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P. Smolek:
"Energy Modelling and Analysis of Industrial Production Facilities";
Supervisor, Reviewer: K. Ponweiser, A. Werner; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2018.

Abstract
The pressing environmental issues of our time require the shift to a sustainable
society. As large contributor to Europe´s energy demand, industrial production is a
prime candidate for energy efficiency measures. Reducing the energy demand while
protecting competitiveness of the European industry is an important challenge.
The thesis at hand presents research conducted for the flagship project Balanced
Manufacturing (BaMa). Using a software tool chain consisting of monitoring,
prediction, optimization and footprinting methods, the operational strategies of
industrial production plants are adapted. Three contributions are presented that
feature key development to the project.
The first step to address is to provide transparency of the performance of production
facilities. This is done by a key performance indicator comparing the impact
of the manufacturing of a product on energy demand and cost, called the product
footprint. The novelty of the approach is calculating a bottom-up footprint over
arbitrary time periods on a per-piece basis, capturing all expenditures of the plant
and breaking them down to the specific products responsible. The presented publication
represents the foundation of the footprinting method, addressing in detail
the mechanism for footprint distribution and delivering a proof of concept.
The holistic analysis of a production facility requires detailed data and computer
simulations are a useful tool for not only remedying a lack of data but predicting
the impact of using alternative operational strategies. The second publication
adresses the simulation models for the building performance simulation under the
specific requirements of the Balanced Manufacturing tool chain. A simulation case
study shows the importance of incoorporating energy systems and the building into
a discrete event simulation of industrial production analysis.
With the methods covered, the potential for using the BaMa tool chain to manage
the demand side in smart energy grids is discussed. Shifting the energy demand
allows for efficient use of volatile renewable energy sources. The BaMa method is
compared to the approach of model predictive control of heating and cooling of
low-energy office buildings. The comparison shows, that while the two approaches
target different application fields, they share a common structure in coupling simulation
and optimization and the connection to the automation system.
The presented work shows the power of providing transparency of an industrial
production plant in managing and optimizing energy demand. This allows for
informed decisions in production planing and energy systems management.

Die drängenden Umweltprobleme unserer Zeit erfordern den Wandel in Richtung
nachhaltiger Gesellschaft. Als einer der großen Energieverbraucher Europas stellt
die produzierende Industrie einen wichtigen Ansatzpunkt für Energieeffizienzmaßnahmen
dar. Den Energiebedarf zu reduzieren und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit
zu wahren, ist eine große Herausforderung.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse aus dem Flagshipprojekt
Balanced Manufacturing (BaMa). Durch eine Software tool chain, bestehend
aus Monitoring, Prädiktion, Optimierung und Footprinting, wird die Betriebsstrategie
von industriellen Produktionsanlagen angepasst. Es werden drei
Publikationen vorgestellt, die wichtige Fortschritte des Projekts darstellen.
Im ersten Schritt wird Transparenz der inneren Abläufe der Fabriken geschaffen.
Dies geschieht über eine Leistungskennzahl namens Product Footprint, die
den Einfluss der Produktion auf Energie und Kosten abbildet. Die Innovation
des Ansatzes besteht darin, den Footprint bottom-up, über beliebige Zeitspannen
und pro produziertes Stück zu berechnen. Dadurch können alle energetischen und
finanziellen Aufwände der Fabrik auf spezifische Produkte heruntergebrochen werden.
Die präsentierte Publikation ist das Fundament der Footprint Methode, zeigt
den Mechanismus der Footprintverteilung und erbringt den Proof of Concept.
Die ganzheitliche Analyse von Produktionsanlagen benötigt umfangreiche Daten
des Werks. Computersimulationen sind ein hilfreiches Werkzeug, um Datenlücken
zu schließen, und erlauben zusätzlich die Prädiktion der Auswirkungen unterschiedlicher
Betriebsstrategien. Die zweite Publikation umfasst die Modelle der
thermischen Gebäudesimulation, die den speziellen Anforderungen der BaMa tool
chain genügen. Der Vorteil, Energiesysteme und das Gebäude in diskrete Produktionssimulationen
zu inkludieren, wird durch eine Teststudie hervorgestrichen.
Nach dem Vorstellen der Methode werden die Potentiale der Applikation der
BaMa tool chain für das Energieverbrauchsprofilmanagement ausgelotet. Die Kontrolle
über das eigene Lastprofil erlaubt die effiziente Nutzung volatiler erneuerbarer
Energien. Die BaMa Methode wird mit dem Ansatz der Modellprädiktiven
Regelung der Heiz- und Kühlsysteme von Niedrigenergiebürogebäuden verglichen.
Die Gegenüberstellung zeigt, dass die zwei Ansätze zwar unterschiedliche Anwendungsgebiete
haben, aber trotzdem die gleiche Struktur besitzen. Insbesondere
die Kopplung von Simulation und Optimierung und die Anbindung an Automatisierungssysteme
sind vergleichbar.
iii
Die präsentierte Arbeit zeigt die Vorteile der Transparenz in industriellen Produktionsanlagen
im Bereich Management und Optimierung des Energiebedarfs.
Dadurch werden fundierte Entscheidungen bei der Produktionsplanung und der
Steuerung der Energiesysteme ermöglicht.

Energy Modelling and Analysis, environmental issues