Kopplung von Fabrik und Gebäude: Ein zentraler Energiemanager schafft nachhaltige Synergieeffekte Das Gebäudemanagementsystem Emalytics Automation harmonisiert Datenformate und vernetzt intelligent Sektoren miteinander.

Kurzfassung

Mit der Kopplung der Sektoren Fabrikautomation und Gebäudetechnik lässt sich eine energetische Vorsteuerung der Produktion erreichen. Daten dienen dabei als Grundlage für die umfassende Automatisierung und Vernetzung. Damit alle Sektoren eine Sprache sprechen, bedarf es der Digitalisierung. Datenschnittstellen und harmonisierte Datenformate erlauben die vereinheitlichte Kommunikation zwischen der klassischen Gebäudetechnik und den Produktionsmaschinen. Nur so lassen sich Wechselwirkungen erkennen, um den Gesamtorganismus in weiteren Schritten zu optimieren.

Diese Rolle übernimmt bei Phoenix Contact Emalytics Automation. Als Gebäudemanagementsystem entwickelt, können mit dieser Lösung komplette Fertigungsstandorte energetisch verbessert werden. Mit dem Ziel, dass die Daten sämtlicher Gewerke für Emalytics nutzbar sind, bringt das Managementsystem sie in ein einheitliches Format und legt sie in der Phoenix Contact-Cloud ab.

Energetische Optimierung ganzer Standorte

Energie erzeugen, verteilen und verbrauchen: Dieser Dreiklang aus einem gesamtheitlich miteinander vernetzten Energiesystem stellt Energie zur richtigen Zeit genau dort zur Verfügung, wo sie benötigt wird. Dazu ist eine smarte Sektorenkopplung erforderlich, die auf erneuerbar erzeugter elektrischer Energie aufbaut. Ein solches Konzept bildet die Grundlage des Zukunftsbilds der All Electric Society. Der ganzheitliche Ansatz einer Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung der Sektoren Energie, Industrie, Infrastruktur und Mobilität funktioniert nicht nur im Großen, sondern auch im kleineren Fabrikmaßstab. Mit Komponenten und Systemen der Elektrotechnik, Elektronik und Automation bietet Phoenix Contact dafür Lösungen, die nachhaltige Synergieeffekte zwischen Produktion und Gebäudeautomation schaffen. Letztere hat das Potenzial, zukünftig die Aufgabe eines zentralen Energiemanagers wahrzunehmen. Zur Veranschaulichung: Steht etwa ein größerer Auftrag in der Disposition, lädt das Gebäudemanagement den internen Batteriespeicher auf, damit dieser später in der Lage ist, die in der Fertigung erwarteten Lastspitzen zu glätten. Dazu ist es notwendig zu wissen, wie hoch sich der Energieeinsatz pro Herstellungseinheit beläuft.

Zeitliche Entkopplung von Energieangebot und -nachfrage durch Energiespeicher

Ist das Verteilen und Speichern selbst generierter Energie einer der Kerngedanken der Sektorenkopplung, bietet sich das frühzeitige Puffern der konventionell von den Energieversorgungsunternehmen (EVU) erzeugten Energie als Rückfallstrategie an. Der gezielte Einkauf günstigen Stroms, die Kopplung von Liegenschaften mit Energiespeichern und ein effektives Lastspitzenmanagement (Peak Shaving) sorgen für hohe Verfügbarkeit zu akzeptablen Kosten. Auf diese Weise lässt sich einem großen Energiebedarf – z. B. im Rahmen einer hohen Fertigungsauslastung oder eines saisonal bedingten erheblichen Heiz- oder Kühlbedarfs – mit wirtschaftlichen kWh-Preisen begegnen. Strom sollte also dann eingekauft werden, wenn abzusehen ist, dass die selbst generierte Energie nicht ausreicht und konventionelle Energie günstig verfügbar ist. Hierbei handelt es sich um eine zeitliche Entkopplung von Bedarf und Angebot.

