Modellierung des Energiebedarfs von Zerspanungsprozessen zur Unterstützung des lebenszyklusorientierten Carbon Accounting für Unternehmen

Basierend auf dem Green Deal hat Deutschland das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 festgesetzt (Bundesregierung 2021). Obwohl das verarbeitende Gewerbe 2019 für 15,5 % der national emittierten Treibhausgase (THG) verantwortlich war (UBA 2021b), existieren diesbezüglich keine direkten regulativen Vorgaben für den Industriezweig. Die politische Agenda weist lediglich das Zielbild der „Sauberen Produktion“ aus und nennt als Hauptansatzpunkte die Energieminderung und -effizienz (COM 2021). Für eine nachhaltige THG-Emissionsminderung auf Unternehmensebene bedarf es zunächst eines adäquaten Bilanzierungsvorgehens auf Prozessebene, um das THG-Inventar zu erfassen (Carbon Accounting). Der auf der Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment, LCA) (DIN EN ISO 14040:2020; DIN EN ISO 14044:2020) basierende Standard DIN EN ISO 14067:2019 für das Carbon Accounting von Produkten bietet als einziges Rahmenwerk die Möglichkeit, partielle Lebenswegabschnitte eines Produktlebenszyklus zu bilanzieren und somit die Produktion mit ihren Fertigungsprozessen als Hauptemittent abzubilden. Aufgrund des Stellenwertes von Zerspanungsprozessen innerhalb des verarbeitenden Gewerbes (Denkena et al. 2020), deren Umweltrelevanz, v. a. in Bezug auf den Energiebedarf (Panagiotopoulou et al. 2022), sowie dem Mangel einer adäquaten Bilanzierungsmethodik liegt der Forschungsschwerpunkt dieser Dissertation auf der Entwicklung eines lebenszyklus- und praxisorientierten Modellierungs- sowie Carbon Accounting Ansatzes des Energiebedarfs von Zerspanungsprozessen für Unternehmen. Bei der lebenszyklusorientierten Systemmodellierung von Fertigungsprozessen ist ein detailliertes Systemverständnis grundlegend. Daher wurde zunächst die Zusammensetzung des Energiebedarfs von Zerspanungsprozessen analysiert. Neben dem Energiebedarfsanteil für die eigentliche Zerspanung ist dieser vor allem von der Konstruktion der Werkzeugmaschine in Form der installierten Aggregate (konstante und variable Verbrauchergruppen) sowie von den Betriebszuständen abhängig. Für ein ganzheitliches und verursachergerechtes LCA des Energiebedarfs von Zerspanungsprozessen müssen diese Aufwendungen disaggregiert in die Modellierung einfließen. Auf Basis zweier Inputmodelle (Kellens et al. 2012; Balogun und Mativenga 2013) wurde ein parametrisierter Ansatz zur Ermittlung des Gesamtenergiebedarfs von Zerspanungsprozessen, der Extended Energy Modeling Approach (EEMA), entwickelt. Dieser beinhaltet als Hauptelemente Leistungskennwerte der Verbrauchergruppen in Abhängigkeit der Betriebszustände. Der EEMA bildet die Berechnungsgrundlage für das LCA. Aufgrund der modellbasierten Parametrisierung liegt der Mehrwert einerseits darin, wiederverwendbare LCA-Datensätze für den Energiebedarf von Zerspanungsprozessen auf einer Werkzeugmaschine zu generieren. Andererseits können generische Datensätze abgeleitet werden, welche durch die Integration in konventionelle Datenbanken die LCA-Datenlandschaft nachhaltig verbessern können. Diese Verbindung des EEMA mit dem LCA begründet zudem den systematischen Verfahrensansatz unter Berücksichtigung der Anforderungen nach DIN EN ISO 14067:2019, der für Unternehmen zur Unterstützung des prozessbezogenen Carbon Accounting entwickelt wird. Neben dessen Eignungsprüfung anhand der THG-Bilanzierung eines realen Zerspanungsprozesses werden weitere Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Methodiken im unternehmerischen Kontext vorgestellt sowie Grenzen des Ansatzes diskutiert. Im Bereich des LCA bietet die entwickelte Methodik einerseits Verbesserungspotenziale hinsichtlich der Verfügbarkeit praxisnaher Daten und steigert somit die Aussagekraft ermittelter Umweltwirkungen von produkt- und prozessbezogenen LCA-Studien. Andererseits hilft der entwickelte systematische Verfahrensansatz Unternehmen bei einem effizienten Carbon Accounting des Energiebedarfs ihrer Zerspanungsprozesse und schafft durch die hohe Transparenz die Grundlage, Treiber der prozessbedingten THG-Emissionen zu identifizieren und damit verbundene THG-Emissionen nachhaltig zu senken

Anwendungsmöglichkeiten neuartiger EDV-gestützter Erkennungsmethoden zur Identifizierung gefährlicher Betriebszustände in Chemieanlagen (I)

