die Aufgabe die Bezugs-
und Verbrauchsgruppen zu balancieren mit dem
Primärziel, die Produktion reibungslos und kosten
optimal zu betreiben.

16
Energiebedarf auf Produktebene
 Produkt Auftrag
 Verfahren/ Zeit Menge
 Ressourcen
 Prozess

 Planung
 Primärbedarfsplanung

 Energiebedarfsplanung
 Eigenproduktion Fremdbezug

 Energieeigenerzeugung Energiebeschaffung

 Energiespeicherung

 Termin- und Kapazitätsplanung

 Steuerung
 Auftragsfreigabe

 Energiefeinplanung
 Reihenfolgeplanung

 Maschinen-
 belegungsplan

 Feinterminierung

 Auftragsüberwachung
 Energiesteuerung

Legende: Schritte der Produktionsplanung Angebotsorientierter
 Verbrauch
 Energie Integration
 Aufgaben der Produktionsplanung
 und -steuerung
 Informationsaustausch
 Betriebsdatenerfassung

Abbildung 8: Integration des Faktors Energie in die hierarchische Produktionsplanung und -steuerung

 17
4.2.1 Energiesensitive Sind für die einzelnen Produktionsschritte bislang nur
Produktionsplanung grobe Start- und Endtermine definiert, werden in der
 Ablaufplanung die genauen Termine für die Produk-
Während im Rahmen der Primärbedarfsplanung die tionsstufen des Produktionssystems festgelegt.
in der Planungsperiode herzustellenden Mengen Im Rahmen der Auftragsüberwachung wird auf Basis
der Produkte festgelegt werden, werden im Rahmen von Betriebsdaten der Produktionsablauf im Hinblick
der Sekundärbedarfsplanung die für die Herstellung auf die Planeinhaltung überwacht.
des Primärbedarfs benötigten Ressourcen kalkuliert.
Basierend auf der Sekundärbedarfsplanung schließt Ziel der Energiefeinplanung ist es innerhalb der von
die Termin- und Kapazitätsplanung die Planungs- der Energiebedarfsplanung vorgegebenen Rahmen-
phase ab. Die langfristige Sicherung der Ressource bedingungen eine bestmögliche Feinplanung vorzu-
Energie erfolgt in der Sekundärbedarfsplanung z. B. nehmen. In diesem Zusammenhang können sowohl
für einen Zeitraum von 1-3 Monaten (Abbildung 8). die Reihenfolgeplanung, der Maschinenbelegungs-
 plan und die Feinterminierung vor dem Hintergrund
Obwohl Lagerrestriktionen schon in der Primärpla- eines kostenorientierten Nutzungszeitraums und
nung betrachtet werden, werden Energiespeicher, Spitzenlastmanagements energetisch optimiert
die als „Energielager“ fungieren, erst in der Sekundär- werden (Abbildung 9). Für einen kostenorientierten
planung aufgenommen. In diesem Zusammenhang Nutzungszeitraum besteht die Herausforderung
können die aus der Materialwirtschaft abgeleiteten darin, die Produktion so zu organisieren, dass hohe
Sicherungsziele auch auf die energetische Ressour- Energieverbräuche zu Tageszeiten, Wochentagen
cenplanung übertragen werden. Die energetische oder gegebenenfalls saisonbedingter geringer Ener-
Planung muss eine ausreichende Qualität, Quan- gienachfrage im Netz verlagert werden. Des Weiteren
tität, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit der Ressource kann durch eine geschickte Reihenfolgeplanung und
Energie gewährleisten. Des Weiteren muss gewähr- Feinterminierung Spitzenlast im Betrieb, wie das
leistet sein, dass die Energie in Abhängigkeit der parallele Hochfahren mehrerer Produktionsanlagen,
Kapazitätsplanung in ausreichender Menge zur Verfü- vermieden werden.
gung steht. In der Planung wird zwischen Eigenener-
gieerzeugung und dem Fremdbezug der benötigten Mithilfe der Plandaten wird in der Auftragsüberwa-
Energie unterschieden. Energiespeicher hingegen chung die Produktion überwacht. In dieser Phase wird
werden bereichsübergreifend eingeplant. der aktuelle Energieverbrauch mit dem geplanten
 Energieverbrauch abgeglichen. Störungen des
 Betriebsablaufs erfordern eine Anpassung der Ener-
4.2.2 Energiesensitive gieplanung. Des Weiteren kann die im Produktions-
Produktionssteuerung ablauf bestehende Flexibilität dazu genutzt werden,
 kurzfristig auf Preissignale aus dem Energiemarkt
Im Rahmen der Steuerungsphase wird der Planungs- und dem Angebot der Energieeigenproduktion zu
zeitraum z.B. auf 1-2 Wochen reduziert und es erfolgt folgen. In Abhängigkeit von der Reaktionsgeschwin-
die Freigabe der Produktionsaufträge, deren Start- digkeit wird zwischen Day-Ahead und Real Time
termin in diesen Planungshorizont fällt. Demand Response unterschieden.

