Lehrmodul Energieeffizienz in der LEAD Factory am Institut für Innovation und Industrie Management

Foto: IIM, TU Graz

Kai Rüdele, Atacan Ketenci, Matthias Wolf, Christian Ramsauer

Nicht nur die steigenden Energiepreise, sondern auch die strikteren Umweltschutzbestimmungen zwingen Industrieunternehmen mehr denn je zu einer Auseinandersetzung mit dem Themengebiet der Energieeffizienz. Lernfabriken bieten zunehmend Lehrmodule an, die sowohl Industrieunternehmen bei der Energieeffizienz-Analyse unterstützen als auch Studierende frühzeitig für dieses Thema sensibilisieren. Erstmalig wurde jetzt das Potential einer derartigen Schulung auf die erzielbaren Energieeinsparungen hin untersucht. Im Rahmen einer Lehrveranstaltung in der LEAD Factory an der Technischen Universität Graz wurde ein Schulungsmodul zu Energieeffizienz entwickelt, gelehrt und anschließend mittels einer randomisierten Kontrollstudie evaluiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit der Vermittlung entsprechender theoretischer Grundlagen und praxisorientierteren Beispielen, Einsparpotentiale beim Energieverbrauch besser identifiziert werden.

1. Bedeutung der Energieeffizienz

1.1 Energieeffizienz in Industrieunternehmen

Bereits seit einigen Jahren spielen Richtlinien und Bestimmungen, welche die Verminderung von Energieverschwendung und Umweltschutz zum Ziel haben für die Industrie eine zunehmend wichtige Rolle [1]. In den vergangenen Monaten sind es jedoch vor allem die stark steigenden Energiepreise [2], welche das Thema Energieeffizienz noch stärker in den Vordergrund gerückt haben. Für nicht wenige Industriebetriebe sind Energiekosten zu einem bestimmenden Faktor geworden und entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit [3].

In Österreich wird mindestens 40 % des elektrischen Stroms und über 70 % des Erdgases durch industrielle Unternehmen verbraucht [4]. Diese Werte verdeutlichen auch den gesellschaftlichen Stellenwert einer energieeffizienten Industrie.

Obwohl die Industrie zuletzt ihre Verbräuche senken konnte [4], bleiben dennoch Hürden bestehen, die einer Umsetzung von Energiesparmaßnahmen im Wege stehen [5]. Ursachen hierfür sind unzureichendes Bewusstsein für Energieverbräuche, fehlendes Wissen über Einsparmöglichkeiten, sowie Unkenntnis über Optimierungsansätze [6]. Zur Überwindung dieser Hemmnisse gehört vor allem die Kompetenz, sich mit der Komplexität der Energieeffizienz und ihrer Interdisziplinarität auseinanderzusetzen. Weiters ist die Fähigkeit nötig theoretisches Wissen in der Praxis anwenden zu können; beispielsweise, wenn Energieeffizienzpotentiale in der Produktion identifiziert werden sollen. Entsprechende Fähigkeiten können in Lernfabriken zielführend vermittelt werden [7].

1.2 Energieeffizienz als Schulungsthema in Lernfabriken

Das Prinzip der kontinuierlichen Verbesserung ist Grundlage der Didaktik in Lernfabriken: Mittels vereinfachten, aber dennoch realitätsnahen Produktionsumgebungen können ansonsten rein theoretische Inhalte durch praktische Übungseinheiten angewandt werden. Interaktive Beteiligung der Teilnehmer am simulierten Produktentstehungsprozess ermöglichen experimentelles und problem-

Abbildung 1: Visualisierung des Energieverbrauchs des 3D-Druckers vor und nach der Analyse

orientiertes Lernen [8]. Universitäre Lernfabriken können mit einem passenden Schulungsangebot nicht nur Unternehmen bei aktuellen Herausforderungen helfen, sondern auch dem Ingenieursnachwuchs wichtige Schlüsselqualifikationen vermitteln.

Seit Beginn der 2010er-Jahre werden Energieproduktivität und -effizienz in Lernfabriken angeboten [9]. Seitdem hat sich gezeigt, dass Lernfabriken in diesem Themenbereich bessere Lernerfolge erzielen als beispielsweise Frontalvorlesungen [10]. Dennoch fehlt es an wissenschaftlichen Beiträgen, die den Einfluss solcher Schulungen auf die tatsächlich erzielbaren Energieeinsparungen um somit auf die potentielle Erhöhung der Energieeffizienz aufzeigen [11].

