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
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    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
    A.3 Energieflexible Modellregion Augsburg
    ( 2022-01-01)
    Bank, Lukas
    ;
    Blöchl, Bruno
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    Buhl, Hans Ulrich
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    Dietz, Benjamin
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    Ebinger, Katharina
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    Fouquet, Marcel
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    Häckel, Björn
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    Hieronymus, Aljoscha
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    Jetter, Fabian
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    Jordan, Patrick
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    Köberlein, Jana
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    Koch, Carsten
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    Kohler, Baldur
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    Krings, Bettina-Johanna
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    Mayer, Tim
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    Michaelis, Anne
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    Müller, Andreas
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    Ober, Steffi
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    Reichmuth, Marcel
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    Roth, Stefan
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    Roth, Lea
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    Scharmer, Valerie
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    Schilp, Johannes
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    Schimmelpfennig, Jens
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    Schott, Paul
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    Schulz, Julia
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    Veitengruber, Frank
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    Vernim, Susanne
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    Weißflog, Jan
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    Winter, Christian
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    Wuntke, Marian
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    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
    C.4 Papierherstellung
    ( 2022)
    Bank, Lukas
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
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    Carda, Stephan
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    Donnelly, Julia
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    Friedl, Thomas
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    Halbrügge, Stephanie
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    Hofmann, Falk
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    Kerpedzhiev, Georgi
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    Langer, Kilian
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    Schöpf, Michael
    ;
    Schott, Paul
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    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
    Wie IT die Energieflexibilitätsvermarktung von Industrieunternehmen ermöglicht und die Energiewende unterstützt
    ( 2021)
    Bauer, Dennis
    ;
    Hieronymus, Aljoscha
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    Kaymakci, Can
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    Köberlein, Jana
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    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Wenninger, Simon
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    Zeiser, Reinhard
    Auf dem Weg zur Erreichung der gesetzten Klimaziele in Deutschland muss der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung stetig ausgebaut werden. Die damit einhergehende zunehmende Fluktuation der Erzeugungsleistung stellt die Stromnetze vor große Herausforderungen. Da knapp 44 % des Strom- und rund ein Viertel des Wärmeverbrauchs in Deutschland auf die Industrie entfällt, bietet diese signifikantes Potenzial, Schwankungen im Stromnetz durch die Anpassung des Stromverbrauchs an das Stromangebot im Sinne von Demand Response mittels Energieflexibilität auszugleichen. Bislang erschwert neben regulatorischen Rahmenbedingungen insbesondere eine fehlende einheitliche Modellierung & Kommunikation von Energieflexibilität sowie deren Einbettung in bestehende Unternehmens-IT-Infrastrukturen eine optimale und automatisierte Vermarktung. Im Rahmen des Forschungsprojekts SynErgie wurden hierfür informationstechnische Anforderungen erhoben, Datenmodelle zur Beschreibung von Energieflexibilität und eine übergeordnete IT-Architektur entwickelt. Mit Hilfe einer unternehmensspezifischen Plattform und einer zentralen Marktplattform kann der Informations- und Kommunikationsfluss von der Maschine/Anlage bis zur Flexibilitätsvermarktung und wieder zurück abgebildet werden. Eine Vielzahl verschiedener Services unterstützt hierbei ein Unternehmen von der Identifikation bis hin zur automatisierten und standardisierten Vermarktung von Energieflexibilität. Durch die Einsatzmöglichkeiten und Wirkansätze von IT wurden Grundsteine für nachhaltigkeitsbezogene Effekte des industriellen Energieverbrauchs gelegt, welche in den kommenden Monaten in einer Modellregion in und um Augsburg mit Industrieunternehmen, Netzbetreibern und weiteren Serviceanbietern getestet werden.
