Hintergrund

Aufgrund gestiegener Energiepreise sowie Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollten Energieumwandlungsprozesse effizient, ressourcenschonend und emissionsarm gestaltet werden. Neben der Optimierung einzelner Anlagen bietet insbesondere die betriebliche und überbetriebliche Kopplung von Stoff- und Energieströmen ein bedeutendes Effizienzpotential. Die Prüfung von Energieeffizienzmaßnahmen wird von Unternehmen allerdings vielfach erst dann in Auftrag gegeben, wenn die laufenden Energiekosten bekannt sind. Zu diesem Zeitpunkt sind Maßnahmen zur Effizienzsteigerung jedoch häufig entweder aus infrastrukturellen Gründen nicht mehr umsetzbar oder nicht wirtschaftlich, da die investitionsabhängigen Kosten die Kostenreduktion durch Effizienzerhöhung in diesen Fällen deutlich übersteigen. Werden die Energiekosten dagegen bereits in einem frühen Stadium der Planungsphase bei Neuinstallationen und Erweiterungen von Energieversorgungssystemen berücksichtigt, so können mit oft nur geringfügig höheren Investitionen der Energieeinsatz und somit die Energiekosten deutlich reduziert werden.

Die Produktion in Industrieparks bietet gegenüber der Produktion an separierten Standorten weit mehr Möglichkeiten zur Energieeffizienz, insbesondere durch die Kopplung von Prozessen und die Nutzung von Ausgleichs- und Synergieeffekten zwischen einzelnen Unternehmen (Bild: Chemiepark Knapsack, Werkteil Knapsack). Dies  ist  insbesondere  im Bereich der Energiebereitstellung und –wandlung von Vorteil, da in den Unternehmen eines Industrieparks unterschiedliche Energiebedarfsstrukturen vorliegen. So unterscheiden sich bei verschiedenen Prozessen insbesondere die Qualitätsniveaus, auf denen Energie benötigt wird: Während beispielsweise in Prozessen der metallverarbeitenden Industrie Wärme auf sehr hohen Temperaturniveaus in der Größenordner vieler hundert Grad Celsius benötigt wird, liegen die Temperaturniveaus des Wärmebedarfs in der Ernährungsindustrie häufig unterhalb von 100°C. Befinden sich solche Produktionsstätten an einem gemeinsamen Standort, bietet es sich an, die Abwärme der metallverarbeitenden Betriebe zur Wärmebereitstellung in der Ernährungsindustrie zu integrieren.

Zielsetzungen

Im Allgemeinen ist die Zahl der möglichen Energieversorgungssysteme zur Deckung komplexer Energiebedarfsstrukturen, wie sie in Industrieparks vorliegen, sehr groß. Die Komplexität dieser Systeme entsteht durch die unüberschaubare Vielfalt möglicher Kombinationen und Auslegungen der verschiedenen Versorgungsanlagen. Die Wahl einer Strukturvariante aus der Vielzahl möglicher Lösungen ist äußerst zeitaufwendig. Ferner werden Entscheidungen bei der Planung von Energieversorgungssystemen im starken Maße durch persönliche Präferenzen des Planers beeinflusst: So werden häufig solche Anlagen installiert, mit deren Technologie der Planer besonders vertraut ist. Andere Technologien, die für das Gesamtsystem möglicherweise besser geeignet wären, werden oftmals gar nicht in Betracht gezogen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine Methodik zur Strukturoptimierung zu entwickeln, die es dem Planer ermöglicht, ein für den jeweiligen Anwendungsfall möglichst optimales Energieversorgungskonzept zu entwickeln. Dazu soll rechnergestützt eine Großzahl möglicher Energieversorgungsvarianten vorgeschlagen werden und anschließend nach wirtschaftlichen, ökologischen und weiteren Kriterien bewertet werden. Somit soll der Planer in die Lage versetzt werden, vorurteilsfrei die am besten geeignete Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall zu finden. Die zu entwickelnde Methodik ist in der Lage die Struktur eines Energieversorgungssystems zu optimieren. Häufig werden solche Strukturoptimierungen anhand von Überstrukturen vorgenommen. Diese Überstrukturen beschreiben eine gewisse Untermenge aller möglichen Energiesysteme, die dem Anwender aussichtsreich erscheint und reduzieren die Komplexität des Optimierungsproblems erheblich. Da die Vorgabe einer Überstruktur Zeit kostet und bestimmte Lösungsvarianten a priori ausschließt ohne Sie zu bewerten, soll in diesem Projekt von der Vorgabe einer Überstruktur möglichst abgesehen werden.

Die zu entwickelnde Methodik soll in Softwareprototypen implementiert und von den beteiligten Industriepartnern getestet werden. Durch den Einsatz einer solchen Optimierungssoftware sollen nicht nur bereits bedachte Varianten einer vergleichenden Bewertung unterzogen werden, sondern auch gänzlich neue Varianten entwickelt und in der Bewertung Berücksichtigung finden. Die Software bietet dabei nicht ausschließlich eine Entscheidungsunterstützung im Planungsprozess neuer Produktionsstandorte, sondern sie unterstützt den Planer insbesondere auch bei der Umstrukturierung und Erweiterung bestehender Standorte.

Der Fokus liegt auf der Aufdeckung von Energieeffizienzpotenzialen in Industrieparks. Dabei stehen die verschiedenen Energieformen wie Strom, Wärme und Kälte im Mittelpunkt der Betrachtungen. Weitere Effizienzpotentiale zum Beispiel bei der Abfallverwertung oder der Druckluftversorgung stellen mögliche Erweiterungen dar. Gerade die Energiesysteme von Industrieparks besitzen aufgrund ihrer erheblichen Vielfältigkeit, Komplexität und Energieintegrationspotenziale wesentliche Energieeffizienzpotenziale, die durch eine günstige Verschaltung der Energieversorgungsanlagen der ansässigen Unternehmen ausgeschöpft werden können. Dennoch sollen auch einzelne Unternehmen an separierten Produktionsstandorten von der Anwendung des Werkzeugs profitieren können.

Förderer:

Das Projekt wird im Rahmen des 5. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.