Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs von automatischen Hochregallagern

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Volltext

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MICHAEL VOSS

Methode zur Flexibilisierung des

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Michael Voss

Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs

von automatischen Hochregallagern

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marco Huber

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl

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info@ipa.fraunhofer.de; www.ipa.fraunhofer.de

STUTTGARTER BEITRÄGE ZUR PRODUKTIONSFORSCHUNG Herausgeber:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl1,2

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke1,4

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marco Huber1,2

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Oliver Riedel3

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Alexander Sauer1,5

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl3

Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper1,2 1 Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart 2 Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart

3 Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)

der Universität Stuttgart

4 Institut für Photovoltaik (IPV) der Universität Stuttgart

5 Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart

Titelbild: ©Kardex Group

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über www.dnb.de abrufbar.

ISSN: 2195-2892

ISBN (Print): 978-3-8396-1526-3

D 93 Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2019

Druck: Mediendienstleistungen des Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB, Stuttgart Für den Druck des Buches wurde chlor- und säurefreies Papier verwendet.

© by FRAUNHOFER VERLAG, 2020

Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB Postfach 80 04 69, 70504 Stuttgart Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart Telefon 0711 9 70-25 00 Telefax 0711 9 70-25 08 E-Mail verlag@fraunhofer.de URL http://verlag.fraunhofer.de Alle Rechte vorbehalten

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che Anspruch der „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ liegt unter anderem darin, Dissertation für Dissertation ein übergreifendes ganzheitliches Theoriegebäude der Produktion zu erstellen.

Die Herausgeber dieser Dissertations-Reihe leiten gemeinsam das Fraunhofer-Institut für Pro-duktionstechnik und Automatisierung IPA und jeweils ein Institut der Fakultät für Konstrukti-ons-, Produktions- und Fahrzeugtechnik an der Universität Stuttgart.

Die von ihnen betreuten Dissertationen sind der marktorientierten Nachhaltigkeit verpflichtet, ihr Ansatz ist systemisch und interdisziplinär. Die Autoren bearbeiten anspruchsvolle For-schungsfragen im Spannungsfeld zwischen theoretischen Grundlagen und industrieller Anwen-dung.

Die „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ ersetzt die Reihen „IPA-IAO Forschung und Praxis” (Hrsg. H.J. Warnecke / H.-J. Bullinger / E. Westkämper / D. Spath) bzw. ISW Forschung und Praxis (Hrsg. G. Stute / G. Pritschow / A. Verl). In den vergangenen Jahrzehnten sind darin über 800 Dissertationen erschienen.

Der Strukturwandel in den Industrien unseres Landes muss auch in der Forschung in einen glo-balen Zusammenhang gestellt werden. Der reine Fokus auf Erkenntnisgewinn ist zu eindimensi-onal. Die „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ zielen also darauf ab, mittelfristig Lösungen für den Markt anzubieten. Daher konzentrieren sich die Stuttgarter produktionstech-nischen Institute auf das Thema ganzheitliche Produktion in den Kernindustrien Deutschlands. Die leitende Forschungsfrage der Arbeiten ist: Wie können wir nachhaltig mit einem hohen Wertschöpfungsanteil in Deutschland für einen globalen Markt produzieren?

Wir wünschen den Autoren, dass ihre „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ in der breiten Fachwelt als substanziell wahrgenommen werden und so die Produktionsforschung weltweit voranbringen.

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Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs von automatischen Hochregallagern

Von der Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart

zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung

Vorgelegt von

Michael Voß geboren in Waiblingen

Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Alexander Verl Mitberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Karl-Heinz Wehking

Tag der mündlichen Prüfung: 03. Juni 2019

Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart

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Vorwort des Autors

Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Zeit als akademischer Mit-arbeiter und Gruppenleiter am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugma-schinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart und während der Zeit als Forschungsingenieur bei der Festo AG & Co. KG.

Mein großer Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. hc. mult. Alexander Verl, dem Direktor des ISW, für die Ermöglichung und Unterstützung meines Promotionsvorhabens und die eingeräumten Freiheiten bei der Erstellung dieser Arbeit.

Zudem danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Karl-Heinz Wehking, dem ehemali-gen Leiter des Instituts für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stutt-gart, für die Übernahme des ersten Mitberichts.

Ich danke darüber hinaus Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dieter Spath, dem Leiter des Instituts für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) der Universität Stuttgart, für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes.

