Energieeffizienz : Wie Smart Meter bei BMW Roboterausfälle verhindern

Die Ziele sind hochgesteckt: Bis 2020 will die BMW Group ihren Energiebedarf im Vergleich zum Jahr 2006 um 45 Prozent je produziertem Fahrzeug senken. Rund 10.000 Fahrzeuge verlassen pro Tag weltweit die Produktionsstätten. In Energie heißt das, laut Nachhaltigkeitsbericht 2017: 2,17 Megawattstunden pro hergestelltem Fahrzeug. Eines der Räder, an denen der Automobilhersteller zur Erreichung dieser Vorgaben dreht, ist das Thema Effizienz. Dabei setzt BMW auf intelligentes Energiedaten-Management (iEMDS). Das System basiert auf intelligenten Stromzählern, den sogenannten Smart Meters, deren Einsatz in Privathaushalten hierzulande nicht unumstritten ist. Anders bei BMW: Die Smart Meter messen kontinuierlich in Echtzeit den Energieverbrauch von Fertigungsanlagen und Robotern und gleichen ihn mit einem zentralen „Big Data“-Netzwerk ab. Mit Hilfe der Smart Meter lassen sich Abweichungen, die zu überhöhtem Verbrauch führen, frühzeitig erkennen. Das intelligente Energiedaten-Management fügt sich damit optimal in die bereits bestehende Erfassung von Energieverbräuchen der Gebäude- und Versorgungsstrukturen. Es ergänzt sie. So wird, zum Beispiel, das Licht in den Produktionsstätten schichtgebunden geregelt. Die Lüftung wird auf die Außenbedingungen abgestimmt. Die Devise lautet also: In kleinen, aber steten Schritten zum Ziel. Übrigens: Vier Jahre zuvor, im Jahr 2013, schlug die Produktion je Fahrzeug noch 2,36 Megawattstunden zu Buche. Das iEMDS trägt also bereits energietechnische Früchte.

Die intelligenten Stromzähler sind mittlerweile in allen 30 Produktionsstandorten in 14 Ländern weltweit im Einsatz. Ihren Piloteinsatz hatten sie übrigens 2012 in der Fahrzeugmontage der BMW X Modelle im Werk Spartanburg. Damals wurden mehr als 80 Produktionsanlagen und Roboter mit Smart Metern ausgerüstet. Bereits nach wenigen Wochen ließen sich so an einzelnen Anlagen bis zu einem Viertel der Energiekosten einsparen. Spannend wurde es bei einem direkten Vergleich von drei identischen Rollenprüfständen: Der Test zeigte, dass eine der Anlagen rund doppelt so viel Strom pro geprüftem Fahrzeug verbrauchte als die beiden anderen. Ursache war ein Programmfehler in der Laufzeit-Steuerung der Ventilation. Aber nicht nur das: Die Gegenüberstellung der Produktions- und der Verbrauchsdaten ergab auch, dass die Prüfstände in den Arbeitspausen ungewöhnlich viel Strom verbrauchten. Grund war, dass die Fahrzeuge in den Pausen auf den Prüfständen verblieben und dadurch die automatische Abschaltung der Anlage blockierten. Zusammen mit weiteren Optimierungen ergab das kontinuierliche Monitoring der drei Anlagen durch iEMDS eine Gesamteinsparung von mehr als 100.000 Kilowattstunden im ersten Jahr. Allein an diesem US-Produktionsstandort liegt das Einsparpotenzial an Energiekosten bei über 25 Millionen Euro über einen Zeitraum von zehn Jahren, so die Schätzungen von BMW.