Das Vorhaben erbrachte einen Beitrag zur operatorunabhängigen Beurteilung des Prozeß- und Anlagenzustandes chemischer Reaktoren, insbesondere zur Identifizierung gefährlicher Betriebszustände bei der diskontinuierlichen Fahrweise exothermer Reaktionen. Die Eignung von Mustererkennungsmethoden zur Prozeßdiagnose wurde am Beispiel eines chemischen Laborreaktors für einen stark exothermen Referenzprozeß - säurekatalysierte Veresterung von Essigsäureanhydrid mit Methanol - untersucht. Vor ihrer Anwendung als Zustandsklassifikator mußten die Mustererkennungssysteme zunächst mit den Prozeßdaten des normalen und gestörter Reaktionsverläufe unter Zuhilfenahme von Expertenwissen trainiert werden, um das komplexe nichtlineare Prozeßverhalten bis hin zum Entscheidungsresultat abzubilden. Danach konnte der trainierte Klassifikator zur Prozeßdiagnose genutzt werden. Die besten Ergebnisse bei der Erkennung von Betriebszuständen in Semibatch-Prozessen wurden mit dreischichtigen Perceptron-Netzen erreicht. Sie konnten auch Mehrfachfehler und nichttrainierte Reaktionsverläufe klassifizieren. Um das Gefährdungspotential von fehlerhaften Betriebszuständen beurteilen zu können, wurden separate Perceptron-Netze für die Gefahren- und Fehlerklassifikation eingesetzt. Ihre Leistungsfähigkeit wurde sowohl für den Semibatch-Betrieb als auch für die kontinuierliche Fahrweise experimentell nachgewiesen

Active Functional Specifications for the Design and Supervision of build-ing services

Diese Arbeit entwickelt eine Methodik zur Spezifikation und Prüfung von Funktionen gebäudetechnischer Anlagen und führt den Nachweis ihrer Anwendbarkeit in der Praxis. Ausgangspunkt ist die Erkenntnis, dass eine Ursache für die häufig festzustellende suboptimale Funktion von Gebäuden ein mangelhaftes Qualitätsmanagement in der Gebäudeautomation ist. Eine Analyse von Funktionsbeschreibungen zeigt eine weitgehend beliebige Verwendung von freien Texten und grafischen Darstellungen. Als Antwort auf dieses Defizit wird die Methodik der Aktiven Funktionsbe-schreibung vorgestellt. Mit einem vereinfachten Modell aus Zustandsräumen können Anlagenfunktionen durch Betriebsregeln spezifiziert werden. Nach der Umsetzung werden Betriebsdaten der Anlagen zu einzelnen Zeitpunkten auf Übereinstimmung mit den Betriebsregeln geprüft. Die Ergebniswerte für die Zustandsräume können über geeignete Zeit-räume aggregiert werden. Die relative Häufigkeit gültiger Werte in einem Zeitraum wird als Betriebsgüte definiert. Sie ist das Qualitätsmaß für die Umsetzung der Spezifikation und kann als Anforderung an Anlagenfunktionen in Ausschreibungen und bei Abnahmen verwendet werden. Die Methodik wird auf drei typische gebäudetechnische Anlagen angewendet. Dabei wird gezeigt, dass die Spezifikation von Funktionen und deren Überprüfung wie beschrieben für die untersuchten Anlagen und Funktionen möglich ist. Die Vereinfachung der Beschreibung bietet die realistische Möglichkeit einer zeitnahen Anwendung in der Praxis. Forschungsbedarf besteht dazu neben der Erprobung im Feld im kontrollierten Einsatz in Anlagentestständen, um standardisierte Funktionsbeschreibungen für typische Anlagen und geeignete Grenzwerte für die Betriebsgüte zu entwickeln. Mit der Aktiven Funktionsbeschreibung steht die dringend benötigte durchgängige Methodik zur funktionalen Qualitätssicherung von Gebäuden und Anlagen zur Verfügung.This work presents a methodology for the specification and evaluation of functions of building automation systems and proofs its practical applica-bility in building projects. Starting point is the insight that a lack of quality management is a source for frequent malfunctions of building automation systems. An analysis of functional specifications of current buildings shows a largely arbitrary use of free texts and graphics. As an answer to this deficit the methodology of Active Functional Specifi-cations is presented. With a simplified state space model it is possible to specify system functions using operational rules. After the implementation of the functions measured data of discrete points of time from the automation system can be evaluated. The results of the state space evaluation can then be aggregated over useful periods of time. The relative frequency of valid results within a period of time is defined as the quality of operation. It is the quality measure for the implementation of the specification and can be used as requirement for operations in tenders as well as for commissioning and hand over procedures. The methodology is applied on three typical building services. It is shown that the specification and evaluation of functions is possible for the selected systems as described. In addition first limit values for the quality of operation are derived that can serve as initial measures for a standardization of the methodology in design and operation. The simplification opens the realistic opportunity for an application in building design and operation within short time. Besides the application in field tests a need for further research exists in the application of the methodology in test beds to develop standardized specifications and appropriate limit values for the quality of operation. Active Functional Specifications provide the urgently needed integrated methodology for a functional quality management for buildings and building services