Die wissenschaftliche Herangehensweise und Freude bei der Bearbeitung der Ar-beit waren entscheidend geprägt durch das sehr angenehme ArAr-beitsklima am Institut und die damit verbundene Diskussions- und Hilfsbereitschaft. Mein Dank gilt daher allen Mitarbeitern des ISW in Wissenschaft, Technik und Verwaltung. Insbesondere meine Kollegen und Mitarbeiter in der Gruppe für Planungssysteme und Engineeringmethoden unterstützten mich durch Diskussionen, Anregungen und konstruktive Kritik. Sie schufen eine herausragende Arbeitsatmosphäre. Besonders möchte ich mich bei Herrn Dr.-Ing. Tobias Sommer, Herrn Dr.-Ing. Akos Csiszar und Herrn Dr.-Ing. Christian Friedrich für die Ratschläge und Diskussionen bedanken. Bedanken möchte ich mich auch bei allen Studierenden, die durch ihre Mithilfe maßgeblich zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein Dank gilt insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Marc Schnierle für die Softwareentwicklung und Herrn Dipl.-Ing. Kailong Weng für die Unterstützung bei der Entwicklung des Fuzzy-reglers und der Simulation. Die vielseitige Unterstützung aus meinem Familien- und Freundeskreis hat ferner zum Gelingen dieser Arbeit einen großen Beitrag ge-leistet, allen voran der von Frau M. A. Helga Aichele in Form der kritischen Durch-sicht dieser Arbeit. Ein herzlicher Dank gilt insbesondere meinen Eltern, die mir das Studium ermöglichten, mir Rückhalt gaben.

Besonders am Herzen liegt es mir, mich bei meiner Frau Simone Münster zu be-danken, die mit ihrer Liebe, der endlosen Unterstützung und häufigem Verzicht entscheidend zum Gelingen der Arbeit beigetragen hat. Abschließend geht auch ein besonderer Dank an meinen Sohn Levin und meine Tochter Noemi, die mich stets an das Leben außerhalb der Dissertation erinnerten.

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Kurzfassung

Energiekosten zu senken ist einer der wichtigsten Treiber für Energieeffizienzthemen in Industrie- und Logistikunternehmen. Mit den fortlaufenden Entwicklungen werden die Maßnahmen aufwändiger und die Energiekosteneinsparung immer geringer. Die Renta-bilität der Maßnahmen sinkt. Die Energiekosten für an der Energiebörse gehandelte Energie jedoch sinken stetig seit den letzten Jahren und weisen über den Tagesverlauf eine große Volatilität auf.

Betreiber von Hochregallagern verfolgen das Ziel, Energiekosten zu reduzieren, um wei-terhin wirtschaftlich agieren zu können.

Mit dieser Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, Betreibern von Hochregallagern den Bezug von Energie an der Energiebörse zu ermöglichen, um die Energiekosten durch Flexibili-sierung des Energieverbrauchs zu senken. Es wird ein Konzept entwickelt, um den Ener-giebedarf zu planen, zu handeln und anschließend auch zuverlässig zu verbrauchen. Nach der Untersuchung bestehender Methoden, Maßnahmen und Strategien hinsicht-lich deren Energieflexibilitätspotentials wird zunächst ein Hochregallager modelliert, um dafür die neue Methode entwickeln und gefahrlos testen zu können. Anschließend wird eine Planungssystematik entwickelt, die den Energiebedarf tags zuvor plant und an-schließend handelt. Die energieflexible Lagerstrategie ermöglicht es, die gehandelte Energie durch geeignete Lagerplatzwahl und Umlagerungen zu verbrauchen. Die La-gerstrategie verwendet das Hochregallager als Speicher für potentielle Energie und ba-siert methodisch auf der dynamischen Programmierung. Die Lastverteilung sorgt durch einen Fuzzy-Regler anschließend dafür, dass Lastspitzen so gering wie nötig gehalten werden, um die Rentabilität durch hohe Netzentgelte zu schmälern.

Im zuvor entwickelten virtuellen Hochregallager werden die Methode implementiert und die Funktion der Methode zur Flexibilisierung des Energiebedarfs validiert. Die Kos-tenreduktion durch die in dieser Arbeit entwickelte Methode wird aufgezeigt.