Ein weiteres Argument für die Smart Meter: Dank ihrer Hilfe können drohende Roboter-Ausfälle erkannt und vermieden werden. Verbraucht eine Fertigungsanlage beispielsweise mehr Energie, ohne dass Produktionsparameter verändert wurden, liegt eine Fehlfunktion oder ein Verschleiß nahe. Etwa wenn ein Lager schwergängig wird und dadurch zusätzlichen Kraftaufwand vom Antrieb der Maschine abfordert. Sinkt der Verbrauch oder die Spannung, kann ein Prozessfehler vorliegen, etwa wenn bei einer Klebemaschine der Materialauftrag nicht mehr korrekt erfolgt. Die exakte Kenntnis vom Energiebedarf lässt sich zudem bei der Konzeption neuer Robotergenerationen heranziehen. Es diente auch als Grundlage für die Auslegung der Energieversorgung neuer Werksstandorte der BMW Group, etwa in Araquari (Brasilien) oder San Luis Potosí (Mexiko). Gesammelt und analysiert werden die iEDMS-Daten übrigens in der IT-Zentrale in München. Hier laufen alle Fäden des „Big Data“-Netzwerkes zusammen. Auch interessant: Derzeit arbeitet die IT-Abteilung intensiv an einem standortübergreifenden automatischen Austausch digitaler Energiedaten.

Im BMW Motorenwerk Steyr, dem weltgrößten Motorenwerk, ist man beim Energiemonitoring sogar noch einen Schritt weiter gegangen. „Durch eine im Werk entwickelte Software wird die Grundlastoptimierung aller Fertigungslinien genauestens aufgelistet“, beschreibt Geschäftsführer Christoph Schröder. Über das Smartphone benachrichtigt ein intelligentes Druckluft- und Strominformationssystem den Mitarbeiter, wenn von Sensoren gemessene Grenzwerte überschritten werden. „Aufgrund der so möglichen, schnellen Reaktion wird viel Energie gespart“, so Schröder. Eine andere Software listet sekundengenau den Echtzeitverbrauch an Energie der Anlagen auf. „Dabei kann beispielsweise jede Pumpe einer Reinigungszelle angezeigt werden“, erklärt der Geschäftsführer. So werden in Steyr Zeiträume ermittelt, in denen eine Pumpe ohne Wertschöpfung läuft und die Anlage dahingehend optimiert. Um satte 45 Prozent konnte damit bereits der Energieverbrauch an einer Pilotanlage gesenkt werden.

Rund 260 Gigawattstunden Energie werden pro Jahr im Werk Steyr verbraucht. Das entspricht dem Jahresbedarf von etwa 70.000 Haushalten. Durch den hohen Automatisierungsgrad von 98 Prozent werde gerade in der mechanischen Fertigung viel Energie verbraucht. Vorbildlich: Diese Energie wird schon heute zu 80 Prozent aus regenerativen Quellen bezogen. „Beim Strom sind es sogar 100 Prozent“, sagt Schröder. Die Steyrer Motorenproduzenten senken konsequent ihren Energieverbrauch, in den letzten zwölf Jahren um 45 Prozent pro hergestelltem Motor. Dazu tragen aber andere Projekte bei, wie z.B. die Optimierung der Taktwaschanlagen. Die bestehenden Takt-Reinigungszellen einer Zylinderkopf- sowie einer Kurbelgehäuse-Linie wurden gegen zwölf Reinigungszellen am aktuellsten Stand der Technik getauscht. Die erwartete Reduktion des jährlichen Stromverbrauchs lag bei 4.147,2 Megawattstunden. Das bedeutet jährlich mindestens 1.535 Tonnen weniger CO2. Übrigens: Das Projekt wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert.

Auch die TU Wien, des Energieberatungsunternehmen hdm helmberger und Profactor verhelfen dem Motorenwerk zu mehr Energieeffizienz. So wurde eine Methode zur simulationsbasierten Analyse und Prognose des Verbrauchs von Energie und Betriebsmedien entwickelt. Kurz gesagt: Die Systeme werden so ausgelegt, dass sie minimal Ressourcen verbrauchen. Bewertungskriterien, Kennzahlen und Benchmarks inklusive. Was erwartete man sich dabei? Immerhin 30 Prozent weniger Energieverbrauch, verglichen mit dem derzeitigen industriellen Standard in der Fertigungsindustrie.