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SEKTOR INDUSTRIE

Der Industriesektor ist nach dem Energiesektor der zweitgrößte Emittent von Treibhausgasemissionen in Deutschland. So kommt auch der Industrie eine zentrale Rolle im Klimaschutz zu. Neben der Steigerung der Energieeffizienz, zum Beispiel durch Abwärmenutzung und Abwärmeverstromung, sind die effizientere Nutzung von Material und Produkten sowie die Einführung neuer Produktionsverfahren wesentliche Hebel für die Reduzierung von Industrieemissionen. Wie eine Produktion von morgen aussehen könnte, demonstrieren Forschungsfabriken, die darauf abzielen, durch technische und organisatorische Lösungen Energiekosten zu sparen und gleichzeitig das Stromnetz zu stützen. Zudem tragen auch bioökonomische Ansätze zu einem zukunftsfähigen Wirtschaftssystem bei.

Die Fabrik stüzt das Netz

Bisher sind Fabriken vor allem Energieverbraucher. Eine Fachgruppe der Technischen Universität Darmstadt hat gemeinsam mit mehreren Industriepartnern eine Modellfabrik entwickelt, die zeigt, wie metallverarbeitende Betriebe das Stromnetz der Zukunft stabilisieren, Energie flexibilisieren und den Ausstoß an Treibhausgasen verringern können. Die in einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt entwickelte Technik kann künftig auf viele kleine und mittlere Unternehmen übertragen werden.

Von außen gleicht die PHI-Factory einem modernen Bürogebäude: hohe Glaswände, viel Licht. Doch statt Schreibtischen stehen hier Anlagen, wie sie in vielen mittelständischen Metallverarbeitungsbetrieben zu finden sind. Die PHI-Factory ist bis ins Detail mit diesen vergleichbar. Nur verbraucht sie rund 40 Prozent weniger Energie.

In der großen Halle mit all ihren Maschinen wird mit dem Kooperationspartner Bosch-Rexroth nur ein einziges kleines Bauteil verarbeitet – eine rund zehn Zentimeter breite Steuerscheibe für eine Pumpe. Tatsächlich ist die PHI-Factory nicht in erster Linie zum Produzieren da. Vielmehr ist sie ein stattliches Forschungslabor des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt. Rund 20 Ingenieurinnen und Ingenieure der Forschungsgruppe Energietechnologien und Anwendungen untersuchen hier, wie sich metallverarbeitende Produktionsprozesse so steuern lassen, dass sie nicht nur energiesparend sind, sondern sich auch perfekt in das Stromnetz der Zukunft einfügen.

Gelingt es, die Produktion all dieser Betriebe in Zukunft so zu steuern, dass sie sich flexibel an dem Energieangebot ausrichtet, dann wäre viel gewonnen, um das Stromnetz zu stabilisieren.

PHI-Factory-Projektleiterin Jessica Walther von der TU Darmstadt

Viele kleine Fabriken ersetzen Großkraftwerke

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird in den kommenden Jahren der Anteil des schwankenden Stromangebots aus Sonnen- und Windenergie zunehmen. Zugleich fallen große Atom- und Kohlekraftwerke weg, die das Stromnetz über Jahrzehnte konstant versorgt haben. Daher braucht es alternative Technologien, die das Stromnetz stützen. Solche Technologien sind die entscheidende Voraussetzung dafür, dass sich Deutschland künftig zum großen Teil mit regenerativ erzeugter Energie versorgen kann. Nur damit werden sich die Klimaziele erreichen und die Kohlendioxidemissionen verringern lassen. „In Deutschland gibt es etwa 12.000 mittelständische Fertigungstechniker“, erklärt PHI-Factory-Projektleiterin Jessica Walther von der TU Darmstadt. „Gelingt es, die Produktion all dieser Betriebe in Zukunft sozusteuern, dass sie sich flexibel an dem Energieangebot ausrichten, dann wäre in Summe viel gewonnen, um das Stromnetz zus tabilisieren.“

WIESO PHI?

PHI, das Formelzeichen für die Phasenverschiebung, gab dem Forschungsprojekt seinen Namen. Ziel ist eine stabile Produktion und ein stabiles Verteilnetz. Das BMWi hat diePHI-Factory mit rund 4,8 Millionen Euro gefördert. Der Projektträger Jülich (PtJ) hat das Vorhaben begleitet.