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Abstract

Reducing energy costs is one of the most important reasons for energy efficiency issues in industrial and logistics companies. Methods, activities and strategies to increase fur-ther efficiency potentials are becoming more and more complex and energy cost savings are decreasing. The profitability of these activities decreases. However, energy costs for energy traded on the energy exchange market have been falling steadily for the past few years. Energy costs are highly volatile over the course of the day.

Operators of automated high-bay warehouses pursue the goal of reducing energy costs so that they can continue to operate economically.

The aim of this work is therefore to enable operators of automated high-bay warehouses to obtain energy on the energy exchange in order to reduce energy costs by making energy consumption more flexible. A concept is developed to plan, trade and consume energy reliably.

After examining these existing methods, activities and strategies regarding their energy flexibility potential, a high-bay warehouse will first be modelled in order to develop a new method and test it safely. Subsequently, a planning system is developed which plans the energy demand the day before and then trades afterwards. The energy flexible storage strategy enables the traded energy to be consumed through a suitable storage location selection and relocation. The storage strategy uses the high-bay warehouse as a storage system for potential energy. The storage strategy is methodically based on dynamic programming. The load distribution then uses a fuzzy control to ensure that peak loads are kept as low as necessary in order to reduce profitability through high grid charges.

The method is implemented in and the functionality of the method for flexibilizing the energy demand is validated in the previously developed virtual automated high-bay warehouse,. The cost reduction by the developed method is shown.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort des Autors ... ii

Kurzfassung ... iii Abstract ... iv Abbildungsverzeichnis ... viii Tabellenverzeichnis ... xii Abkürzungsverzeichnis ... xiii 1 Einleitung ... 1 1.1 Ausgangssituation ... 1 1.2 Problemstellung ... 1

1.3 Aufbau der Arbeit ... 3

2 Stand der Technik und Stand der Forschung ... 5

2.1 Energie und Energiemanagement in Unternehmen ... 5

2.1.1 Energieflexibilität und Energieeffizienz ... 8

2.2 Grundlagen automatisierter Hochregallager ... 11

2.2.1 Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs in HRL ... 14

2.2.2 Konstruktive Energieeffizienz ... 14

2.2.3 Energieeffiziente Antriebstechnik ... 15

2.2.4 Energiespeicher und Zwischenkreiskopplung ... 16

2.2.5 Energieeffiziente Bewegungsformen ... 18

2.2.6 Energieeffiziente Lagerbewirtschaftungsstrategien ... 19

2.2.7 Bewertung der Energieeffizienzmaßnahmen ... 22

2.3 Maßnahmen des Lastmanagements ... 26

2.3.1 Betriebliches Lastmanagement ... 27

2.3.2 überbetriebliches Lastmanagement ... 33

2.3.3 Bewertung der Lastmanagementmaßnahmen ... 33

2.4 Maßnahmen zur Optimierung der Energiebeschaffung ... 37

2.4.1 Stromhandel allgemein ... 37

2.4.2 Day-Ahead-Auktion ... 41

2.4.3 Intraday-Auktion ... 44

2.4.4 Merit Order Effekt und Prognose ... 46

2.4.5 Bewertung Maßnahmen zur Optimierung des Energiebezugs ... 47

2.5 Zusammenfassung und Bewertung ... 50

2.6 Fazit ... 52

2.7 Forschungsfragen ... 54

3 Zielsetzung und Konzeption ... 55

3.1 Ableitung der Zielsetzung ... 55

3.2 Analogie ... 56

(11)