2. Energieeffizienz in der LEAD Factory

2.1 LEAD Factory am IIM

Die LEAD Factory (ein Akronym für die Lehrinhalte und Forschungsschwerpunkte Lean Production, Energieeffizienz, Agilität und Digitalisierung) ist die Lernfabrik des Instituts für Innovation und Industrie Management der TU Graz und die authentische Nachbildung einer Montagelinie für einen Scooter. Eine Vielzahl der abgehaltenen Schulungen beginnen mit einem suboptimalen, aber veränderbaren Ausgangszustand. Nach kurzen Theorieeinheiten, die sowohl in das Thema einführen als auch Lösungsansätze vermitteln, können TeilnehmerInnen das Erlernte unmittelbar anwenden und so den Ausgangszustand iterativ verbessern.

Bereits 2017 wurden in der LEAD Factory erste Laborübungen zu den Themen Ressourcen- und Energieeffizienz abgehalten. Hierfür wurden die einzelnen Montagestationen der Lernfabrik unter anderem mit intelligenten Stromzählern ausgestattet. Die Schulungsunterlagen beinhalten neben einem „Energy Walk“ zur Identifikation von Energieverlusten auch ein „Energy Stream Mapping“ in Analogie zur bekannten Wertstromanalyse für die Produktion.

Um aktuelle Entwicklungen und Trends gut vermitteln zu können beschäftigt sich der „Digital State“ der Lernfabrik mit Themen der Digitalisierung (Digitalisierungspotentiale, Datenbeschaffung mittels Sensorik, Datenanalyse mittels Software, (Echtzeit) Datenvisualisierung, etc.) und den Mehrwerten den Unternehmen dadurch entstehen können. Die dafür eingesetzten (digitalen) Technologien bilden auch die Basis der entwickelten Energieeffizienzschulung. In diesem Zustand kann den TeilnehmerInnen unter anderem gezeigt werden, wie Energieüberwachungssysteme implementiert und genutzt werden können [12]. Hierzu wurden in Summe 14 Stromzähler über ein Netzwerk verbunden. Jedem Messpunkt ist eine IP-Adresse zugewiesen, sodass Daten nicht nur laufend erfasst und zentral abgespeichert werden, sondern auch rückverfolgbar sind. Messergebnisse lassen sich beliebig gruppieren (z.B. nach Arbeitsstationen) und im Zeitverlauf analysieren. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass durch Adjustierungen am 3D-Drucker die Heizphase um zwei Minuten je Vorgang reduziert werden kann, was wiederrum zur Reduktion des Energieverbrauchs führt (siehe Abbildung 1). Diese Daten werden vorrangig auf einem zentralen Bildschirm (digitales Shopfloor Management Board) innerhalb der Lernfabrik angezeigt.

Diese detaillierte Datenbasis mit real gemessen Werten ermöglicht die Erstellung von Simulationsmodellen mit Tecnomatix Plant Simulation. Diese erlauben eine szenarienbasierte Analyse des Energieverbrauchs und können zur Ableitung von Maßnahmen zur Energienutzung verwendet werden. Abbildung 2 zeigt das genutzte Simulationsmodell inklusive aller erfassten Arbeitsstationen und Verbraucher der LEAD Factory. Veränderungen, beispielsweise von Taktzeit, Equipment und Auslastung lassen sich damit ohne aufwendige Implementierung auf ihre Auswirkungen auf den Energieverbrauch bewerten. Dies lässt auch Rückschlüsse auf Kosteneinsparungen und Amortisationszeiten zu [13].