Ein regelrechter Maschinenpark

Wie das geht, erforscht das Projektkonsortium unter Darmstädter Leitung mit einer ausgeklügelten Anlagentechnik. In erster Linie sind das die Maschinen, die für die Produktion der Steuerscheibe benötigt werden: die Werkzeugmaschinen, in denen die gusseisernen Rohlinge gedreht, gefräst und geschliffen, die Öfen, in denen die Scheiben gehärtet und die Reinigungsanlagen, in denen sie gesäubert werden. Hinzu kommt die Technik, die die Fabrik mit Energie versorgt: Zum einen ein Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmeproduktion; zum anderen ein vakuumisolierter Wärmespeicher, der die Abwärme der Öfen aufnimmt. Die Wärme wird später genutzt, um Wasser aufzuheizen, das dann beispielsweise in den Reinigungsmaschinen zum Einsatz kommt.

Um elektrischen Strom zu speichern, gibt es einen Hybridspeicher. Er besteht aus einer großen Batterie und einer rotierenden Schwungmasse. Bei einem Überangebot an Ökostrom kann der Strom damit doppelt gespeichert werden. Er versetzt eine Schwungmasse in Rotation, die in einem reibungsfreien Lager gleitet. Bei Bedarf wird sie abgebremst und die Bremsenergie in Strom zurückgewandelt. Der Schwungmassenspeicher kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn für kurze Zeit viel Strom benötigt wird – zum Beispiel dann, wenn die Werkzeugmaschinen angefahren werden. Batterien leiden, wenn man siehäufig kurz lädt und entlädt. Der Schwungmassenspeicher aber ist geradezu ideal, um kurzfristige hohe Strombedarfe, sogenannte Lastspitzen, abzudecken. Die Batterie wiederum kann Energie liefern, wenn über längere Zeit Strom benötigt wird – beispielsweise bei einem Stromausfall. Die Fabrik kann damit gut eine Stunde autarkarbeiten.

In der Digitalisierung zählt jedes Detail

All diese Technologien sind bereits entwickelt, sodass sie in den kommenden Jahren auf den Markt kommen können. „Die eigentliche Leistung besteht darin, alle Anlagen so miteinander zu verknüpfen, dass sie sich perfekt an dem Energieangebot im Stromnetz ausrichten“, sagt der stellvertretende Projektleiter Benedikt Grosch. „Die Herausforderung war für uns, die Produktion und die Versorgungstechnik umfassend zu digitalisieren, um die Steuerscheibenfertigung mit dem aktuellen Energieangebot und dem Zustand des Stromnetzes abzustimmen.“ In einem ersten Schritt wurden dazu in der Fabrik viele Hundert Sensoren verbaut, die den Zustand der Maschinen, den Stromverbrauch, Temperaturen und vieles mehr messen. „Wir mussten zunächst alle Anlagen- und Maschinendaten erfassen“, sagt Grosch. „Erst danach konnten wir beginnen, die Steuersoftware zu programmieren.

Fabriken werden zum Dienstleister

Tatsächlich ist es dem PHI-Factory-Team gelungen, die Fabrik zu einem exemplarischen Baustein für das intelligente Stromnetz der Zukunft zu machen. Die Fabrik speichert Ökostrom, den sie bei Lastspitzen nutzt. Zugleich stabilisiert sie das Stromnetz: Der hybride Speicher und die Antriebe der Werkzeugmaschinen sind über einen sogenannten Frequenzumrichter mit der Außenwelt verbunden. Frequenzumrichter wandeln den Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom für die Maschinen – und umgekehrt. Damit kann ein Frequenzumrichter auch nach außen ins Stromnetz hineinwirken. Er kann unerwünschte Schwingungen im Stromnetz dämpfen, die unter anderem durch das An- und Abschalten großer Stromverbraucher entstehen. Eine Fabrik ist dann nicht mehr nur Verbraucher, sondern auch Dienstleister.

Künstliche Intelligenz stimmt alles ab

Um sämtliche Maschinen und die Versorgungstechnik mit Blockheizkraftwerk, Warmwasserspeicher und Hybridspeicher aufeinander abzustimmen, kam auch künstliche Intelligenz zum Einsatz. „Es sind so viele Parameter zu beachten, so viele Betriebszustände der Maschinen“, sagt Benedikt Grosch. „Das kann kein Mensch überblicken.“ Außerdem richte sich die Produktion auch nach dem Stromangebot und dem aktuellen Strompreis. Ist viel Ökostrom im Netz, ist Strom billig. Doch sollte man den Strom dann lieber in den Hybridspeicher pumpen oder die Maschinen direkt antreiben? Wann ist es sinnvoll, das Blockheizkraftwerk hochzufahren? Benedikt Grosch: „Es geht hier ganz viel um Optimierungsprozesse, die man ohne den Einsatz von Optimierungswerkzeugen wie beispielsweise KI nicht lösen kann.“

