Die industrielle Serienfertigung von Elektrolyseuren zur Bereitstellung von grünem Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg zur nachhaltigen Energiezukunft.

Im Rahmen des Projekts H2GIGA arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IFF daran, diese Produktion mit modernsten IT-Lösungen zu unterstützen und effizient zu gestalten.

Ein zentraler Erfolgsfaktor ist dabei die Entwicklung einer konsistenten IT-Systemlandschaft, die eine durchgängige digitale Steuerung und Überwachung der automatisierten Fertigung ermöglicht. Dafür wurden alle relevanten Anforderungen an die IT-Systeme identifiziert, priorisiert und dokumentiert. Ein besonderer Fokus lag auf der Auswahl eines leistungsfähigen Manufacturing Execution Systems (MES), dass eine Schlüsselkomponenten in der Fertigung ist und nahtlos mit weiteren Systemen wie ERP, CRM und SCM vernetzt wird.

Das MES soll die automatisierte Fertigung effizient steuern und die Prozesse entlang der Wertschöpfungskette optimieren. Für die Auswahl des passenden MES wurde daher ein strukturierter und methodischer Prozess entwickelt, der in mehreren Phasen stattfand. Nach einem Marktüberblick wurde ein Grobauswahl getroffen, welche die Basis für in eine Feinauswahl und Nutzwertanalyse bildet.

Im Ergebnis entstand ein strukturierter Anforderungskatalog, welcher die Grundlage für die Auswahl und Implementierung eines MES-Systems sowie der umgebenden IT-Infrastruktur darstellt.

Das Projekt H2GIGA wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und läuft bis Ende 2025. Über 120 Partner arbeiten an der Entwicklung von Elektrolyseuren im industriellen Maßstab, um die Erzeugung von grünem Wasserstoff im Gigawatt-Bereich zu ermöglichen.

Wie Knauf Elements GmbH & Co. mit Fraunhofer IFF die Produktion von morgen gestaltet

Im Rahmen der Standortentwicklung am Produktionsstandort Neuruppin stellt sich die Knauf Elements GmbH & Co. KG einer zentralen Herausforderung: Wie lässt sich die Produktion von seriellen Architektur-Bauteilen zukunftsfähig gestalten?

Ziel ist ein tragfähiges, ganzheitliches Entwicklungskonzept, das nicht nur die Basis für eine wettbewerbsfähige Produktion vor Ort bildet, sondern auch als konzernweite „Blaupause“ dienen kann. Dafür müssen die Produktions-, Prozess- und Flächenanforderungen sowie die Auswirkungen auf Mitarbeitereinsatz, Automatisierung und Infrastruktur systematisch analysiert und neu geplant werden. Das Unternehmen beauftragte das Fraunhofer IFF daher mit einem Standortentwicklungskonzept.

Die Ausgangssituation beinhaltete einige Herausforderungen: Es fehlte eine durchgängige Datenbasis, zum Beispiel zu Prozessen, Durchlaufzeiten, Maschinenauslastung oder Flächennutzung. Als Grundlage für die Planung wurde daher das gesamte Werk per 3D-Scan erfasst und ein digitales Abbild in CAD und dem Fabrikplanungstool visTable erstellt. Parallel begannen manuelle Zeitaufnahmen durch die Mitarbeitenden, deren Ergebnisse in Excel ausgewertet und in Stammdaten für die Kalkulation überführt wurden.

Bild_copyright ©Fraunhofer IFF

Mit der Datenauswertung entstand ein erstes Dashboard zur Prozessanalyse. Optimierungspotenziale wie ineffiziente Abläufe, fehlende Automatisierung und nicht genutzte Kapazitäten wurden sichtbar. In einer Tiefenanalyse wurden technische Bedarfe identifiziert, Lösungen konzipiert und mit einer Kosten-Nutzen-Bewertung sowie ROI-Berechnung hinterlegt. Das Ziel: Reduktion der Durchlaufzeiten, Steigerung des Outputs und Schaffung der Voraussetzungen für eine flexible, automatisierte Produktion.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IFF wurde ein umfassendes Standortentwicklungskonzept erarbeitet:

Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein innovatives Planungstool entwickelt, das eine frühe energetische Bewertung von Anlagenkonzepten ermöglicht.

Dadurch können Planer bereits in frühen Phasen fundierte Entscheidungen treffen. Zum Beispiel können energieeffiziente Anlagenkonfigurationen gezielt optimiert werden.

Das Tool basiert auf dem Datenformat AutomationML. Herzstück dabei ist eine strukturierte, wiederverwendbare Datenbasis. Planer können damit den Energiebedarf von Anlagen präzise berechnen und verschiedene Produktionsszenarien flexibel einbinden. Ein interaktives Berechnungsmodul ermöglicht die Echtzeitbewertung und nahtlose Integration in die Anlagenplanung.

Das System ist besonders flexibel: Produktionsszenarien und Parameter lassen sich dynamisch anpassen, ohne dass starre Attributzuweisungen notwendig sind.

Zudem ermöglicht die standardisierte Abbildung von Anlagenstrukturen eine effiziente Dokumentation. Auch eine Wiederverwendbarkeit der Berechnungsergebnisse ist problemlos möglich.

