Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT

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  • Publication
    Structuring the Digital Energy Platform Jungle: Development of a Multi-Layer Taxonomy and Implications for Practice
    ( 2022)
    Duda, Sebastian
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    Bank, Lukas
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    Kaymakci, Can
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    Köberlein, Jana
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    Wenninger, Simon
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    Haubner, Tobias
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    Sauer, Alexander
    ;
    Schilp, Johannes
    Rising and volatile energy prices are forcing production companies to optimize their consumption patterns and reduce carbon emissions to remain competitive. Demand-side management (DSM) or energy flexibility (EF) is a promising option for the active management of electricity demand. With DSM, energy procurement costs can be effectively reduced, for example, by reducing peak loads and taking advantage of volatile energy prices. In addition, renewable energies can be better integrated to reduce carbon emissions while stabilizing the power grid. Although the benefits of DSM for production companies are well known, implementation is not yet widespread. A key barrier is the high requirements of IT systems and the associated effort and complexity involved in setting them up. Companies often lack appropriate IT systems or have historically grown systems that do not allow continuous communication from the machine to the energy market. A variety of different platforms promise solutions to address these challenges. However, when selecting platforms, it is often unclear which aspects and functionalities of a platform are relevant for a company s specific application. To address this gap, we developed a multi-layer taxonomy of digital platforms for energy-related applications in the industry that includes a general, as well as a more specific data-centric and transaction-centric perspective. We develop, revise, and evaluate our taxonomy using insights from literature and analysis of 46 commercially available platforms or platforms developed through research projects. Based on our taxonomy, we derive implications for research and practice. Our results contribute to the descriptive knowledge of digital platforms in energy-related applications. Our taxonomy enables researchers and practitioners to classify such platforms and make informed decisions about their deployment.
  • Publication
    C.4 Papierherstellung
    ( 2022)
    Bank, Lukas
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
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    Carda, Stephan
    ;
    Donnelly, Julia
    ;
    Friedl, Thomas
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    Halbrügge, Stephanie
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    Hofmann, Falk
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    Kerpedzhiev, Georgi
    ;
    Langer, Kilian
    ;
    Schöpf, Michael
    ;
    Schott, Paul
    ;
    Wollensak, Michael
    Die Umsetzung von Energieflexibilität in der Papierindustrie wird stellvertretend an den drei Standorten Dörpen, Plattling und Schongau des finnischen Konzerns UPM-Kymmene Oyj betrachtet. Am Standort Dörpen (Nordland Papier GmbH) liegt der Fokus auf dem Streichprozess, der als nachgelagerter Prozess nach der Papiermaschine für eine Oberflächenveredelung des Papiers sorgt. Die Trocknungsanlage des Streichprozesses kann bivalent zwischen Strom und Gas betrieben werden. Durch eine ebenfalls bivalente Dampferzeugung kann dadurch am Standort Dörpen eine flexible Leistung von 35 MW bereitgestellt werden. Am Standort Plattling (Rhein Papier GmbH) weisen die drei Halbstofffertigungslinien zurzeit durch die Stilllegung einer Papiermaschine eine Überkapazität auf, die für die Bereitstellung von Energieflexibilität genutzt werden kann. Am Standort Schongau stellt die Abschaltung der Thermo-Mechanical-Pulp-Anlage (TMP-Anlage) aufgrund der hohen Leistung von 35 MW und der guten Übertragbarkeit eine Energieflexibilitätsmaßnahme mit vielversprechendem Potenzial dar. Für den Standort kann diese Energieflexibilität zu einer Kostensenkung von über 14 Prozent führen. Eine Hochrechnung auf die gesamte deutsche Papierindustrie hat ergeben, dass TMP-Anlagen zwischen 19.000 und 70.000 MWh/a potenzielle Energieflexibilität in Deutschland bereitstellen können, wenn die in Schongau entwickelte Energieflexibilitätsmaßnahme (die 2021 auf 7.455 MWh/a kam und in den Vorjahren ein theoretisches Potenzial von bis zu 28.368 MWh/a aufwies) auf alle TMP-Anlagen in Deutschland angewandt würden. Für die Umsetzung einiger dieser Energieflexibilitätsmaßnahmen sind technische Entwicklungen notwendig, beispielsweise eine geeignete IT-Infrastruktur, die ebenfalls in diesem Kapitel beschrieben wird.
