„Moderne Ökonomen erhalten keine Belohnungen und Auszeichnungen dafür, dass sie sich mit Energie beschäftigen, und moderne Gesellschaften machen sich über Energie erst Gedanken, wenn die Versorgung bedroht zu sein scheint und die Preise in die Höhe schießen“, How the World Really Works, Vaclav Smil.
Mithilfe digitaler Transformation und Best Practices für Industrie 4.0 gelingt es vielen Branchen, die aktuelle Energiekrise zu bewältigen. Angesichts gestiegener Strom- und Gaskosten stünden viele Hersteller ohne Automatisierung und digital unterstütztes Energiemanagement vor dem Aus.
Die Industrie setzt jetzt verstärkt auf Roboter, dunkle Fabriken und Sensoren zur Präsenzerkennung. In intelligenten Fabriken, die mit der neuesten drahtlosen Technologie ausgestattet sind, lassen sich außerdem Maschinen und Transportmittel aus der Ferne verwalten. Darüber hinaus verfügen viele Fabriken mittlerweile über Sonnenkollektoren, Photovoltaikfenster, Präsenzsensoren und andere Technologien zur Energieeinsparung.
Die „dunkle Fabrik“ auf dem Vormarsch
Der Begriff „dunkle Fabrik“ bezieht sich auf eine Produktionsstätte, in der keine Menschen arbeiten, die Licht benötigen, und die theoretisch auch ohne Beleuchtung, also im Dunkeln, betrieben werden könnte. Dieses Konzept wird als „Lights Out Manufacturing“ bezeichnet. Dahinter steht die Idee, dass eine vollautomatisierte Produktion allein durch die Implementierung neuer Technologien wie Cloud, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz (KI) und digitale Zwillinge realisierbar ist.
Dunkle Fabriken sind vollautomatisiert und erfordern keine Menschen vor Ort. Der gesamte Produktionsprozess – von der Anlieferung der Rohstoffe bis zur Auslieferung der fertigen Produkte – erfolgt ausschließlich durch automatisch gesteuerte Maschinen.
Bilderkennung und maschinelles Lernen sparen Energie und Kosten durch optimierte Qualitätskontrolle und Produktion
Neue KI-Technologien wie maschinelles Lernen und Edge Computing helfen, Qualitätsprobleme und Produktionsunterbrechungen zu erkennen. Bildverarbeitung mit maschinellem Lernen ist nachweislich wesentlich effizienter und genauer als die herkömmliche Inspektion durch den Menschen. Dies trägt dazu bei, Ausfallzeiten und Produktverschwendung zu reduzieren und somit Zeit und Energie zu sparen.
Die Kombination von Prinzipien der Kreislaufwirtschaft mit Informationen, die von Milliarden vernetzter intelligenter Geräte generiert werden, unterstützt außerdem Innovation und nachhaltige Nutzung, verlängert die Produktlebensdauer und hilft, Möglichkeiten für eine Zweitverwendung zu finden.
Erneuerbare Energien helfen, verändern aber auch herkömmliche Verfahren zur Energieeinsparung
Um von niedrigeren Stromtarifen zu profitieren, war es bis vor Kurzem in Branchen mit hohem Energieverbrauch üblich, die Produktion auf Zeiten mit geringer Nachfrage zu verlegen. So entscheiden sich viele Fabriken mit hohem Strombedarf dafür, nachts zu arbeiten. In manchen Fällen bezahlten Versorgungsunternehmen diese Branchen sogar für die Nutzung überschüssiger Energie, die andernfalls verschwendet würde.
Durch die Pandemie und die aktuelle Energiekrise hat sich die Situation jedoch grundlegend geändert. Vor allem in Europa sind die günstigsten Stromtarife nicht mehr an eine bestimmte Tageszeit gebunden.
Einer der Gründe ist die zunehmende Stromerzeugung aus Sonnenenergie. Da Sonnenkollektoren nur tagsüber Strom liefern, lässt ihre Einspeisung ins Netz die Preise sinken, die nachts wieder steigen. Die gleiche Situation kann sich an Orten mit einer großen Kapazität von Windkraftanlagen umkehren.
Um optimal von den günstigsten Tarifen zu profitieren, müssen die Abläufe in Fabriken daher hocheffizient und flexibel sein.
TSN und drahtlose Kommunikation im Vergleich
Die Vernetzung von Maschinen, Fahrzeugen, Gebäuden und Abläufen bildet eine wichtige Säule von Industrie 4.0. Durch die Überwachung und Fernsteuerung des gesamten Herstellungsprozesses lassen sich nicht nur Effizienz und Sicherheit verbessern, auch Ausfälle können vorhergesehen werden. Außerdem ist vorausschauende Wartung möglich.
Neue Technologien wie private 5G-Netze sind zwar hocheffizient und sehr zuverlässig, können aber auch den Stromverbrauch erheblich steigern. Wenn Wireless die einzige Option ist, sind LPWAN-Standards wie LoRaWAN oder Zigbee wesentlich energieeffizienter als Mobilfunknetze.