3.4 Einordnung des Konzepts in das Energiemanagement ... 61

4 Lagermodelle und Ansätze zur Energiebeschaffung ... 63

4.1 Modellierung eines Regalbediengerätes ... 63

4.2 Modellierung der Motoren ... 69

4.3 Kaskadierte Lageregelung der Antriebsachsen ... 70

4.4 Strom- und Drehzahlregelkreis des Motors ... 71

4.5 Energetisches Lagermodell ... 73

4.6 Energiebedarfsplanung ... 76

5 Entwicklung einer energieflexiblen Lagerstrategie ... 79

5.1 Abgrenzung ... 79

5.2 Energetische Bilanzierung ... 80

5.3 Auswahl des Planungsalgorithmus ... 82

5.3.1 Rechenaufwand ... 83

5.3.2 Brute-Force-Algorithmus ... 85

5.3.3 Evolutionärer Algorithmus ... 86

5.3.4 Dynamische Programmierung ... 88

5.3.5 Bewertung der Algorithmen ... 91

5.3.6 Entwicklung des Auftragsplaners ... 92

5.4 Umlagerungsstrategie ... 95

5.5 Ableitung der Anforderungen an die Lastverteilung ... 96

6 Entwicklung eines Lastverteilungssystems für energieflexible Hochregallager ... 97

6.1 Grundüberlegung zur Lastverteilung in Hochregallagern ... 97

6.2 Entwicklung des Steuerungskonzepts zur Lastverteilung ... 98

6.3 Problembeschreibung ... 99 6.4 Lösungsansätze ... 100 6.5 Optimierung ... 101 6.5.1 Bahngenerator ... 102 6.5.2 Leistungsoptimierer... 105 6.6 Leistungsregelung ... 107 6.6.1 Systemansatz ... 107

6.6.1 Struktur der Leistungsregelung ... 108

6.6.1 Abgrenzung zum Kaskadenregler ... 109

6.6.2 Konzept der bedingten Lage- und Leistungsregelung ... 109

6.7 Grundlagen der Fuzzy-Logik ... 110

6.8 Grundstruktur des Fuzzy-Reglers ... 112

6.9 Entwurf des Fuzzy-Reglers ... 113

6.9.1 Fuzzifizierung der Parameter der Hubachsen ... 114

6.9.2 Regeldefinition zur Leistungsregelung ... 120

6.9.3 Berechnung der Erfüllungsgrade des Takagi-Sugeno-Reglers ... 123

7 Validierung und Bewertung des Gesamtkonzepts ... 125

(12)

7.3 Validierung der Lagerstrategie ... 133

7.3.1 Umlagerungstoleranz ... 135

7.4 Validierung des Lastverteilungskonzepts ... 137

7.4.1 Wirtschaftliche Bewertung ... 140

7.5 Ergebnisse der Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs ... 141

7.6 Bewertung der Beeinflussung der Energiekosten durch die Methode zur Flexibilisierung der Energiekosten ... 145

8 Zusammenfassung und Ausblick ... 147

Literaturverzeichnis ... 149

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Strategien zur Senkung der Energiekosten: Quelle (Balanowski et al. 2012)

... 2

Abbildung 2: Aufbau und Gliederung der Arbeit ... 4

Abbildung 3: Systemzusammenhänge im Hochregallager ... 7

Abbildung 4: Abgrenzung von Energieeffizienz zu Energieflexibilität. Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an (Voß 1994). ... 8

Abbildung 5: Unterschied zwischen Flexibilität und Wandlungsfähigkeit, Quelle: (Nyhuis 2008). ... 9

Abbildung 6: Grundfunktionen von Lagersystemen, Quelle: (Hompel 2009). ... 11

Abbildung 7: Hochregallager mit acht Regalbediengeräten und der Lagervorzone. ... 12

Abbildung 8 Darstellung eines Regalbediengerätes (mit Änderung übernommen), Quelle: (Arnold et al. 2009). ... 14

Abbildung 9: Vergleich der Antriebskonfigurationen für Regalbediengeräte, Quelle: (Ertl et al. 2012) . ... 16

Abbildung 10: Einsparpotential verschiedener Antriebskonfigurationen, Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Ertl et al. 2011a). ... 17

Abbildung 11: Auswirkungen von Fahrstrategien auf den Energieverbrauch, Quelle: (Ertl et al. 2011a). ... 19

Abbildung 12: Leistung und Lastgang, Quelle: (Balanowski et al. 2012). ... 28

Abbildung 13: Wochenlastgang eines Logistikunternehmens, Quelle: (Schumacher et al. 2015). ... 29

Abbildung 14: Methoden und Maßnahmen des betrieblichen Lastmanagements, Quelle: (Gellings et al. 1989). ... 30

Abbildung 15: Fahrauftragsverzögerung zur Lastverschiebung, Quelle: (Hahn-Woernle et al. 2017). ... 31

Abbildung 16: Traditionelle Stromverteilung, Quelle: (Rodriguez 2012). ... 38

Abbildung 17: Zukünftige Stromverteilung, Quelle: (Rodriguez 2012). ... 39

Abbildung 18: Preisbildung Day-Ahead-Auktion. ... 42

Abbildung 19: Exemplarische Gegenüberstellung zweier Gebotskurven des Jahres 2013, Quelle: (epexspot 2013). ... 43

Abbildung 20: Day-Ahead-Spotmarktpreise 2013, Daten aus (epexspot 2013). ... 44

Abbildung 21: Börsenstrompreise Intraday und DayAhead sowie Strombedarf und -produktion, Quelle: (Burger 2014). ... 45