  • Publication
    A.3 Energieflexible Modellregion Augsburg
    ( 2022-01-01)
    Bank, Lukas
    ;
    Blöchl, Bruno
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
    ;
    Dietz, Benjamin
    ;
    Ebinger, Katharina
    ;
    Fouquet, Marcel
    ;
    Häckel, Björn
    ;
    Hieronymus, Aljoscha
    ;
    Jetter, Fabian
    ;
    Jordan, Patrick
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Koch, Carsten
    ;
    Kohler, Baldur
    ;
    Krings, Bettina-Johanna
    ;
    Mayer, Tim
    ;
    Michaelis, Anne
    ;
    Müller, Andreas
    ;
    Ober, Steffi
    ;
    Reichmuth, Marcel
    ;
    Roth, Stefan
    ;
    Roth, Lea
    ;
    Scharmer, Valerie
    ;
    Schilp, Johannes
    ;
    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Schott, Paul
    ;
    Schulz, Julia
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    Veitengruber, Frank
    ;
    Vernim, Susanne
    ;
    Weißflog, Jan
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    Winter, Christian
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    Wuntke, Marian
    ;
    Zachmann, Bastian
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    Zäh, Michael
    Die Energieflexible Modellregion Augsburg stellt eine Demonstrator-Umgebung dar, die energieflexiblen Fabriken die Möglichkeit bietet, die Vermarktung von Energieflexibilität im Rahmen eines konzeptionellen Testbetriebs in einem regionalen Kontext zu erproben. Für die Beschreibung der Energieflexiblen Modellregion Augsburg werden im Kapitel A.3 die Grundlagen der regionalen Vermarktung von Energieflexibilität vorgestellt. Dazu werden ökonomische, technische und gesellschaftliche Lösungsbausteine untersucht. Darüber hinaus wird beschrieben, wie ein Spezialpapierhersteller, ein Gewerbeverbund, elektrische Fahrzeuge, ein Landmaschinenhersteller sowie kleine und mittlere Unternehmen dazu befähigt werden können, energieflexibel zu operieren. Neben der Untersuchung, der Umsetzung und dem Test zur regionalen Vermarktung von Maßnahmen in Industrieunternehmen (z. B. energieflexible Steuerung von Ladesäulen, Lüftungsanlagen oder die energieflexible Fahrweise der Strom- und Dampferzeugung) wird das Potenzial zur Weiterentwicklung und der Übertragbarkeit auf andere Regionen aufgezeigt. Die Regionen, die hinsichtlich ihrer techno-ökonomischen Aspekte für eine Übertragung geeignet sind, umfassen zwar deutlich weniger als 20 Prozent der Fläche der Bundesrepublik Deutschland. Auf sie entfallen allerdings ca. 44 Prozent des Gesamtstromverbrauchs und rund 50 Prozent des industriellen Stromverbrauchs. Es bestehen somit weitreichende Möglichkeiten, die gewonnenen Erkenntnisse aus der Energieflexiblen Modellregion Augsburg zur Erschließung von Energieflexibilitätspotenzialen in weiteren Regionen in ganz Deutschland einzusetzen.
  • Publication
    Energieflexibel in die Zukunft - Wie Fabriken zum Gelingen der Energiewende beitragen können
    (VDI Verlag, 2021)
    Bachmann, Andreas
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Bark, Carlo
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Blöchl, Bruno Blöchl
    ;
    Brugger, Martin
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
    ;
    Dietz, Benjamin
    ;
    Donnelly, Julia
    ;
    Friedl, Thomas
    ;
    Halbrügge, Stephanie
    ;
    Hauck, Heribert
    ;
    Heil, Joachim
    ;
    Hieronymus, Aljoscha
    ;
    Hinck, Torben
    ;
    Ilieva-König, Svetlina
    ;
    Johnzén, Carl
    ;
    Koch, Carsten
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Köse, Ekrem
    ;
    Lochner, Stefan
    ;
    Lindner, Martin
    ;
    Mayer, Tim
    ;
    Mitsos, Alexander
    ;
    Roth, Stefan
    ;
    Sauer, Alexander
    ;
    Scheil, Claudia
    ;
    Schilp, Johannes
    ;
    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Schulz, Julia
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    Schulze, Jan
    ;
    Sossenheimer, Johannes
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    Strobel, Nina
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    Tristan, Alejandro
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    Vernim, Susanne
    ;
    Wagner, Jonathan
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    Wagon, Felix
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    Weibelzahl, Martin
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    Weigold, Matthias
    ;
    Weissflog, Jan
    ;
    Wenninger, Simon
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    Wöhl, Moritz
    ;
    Zacharias, Jan
    ;
    Zäh, Michael F.