18
Zunehmende Granularität der Steuerung

 Zunehmendes Datenvolumen und Übertragungsgeschwindigkeit
 Angebots- Angebots-
 orientierte orientierte
 Verbrauchs- Verbrauchs-
 steuerung steuerung
 des in
 Folgetags Echtzeit
 Kosten-
 orientierter
 Energie- Nutzungs- Spitzenlast-
 effizienz zeitraum management
 (Niedertarif-
 zeit)

 Energiespezifische Energiesteuerung
 Ablaufplanung In der Auftragsüberwachung

Abbildung 9: Demand Side Management Aktivitäten, von der Energieeffizienz bis zum Real-Time Demand
Response (in Anlehnung an Samad und Kiliccote 2012)

4.3 Resultierende Anforderungen die Planung komplexer und mit zunehmender Dauer
an Softwarelösungen der Planungsintervalle sinkt die Planungssicherheit.
 Prognose- und Simulationsmodelle des Energiebe-
Die Anforderungsdefinition vor dem Hintergrund einer darfs und der Energiebereitstellung können dabei
Energiemanagement-Softwareanalyse lässt sich in helfen, die Planungssicherheit zu erhöhen.
drei Bereiche gliedern. Dabei wird zwischen grundle-
genden Systemanforderungen, planungsspezifischen Vergleichbar zur Planung basieren die steuerungsspe-
Systemanforderungen und steuerungsspezifischen zifischen Systemanforderungen auf der Integration
Systemanforderungen unterschieden (Abbildung 10). der Variablen Energie in die Produktionssteuerung.
 Die Dauer der benötigten Datenerfassungsintervalle
Die grundlegenden Systemanforderungen bilden die nimmt in gleichem Maße ab, in dem die Steuerungs-
Basis für das Management eines Industrial Smart granularität zunimmt. Im Rahmen einer angebots-
Grids. Um die Teilbereiche Eigenenergieerzeugung, orientierten Steuerung in Echtzeit sind auch Echt-
Energiespeicherung, Energiebeschaffung und den zeitdaten als Steuerungsgrundlage notwendig. Eine
Energieverbrauch in der Produktion in einem Smart besondere Herausforderung in der Steuerungsphase
Grid zu verbinden und energieoptimal zu planen und stellt das Lastmanagement dar. Hier gilt es, das Spit-
zu steuern, müssen planungs- und steuerungsrele- zenlastmanagement in das Energiemanagement zu
vante Daten aus den Teilbereichen im System erfasst, integrieren.
verwaltet, vernetzt und verarbeitet werden.

Planungsspezifische Systemanforderungen basieren
auf der Integration der Variablen Energie in die
Produktionsplanung. Verbunden mit einer zuneh-
menden Fluktuation in der Energiebereitstellung wird

 19
20
 Industrial Smart Grid
 Produktion als
 Eigenenergieerzeugung Energiespeicherung Energiebeschaffung
 Verbraucher

 Anforderungen

 Grundlegende Systemanforderungen
 Erfassung, Verwaltung und Verarbeitung von:
 - Produktionsdaten der Eigenenergieerzeugung
 - Energiemarktdaten
 - Energiedaten aus der Produktion auf Prozessebene
 - Speicherdaten

 Planungsspezifische Systemanforderungen Steuerungsspezifische Systemanforderungen

 - Energieangebotsorientierte Planung - Energieangebotsorientierte Steuerung

 - Simulations- und Prognosemodelle des Energiebedarfs - Echtzeit-Datenerfassung

 - Simulations- und Prognosemodelle der Energiebereitstellung - Spitzenlastmanagement

 Energiestrategische Positionierung des Unternehmens

 Energiebezug Energieflexibilität Energieeffizienz

 Abbildung 10: Systemanforderungen für Energiemanagement-Softwarelösungen durch Industrial Smart Grids
5 Ansätze des Energiemanagements

Mit Einführung der Norm DIN EN ISO 50001 „Ener- 5.1 Energiemanagementsystem
giemanagementsysteme – Anforderungen mit Anlei-
tung zur Anwendung“ im Jahr 2011 existiert eine Ein Energiemanagementsystem identifiziert und
global gültige, sektorübergreifende Norm, die Unter- quantifiziert alle relevanten Energieströme in einem
nehmen bei dem Aufbau eines systematischen Ener- Unternehmen und ermöglicht somit eine möglichst
giemanagements leitet und unterstützt. hohe Verbrauchs- und Kostentransparenz.

