Praxisbeispiel: Nachhaltiges Wirtschaften SynErgie: Flexibler Stromverbrauch als smarte Lösung für energieintensive Fabriken

Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV

Die schwankende Stromproduktion von Windkraft- und Photovoltaikanlagen wird für Energieversorger zur Herausforderung. Sie müssen auch dann ein stabiles Versorgungssystem gewährleisten, wenn die Anlagen gerade keinen oder wenig Strom erzeugen. Ein Beitrag zur Lösung liegt in einer Anpassung des Stromverbrauchs von Fabriken an die fluktuierende Stromerzeugung durch Wind und Sonne. Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft haben das innovative Konzept nun in der Modellregion Augsburg getestet. Die Ergebnisse sind ermutigend. Das Konzept der energieflexiblen Fabrik funktioniert auch in der Praxis – und senkt sogar den CO2-Aussstoß.

Der Ausbau von Photovoltaik und Windkraft wird angesichts des drohenden Klimawandels längst als Notwendigkeit akzeptiert. Ohne den weitreichenden Umbau des Energieversorgungssystems sind die hochgesteckten Ziele der Energiewende nicht erreichbar. Doch die Stromproduktion bei den erneuerbaren Energien ist abhängig von Witterung oder Tageszeit und schwankt daher ständig.

Nun hat das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV gemeinsam mit Gesamtprojektkoordinator Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA im Projekt SynErgie neuartige Konzepte zur Unterstützung des Stromversorgungssystems entwickelt. Beteiligt waren auch die Fraunhofer-Institute für Integrierte Schaltungen IIS, für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, für Angewandte Informationstechnik FIT, die Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer FIT sowie Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft. Die Konzepte sehen vor, die Fluktuationen der erneuerbaren Energien durch die Anpassung des industriellen Stromverbrauchs auszugleichen. Im Rahmen der Kopernikus-Projekte förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bereits zwei jeweils dreijährige Projektphasen. Im Sommer 2023 startete die dritte Förderphase mit über 70 Projektpartner:innen mit dem Ziel, die erarbeiteten Lösungen aus den vorherigen Phasen praktisch umzusetzen und zu validieren.

Die schwankende Stromproduktion von Windkraft- und Photovoltaikanlagen wird für Energieversorger zur Herausforderung. Sie müssen auch dann ein stabiles Versorgungssystem gewährleisten, wenn die Anlagen gerade keinen oder wenig Strom erzeugen. Ein Beitrag zur Lösung liegt in einer Anpassung des Stromverbrauchs von Fabriken an die fluktuierende Stromerzeugung durch Wind und Sonne. Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft haben das innovative Konzept nun in der Modellregion Augsburg getestet. Die Ergebnisse sind ermutigend. Das Konzept der energieflexiblen Fabrik funktioniert auch in der Praxis – und senkt sogar den CO2-Aussstoß.

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Koordination von Strombedarf und Stromerzeugung

Die Grundidee von SynErgie besteht darin, den Energiebedarf der Industrie gezielt an die aktuelle Stromproduktion anzupassen. Dazu werden beispielsweise Produktionsschritte mit hohem Strombedarf zu Zeiten mit viel Wind- und Sonne eingeplant. Wenn die Wind- und Photovoltaikkraftwerke schwächeln, werden bevorzugt Anlagen mit geringem Stromverbrauch genutzt. Im Einzelfall können auch energieintensive Maschinen zeitweise gedrosselt werden. Die Produktionsziele werden trotz des flexibel angepassten Energieverbrauchs jederzeit eingehalten.

Dass dies tatsächlich möglich ist und am Ende sogar deutliche Einsparungen bei den CO2-Emissionen bringt, konnte das Projekt SynErgie bereits in der ersten Förderphase von 2016 bis 2019 unter Beweis stellen.

Modellregion Augsburg

Dazu wählten die Forschenden Augsburg und umliegende Landkreise als Modellregion. Hier finden sich u. a. Betriebe aus Maschinenbau, Metallerzeugung und -verarbeitung sowie Papier-, Chemie- und Kunststoffgewerbe und damit ein repräsentativer Querschnitt durch die deutsche Industrie. Für die beteiligten Industriepartner der Modellregion Augsburg wurde eine flexibilisierbare Leistung von etwa 38 Megawatt ermittelt, was in etwa der Ladeleistung von 3.500 Elektrofahrzeugen entspricht. Wegen des für deutsche Industrieregionen typischen Profils können das Potenzial und die möglichen Probleme sowie Lösungsansätze für eine energieflexible Fabrik auf andere Regionen übertragen werden.

