Energie wird zunehmend knapper und teurer – und damit deren effizienter Einsatz immer wichtiger. Auch bevorstehende gesetzliche Veränderungen zwingen zum Handeln: So plant die Bundesregierung, die Rückerstattung der Energie- und Stromsteuer (Ökosteuer) ab 2013 davon abhängig zu machen, ob Unternehmen ein funktionsfähiges Energiemanagement-System (EMS) nach ISO 50001 oder EN 16001 beziehungsweise ein vergleichbares Instrument nutzen.

Energie-Effizienz braucht Transparenz

Wer Energie (Strom, Wärme, Dampf, Gas, aber auch Wasser und Abwasser) effizienter als bisher nutzen will, muss in erster Linie wissen, wo genau diese eingesetzt und – mitunter unnötig – verbraucht wird. Transparenz steht an erster Stelle. Erst dann kann zielgerichtet und richtig gehandelt werden. Das erfordert nicht zwangsläufig eine große und kostenintensive Lösung, die immer noch viele Unternehmen scheuen, da sie die Einsparpotenziale und damit den Return-on-Invest (ROI) schwer einschätzen können.

Es geht auch in überschaubaren, aufeinander aufsetzenden Schritten, wahlweise von der Anlagensicht (Managementebene) beginnend über die Liniensicht bis hinunter auf einzelne Verbraucher oder umgekehrt von der Feldebene bis zur Managementebene. Verschiedene Konfigurationen veranschaulichen den Auf- beziehungsweise Ausbau vom einfachen Energie-Monitoring bis zum umfassenden Energiemanagement-System. Dabei bietet jede der fünf Stufen mehr Funktionalität als die vorhergehende und kann in der Regel in die höherwertigen Lösungen eingebunden werden. So sind einmal getätigte Investitionen gesichert.

Maschinennahes Monitoring

Eine kompakte und kosteneffiziente Einstiegslösung wie das maschinennahe Energie-Monitoring (Konfiguration 1) benötigt keine Steuerung und basiert auf (Multifunktions-)Messgeräten wie die Siemens-Baureihe Sentron PAC. Die Komponenten erfassen die Strom- und Leistungsaufnahme einer Maschine und deren Verbraucher und übertragen diese Daten über Ethernet an ein Bedienpanel. Hier erfolgt die Visualisierung der Daten über das im TIA-Portal (Totally Integrated Automation) enthaltene Simatic WinCC V11. Diese einfachste Konfiguration umfasst bereits eine Datenaufzeichnung der Energiewerte und die Berechnung von einfachen Kennwerten wie „kWh pro Stück“. Damit werden Energieströme und Einsparpotenziale bereits an der Maschi-
ne transparent, können analysiert und optimiert werden.

Die Konfiguration 2 kommt ebenfalls ohne unterlagerte Steuerung aus, basiert aber auf einem Industrie-PC und einem Scada-/Visualisierungssystem wie WinCC. Es ist ausbaufähig und erweiterbar. Mit dieser Lösung lassen sich auch alle Plant-Intelligence-Optionen des WinCC-Systems für das Energiemanagement verwenden, beispielsweise Downtime-Monitor (Maschinenstatus), Data-Monitor (Reporting, MS-Excel, PDF, E-Mail) und der Web-Navigator. Dies sorgt für eine komfortable Auswertung und Analyse (Korrelation der Produktions- und Energiedaten) sowie vielfältige Zugriffsmöglichkeiten. Die Basis im Feld bilden auch hier die PAC-Geräte, andere „messende“ Komponenten von Siemens (Frequenzumrichter und Leistungsschalter) oder Geräte anderer Anbieter.

Energieverbrauch aktiv beeinflussen

Die nächste Ausbaustufe (Konfigura­tion 3) enthält neben einem Bediengerät und Multifunktionsmessgeräten typischerweise eine oder mehrere Si­matic-Steuerungen. Damit lassen sich Steuerungs- und Energiemanagement-Aufgaben integriert und in der Regel einfacher und kosteneffizienter lösen als mit separaten Systemen. Produktions- und Energiedaten können direkt an der Maschine verknüpft werden, um beispielsweise die Energie-Stückkosten zu ermitteln. Ebenso lassen sich die kontinuierlich erfassten Energie-Verbrauchsdaten oder daraus abgeleitete Informationen (Wartungsbedarf) dazu nutzen, die Prozesse zu beeinflussen. Typische Maßnahmen sind bestimmte Verbraucher oder Anlagenteile abhängig vom Energie-Einsatz ab- oder zuzuschalten. Über das Scada-System ist ein Web-Zugriff auf die Energiedaten möglich.

„Echtes“, umfassendes Energiemanagement im klassischen Sinn ermöglicht das Optionspaket Simatic power­rate (Konfiguration 4), das für WinCC und das Prozessleitsystem PCS 7 zur Verfügung steht. Grundlage bildet eine Simatic-S7-Baustein-Bibliothek zur Erfassung sämtlicher Energiezähler in einer Anlage und die Zwischenpufferung der Verbrauchswerte in der Steuerung (hohe Verfügbarkeit). Gleichzeitig werden aus den Energiedaten die 15-Minuten-Mittelwerte gebildet, archiviert und anhand von bis zu zwölf unterschied­lichen Tarifen die jeweiligen Energie­kosten berechnet. So wird transparent, wer, wann, wie viel Energie verbraucht und welche Kosten entstehen. Das entsprechende Reporting-Modul der Software enthält verschiedene Auswerte-Möglichkeiten und Standard-Reports, darunter einfache Energieberichte auf Basis von MS-Excel-Vorlagen (Energieverbräuche, Energiekosten, chargenbezogene Energiemengen, Dauerkennlinien).