Für die Lehreinheit zur Energieeffizienz sind vor allem der eingesetzte Trocknungsofen, der 3D-Drucker, das Shopfloor Management Board, sowie die Elektroschrauber relevant. Da der Ofen als größter Stromverbraucher innerhalb der LEAD Factory identifiziert wurde, kommt ihm ein besonderer Stellenwert bei der Optimierung zu. In absoluten Zahlen gemessen, lässt sich hier bei diesem tatsächlich die meiste Energie einsparen (ca. 390 kWh pro Jahr). Würden Ofen und Elektroschrauber durch sparsamere Geräte ersetzt werden, ließe sich allein hier ein Drittel an Energie einsparen. Abhängig vom zu Grunde liegenden Strompreis ergeben sich allerdings Amortisationszeiten von mehreren Jahren. Das prozen-

Abbildung 2: Simulationsmodell der LEAD Factory [13]

tual größte Einsparpotential ergibt sich aus einem bewussteren Einsatz des Shopfloor Management Boards (SFMB). Indem dieses nur im Bedarfsfall eingeschalten wird, sinkt dessen jährlicher Stromverbrauch um zwei Drittel von über 500 kWh auf 170 kWh. Am Beispiel des 3DDruckers lässt sich gut erkennen, wie sehr Geräteeinstellungen zur Energieeffizienz beitragen können; durch Absenken der Drucktemperatur lässt sich der Energieverbrauch mehr als halbieren, ohne dabei Qualitätsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Die beiden letztgenannten Verbesserungen gehen ohne Neuanschaffungen und Investitionen einher. Rechnerisch lässt sich so der jährliche Energieverbrauch der LEAD Factory in Summe um über 1.100 kWh reduzieren [13]. Die exakten Zahlenwerte lassen sich Tabelle 1 entnehmen. 2.2 Schulungsmodul „Energieeffizienz“ in der LEAD Factory

Die neu entwickelte EnergieeffizienzSchulung (siehe Abbildung 3) der LEAD Factory wurde zielgerichtet und strukturiert gemäß dem so genannten Learning-Factory-Curriculum Guide [14] aufgebaut. Dieses didaktische Konzept unterscheidet drei Ebenen. Auf der Makroebene werden Lernziele, Infrastruktur und Teilnehmerkreis definiert. Welche Technologien und Bereiche der Lernfabrik im Schulungsmodul zum Einsatz kommen und welche Kompetenzen vermittelt werden sollen wird auf der Mesoebene festgelegt. Konkrete Szenarien und das dazugehörige Schulungsmaterial sind Gegenstand der Mikroebene.

Das Schulungsmodul „Energieeffizienz“ basiert auf dem digitalen Zustand der Lernfabrik. Dies ermöglicht die Zuhilfenahme von Informations- und Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise das Energieüberwachungssystem oder das Simulationsmodell in dem die energierelevanten Daten bereits eingearbeitet sind (siehe dazu [13]).

Zunächst werden den TeilnehmerInnen im Rahmen eines kurzen theoretischen Vortrags die Grundlagen zu den Themen Energieeffizienz und Energieflussanalyse näher gebracht. Nach dem einführenden Theorieteil sind die Teilnehmer in der Lage, im Rahmen eines „Energy Walks“ Energieverbräuche und -flüsse zu ermitteln und Energieverschwendungen innerhalb der LEAD Factory zu identifizieren. Hierbei liegt der Fokus nicht nur auf den einzelnen Arbeitsplätzen, sondern auch auf der vorhandenen Infrastruktur. Damit soll sichergestellt werden, dass Studierende oder Industriepartner auch den möglichen Einfluss des verwendeten Beleuchtungssystems oder der verwendeten Heiztechnik kennenlernen. Darauf aufbauend, bekommen die TeilnehmerInnen entsprechend Zeit um Optimierungspotentiale zu erkennen und deren Umsetzbarkeit in Kleingruppen zu diskutieren. Im nächsten Schritt wer-

Abbildung 3: Aufbau des Schulungsmoduls „Energieeffizienz“ [15]

den die ausgewählten Optimierungspotentiale monetär bewertet sowie statische Amortisationszeiten von Maßnahmen durch entsprechend erforderlicher Investitionen berechnet. In einer abschließenden Diskussion werden einerseits die Vorgehensweise und andererseits die erzielten Ergebnisse reflektiert [15].

3. Ergebnisse

Um beurteilen zu können, ob und falls ja, wie sehr das Schulungsmodul die Ergebnisse beeinflusst, wurden die Studierenden in zwei Gruppen aufgeteilt. Eine Gruppe durchlief das oben beschriebene Schulungsmodul und erhielt vorab eine theoretische Einführung. Die zweite Gruppe wurde ohne weitere Instruktionen gebeten, die Energieeffizienz der Lernfabrik zu steigern.