Abbildung 22:Empirische und prognostizierte Spotpreise, Quelle: (Hasenbeck 2013). . 47

Abbildung 23: Systemschaubilder für Energieeffizienz für das Regalbediengerät und die Lagerstrategie. ... 50

Abbildung 24: Systemgrenzen für dezentrale Energiespeicher und Optimierung des Energiebezugs. ... 51

Abbildung 25: Systemschaubild zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs von automatischen Hochregallagern. ... 53

(14)

Abbildung 26: Funktionsweise eines energieflexiblen Pumpspeicherkraftwerks, Quelle:

Eigene Darstellung in Anlehnung an (EnBW AG 2017). ... 55

Abbildung 27: Energieflexibles Hochregallager als Analogie zum energieflexiblen Pumpspeicherwerk. ... 57

Abbildung 28: Schematische Darstellung des Pumpspeicherkraftwerks. ... 58

Abbildung 29: Analogie des Hochregallagers. ... 59

Abbildung 30: Systemkonzept der Methode zum energieflexiblen Betrieb eines Hochregallagers. ... 60

Abbildung 31: Einordnung des Konzepts in die Systematik des Energiemanagements. 61 Abbildung 32: Systemkonzept für die Entwicklung der Modelle und zur Beschaffung der Energie. ... 63

Abbildung 33: Vereinfachte Darstellung des Regalbediengerätes. ... 64

Abbildung 34: Modellstruktur der X-Achse des Regalbediengerätes. ... 65

Abbildung 35: Mechanisches Ersatzmodell des Schwingungsverhaltens. ... 66

Abbildung 36: Modell der X-Achse in Virtuos. ... 68

Abbildung 37: Modell der Y-Achse in Virtuos. ... 68

Abbildung 38: Modell der Z-Achse in Virtuos. ... 69

Abbildung 39: Elektrischer Teil eines Gleichstrommotors. ... 69

Abbildung 40: Modell des Kaskadenregelkreises. ... 71

Abbildung 41: Stromregler in Virtuos. ... 71

Abbildung 42: Modell des Drehzahlregelkreises. ... 72

Abbildung 43: Leistung der Fahr- und Hubachse für einen Auslagerungsvorgang. ... 73

Abbildung 44: Leistung des Lastaufnahmemittels und Gesamtleistung für ein RBG für einen Auslagerungsvorgang. ... 73

Abbildung 45: Einfaches Modell des Hochregallagers. ... 74

Abbildung 46: Modellierung der Regalwände einer Hochregalgasse... 74

Abbildung 47: Sollkurve des konstanten Energiebezugs zu den Hauptnutzungszeiten. 77 Abbildung 48: Sollkurve des antizyklischen Energiebezugs zu den Hauptnutzungszeiten. ... 78

Abbildung 49: Relevante Teilsysteme zur Entwicklung der energieflexiblen Lagerstrategie. ... 79

Abbildung 50: Konzeption der Lagerstrategie. ... 80

Abbildung 51: Black-Box-Modell des Auftragsplaners. ... 80

Abbildung 52: Systemgrenzen und Bilanz des Hochregallagers. ... 81

Abbildung 53: Rekuperierbare Energie einer mit identischen Stückgutmassen belegten Regalwand. ... 82

Abbildung 54: Reduktion des Hochregallagers. ... 84

Abbildung 55: Ablauf und Zusammenhänge der Auftragsplanung. ... 85

Abbildung 56: Ablauf des Brute-Force-Ansatzes. ... 86

Abbildung 57: Aufbau und Ablauf evolutionärer Algorithmen. ... 86

Abbildung 58: Graph mit Knoten und Kanten. ... 88

Abbildung 59: Berechnungsmatrix der dynamischen Programmierung. ... 89

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Abbildung 61: Erzeugung des Energievektors. ... 91

Abbildung 62: Berechnungsablauf zur Reduktion. ... 93

Abbildung 63: Aufbau des Planungsalgorithmus. ... 94

Abbildung 64: Belegungsmatrix und Zuordnung auf Regalbediengeräte durch Lagerplatzverteilungsvektor... 94

Abbildung 65: Vorgehen zur Lagerplatzwahl nach energetischen Aspekten. ... 95

Abbildung 66: Ablauf zur Berechnung der Energiedifferenz und Entscheidung von Umlagerungen. ... 96

