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
    Energieflexibel in die Zukunft - Wie Fabriken zum Gelingen der Energiewende beitragen können
    (VDI Verlag, 2021)
    Bachmann, Andreas
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Bark, Carlo
    ;
    Bauer, Dennis
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    Blöchl, Bruno Blöchl
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    Brugger, Martin
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    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
    ;
    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
    ;
    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
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    Kaymakci, Can
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    Weigold, Matthias
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    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
    Wie IT die Energieflexibilitätsvermarktung von Industrieunternehmen ermöglicht und die Energiewende unterstützt
    ( 2021)
    Bauer, Dennis
    ;
    Hieronymus, Aljoscha
    ;
    Kaymakci, Can
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    Köberlein, Jana
    ;
    Schimmelpfennig, Jens
    ;
    Wenninger, Simon
    ;
    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
    Konzept der Energiesynchronisationsplattform. Diskussionspapier V3
    (Fraunhofer IGCV, 2020)
    Reinhart, Gunther
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Brugger, Martin
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    Hieronymus, Aljoscha
    ;
    Köberlein, Jana
    ;
    Roth, Stefan
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    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Sauer, Alexander
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Kaymakci, Can
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    Schel, Daniel
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    Schlereth, Andreas
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    Fridgen, Gilbert
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    Buhl, Hans Ulrich
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    Bojung, Caroline
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    Schott, Paul
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    Weibelzahl, Martin
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    Wenninger, Simon
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    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
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    Winter, Christian
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    Jarke, Matthias
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    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
    Extending the Automation Pyramid for Industrial Demand Response
    ( 2019)
    Körner, Marc-Fabian
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Keller, Robert
    ;
    Rösch, Martin
    ;
    Schlereth, Andreas
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    Simon, Peter
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    Bauernhansl, Thomas
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    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
    Harnessing the Full Potential of Industrial Demand-Side Flexibility: An End-to-End Approach Connecting Machines with Markets through Service-Oriented IT Platforms
    ( 2019)
    Rösch, Martin
    ;
    Bauer, Dennis
    ;
    Haupt, Leon
    ;
    Keller, Robert
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Reinhart, Gunther
    ;
    Sauer, Alexander
    The growing share of renewable energy generation based on fluctuating wind and solar energy sources is increasingly challenging in terms of power grid stability. Industrial demand-side response presents a promising way to balance energy supply and consumption. For this, energy demand is flexibly adapted based on external incentives. Thus, companies can economically benefit and at the same time contribute to reducing greenhouse gas emissions. However, there are currently some major obstacles that impede industrial companies from taking part in the energy markets. A broad specification analysis systematically dismantles the existing barriers. On this foundation, a new end-to-end ecosystem of an energy synchronization platform is introduced. It consists of a business-individual company-side platform, where suitable services for energy-oriented manufacturing are offered. In addition, one market-side platform is established as a mediating service broker, which connects the companies to, e.g., third party service providers, energy suppliers, aggregators, and energy markets. The ecosystems aim at preventing vendor lock-in and providing a flexible solution, relying on open standards and offering an integrated solution through an end-to-end energy flexibility data model. In this article, the resulting functionalities are discussed and the remaining deficits outlined.
  • Publication
    IT-based architecture for power market oriented optimization at multiple levels in production processes
    ( 2019)
    Seitz, Philipp
    ;
    Abele, Eberhard
    ;
    Bank, Lukas
    ;
    Bauernhansl, Thomas
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    Colangelo, Eduardo
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Schilp, Johannes
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    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
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    Eigenbrod, Hartmut
    ;
    Grigorjan, Arthur
    ;
    Pfeilsticker, Lena
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    Schel, Daniel
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    Schulz, Fabian
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    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.
  • Publication
    Flexible IT-platform to Synchronize Energy Demands with Volatile Markets
    ( 2017)
    Bauer, Dennis
    ;
    Abele, Eberhard
    ;
    Ahrens, Raphael
    ;
    Bauernhansl, Thomas
    ;
    Fridgen, Gilbert
    ;
    Jarke, Matthias
    ;
    Keller, Fabian
    ;
    Keller, Robert
    ;
    Pullmann, Jaroslav
    ;
    Reiners, René
    ;
    Reinhardt, Gunther
    ;
    Schel, Daniel
    ;
    Schöpf, Michael
    ;
    Schraml, Philipp
    ;
    Simon, Peter
    Based on the goal of exiting nuclear and fossil energies within the electricity generation, the percentage of renewable energies in the energy mix rises. Due to renewable energies' dependence on natural resources like sun or wind this development leads to a volatile energy supply on the markets. To satisfy their customers' needs even with a volatile energy supply, especially companies of the manufacturing sector need to consider this development. Production processes need to be developed further to be more energy efficient and to be adaptable in their energy demand to volatile supply. This includes being operable on various power levels or with different kinds of energy such as electricity or gas. Energy-flexible production processes need to be supported by flexible IT solutions. While there are already solutions for demand-side-management on the company side as well as on the market side, there are no holistic solutions yet, allowing for integration regardless of company or market boundaries. Therefore, this paper presents the concept of a service-oriented architecture for a flexible IT-platform to synchronize energy demands with volatile markets. A holistic approach allows for integration of companies as well as energy markets and enables an automated and efficient exploitation of demand response potentials.