Koordination von Strombedarf und Stromerzeugung

Die Grundidee von SynErgie besteht darin, den Energiebedarf der Industrie gezielt an die aktuelle Stromproduktion anzupassen. Dazu werden beispielsweise Produktionsschritte mit hohem Strombedarf zu Zeiten mit viel Wind- und Sonne eingeplant. Wenn die Wind- und Photovoltaikkraftwerke schwächeln, werden bevorzugt Anlagen mit geringem Stromverbrauch genutzt. Im Einzelfall können auch energieintensive Maschinen zeitweise gedrosselt werden. Die Produktionsziele werden trotz des flexibel angepassten Energieverbrauchs jederzeit eingehalten.

Dass dies tatsächlich möglich ist und am Ende sogar deutliche Einsparungen bei den CO2-Emissionen bringt, konnte das Projekt SynErgie bereits in der ersten Förderphase von 2016 bis 2019 unter Beweis stellen.

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Mehr zum Synergie Schaubild

3 Tipps zum Nachmachen

  • Mit der energieorientierten Produktionsplanung können Unternehmen Stromkosten senken, ohne das Erreichen von Produktionszielen zu gefährden.
  • Fertigungsprozesse, Versorgungstechnik und Eigenerzeugungsanlagen sollten bei der Identifikation, Bewertung und Umsetzung kombiniert betrachtet werden.
  • Auch kleine und mittelständische Unternehmen können im Rahmen der Modellregion ihr Potenzial erfahren.

Prüfung von energieintensiven Prozessen

Die Expertinnen und Experten nahmen vor allem energieintensive Anlagen und Prozesse in den Blick. »Insbesondere Branchen mit hohem Energiebedarf verfügen über flexibilisierbare Anlagen, die durch ihre Größenordnung spürbar positive Effekte auf das Versorgungssystem haben«, erklärt Stefan Roth, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter am Fraunhofer IGCV.

Das Ergebnis zeigt, dass die energieflexiblen Fabriken kosteneffizient realisierbar sind und die CO2-Bilanz des Gesamtsystems verbessert wird. »Für die Modellregion Augsburg wurden durch drei exemplarische Maßnahmen energieflexibler Fabriken deutlich positive Effekte auf die regionale Energiebilanz erreicht. Diese bewegen sich im Maßstab eines mittelgroßen fossilen Kraftwerks. Durch den höheren Anteil erneuerbarer Energien am Strommix sinkt auch der CO2-Ausstoß der Stromerzeugung«, erklärt Jana Köberlein, wisenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IGCV.

Heutiger und zukünftiger Nutzen für die Unternehmen

SynErgie ist damit zunächst besonders für energieintensive Betriebe attraktiv. Aber auch für kleine und mittlere Unternehmen stellen steigende und zunehmend volatile Strompreise einen immer wichtigeren Kosten- und Risikofaktor dar. Energiespezifische Daten, wie prognostizierte Strompreise, die erwartete Eigenerzeugung und der Strombedarf von Maschinen und Anlagen werden daher bei vielen Unternehmen bereits neben Durchlaufzeit, Kapazitäten und Terminen in der Produktionsplanung und -steuerung (PPS) berücksichtigt. Die Vorteile dieser sogenannten energieorientierten PPS spiegeln sich in den Kostenpotenzialen wieder. Ein erhöhter Nutzungsgrad der selbst erzeugten Energie, die Reaktion auf variable Preise an den Strommärkten sowie die Senkung der Jahreshöchstlast sind beispielhafte Ansatzpunkte für eine Kostenoptimierung der Strombeschaffung. Wenn es so der Industrie gelingt, sich beim Stromverbrauch auf die Stromerzeugung einzustellen, werden weniger konventionelle Kraftwerke benötigt und der schnelle Ausbau der Stromnetze wird weniger dringlich. Ein durchdachter Technologiemix sorgt auch für regionale Energiewertschöpfung und hilft, Deutschland als Leitmarkt für Energietechnologie zu etablieren.

Das Fraunhofer IGCV und seine Partner arbeiten an weiteren Pilotprojekten in der Modellregion Augsburg und installieren Softwareplattformen bei Industriepartnern. Diese können dann im Zusammenspiel mit den regionalen Netzbetreibern erprobt werden.

Kontakt

Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV

Herrn Stefan Roth
Forschungsschwerpunkt: energieorientierte Produktionsplanung/-steuerung, Mitarbeiter Kopernikus-Projekt SynErgie

Am Technologiezentrum 10
86159 Augsburg

+49 821 906780
+49 821 90678-40
Stefan.Roth@igcv.fraunhofer.de
http://www.igcv.fraunhofer.de

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