Abbildung 67: Teilsysteme zur Entwicklung des Lastverteilungssystems. ... 97

Abbildung 68: Energieverlauf und Lastverteilung. ... 98

Abbildung 69: Zieldarstellung des Leistungsverlaufs, der mittleren Leistung und des Toleranzbandes. ... 100

Abbildung 70: Optimierung der Bahn zur Leistungsverlaufsglättung. ... 101

Abbildung 71: Systembild für zentrale Optimierung der Leistung und Ausgabe der Sollwerte. ... 102

Abbildung 72: Optimierung der Fahrachse. ... 106

Abbildung 73 Punktmassenmodell der Regalbediengeräte im Hochregallager. ... 108

Abbildung 74: Strukturschaubild des Systemaufbaus. ... 108

Abbildung 75: Abstandsbedingte Regelung. ... 109

Abbildung 76: Leistungsbedingte Regelung. ... 110

Abbildung 77: Temperaturempfinden mit Fuzzy-Logik. ... 111

Abbildung 78: Beschreibung der Beziehungen von Zugehörigkeiten. ... 111

Abbildung 79: Fuzzy-Regler mit Multi-In-Multi-Out-Struktur. ... 113

Abbildung 80: Fuzzy-Regler mit Multi-In-Single-Out-Struktur. ... 113

Abbildung 81: Fuzzy-Mengen des Leistungswerts in Hubachsen. ... 114

Abbildung 82: Fuzzy-Set zur räumlichen Begrenzung. ... 115

Abbildung 83: Fuzzy-Menge des Abstands der Fahrachse als Schaltkriterium. ... 115

Abbildung 84: Regelschaltbild eines Fuzzy-Lagereglers der Hubachse. ... 116

Abbildung 85: Fuzzy-Mengen mit 3 Mengen. ... 117

Abbildung 86: Positionierverhalten eines Fuzzy-Reglers mit 3 Fuzzy-Mengen. ... 117

Abbildung 87: Fuzzy-Lageregler mit 5 Fuzzy-Mengen. ... 118

Abbildung 88: Fahrverhalten eines Fuzzy-Reglers mit 5 Fuzzy-Mengen. ... 118

Abbildung 89: Betriebsgeschwindigkeit in Hubachsen unter unterschiedlichen Parametern. ... 119

Abbildung 90: Singletonfunktion des Hub-Fuzzy-Reglers. ... 120

Abbildung 91: Zustände der Hubwerksbewegung. ... 121

Abbildung 92: Fuzzy-Mengen des Fuzzy-Lagereglers des Hubwerks. ... 124

Abbildung 93: Verortung der Validierung und Bewertung. ... 125

Abbildung 94: Darstellung des Konsignationslagers. ... 126

Abbildung 95: Volumenvergleich des virtuellen und des reellen Hochregallagers. ... 126

Abbildung 96: Steuerungstechnische Architektur des energieflexiblen Hochregallagers. ... 127

(16)

Abbildung 97: Blick ins Hochregallager (l) und Messaufbau zur Leistungsmessung an der Stromschiene des RBG. ... 128 Abbildung 98: Leistungsverlauf einer Fahr-, Hub- und Senkbewegung eines

Regalbediengerätes. ... 129 Abbildung 99: Zeitverlauf der RBG-Lage nach der externen Trajektorie. ... 130 Abbildung 100: Zeitverlauf der Leistung nach der Messung und Simulation. ... 130 Abbildung 101: Vergleich der Leistungsaufnahme des Auslagerungsauftrags um ΔX22

ΔY2 Fächer Gasse2. ... 131 Abbildung 102: Vergleich des Leistungsverlauf einer Auslagerung durch den 5. Auftrag.