Auch wenn drahtlose Kommunikation heute als schnellste Vernetzung vieler Geräte, Maschinen und anderer Ressourcen in der Fabrik gilt, liegt der Schlüssel zum Energiemanagement in hocheffizienten DC/DC-Lösungen. Sie stellen sicher, dass sich die Prozessoren so weit wie möglich in einem stromsparenden Standby-Modus befinden, und beschränken die drahtlose Kommunikation auf ein Minimum.
Aufgrund der explodierenden Anzahl von Sensorknoten, die für das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) erforderlich sind, tritt Ethernet an die Stelle von Feldbussen. Ethernet hat jedoch auch einen Nachteil – es fügt Latenz hinzu und ist nicht deterministisch. IIoT erfordert jedoch ein deterministisches System. Die Lösung lautet Time-Sensitive Networking (TSN). Hierbei handelt es sich um Standards, die einen Pfad mit hoher Priorität für zeitkritische Daten bieten. TSN könnte Maschinenschäden durch Echtzeitkommunikation verhindern, Ausfallzeiten vermeiden und Geld sparen.
Darüber hinaus kann TSN Breitbandkonnektivität und garantierten Pakettransport mit begrenzter niedriger Latenz, minimaler Schwankung der Paketverzögerung und geringem Paketverlust über ein einzelnes Twisted-Pair-Ethernet bereitstellen. TSN schafft im Rahmen von IEEE 802.1 eine standardisierte Basistechnologie für garantierte Dienstgüte (Quality of Service, QoS) und erhöhte Anforderungen im Ethernet. Dies betrifft nur die Kommunikation von OSI-Schicht 2 und nicht die Benutzeroberfläche.
Verteilte Fertigung und 3D-Druck ermöglichen weitere Energieeinsparungen und eine nachhaltigere Produktion
3D-Druck für die Industrie ermöglicht die Herstellung vieler geometrischer Strukturen und vereinfacht den Prozess des Produktdesigns. Überdies ist er auch relativ umweltfreundlich. Mithilfe von 3D-Druck können für kleine bis mittlere Stückzahlen die Vorlaufzeiten verkürzt und die Produktionskosten insgesamt gesenkt werden.
Im Gegensatz zur traditionellen Fertigung sind die Kosten pro Einheit nicht mengenabhängig. Mit 3D-Druck ist es auch möglich, die gleichen Teile mit genau den gleichen Spezifikationen überall auf der Welt herzustellen. Dadurch werden die zusätzlichen Kosten und der Energieverbrauch für den Transport eingespart und die Produktion wird nachhaltiger. Da industrielle 3D-Drucker immer billiger und schneller werden, wird auch die Notwendigkeit von Lagerhaltung und großen Lagerbeständen weniger kritisch, da Teile nach Bedarf gefertigt werden können.
HP zufolge können Produktionsläufe mit weniger als 100.000 Einheiten desselben Teils ohne zusätzliche Kosten vor Ort im 3D-Verfahren gedruckt werden. Das spart Zeit und erlaubt schnelle Änderungen. Da 3D-Drucker im Vergleich zu herkömmlichen Spritzgussverfahren nur einen Bruchteil der Energie verbrauchen, ist der 3D-Druck auch ein viel nachhaltigeres Produktionsverfahren.
„Die Tatsache, dass Industrie 4.0 eine verteilte Fertigung wirtschaftlich macht, eröffnet auch neue Möglichkeiten für Produktherstellung und -vertrieb“, erklärte Ramón Pastor, Vice President und General Manager, 3D Printing, HP, in einem Interview mit IoT Times. „Schätzungen zufolge wird bis zur Hälfte des weltweit verbrauchten Brennstoffs – in diesem Fall fossiler Brennstoff – dafür verbraucht, Produkte von ihrem Herstellungsort zu ihrem Einsatzort zu transportieren. Die Kombination aus Industrie 4.0, digitaler Fertigung und 3D-Druck macht es möglich, dieses Paradigma zu ändern und auf verteilte Fertigung umzusteigen. Das bedeutet im Grunde, dass das benötigte Produkt zu dem Zeitpunkt und an dem Ort hergestellt wird, an dem es gebraucht wird.“
Im letzten Jahrhundert hat unsere Welt dank fossiler Brennstoffe das größte industrielle Wachstum der Geschichte erlebt, angetrieben durch den unbegrenzten Zugang zu billiger, wenn auch umweltschädlicher Energie. Angesichts der Auswirkungen des Klimawandels und neuer regionaler Konflikte ist es heute von entscheidender Bedeutung, dass wir auf saubere Energiequellen umsteigen und den Stromverbrauch senken.
Traditionelle Industrien müssen sich dringend Best Practices und Technologien von Industrie 4.0 zu eigen machen, um die Energiekrise zu bewältigen und wettbewerbsfähig zu bleiben und zu überleben.
