Integration variabler Energiepreise als zusätzliche Dimension der Produktionsplanung und -steuerung bei der industriellen Verarbeitung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe
Translated title
Integration of variable energy prices as an additional dimension of production planning and control in the industrial processing of carbon fibre reinforced plastics
Publication date
2025-11-24
Document type
Dissertation
Author
Advisor
Referee
Nyhuis, Peter
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2025-09-25
Organisational unit
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
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File(s)
Language
German
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Keyword
Energiepreisbewusste Produktionsplanung
Produktionssteuerung
Energieoptimierung in der Fertigung
Gemischt-ganzzahlige Optimierung
CFK-Fertigung
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
Nachhaltige Produktion
Luft- und Raumfahrtfertigung
dtec.bw
Abstract
Die vorliegende Dissertation untersucht, inwieweit eine energiepreisbewusste Produktionsplanung und -steuerung (PPS) zu Einsparungen in der Fertigung von Großbauteilen aus kohlenstofffaserverstärkem Kunststoff (CFK) beitragen kann. Dabei steht die Hypothese im Fokus, dass die Berücksichtigung von variablen Energiepreisen signifikante Einsparungspotenziale bietet, die mit der Höhe der Preisvolatilität korrelieren. Die Arbeit kombiniert ingenieurtechnische Grundlagen der CFK-Fertigung mit mathematischen Optimierungsmodellen, um die wirtschaftliche und technologische Umsetzbarkeit energiepreisbewusster PPS-Ansätze zu erforschen. Der theoretische Rahmen der Arbeit basiert auf den Grundlagen der PPS sowie der Energiemärkte, die zu Beginn detailliert dargelegt werden. Hierbei werden sowohl die Charakteristika der CFK-Fertigung als auch die spezifischen Anforderungen und Herausforderungen der energieintensiven Produktion komplexer Produkte analysiert. Die Prozessketten der Autoklav-Prepreg- (AP) und Resin Transfer Molding (RTM) CFK-Fertigung werden beleuchtet, um ein differenziertes Verständnis für die zugrunde liegenden Produktionsprozesse zu schaffen. Ergänzend dazu wird das europäische Energiemarktsystem und dessen Einfluss auf Produktionskosten in Bezug auf Preisvolatilitäten beleuchtet. Diese ingenieurwissenschaftlichen und wirtschaftlichen Grundlagen bilden den Rahmen für die Entwicklung eines gemischt-ganzzahligen Optimierungsmodells, das die flexible Anpassung von Produktionsplänen an Schwankungen der Energiepreise ermöglicht. Die Szenarien zur Validierung der Modelle sind so gestaltet, dass sie die spezifischen Gegebenheiten der Werkstattfertigung abbilden, die typisch für mittelgroße CFK-Produktionsumgebungen wie die des Projektpartners CTC GmbH sind. Sie berücksichtigen die Dynamik von Energiepreisen und deren Einfluss auf die Produktionskosten. Die im theoretischen Teil vorgestellten Konzepte der PPS werden in späteren Kapiteln aufgegriffen, um die entwickelten Modelle zu bewerten und einzuordnen. Es wird gezeigt, dass die Volatilität der Energiepreise einen entscheidenden Einfluss auf das Einsparungspotenzial hat: Höhere Schwankungen ermöglichen eine gezieltere Verlagerung energieintensiver Prozesse in kostengünstige Zeiträume, was insbesondere für den AP-Prozess deutliche Einsparungen generiert. Neben der Validierung der Optimierungsmodelle beleuchtet die Arbeit auch deren praktische Anwendbarkeit. Hier werden die entwickelten Modelle im Kontext der industriellen Testumgebung der CTC GmbH, einer führenden Forschungseinrichtung für Faserverbundtechnologie, analysiert. Die Ergebnisse der Modellrechnungen zeigen nicht nur die wirtschaftlichen Vorteile, sondern auch die Relevanz für die Dekarbonisierung energieintensiver Industrien. Gleichzeitig wird deutlich, dass eine vollständige Integration in reale Produktionsumgebungen weitere Forschung und Anpassungen erfordert, insbesondere in Bezug auf personal- und kapazitätsbezogene Restriktionen sowie unvorhersehbare Schwankungen von Marktpreisen. Indem die Lücke zwischen theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungen geschlossen wird, bietet diese Dissertation eine Grundlage zur Weiterentwicklung energieeffizienter Strategien in der PPS. Sie leistet einen Beitrag zu den laufenden Bemühungen, Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz in der Luft- und Raumfahrtfertigung zu verbessern.
This dissertation examines the extent to which energy price-aware production planning and control can achieve significant cost savings in the manufacturing of large carbon fiber reinforced polymer (CFRP) components. The central hypothesis posits that accounting for energy price volatility offers substantial savings potential, with a positive correlation between the magnitude of volatility and achievable cost reductions. The study integrates engineering principles of CFRP manufacturing with mathematical optimization models to explore the economic and technological feasibility of energy price-aware PPS strategies. The theoretical framework draws upon foundational concepts in production planning and control as well as energy market dynamics, which are elaborated in detail in the initial chapters. The research analyzes the unique characteristics and challenges of energy-intensive CFRP production, focusing on the Autoclave-Prepreg (AP) and Resin Transfer Molding (RTM) processes. These processes are examined to provide a detailed understanding of their energy consumption profiles and their potential for cost optimization. Additionally, the study highlights the impact of the European energy market system, particularly the role of price volatility, on production costs. This combination of engineering and economic insights serves as the foundation for developing a mixed-integer linear programming optimization model, which enables dynamic adaptation of production plans to fluctuating energy prices. The validation scenarios for the models are tailored to represent the specific characteristics of job-shop production environments typical of medium-scale CFRP manufacturing, such as those at the project partner CTC GmbH. These scenarios incorporate the dynamic nature of energy prices and their influence on production costs. Key concepts introduced in the theoretical framework are revisited in later chapters to evaluate and contextualize the developed models. The results demonstrate that energy price volatility is a critical factor influencing savings potential: higher volatility facilitates the strategic rescheduling of energy-intensive processes to lower-cost periods, yielding particularly notable savings for the AP process. Beyond the validation of optimization models, the dissertation addresses their practical applicability. The models are analyzed within the industrial testing environment of the CTC GmbH, a leading research center for composite technology. The results underscore not only the economic benefits of energy price-aware PPS but also their relevance for the decarbonization of energy-intensive industries. However, the study also highlights the need for further research and adaptation to enable full integration into real-world production environments, particularly with regard to workforce and capacity constraints as well as unpredictable market price fluctuations. By bridging the gap between theoretical foundations and practical applications, this dissertation provides a robust basis for advancing energy-efficient PPS strategies. It contributes to the ongoing efforts to enhance sustainability and cost-efficiency in aerospace manufacturing while offering transferable insights for other energy-intensive industries.
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