Während die instruierte Gruppe elf Optimierungspotentiale identifizieren konnte und sieben davon auch bewertete, konnte die Gruppe ohne vorherige Einweisung nur vier Potentiale erkennen und bewerten. Die Versuchsgruppe erkannte auch ein breiteres Spektrum an Optimierungspotentialen als die unvorbereitete Kontrollgruppe: neben organisatorischen Maßnahmen (Verwendung von Bildschirmen und des digitalen Shopfloor Management Boards nur bei Bedarf) wurden auch technische Aspekte (zum Beispiel der Einsatz eines verbrauchsarmen Trocknungsofen sowie eines energiesparenden Servers) und prozessuale Verbesserungen (z.B. effizienterer Einsatz von Fräsmaschine und 3D-Drucker) erkannt und bewertet.

Die Versuchsgruppe konnte den Energieverbrauch insgesamt um 34,5 % gegenüber der Ausgangssituation reduzieren. Bei der Kontrollgruppe beliefen sich die Einsparungen auf lediglich 18,6 %. Dies stellt eine Differenz zwischen den beiden Gruppen von 15,9 Prozentpunkten dar. Ferner zeigte sich, dass nur die Versuchsgruppe alle Arten von Optimierungspotentiale verlässlich bewerten konnte. Eine Auflistung der Maßnahmen sowie der detaillierte Vergleich der beiden Gruppen findet sich in [15].

In einer abschließenden Befragung zeigte sich die Versuchsgruppe deutlich zufriedener als die Kontrollgruppe. Die instruierte Gruppe gab an, ein besseres Verständnis vom Ziel und der Erwartungshaltung gehabt zu haben. Außerdem hatten die TeilnehmerInnen dieser Gruppe auch verstärkt den Eindruck, dass das entwickelte Modul ihre Problemlösungsfähigkeiten weiterentwickelt hat [15].

4. Ausblick

Auf Basis der Evaluierungsergebnisse wurden die entsprechenden Lehr- und Praxisinhalte angepasst. Das Schulungsmodul findet nun nicht nur Einsatz in den Lehrveranstaltungen „Industrial Energy Management“ oder „LEAD Factory“, sondern wird auch Industriepartnern im Rahmen einer Executive Education angeboten.

Durch die Implementierung neuer Technologien werden die vermittelbaren Lehrinhalte sukzessive weiter ausgebaut. Unter anderem liegt ein Fokus dabei im Bereich der Prozessindustrie mit deren energieintensiven Abläufen. Dazu wird derzeitige Infrastruktur um eine Galvanikanalage erweitert. Ferner wird durch die baldige Integration einer BohrFräsmaschine der Eigenfertigungsanteil erhöht. Mittels Sensoren zur Erfassung von Maschinendaten und einem System zur Bilderkennung soll der Digitalisierungsgrad der LEAD Factory weiter ausgebaut werden. Dadurch ergeben sich auch neue Lehrinhalte, wie etwa zur Qualitätssicherung und Six Sigma.

Zusätzlich werden in den kommenden Monaten und Jahren neben der Energieeffizienz weitere Schwerpunkte zum Themenbereich Nachhaltigkeit in der LEAD Factory realisiert. Vorrangige Schulungsthemen werden aus dem Bereich der Ressourceneffizienz und des Product Carbon Footprinting stammen.

Literatur:

[1] K. Tanaka (2011) Review of policies and measures for energy efficiency in industry sector. Energy Policy, 39(10):6532 – 6550. [2] aktuelle Preisindizes der Österreichische Energieagentur: www.energyagency.at/fakten/strompreisindex und www.energyagency.at/fakten/ gaspreisindex [3] R. Bruckner (2022) Explodierende Energiepreise: Braucht die Industrie jetzt Hilfe? Der Standard vom 19.03. [4] E-Control (2021) Statistikbroschüre [5] T. Fleiter, E. Worrell, W. Eichhammer (2011) Barriers to energy efficiency in industrial bottom-up energy demand models - a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(6):3099 – 3111. [6] McKinsey & Company (2009) Energy: A key to competitive advantage [7] E. Abele, C. J. H. Bauerdick, N. Strobel, N. Panten (2016) ETA learning factory: a holistic concept for teaching energy efficiency in production. Procedia CIRP, 54:83 – 88. [8] ialf-online.net [9] G. Reinhart, F. Karl (2011) Live experience of energy productivity -