... 132 Abbildung 103: Energieaufnahme des ersten Auftrags. ... 132 Abbildung 104: Energieabgabe des fünften Auftrags. ... 133 Abbildung 105: Folgeverhalten des Energieniveaus in Abhängigkeit von Durchsatz und

Umlagerung. ... 134 Abbildung 106: Kennfeld der Umlagerungsanzahl, der energetischen Toleranz und dem resultierendem Fehler. ... 135 Abbildung 107: Anzahl der Zeilen der Berechnungsmatrix je Regalbediengerät. ... 136 Abbildung 108: Wachstum des Berechnungsaufwands gegüber der Anzahl der

Regalbediengeräte. ... 137 Abbildung 109: Pfad und Leistungsverlauf eines PPI-geregelten und eines

hybrid-geregelten Regalbediengerätes. ... 138 Abbildung 110: Leistungsverlauf aller acht Regalbediengäten mit hybridem

Fuzzy-Regler und Kaskadenrregler. ... 139 Abbildung 111: Lastverteilung durch hybride Fuzzy-Regelung. ... 140 Abbildung 112: Geplanter Energiebedarf und tatsächlicher Energiebezug am

31.07.2013. ... 142 Abbildung 113: Geplanter Energiebedarf und tatsächlicher Energiebezug am

19.08.2013. ... 143 Abbildung 114:Vergleich der Energiekosten für den antizyklischen und den konstanten Energiebezug an zwei Tagen. ... 144

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Bewertung der Methoden zur Steigerung der Energieeffizienz. ... 25

Tabelle 2: Bewertung der Methoden des betrieblichen Lastmanagements. ... 35

Tabelle 3: Bewertung der Methoden des überbetrieblichen Lastmanagements. ... 36

Tabelle 4: Bewertung der Methoden zur Optimierung des Energiebezugs. ... 49

Tabelle 5: Vergleich der Systemansätze mit den Kriterien zur Bewertung des Energiekostenreduktionspotentials. ... 52

Tabelle 6: Bewertung der Algorithmen. ... 91

Tabelle 7: Zulässige Beschleunigungen. ... 103

Tabelle 8: Rechenzeiten. ... 106

Tabelle 9: Bedeutung der fünf Fuzzy-Mengen. ... 118

Tabelle 10: Gegenüberstellung der Parametersätze. ... 119

Tabelle 11: Anzahl der Fuzzy-Mengen jeden Eingangs. ... 120

Tabelle 12: Regeln der reinen Leistungsregelung. ... 122

Tabelle 13: Regeln der reinen Lageregelung. ... 123

Tabelle 14: Regeln zur Kollisionsvermeidung. ... 123

Tabelle 15: Energiepreise, Energiebezug und Energiekosten für den 31.7.13. ... 144

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Abkürzungsverzeichnis

€/kWa ... Netznutzungspreis in € pro Kilowatt, bezogen auf ein Jahr BRD ... Bundesrepublik Deutschland COG ... Center of Gravity DSM ... Demand Side Management, Deutsche Energie-Agentur EnWG... Energiewirtschaftsgesetz EOM ... Energy only Market EPEX ... European Power Exchange ERP ... Enterprise Ressource Planning EVU ... Elektrizitätsversorgungsunternehmen GA ... genetische Algorithmen GFK ... glasfaserverstärkter Kunstoff GW ... Gigawatt MCP ... Market Clearing Price MIMO ... Multi-In Multi-Out MISO ... Multi-In Single-Out MKS ... Mehrkörpersystem MWh ... Megawattstunde RLM ... Registrierende Leistungsmessung RMSE ... Root-mean-square error SynErgie ... BMBF-Forschungsprojekt

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1 Einleitung

1.1 Ausgangssituation

Durch den vereinbarten Ausstieg der Bundesrepublik Deutschland (BRD)aus der Kern-energienutzung bis zum Jahr 2022 ist es von zentraler Bedeutung, regenerativ erzeugte Energie effektiv in das Stromversorgungssystem zu integrieren. Für die Erhaltung der Stabilität des Stromnetzes werden somit Ausgleichsmechanismen wichtiger, um den ho-hen Fluktuationen regenerativer Stromerzeugung zu begegnen.

Vorrangig werden drei prinzipiell unterschiedliche Mechanismen diskutiert. Der erste Mechanismus zum Ausgleich ist die Speicherung der Energie in Stromspeichern und der zweite Mechanismus wandelt elektrische Energie in andere Energieträger und -formen um. Der dritte Mechanismus hingegen sieht vor, den Zeitpunkt des Verbrauchs mit dem Zeitpunkt der Erzeugung zu synchronisieren. Die beiden ersten Mechanismen haben zum Ziel, die Energie vom Zeitpunkt der Erzeugung bis zum Zeitpunkt des Verbrauchs vorzuhalten. Der dritte Mechanismus wird als Demand Side Management(DSM) be-zeichnet und flexibilisiert Lasten vorrangig in energieintensiven Unternehmen. Hierfür werden traditionell wärme- und kälteintensive Prozesse genannt, wie sie in Alu- und Stahlhütten oder in großen Kühlhäusern vorkommen. Der Zusammenschluss von meh-reren Unternehmen mit geringen, jedoch prinzipiell flexibilisierbaren Lasten zu einem Pool ermöglicht es auch Unternehmen weniger energieintensiver Branchen an der Ener-giewende aktiv und wirtschaftlich erfolgreich mitzuwirken.