    Eine energieflexible Stromnachfrage kann einen erheblichen Beitrag bei der Neuausrichtung unseres Stromsystems hin zu einer erneuerbaren Energieerzeugung leisten. Die Nachfrage industrieller Verbraucher stellt mit einem Anteil von 44 % am Gesamtstromverbrauch [1] den größten Hebel dar, um die Versorgungssicherheit vor dem Hintergrund einer verstärkt witterungsabhängigen Erzeugung weiterhin zu gewährleisten und zugleich einen wichtigen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit zu leisten. Dabei ergibt sich durch die Bereitstellung von Energieflexibilität gerade für Industrieunternehmen die Chance, wirtschaftliche Vorteile gegenüber einer nicht flexiblen Energienachfrage zu erzielen und einen Beitrag zur Nachhaltigkeit der Stromversorgung zu leisten.
  • Publication
    Integrating Energy Flexibility in Production Planning and Control - An Energy Flexibility Data Model-Based Approach
    ( 2021)
    Bank, Lukas
    ;
    Wenninger, Simon
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Lindner, Martin
    ;
    Kaymakci, Can
    ;
    Weigold, Matthias
    ;
    Sauer, Alexander
    ;
    Schilp, Johannes
    Production companies face the challenge of reducing energy costs and carbon emissions while achieving the logistical objectives at the same time. Active management of electricity demand, also known as Demand Side Management (DSM) or Energy Flexibility (EF), has been recognized as an effective approach to minimize energy procurement costs for example by reducing peak loads. Additionally, it helps to integrate (self-generated, volatile) renewable energies to reduce carbon emissions and has the ability to stabilize the power grid, if the incentives are set appropriately. Although production companies possess great potential for EF, implementation is not yet common. Approaches to practical implementation for integrating energy flexibility into production planning and control (PPC) to dynamically adapt the consumption to the electricity supply are scarce to non-existent due to the high complexity of such approaches. Therefore, this paper presents an approach to integrate EF into PPC. Based on the energy-oriented PPC, the approach identifies and models EF of processes in a generic energy flexibility data model (EFDM) which is subsequently integrated in the energy-oriented production plan and further optimised on the market side. An application-oriented use case in the chemical industry is presented to evaluate the approach. The implementation of the approach shows that EF can have a variety of characteristics in production systems and a clear, structured, and applicable method can help companies to an automated EF. Finally, based on the results of the use case, it is recommended to introduce EF in production companies stepwise by extending existing planning and scheduling systems with the presented approach to achieve a realization of flexibility measures and a reduction of energy costs.
  • Publication
    Konzept der Energiesynchronisationsplattform. Diskussionspapier V3
    (Fraunhofer IGCV, 2020)
    Reinhart, Gunther
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Brugger, Martin
    ;
    Hieronymus, Aljoscha
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Roth, Stefan
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    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Sauer, Alexander
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Kaymakci, Can
    ;
    Schel, Daniel
    ;
    Schlereth, Andreas
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
    ;
    Bojung, Caroline
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    Schott, Paul
    ;
    Weibelzahl, Martin
    ;
    Wenninger, Simon
    ;
    Weigold, Matthias
    ;
    Lindner, Martin
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    Ronge, Karlheinz
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    Oeder, Andreas
    ;
    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Winter, Christian
    ;
    Jarke, Matthias
    ;
    Ahrens, Raphael
    Das Kopernikus-Projekt SynErgie entwickelt eine IT-Plattform, die automatisierten und standardisierten Handel mit industriell bereitgestellter Energieflexibilität ermöglichen soll. Wie diese Plattform funktionieren könnte, zeigt das Diskussionspapier ""Konzept der Energiesynchronisationsplattform"": Die zunehmende Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen führt aufgrund der Wetterabhängigkeit von Wind und Sonne zu einem zunehmend volatileren Stromangebot. Damit das notwendige Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage im Elektrizitätssystem jederzeit gewährleistet werden kann, sind Maßnahmen zum Ausgleich dieser Schwankungen notwendig. Energieintensive Industrieprozesse beinhalten ein hohes Flexibilitätspotenzial, um mittels Demand-Response, diesen Schwankungen zu begegnen. SynErgie arbeitet daran, den gesamte Prozess des Energieflexibilitätshandels von der Maschine bis an die Märkte auf einer IT-Plattform zu automatisieren und zu standardisieren. Die Energiesynchronisationsplattform besteht aus zwei logischen Teilplattformen, einer Markt- und vielen Unternehmensplattformen. Ziel bis Mitte 2022 ist es, ein durchgängiges Konzept einschließlich des Daten- und Informationsflusses von der Maschine bis zu den Energiemärkten zu entwickeln und in einer Referenzarchitektur abzubilden. Außerdem soll das Konzept im Rahmen einer Vielzahl von Forschungs- und Industriedemonstratoren und insbesondere in der Modellregion Augsburg mit lokalen Akteuren in einem umfassenden Testbetrieb erprobt werden. Mehr zur Energiesynchronisationsplattform, der Markt- und Unternehmensplattform, zur Informationssicherheit der IT-Plattformen, Anwendungsbeispielen und den Zukunftsvisionen können Sie im Diskussionspapier nachlesen.