the training factory at Technische Universität München (TUM). 1st Conference on Learning Factories, 118 – 127. [10] S. Blume, N. Madanchi, S. Böhme, G. Posselt, S. Thiede, C. Herrmann (2015) Die Lernfabrik - research-based learning for sustainable production engineering. Procedia CIRP, 32:126 – 131. [11] F. Assad, S. Konstantinov, E. J. Rushforth, D. A. Vera, R. Harrison (2020) A literature survey of energy sustainability in learning factories. IEEE 18th International Conference of Industrial Informatics, 361 – 366. [12] M. Eder, A. Ketenci, E. Auberger, M. Gotthard, C. Ramsauer (2020) Integration of low-cost digital energy meters in learning factory assembly lines. Procedia Manufacturing of the 10th Conference on Learning Factories, 45:202 – 207. [13] A. Ketenci, M. Eder, M. Ritter, C. Ramsauer (2021) Scenario-based simulation for energy optimization in learning factory environments. Proceedings of the 11th Conference on Learning Factories, 1 – 6. [14] M. Tisch, C. Hertle, E. Abele, J. Metternich, R. Tenberg (2016) Learning factory design: a competencyoriented approach integrating three design levels. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 29(12):1355 – 1375. [15] A. Ketenci, M. Wolf, K. Rüdele, C. Ramsauer (2022) Impact analysis of a teaching module in a learning factory environment regarding energy efficiency potentials. Proceedings of the 12th Conference on Learning Factories

Autoren:

Kai Rüdele, MSc studierte Technologie- und Managementorientierte Betriebswirtschaftslehre an der TU München. Nach vier Jahren als Unternehmensberater wechselte er 2021 an das IIM. Sein Forschungsschwerpunkt sind Ökobilanzen. Dipl.-Ing. Atacan Ketenci studierte Production Science & Management und ist seit 2019 am IIM tätig. In seiner Forschungsarbeit beschäftigt er sich Atacan Ketenci mit Nachhaltigkeit und Agilität in Produktionsnetzwerken. Währen seiner Anstellung hat er sowohl die Lehrveranstaltung „Industrial Energy Management“ als auch das in diesem Beitrag vorstellte Schulungsmodul zum Thema Energieeffizienz mitentwickelt und evaluiert. Dipl.-Ing. Dr. Matthias Wolf studierte WirtschaftsingenieurswesenMaschinenbau mit Schwerpunkt Energietechnik und promovierte im Jahr 2020 an der TU Graz. In seiner Forschungsarbeit beschäftigte sich Matthias Wolf mit Themen zur nachhaltigen, resilienten und mensch-zentrieten Gestaltung von Produktionsarbeit. Seit 1.1.2021 ist Matthias Wolf Assistenzprofessor am Institut für Innovation und Industrie Management der TU Graz mit dem Schwerpunkt Industrial Engineering.

Univ.-Prof. Dr. Christian Ramsau-

er leitet seit 2011 das Institut für Innovation und Industrie Management der TU Graz. Er startete seine Karriere 1999 als Berater bei McKinsey&Company. Zwischen 2005 und 2011 war er als geschäftsführender Gesellschafter bei einem Industrieunternehmen in Salzburg und als Geschäftsführer bei einem Privat Equity Unternehmen in München tätig. Christian Ramsauer studierte WirtschaftsingenieurwesenMaschinenbau und promovierte an der TU Graz. Er forschte als Post-Doc zwei Jahre an der Harvard Business School in Boston und habilitierte danach im Fach Produktionsmanagement. Er ist als Aufsichtsrat in mehreren Start-Ups und etablierten Industrieunternehmen tätig und seit 2021 der Präsident der International Association of Learning Factories.

Kai Rüdele M.Sc.

Universitätsassistent am Institut für Innovation und Industrie Management der TU Graz

Dipl.-Ing. Dr. Matthias Wolf

Assistenzprofessor am Institut für Innovation und Industrie Management der TU Graz Dipl.-Ing. Atacan Ketenci

Universitätsassistent am Institut für Innovation und Industrie Management der TU Graz

Univ.-Prof. Dr. Christian Ramsauer

Vorstand des Instituts für Innovation und Industrie Management der TU Graz