„Energiemanagement ist die Kombination aller „Ein Energiemanagementsystem bildet Gesamtheit
Maßnahmen, die bei einer geforderten Leistung aller miteinander zusammenhängender oder inter-
einen minimalen Energieeinsatz sicherstellen. Es agierender Elemente zur Einführung einer Energiepo-
bezieht sich auf Strukturen, Prozesse und Systeme litik und strategischer Energieziele, sowie Prozesse
sowie auf menschliche Verhaltensweisen und -änder- und Verfahren zur Erreichung dieser strategischen
ungen“ (Springer Gabler Verlag 2015a). Ziele“ (DIN EN ISO 50001; DIN EN ISO 50001).

Ziel des Energiemanagements ist es, spezifische Auf Basis der erfassten Energieströme können
Energieziele zu definieren, Energieverbräuche sowohl strategische als auch operative Entschei-
transparent zu machen und den Energieverbrauch dungen im Bereich der Energieeffizienz getroffen
kontinuierlich zu senken. Daraus resultierend soll werden. Im Kern basiert die Energiemanagement
die Energieproduktivität nachhaltig im Unternehmen Norm DIN EN ISO 50001 auf dem PDCA-Zyklus
gesteigert werden. (Plan-Do-Check-Act). Der PDCA-Zyklus ist ein
 kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP) und
 integriert das Energiemanagement in Form eines
 dynamischen Kreislaufs in das Tagesgeschäft der
 Unternehmen (Abbildung 11).

Abbildung 11: PDCA Zyklus auf Basis DIN EN ISO 50001

 21
5.2 Energiemanagement- Die Softwarelösungen dienen in der Planungsphase
Softwarelösungen der Datenverwaltung.
 Do: In der Umsetzungsphase können die umge-
Die Komplexität, Größe und Dynamik vieler Unter- setzten Maßnahmen im System dokumentiert
nehmen macht eine softwaregestützte Lösung werden. Die Softwarelösungen unterstützen in der
des Energiemanagements unabdingbar. Software- Umsetzungsphase die Datenverwaltung.
lösungen sind dabei in der Lage, den KVP der DIN EN
ISO 50001 zu dokumentieren und zu automatisieren Check: In der Kontrollphase können Energiedaten
(Abbildung 12). Dabei können die entsprechenden im System erfasst, verwaltet und verarbeitet werden.
Softwarelösungen grundsätzlich alle vier Phasen des Des Weiteren unterstützen die Systeme das energie-
KVP abbilden. Abbildung 12 zeigt in diesem Zusam- bezogene Berichtswesen, indem innerhalb der Soft-
menhang die potentiellen Softwarefunktionen inner- ware Berichte generiert werden können, die auf die
halb der Phasen des KVP auf. Energieziele und Aktionspläne abgestimmt sind.

Plan: In der Planungsphase können die energeti- Act: In der Handlungsphase können Maßnahmen zur
sche Ausgangsbasis sowie die strategischen und kontinuierlichen Verbesserung im System dokumen-
operativen Energieziele und Aktionspläne im System tiert werden. Die Softwarelösungen unterstützen in
dokumentiert und verwaltet werden. der Handlungsphase die Datenverwaltung.

 Plan Do

 Datenverwaltung Datenverwaltung

 Act Check

 Datenverwaltung Reporting

 Datenverarbeitung

 Datenverwaltung

 Datenerfassung

Abbildung 12: Energiemanagement-Softwarefunktionen zur Unterstützung des KVP der DIN ISO 50001