  • Publication
    IT-based architecture for power market oriented optimization at multiple levels in production processes
    ( 2019)
    Seitz, Philipp
    ;
    Abele, Eberhard
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Colangelo, Eduardo
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Schilp, Johannes
    ;
    Schott, Paul
    ;
    Sedlmeir, Johannes
    ;
    Strobl, Nina
    ;
    Weber, Thomas
    Given the increasingly volatile prices on the power markets, it becomes economically more and more important for companies to develop and realize flexible strategies for energy consumption. A steady adaption of production processes which considers current power prices can take place on several levels of the automation pyramid, where each level has its own characteristics and requirements. In this paper, we present an optimization architecture based on an IT-platform which meets the challenges of complex multilayered production processes. We introduce layer-specific optimization strategies as well as an associated information flow, which facilitates creating holistic and well-coordinated optimizations.
  • Publication
    Konzeption der Energiesynchronisationsplattform
    ( 2018)
    Reinhart, Gunther
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Brugger, Martin
    ;
    Roth, Stefan
    ;
    Simon, Peter
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Colangelo, Eduardo
    ;
    Eigenbrod, Hartmut
    ;
    Grigorjan, Arthur
    ;
    Pfeilsticker, Lena
    ;
    Schel, Daniel
    ;
    Schulz, Fabian
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Hering, Fabian
    ;
    Keller, Robert
    ;
    Schott, Paul
    ;
    Jarke, Matthias
    ;
    Ahrens, Raphael
    ;
    Pullmann, Jaroslav
    ;
    Abele, Eberhard
    ;
    Weber, Thomas
    ;
    Bühner, Volker
    ;
    Meyer, Benjamin
    Der langfristige Verzicht auf fossile und nukleare Energiequellen und die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien bei der Stromerzeugung führen zu einer volatileren Stromversorgung. In Abhängigkeit von externen Realitäten betont die Produktion erneuerbarer Energien die Notwendigkeit von Maßnahmen, die das notwendige Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage im Elektrizitätssystem jederzeit gewährleisten. Energieintensive Industrieprozesse umfassen theoretisch hohe Demand-Response-Potenziale, die geeignet sind, diese zunehmende Liefervolatilität zu bewältigen. Dennoch betreiben die meisten Unternehmen ihre Produktion aus mehreren Gründen nicht flexibel: Unter anderem mangelt es den Unternehmen an Know-how, Technologien und einem klaren Business Case, um eine zusätzliche Flexibilität in ihren Produktionsprozessen einzuführen mögliche Auswirkungen auf ihre Prozesse durch Variation des Strombedarfs und Unterstützung bei der Ausnutzung ihrer Flexibilität. Neben der Förderung von Wissen in Industrieunternehmen ist eine IT-Lösung erforderlich, die Unternehmen dabei unterstützt, das Demand-Response-Potenzial ihrer Prozesse zu nutzen. Das Konzept muss Unternehmen dabei unterstützen, die energieflexiblen Produktionsprozesse von Unternehmen zu steuern und diese Potenziale in Flexibilitätsmärkten zu monetarisieren. Dieses Arbeitspapier stellt ein Konzept vor, das sowohl Unternehmen als auch Energiemärkte integriert. Es ermöglicht den automatisierten Handel des Demand-Response-Potenzials von Unternehmen auf verschiedenen Flexibilitätsmärkten.