  • 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
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    Dietz, Benjamin
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    Donnelly, Julia
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    Friedl, Thomas
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    Halbrügge, Stephanie
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    Hauck, Heribert
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    Heil, Joachim
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    Hieronymus, Aljoscha
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    Hinck, Torben
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    Ilieva-König, Svetlina
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    Johnzén, Carl
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    Koch, Carsten
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    Köberlein, Jana
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    Köse, Ekrem
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    Lochner, Stefan
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    Lindner, Martin
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    Mayer, Tim
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    Mitsos, Alexander
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    Roth, Stefan
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    Sauer, Alexander
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    Scheil, Claudia
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    Schilp, Johannes
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    Schimmelpfennig, Jens
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    Schulz, Julia
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    Schulze, Jan
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    Sossenheimer, Johannes
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    Strobel, Nina
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    Tristan, Alejandro
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    Vernim, Susanne
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    Wagner, Jonathan
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    Wagon, Felix
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    Weibelzahl, Martin
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    Weigold, Matthias
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    Weissflog, Jan
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    Wenninger, Simon
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    Wöhl, Moritz
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    Zacharias, Jan
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    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
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Sauer, Alexander
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Kaymakci, Can
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    Schel, Daniel
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    Schlereth, Andreas
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
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    Bojung, Caroline
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    Schott, Paul
    ;
    Weibelzahl, Martin
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    Wenninger, Simon
    ;
    Weigold, Matthias
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    Lindner, Martin
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    Ronge, Karlheinz
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    Oeder, Andreas
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    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Winter, Christian
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    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
    The Challenges and Opportunities of Energy-Flexible Factories: A Holistic Case Study of the Model Region Augsburg in Germany
    ( 2020)
    Roth, Stefan
    ;
    Schott, Paul
    ;
    Ebinger, Katharina
    ;
    Halbrügge, Stephanie
    ;
    Kleinertz, Britta
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Püschel, Danny
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
    ;
    Ober, Steffi
    ;
    Reinhart, Gunther
    ;
    Roon, Serafin von
    Economic solutions for the integration of volatile renewable electricity generation aredecisive for a socially supported energy transition. So-called energy-flexible factories can adapt theirelectricity consumption process efficiently to power generation. These adaptions can support thesystem balance and counteract local network bottlenecks. Within part of the model regionAugsburg, a research and demonstration area of a federal research project, the potential, obstacles,effects, and opportunities of the energy-flexible factory were considered holistically. Exemplaryflexibilization measures of industrial companies were identified and modeled. Simulations wereperformed to analyze these measures in supply scenarios with advanced expansion of fluctuatingrenewable electricity generation . The simulations demonstrate that industrial energy flexibility canmake a positive contribution to regional energy balancing, thus enabling the integration of morevolatile renewable electricity generation. Based on these fundamentals, profiles for regional marketmechanisms for energy flexibility were investigated and elaborated. The associated environmentaladditional expenses of the companies for the implementation of the flexibility measures wereidentified in a life-cycle assessment, with the result that the negative effects are mitigated by theincreased share of renewable energy. Therefore, from a technical perspective, energy-flexiblefactories can make a significant contribution to a sustainable energy system without greaterenvironmental impact. In terms of a holistic approach, a network of actors from science, industry,associations, and civil society organizations was established and actively collaborated in atransdisciplinary work process. Using design-thinking methods, profiles of stakeholders in theregion, as well as their mutual interactions and interests, were created. This resulted in requirementsfor the development of suitable business models and reduced regulatory barriers.
  • Publication
    Extending the Automation Pyramid for Industrial Demand Response
    ( 2019)
    Körner, Marc-Fabian
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Keller, Robert
    ;
    Rösch, Martin
    ;
    Schlereth, Andreas
    ;
    Simon, Peter
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Reinhart, Gunther
    Industrial demand response uses a multitude of energy flexibility measures. Their planning and control requires various production IT systems. A widely accepted approach to classify these inhouse IT systems are the levels of the automation pyramid in companies. This paper broadens the scope of this concept to overcome the limitation to companies' (virtual) borders by including required IT systems that refine and monetarize a company's energy flexibility, e.g. energy markets, aggregators, etc. Therefore, a holistic approach for the classification of functionalities for industrial demand response across companies and energy markets is developed and applied exemplarily.
  • Publication
    Simulation-based analysis of energy flexible factories in a regional energy supply system
    ( 2019)
    Roth, Stefan
    ;
    Thimmel, Markus
    ;
    Fischer, Jasmin
    ;
    Schöpf, Michael
    ;
    Unterberger, Eric
    ;
    Braunreuther, Stefan
    ;
    Buhl, Hans Ulrich
    ;
    Reinhart, Gunther
    In a decentralized and renewable energy system, reliable and economical solutions are necessary to adjust power demand to a volatile power supply by photovoltaic and wind energy plants. A high potential for the balancing of short and medium-term power supply fluctuations is seen in energy flexible factories. To leverage this potential, monetary incentives and technological enablers have to be developed. Apart from that, the ecological and social aspects of energy flexible factories have to be considered in transdisciplinary research, to achieve a broad public acceptance. To assess the complex interrelations between the technical, political, legal and social sector, a clear and accessible base for discussions is necessary. This paper presents an approach for a simulation based-analysis of energy flexible factories with focus on high applicability and comprehensibility for stakeholders from different disciplines. This paper presents the general structure of the simulation model including the operation module for the energy flexible region Augsburg.