Eine solche zeitliche Entkopplung kann auch auf die regenerativen Erzeuger – sprich Windkraft- und Photovoltaikanlagen – übertragen werden. Die Kombination mit einem Energiespeicher schafft eine Möglichkeit, die während des Tages überschüssige Energie in der Nacht zu verbrauchen. So können EEG-Anlagen (Erneuerbare-Energien-Gesetz) ebenfalls am Netz bleiben, wenn die von ihnen erzeugte Energie nicht benötigt wird. Der Staat spart wiederum Kosten für Kompensationsleistungen. Der Bund zahlte hier 2022 rund 800 Millionen Euro Entschädigung für EEG-Anlagen, die wegen überlasteter Netze respektive mangelnder Energieabnahme vom Netz gehen mussten. Dies kann an windigen und sonnigen Tagen der Fall sein, an denen es nur geringen Heiz- oder Kühlbedarf gibt. In der konkreten Umsetzung findet die Kombination aus Wind-/Solarpark und Speicher bestenfalls am gemeinsamen Netzanschlusspunkt statt. Gebildet wird dabei eine Reserveeinheit, die aufgrund ihres Energiespeichers Primärregelleistung zur Verfügung stellen kann. So können auch ältere Windparks am Primärregelleistungsmarkt teilnehmen.

Intelligente Digitalisierung von Ortsnetzstationen

Funktionieren die energetischen Wechselbeziehungen innerhalb einer in sich geschlossenen Fabrik, wird dennoch klar, dass sich ein Mikro- nicht von einem übergeordneten Makrokosmos abgrenzen kann. Denn die Sektoren im Kleinen und im Großen stehen in einem engen Verhältnis zueinander. Soll die Energieversorgung eines produzierenden Unternehmens sichergestellt sein, müssen die Anforderungen der vielen dezentralen Netzteilnehmer ebenfalls beachtet werden. Der Ausbau der regenerativen Energien stellt die Stromnetze und vor allem die Ortsnetzstationen vor immer größere Herausforderungen. Wie bereits erwähnt, laufen dezentrale Erzeugungsanlagen – wie Windenergieanlagen oder Solarparks – unregelmäßig und belasten die Hoch- und Mittelspannungsnetze daher mit schwankenden Ertragslasten. Das Netz muss also schlauer werden und kritische Netzpunkte frühzeitig erkennen.

Auch in diesem Bereich bietet Phoenix Contact Lösungen, um Ortsnetzstationen intelligent zu digitalisieren und so für eine Transparenz und Übersicht über sämtliche Stationen aus der Ferne zu sorgen. Die erfassten Messwerte dienen der automatisierten Verstellung der Spannungsstufen, sodass Netzschwankungen ausgeschlossen und Störungen schneller behoben werden. Durch den automatischen Ausgleich von Spannungsschwankungen ist sowohl die zuverlässige Energieversorgung der fertigenden Industrie ebenso wie der Bevölkerung sichergestellt.

Die wenigen Beispiele zeigen auf, welches Potenzial in der Sektorenkopplung auf dem Weg zu einer All Electric Society steckt. Deutlich wird ebenfalls, dass den komplexen Zusammenhängen nur mit einer weiteren Digitalisierung sowie dem gezielten Einsatz von Sensorik zur Messdatenaufnahme begegnet werden kann. Innerhalb der Produktion gilt es, äußere Ereignisse in die Automation zu integrieren. Dabei handelt es sich z. B. um Informationen aus der Fertigungssteuerung, Wirtschaftsdaten des Energiemarkts oder die erwartete Nutzung von Gebäuden und Maschinen. Diese Daten fließen direkt aus dem Gebäudemanagementsystem Emalytics ein. Als Herz der Lösung fungiert das IIoT-Framework. Nach der Normalisierung stehen die erfassten Informationspunkte dem gesamten Netzwerk als serverbasierte Datenbank zur Verfügung – unabhängig davon, wer auf das Netzwerk zugreift respektive mit ihm verbunden ist. Es kann folglich um eine Maschine ebenso wie um eine Photovoltaikanlage, Pumpe oder Lüftungsanlage gehen. Emalytics trägt damit langfristig zu einer Optimierung des Verbunds bei.

Fazit

Die klassische Gebäudetechnik der vergangenen Jahrzehnte leistet heute deutlich mehr, insbesondere in puncto Sektorenkopplung. Mit Emalytics setzt Phoenix Contact auf eine Lösung, mit der sich unterschiedliche Anwendungsbereiche miteinander koppeln lassen – die Ladesäulen mit dem Energiemanagement, die Belüftung und Beleuchtung mit dem Facility Management oder der Energiespeicher mit der Produktion. Der Vorteil dieser Kopplung: Komplette Gebäude bis zu ganzen Standorten sind ganzheitlich energetisch optimierbar. Die Verbesserungen reichen hier von der Eigennutzung des Solarstroms über allgemeine Energieeinsparungen und die vorausschauende Wartung bis zum Lastspitzenmanagement.