Darüber hinaus ermöglicht das Op­tionspaket einfaches Lastmanagement und automatisiertes Abwerfen nicht zwingend benötigter elektrischer Verbraucher auf der Basis der 15-Minuten-Mittelwerte. Damit lassen sich definierte Bezugslimits einhalten und Kosten senken. Die Kombination des Software-Moduls mit den anderen Energiemanagement-Geräten reduziert dabei den Engineering-Aufwand deutlich: Direkt integrierbar sind beispielsweise die Faceplates der Sentron-PAC-Geräte, der Leistungsschalter 3VL und 3WL (nur PCS 7) und der Baustein zur Erfassung der Mittelwerte (15-Minuten-Werte für Strommenge und Leistung, 60-Minuten-Werte für Gas). Ebenso stehen vorgefertigte Berichts-Vorlagen für Lastganglinien, Kostenstellenbetrachtungen (Energiekosten pro Kostenstelle) und Chargenberichte (Energiemengen pro Charge) zur Verfügung. Außerdem ist die Korrelation von Energiedaten mit Produktions-, Qualitäts- oder anderen im System vorhandenen Daten möglich, so dass Zusammenhänge deutlich zu erkennen sind (Energiemenge/-kosten pro Stück, Charge). Über Profibus, Profinet oder andere Protokolle können daneben Geräte anderer Hersteller in die Auswertung eingebunden werden. Darüber hinaus gibt es eine Schnittstelle für den Austausch der im Produktionsumfeld erfassten Energiedaten mit dem Energiemanagement-System B.Data.

Energie – der Management-Aspekt

Energiemanagement ist skalierbar von einfachem Monitoring bis zum Energie „managen“.

© Siemens

Der Scada- und DCS-Ebene überlagert ist das Energiemanagement-System B.Data (Konfiguration 5). Mit ihren vielfältigen Funktionen sorgt die Software für eine größtmögliche Transparenz der Energiedaten. Dies wird unter anderem erreicht durch die Berechnung individuell konfigurierbarer und auch anlagenübergreifender Kennwerte (KPI) sowie durch eine effiziente Energiebedarfs-Planung und -Prognose.

Die Basis hierfür bilden Grundlastprofile und die aktuellen Produktions-Szenarien. Das System ermöglicht die Handhabung beliebig komplexer Tarifmodelle, wie jahreszeit- und tageszeit-, wochen- oder feiertagsabhängige Tarife oder zeitraumbezogene Gültigkeiten bestimmter Tarife. B.Data eignet sich zudem für Energiemanager, die selbst eigene, teils komplexe Algorithmen verwenden und Berichte generieren wollen, die über die bereits implementierten Reporting-Funktionen hinausgehen. Verfügbar sind:

■ Kostenstellen-Berichte,
■ anteilige Umlagen der Verbräuche auf Kostenstellen,
■ Lastganglinien,
■ Wochen-, Monatsprofile,
■ Vergleichsberichte (Vormonat, Vorjahr),
■ Emissionsberichte (CO2, Greenhouse Gases (GHG)) sowie,
■ Modellrechnungen für die Einkaufsoptimierung (Berechnung mit einem neuen Tarif- oder Vertragsmodell auf der Basis realer Verbrauchsdaten).

Durch die Kombination von Simatic powerrate mit B.Data entsteht ein über alle Ebenen hinweg durchgängiges Energiemanagement-System mit umfassender Funktionalität und Transparenz. Damit lassen sich Energie-Einsatz, -verteilung und -bezug unternehmensweit optimieren und letztendlich die größten Kosteneinsparungen realisieren.

Bottom-Up oder Top-Down?

Für die schrittweise Realisierung eines anlagenübergreifenden Energiemanagements gibt es zwei Ansätze: Der erste verläuft von unten nach oben und basiert auf den schrittweise umgesetzten Konfigurationen bis hin zur Implementierung des Energiemanagement-Systems B.Data. Ebenso lässt sich B.Data mit bereits existierenden, heterogenen Installationen mit Automatisierungskomponenten verschiedener Hersteller kombinieren. Hierfür existieren vielfältige Integrationsmöglichkeiten über XML, ODBC, OPC oder auch ASCII. In beiden Fällen sind sowohl Einzelplatzsysteme als auch komplexe, verteilte Client-Server-Installationen bis hin zum Zugriff via Web möglich.

Ein Beratungs- und Dienstleistungsangebot rundet das Angebot an Produkten und Systemen ab. Seit Jahrzehnten in nahezu allen Industrien zuhause, kennt Siemens auch deren spezifische Anforderungen in Bezug auf Energie-Effizienz und unterstützt Kunden bei der Energie-Optimierung – von der Erstberatung mit einer Grob-Analyse (Health Check) über die Detail-Analyse und Machbarkeitsstudie bis hin zur Umsetzung. Ebenfalls zum Dienstleistungsangebot gehören die Optimierung der Energiebeschaffung, Emissionsmanagement und Unterstützung bei der Planung und Umsetzung unternehmensweiter Energie-Effizienz-Programme. Gerade im Hinblick auf die EN 16001 und ISO 50001 halten viele Unternehmen die Einführung eines technischen Energiemanagement-Systems für notwendig, um die Nachhaltigkeit ihrer Effizienzprojekte sicherzustellen.

Autoren: Engelbert Lang, Leiter Professional Services Energy Management bei Siemens Industrial Automation Systems in Nürnberg.

Carsten Schmidt, Marketing Management HMI und Energy Management bei Siemens Industrial Automation Systems in Nürnberg.

Robert Wenz, Product Management HMI und Energy Management bei Siemens Industrial Automation Systems in Nürnberg.