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Neben den EMS-Softwarelösungen werden zuneh- MES-Systeme sind in der digitalen Unterneh-
mend MES-Softwarelösungen mit Energiefunktiona- mensstruktur zwischen ERP-Systemen (Enterprise
litäten auf Basis der DIN EN ISO 50001 entwickelt. Ressource Planning) und Prozessleitebene ange-
 ordnet (Abbildung 13). ERP-Systeme bilden das Infor-
„Manufacturing Execution Systems (MES) werden mationsrückrat der unternehmensweiten Planung.
seit einigen Jahren intensiv diskutiert und kommen in
produzierenden Unternehmen in praxisgerecht umge- Sie decken in der Regel Funktionen in den Bereichen
setzten Konzepten nun zunehmend zum Einsatz. Als Vertrieb, Einkauf, Material-/Termin- und Kapazitäts-
Bindeglied zwischen den Maschinensteuerungen und planung, Produktion, Logistik, Lagerhaltung sowie
den Systemen der Unternehmensleitebene sorgen After Sales ab (Mussbach-Winter et al. 2013).
MES-Konzepte sowohl für die vertikale als auch für
die horizontale Integration in der Fertigungsleitebene In MES-Systemen erfolgt die Feinplanung der
und schaffen so die Voraussetzungen für die unter- Produktionsaufträge. Randbedingungen der Planung
schiedlichsten Planungs-, Verwaltungs-, und Opti- sind dabei sowohl Daten der Grobplanung, als auch
mierungsaufgaben“ (Mussbach-Winter et al. 2013). Informationen aus der Leit- und Steuerungsebene.

 Unternehmensebene ERP Grobplanung

 Betriebsebene MES Feinplanung

 Leitebene SCADA Überwachung

 Steuerungsebene SPS Steuerung

 Feldebene Aktor/ Sensor Signalumwandlung

 Fertigung Prozess

Abbildung 13: Automatisierungspyramide und damit verbundene Planungsebenen (Pickert & Partner 2010)

Die VDI Richtlinie 5600 – Fertigungsmanagement- Ein Trend in der Entwicklung von MES-Systemen
systeme definiert aus aufgabenorientierter Sicht geht in die Richtung, Energiemanagement in die
folgende Funktionen für MES-Systeme (VDI Richt- Systemarchitektur zu integrieren (Sontow et al.
linie 5600): 2013). MES-Systeme bieten dabei den Vorteil, das
 Energiemanagement direkt in den Planungs- und
• Feinplanung und -steuerung Steuerungsprozess der Produktion einzubinden. In
• Betriebsmittelmanagement diesem Zusammenhang können Verbrauchswerte
• Materialmanagement nicht nur ressourcenbezogen analysiert werden,
• Personalmanagement sondern mit Daten aus Betriebsmittelmanagement,
• Datenerfassung Materialmanagement oder Qualitätsmanagement
• Leistungsanalyse verknüpft werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse
• Qualitätsmanagement ziehen, welche Fertigungsschritte besonders ener-
• Informationsmanagement gieintensiv sind und welche Maßnahmen ergriffen
 werden können, um den Energieverbrauch zu redu-
 zieren.

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6 Funktionsanalyse Energiemanagement-Softwarelösungen

Mit zunehmender Bedeutung des Themas Energie- Strukturell orientiert sich die Funktionsanalyse an
management in der industriellen Produktion wächst den Softwaresystemebenen, die sich auf Basis der
auch der Markt der Softwarelösungen. Die bestmög- Anforderungen im Energiemanagement ableiten
liche Lösung für ein spezifisches Unternehmen zu lassen. So stehen im besonderen Fokus der Analyse
finden, ist ein komplexer Prozess. Innerhalb dieses die in den Systemen abgebildeten Produktionstypen
Prozesses müssen die Anforderungen des Unterneh- und Energieformen, die Energiedatenerfassung,
mens mit den Funktionalitäten der Softwarelösungen die Energiedatenverwaltung, die energiebezogene
abgeglichen werden. Für EMS-Software hat die Datenverarbeitung und das energiebezogene Repor-
Energieagentur Nordrhein-Westfalen einen Markt- ting. Die beiden Ebenen Schnittstellen sowie System
spiegel erstellt, der wichtige Funktionalitäten der und Technik werden in der Analyse nicht abge-
Softwarelösungen übersichtlich und kompakt darstellt bildet. Schnittstellen sowie System und Technik sind
(EnergieAgentur.NRW 2015). Für die Integration des entscheidende Entwicklungsfragen im Zuge einer
Energiemanagements in MES-Systeme hat der MES zunehmenden Digitalisierung der Produktion. Sie
D.A.CH Verband einen speziellen Marktspiegel zum sind technische Voraussetzungen für eine System-
Thema Energiemanagement herausgebracht (MES integration in die Softwarestruktur eines Unterneh-
D.A.CH und HIR.GmbH 2013). Weiterhin wurde mens. Der strukturelle Aufbau der Funktionsanalyse
das Thema Energie in den funktionsübergreifenden basiert auf den Softwareanforderungen aus Kapitel
Marktspiegel integriert (MES D.A.CH / HIR.GmbH 3.5 und 4.3 (Abbildung 14).
2014).

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