Mit dieser leistungsfähigen Softwarelösung können Planungsvarianten schnell und effizient bewertet werden. So wird eine frühzeitige energetische Optimierung möglich. Langfristig kann dies zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs und der Betriebskosten führen.

Unsere Lösung erlaubt es Planern, schon in frühen Phasen fundierte Entscheidungen zu treffen und energieeffiziente Anlagenkonfigurationen gezielt zu optimieren.

Dank der hohen Flexibilität und Interaktivität können unterschiedliche Szenarien einfach durchgespielt werden – für eine nachhaltigere und wirtschaftlichere Planung.

Das Thema Nachhaltigkeit liegt BORN als 100-prozentigem Tochterunternehmen des bayerischen Familienunternehmens Develey Senf & Feinkost in der DNA. Bereits 2008 hat sich Develey zum Ziel gesetzt, vollständig klimaneutral zu werden. Dazu wurden in der Gruppe an allen Standorten die Treibhausgasemissionen erfasst und durch effektive Maßnahmen bereits stark reduziert. Der verbleibende Rest wird bisher durch Zertifikate kompensiert. Develey, als Erfinder des süßen Senfs, ist dabei nicht nur Senfliebhabern ein Begriff. Das Traditionsunternehmen produziert an 15 Standorten in Europa und in den USA ganz unterschiedliche Senf- und Feinkostprodukte.

BORN Senf & Feinkost produziert ebenfalls traditionell seit über 200 Jahren erfolgreich verschiedene Senf- und Feinkost-Spezialitäten in der Mitte Thüringens. Am Produktionsstandort in Erfurt soll weiter ausgebaut werden.

Der Standort wurde 2019 mit dem „Thüringer Energieeffizienzpreis“ und auch mit „Platin der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen“ honoriert.

Nun kamen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IFF ins Spiel. Seit langem forschen sie an zukunftsfähigen Energielösungen, passenden Infrastrukturen und intelligenten Energiemanagementsystemen. Für Standortanalysen haben sie wissenschaftliche Methoden entwickelt, die belastbare, systematische Ergebnisse ermöglichen. BORN Senf & Feinkost beauftragte das Fraunhofer IFF damit, für den Produktionsstandort Erfurt mögliche Wege zur Klimaneutralität aufzuzeigen und diese auch wirtschaftlich darzustellen.

Im ersten Schritt haben die Forschenden das ganze Werk unter die Lupe genommen. Sie haben Energieerzeugung und -verbrauch analysiert und zukünftige Bedarfe ermittelt. Dazu haben sie sich tief in die energietechnische Situation des Werks eingearbeitet. Sie diskutierten Themen wie Wärmerückgewinnung, Regelungs- und Steuerungstechnik oder die Installation von weiteren Messgeräten und Sensoren, mit deren Hilfe noch mehr Effizienzpotenziale entdeckt und gehoben werden können.

Energieerzeugung und -verbrauch

Ermittlung zukünftiger Energiebedarfe

Untersuchung technischer Details

Ein weiterer wichtiger Bestandteil des Projekts war, Zukunftstechnologien zu beschreiben, die eine Klimaneutralität erst ermöglichen. Dazu wurden verschiedene Szenarien für den Einsatz von Windkraft und Photovoltaik erstellt. Dabei ging es um nichts weniger als eine Energiestrategie für die Zukunft des Standortes. All dies geschah immer mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit. So errechneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielweise, wieviel Solar- und/oder Windstrom eingekauft werden müsste, damit das Ziel eines vollständig klimaneutralen Standorts erreicht werden kann.

Eine Herausforderung bei einer solchen umfassenden Standortbetrachtung besteht immer darin, die bestehenden Strukturen bestmöglich in das neue Konzept einzubinden. Als Beispiel kann man hier den Prozessdampf nennen. Dieser wird in der Produktion und in den Reinigungsprozessen benötigt. Die entsprechenden Anlagen können nicht einfach elektrifiziert werden, was aber ein wesentlicher Bestandteil eines zukunftsfähigen Energiekonzepts ist. „Dafür haben wir eine Lösung vorgeschlagen“, erklärt Projektleiter Marcus Kögler. „Man kann die Dampferzeugung klimaneutral gestalten, indem diese elektrifiziert und die vergleichbar hohen Potenziale des Dampfes zur Energiespeicherung mit nutzt.“

Weiterhin haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zahlreiche Optimierungsaufgaben betrachtet. Hier werteten sie die Daten aus der Vergangenheit aus und deckten Einsparpotenziale auf. Daraus leiteten sie Maßnahmen ab, die den Energieverbrauch in der Produktion optimieren.

Im Ergebnis stellten die Fraunhofer-IFF-Forschenden fest, dass eine langfristige Klimaneutralität des Standortes wirtschaftlich darstellbar ist. Develey kann basierend auf den tiefgreifenden Analysen und fundierten Daten belastbare Entscheidungen für die Zukunft des Standortes treffen.

„Jetzt haben wir ein klares Bild, wie ein Weg in die klimaneutrale Produktion in Erfurt umgesetzt werden kann. Für unsere anderen Standorte in der Develey-Gruppe kann dies eine Blaupause sein“, so Andreas Poschner.

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