Vorgehen zur Integration von Energiemanagementfunktionen in der verfahrenstechnischen modularen Produktion auf Basis eines Energieinformationsmodells
Translated title
Integration of energy management functions into modular production based on an energy information model
Publication date
2026-04-14
Document type
Dissertation
Author
Advisor
Referee
Barth, Mike
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2026-04-09
Organisational unit
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
✅
File(s)
Language
German
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Energiemanagement
Modulare Anlagen
Module type package
Informationsmodellierung
Abstract
Deutsch:
Steigende Energiepreise und CO2-Abgaben zwingen Unternehmen der Prozessindustrie dazu, die Energieeffizienz ihrer Produktionssysteme zu verbessern. So ermöglicht die Einführung eines Energiemanagementsystems nach dem ISO-Standard 50001, Energieineffizienzen im Betrieb zu identifizieren, vorausgesetzt die nötige Messtechnik (z. B. Energiezähler) ist in den Produktionssystemen installiert. Gleichzeitig fordern die Absatzmärkte eine hohe Flexibilität von den Unternehmen, um beispielsweise auf individuelle Kundenbedarfe reagieren zu können. Monolithische Produktionssysteme können diese Flexibilität nicht bieten, sodass viele Unternehmen die Beschaffung von flexibleren modularen Produktionssystemen (MPS) in Erwägung ziehen. Da die technischen Anforderungen für Energiemanagementsysteme weder in den Richtlinien von MPS definiert noch wissenschaftlich erforscht sind, besteht das Risiko, dass Vorbehalte gegenüber MPS geäußert werden, da diese technisch nicht in der Lage sind, Energiemanagement zu betreiben. Um dieses Defizit beheben zu können, wurden im Rahmen dieser Arbeit drei Artefakte entwickelt, mit denen Unternehmen bei der Einführung von technischen Energiemanagementsystemen in MPS methodisch unterstützt werden können. Zu diesen Artefakten zählt ein Modell, mit dem Energiedaten in der Schnittstellenbeschreibung von Prozesseinheiten, dem sogenannten Module Type Package semantisch einheitlich beschrieben werden können. Mithilfe dieser Beschreibung konnte die Grundlage für die Integration von technischen Energiemanagementsystemen in MPS geschaffen werden. Mit dem zweiten Artefakt wurde eine neuartige Methode entwickelt, die Unternehmen bei der Integration von technischen Energiemanagementsystemen in MPS schrittweise unterstützt. Als drittes Artefakt wurde eine weitere Methode entwickelt, mit der MPS während Produktionsunterbrechungen energieeffizient betrieben werden können. Zur Evaluation der entwickelten Artefakte wurden vier Anwendungsbeispiele mit unterschiedlichen Kontexten ausgewählt, anhand derer die Robustheit und Funktionsfähigkeit der Artefakte in realen MPS bestätigt werden konnte. Durch den Einsatz der in dieser Arbeit entwickelten Lösung erhalten Unternehmen die Möglichkeit, ihre MPS systematisch für das Energiemanagement zu befähigen, sodass diese gegenüber monolithischen Produktionssystemen keine funktionalen Nachteile aufweisen.