Zum Projektabschluss werden die Projektergebnisse in Darmstadt offiziell vorgestellt. Die können sich sehen lassen. Doch das Team will weitermachen. „Noch ist bei der Digitalisierung und Programmierung viel Handarbeit nötig“, sagt Jessica Walther. „Im nächsten Schritt wollen wir ein Steuersystem entwickeln, das sich künftig direkt auf verschiedene Fabrikstandorte übertragen lässt. Unsere Technik funktioniert. Man wird sie ohne Probleme auch für größere Produktionsstandorte nutzen können.“

MASSGESCHNEIDERTE INHALTSSTOFFE FÜR DIE BIOÖKONOMIE

CIP
Competitive Insect Products

Ein weltweit wachsender Bedarf an hochwertigen Proteinen und Fetten für die Futter- und Nahrungsmittelindustrie verlang nach innovativen Ansätzen, um neue Ressourcen zu erschließen und Wertschöpfungsketten zu entlasten. Insektenmehle können hierbei einen wichtigen Beitrag leisten und insbesondere den Proteinbedarf von Nutztieren und in der Fischzucht decken. Das vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) gemeinsam mit Partnern aus der Industrie durchgeführte Vorhaben CIP untersucht das Potenzial von Insektenprodukten. Dabei entwickeln Forschende in einem ersten Aufgabengebiet neue Verwertungspfade für Insektenprodukte mit dem Fokus auf biobasierten Olefinen und Komplexnährmedien zur Kultivierung von Mikroorganismen.

Olefine stellen ein wichtiges Basisprodukt der industriellen Chemie dar. Die im Projekt verwendeten Larven der Schwarzen Soldatenfliege zeichnen sich durch einen großen Anteil hochwertiger Proteine und Fette aus. Neben der Verwendung als Futtermittel können diese auch als Rohstoff in der Kosmetikindustrie oder zur Herstellung biologisch abbaubarer Waschmittel dienen. Ziel ist es, Produkte, die ursprünglich aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl gewonnen wurden, durch biobasierte Rohstoffe zu ersetzen.

Schwerpunkt des zweiten Aufgabengebiets ist die Optimierung des Herstellungsprozesses von Insektenprodukten. Dabei dienen etwa Abfälle aus der Lebensmittelindustrie – Reste aus Bierbrauereien, Kaffeeröstereien oder Hühnerkot – als Nahrungsgrundlage für die Insektenlarven.

PFIFF
POLYMERE FASERN AUS BIOBASIERTEN FURANOATEN

Rund 50 Millionen Tonnen an erdölbasiertem Polyethylenterephthalat (PET) werden jedes Jahr weltweit produziert. PET steht damit auf Platz vier der meistproduzierten Kunststoffe. Polyethylenfuranoat (PEF) gilt als vielversprechendes biobasierte Alternativ- produkt zu PET. Die Entwicklung von PEF – vom Rohstoff über die Produktion von Hochleistungsfasern bis hin zu exemplarischen textilen Anwendungen – ist Ziel des PFIFF-Projektes.

Ausgangsstoffe für das PEF sind organische Abfallprodukte, die nicht im Lebensmittelbereich verwendet werden können. Forschende gehen davon aus, dass PEF an bestehenden Reaktoren und Spinnanlagen synthetisiert beziehungsweise ausgesponnen werden kann und dass ähnliche textile Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften wie bei dem Faserpolymer PET erreicht werden können. PEF hat dabei nicht nur ähnliche Eigenschaften wie PET, sondern ist durch weitere Vorteile wie eine höhere Gebrauchstemperatur und einen geringeren Schmelzbereich gekennzeichnet. Zugleich ist der Energieeinsatz bei PEF geringer und das Material zu 100 Prozent biobasiert und rezyklierbar.

Die Koordination des Vorhabens liegt bei den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), als weitere Partner sind unter anderem die Uni Hohenheim, das Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) und die Continental Reifen Deutschland GmbH in das Projekt eingebunden.

Bildnachweis


Bild „Sektor Industrie“: ©kbarzycki - stock.adobe.com

Bild „PHI-Factory“: TU Darmstadt/PTW/ETA/Jan Hosan, TU Darmstadt/PTW/ETA/Eibe Sönnecken

Bild „Wieso PHI?“: TU Darmstadt/PTW/ETA/Jan Hosan, TU Darmstadt/PTW/ETA/Eibe Sönnecken

Bild „CIP“: ©dule964 – stock.adobe.com

Bild „PFIFF“: ©ed2806 – stock.adobe.com

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