Steigende Energiepreise und CO2-Abgaben zwingen Unternehmen der Prozessindustrie dazu, die Energieeffizienz ihrer Produktionssysteme zu verbessern. So ermöglicht die Einführung eines Energiemanagementsystems nach dem ISO-Standard 50001, Energieineffizienzen im Betrieb zu identifizieren, vorausgesetzt die nötige Messtechnik (z. B. Energiezähler) ist in den Produktionssystemen installiert. Gleichzeitig fordern die Absatzmärkte eine hohe Flexibilität von den Unternehmen, um beispielsweise auf individuelle Kundenbedarfe reagieren zu können. Monolithische Produktionssysteme können diese Flexibilität nicht bieten, sodass viele Unternehmen die Beschaffung von flexibleren modularen Produktionssystemen (MPS) in Erwägung ziehen. Da die technischen Anforderungen für Energiemanagementsysteme weder in den Richtlinien von MPS definiert noch wissenschaftlich erforscht sind, besteht das Risiko, dass Vorbehalte gegenüber MPS geäußert werden, da diese technisch nicht in der Lage sind, Energiemanagement zu betreiben. Um dieses Defizit beheben zu können, wurden im Rahmen dieser Arbeit drei Artefakte entwickelt, mit denen Unternehmen bei der Einführung von technischen Energiemanagementsystemen in MPS methodisch unterstützt werden können. Zu diesen Artefakten zählt ein Modell, mit dem Energiedaten in der Schnittstellenbeschreibung von Prozesseinheiten, dem sogenannten Module Type Package semantisch einheitlich beschrieben werden können. Mithilfe dieser Beschreibung konnte die Grundlage für die Integration von technischen Energiemanagementsystemen in MPS geschaffen werden. Mit dem zweiten Artefakt wurde eine neuartige Methode entwickelt, die Unternehmen bei der Integration von technischen Energiemanagementsystemen in MPS schrittweise unterstützt. Als drittes Artefakt wurde eine weitere Methode entwickelt, mit der MPS während Produktionsunterbrechungen energieeffizient betrieben werden können. Zur Evaluation der entwickelten Artefakte wurden vier Anwendungsbeispiele mit unterschiedlichen Kontexten ausgewählt, anhand derer die Robustheit und Funktionsfähigkeit der Artefakte in realen MPS bestätigt werden konnte. Durch den Einsatz der in dieser Arbeit entwickelten Lösung erhalten Unternehmen die Möglichkeit, ihre MPS systematisch für das Energiemanagement zu befähigen, sodass diese gegenüber monolithischen Produktionssystemen keine funktionalen Nachteile aufweisen.
English:
Rising energy prices and CO2 taxes are forcing process industry companies to improve the energy efficiency of their production. The introduction of an energy management system, in accordance with ISO standard 50001, offers the opportunity to identify energy efficiencies in operations, provided that the necessary measurement equipment (e.g., energy meters) is installed in the production systems. At the same time, sales markets demand a high degree of flexibility from companies, for example, to be able to respond quickly and efficiently to individual customer needs. Monolithic production systems cannot offer this flexibility, so many companies are considering purchasing more flexible modular production systems (MPS). Since technical requirements for energy management systems are neither defined in MPS guidelines nor currently researched, there is a risk that concerns will be raised about the technical capability of MPS as operation energy management systems, as they are not technically capable of operating energy management systems. To address this gap, three artifacts have been developed to provide companies with systematic support for the introduction of technical energy management systems within a MPS. These artifacts include a model that can be used to describe energy data in a semantically consistent form in the interface description of process units, known as the Module Type Package. This description provides the basis for the integration of technical energy management systems in MPS. The second artifact is a new framework that provides companies with step-by-step guidance on integrating technical energy management systems in MPS. The third artifact is another method that enables MPS to be operated in an energy-efficient way during production interruptions. To help evaluate the effectiveness of the developed artifacts, four example applications of varying contexts have been selected, which are used to confirm the robustness and functionality of the artifacts in real MPS. By using the solution developed in this work, companies are given the opportunity to systematically enable their MPS for energy management, to improve energy efficiency. Consequently, MPS have no functional disadvantages compared to monolithic production systems.
Rising energy prices and CO2 taxes are forcing process industry companies to improve the energy efficiency of their production. The introduction of an energy management system, in accordance with ISO standard 50001, offers the opportunity to identify energy efficiencies in operations, provided that the necessary measurement equipment (e.g., energy meters) is installed in the production systems. At the same time, sales markets demand a high degree of flexibility from companies, for example, to be able to respond quickly and efficiently to individual customer needs. Monolithic production systems cannot offer this flexibility, so many companies are considering purchasing more flexible modular production systems (MPS). Since technical requirements for energy management systems are neither defined in MPS guidelines nor currently researched, there is a risk that concerns will be raised about the technical capability of MPS as operation energy management systems, as they are not technically capable of operating energy management systems. To address this gap, three artifacts have been developed to provide companies with systematic support for the introduction of technical energy management systems within a MPS. These artifacts include a model that can be used to describe energy data in a semantically consistent form in the interface description of process units, known as the Module Type Package. This description provides the basis for the integration of technical energy management systems in MPS. The second artifact is a new framework that provides companies with step-by-step guidance on integrating technical energy management systems in MPS. The third artifact is another method that enables MPS to be operated in an energy-efficient way during production interruptions. To help evaluate the effectiveness of the developed artifacts, four example applications of varying contexts have been selected, which are used to confirm the robustness and functionality of the artifacts in real MPS. By using the solution developed in this work, companies are given the opportunity to systematically enable their MPS for energy management, to improve energy efficiency. Consequently, MPS have no functional disadvantages compared to monolithic production systems.
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