Logistikzentren, die automatische Hochregallager (HRL) betreiben, zählen nicht zu den energieintensiven Unternehmen. Sie haben, durch die mit Stückgütern belegten Regale, einen Speicher an potentieller Energie und benötigen zur Bewältigung der Logistikauf-gabe elektrische Energie, durch die dem System Hochregallager potentielle Energie „hin-zugefügt“ oder „entnommen“ wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode entwi-ckelt, die es ermöglicht, den Energieverbrauch in automatischen Hochregallagern effi-zient zu flexibilisieren und dabei die Logistikleistung so wenig wie möglich zu beeinträch-tigen. Die Methode zielt darauf ab, den Energiebedarf eines Hochregallagers am Ener-gieangebot der Strombörsen auszurichten, um so die Energiekosten zu senken.

1.2 Problemstellung

Der wirtschaftliche Betrieb von Logistikzentren zum Umschlag großer Warenmengen ist vor allem durch einen hohen Automatisierungsgrad möglich. Bei der Lagerung von groß-volumigen Sortimenten mit hohen Durchsätzen und bei schweren Gütern kommen heute hauptsächlich automatisierte Hochregallager zum Einsatz. Vor allem aufgrund der Möglichkeit, mit wenig Personalaufwand im Mehrschichtbetrieb Waren umzuschlagen, erbringen sie erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile gegenüber manuell bedienten Lagern. Trotz dieser Vorteile unterliegen automatisierte Hochregallager einem stetigen Kostendruck. Die Kosten setzen sich aus Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie den Kosten des Energieverbrauchs zusammen.

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Aktuell können die Verbrauchskosten bestehender Hochregallager durch Energieeffi-zienzmaßnahmen gesenkt werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher energieeffizien-ter Lagerstrategien auf den Energieverbrauch wurden aktuell entwickelt und unenergieeffizien-tersucht (Ertl et al. 2011b; Sommer et al. 2013). Wird jedoch das gesamte System des Hochregal-lagers, von der Energiebeschaffung über die Lagereinrichtungen bis hin zum Energiever-brauch, betrachtet, ist die Steigerung der Energieeffizienz nur eine Herangehensweise, um Energiekosten zu senken.

Die Deutsche Energie-Agentur (dena) beschreibt in (Balanowski et al. 2012) diese Säu-lenaufteilung zur Senkung von Energiekosten, siehe Abbildung 1. Die erste Säule umfasst alle Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, die zweite Säule diejenigen des Lastmanagements und die dritte Säule enthält die Maßnahmen zur Optimierung der Energiebeschaffung.

Abbildung 1: Strategien zur Senkung der Energiekosten: Quelle (Balanowski et al. 2012)

Bisherige Arbeiten zur Senkung der Energiekosten haben sich ausschließlich mit der Stei-gerung der Energieeffizienz durch mechanische, antriebs- und steuerungstechnische Maßnahmen sowie Maßnahmen der Lagerstrategie beschränkt. Die derzeit einzige Op-timierung der Energiebeschaffung in Hochregallagern ist die Diversifizierung in Haupt- und Nebenzeiten.

Als konsequente Weiterentwicklung des Energiemarktes zur effizienteren Integration erneuerbarer Energien sieht (Bardt 2014) den Spotmarkt der Energiebörsen. Am Spot-markt werden derzeit flexible Lasten durch die European Power Exchange Spot SE (kurz EPEX Spot) gehandelt. Der durchschnittliche Preis für Beschaffung, Netzentgelt und Ver-trieb lag für das Jahr 2013 bei rd. 42 €/MWh in den HauptbeVer-triebszeiten zwischen 6 und 22 Uhr bzw. bei 37,8 €/MWh in den Betriebszeiten zwischen 0 und 24 Uhr. Zum Ver-gleich: Der durchschnittliche Netto-Arbeitspreis für Industriestromkunden lag im Jahr 2013 bei 151,1 €/MWh (Schwencke et al. 2016). Der Handel am Spotmarkt verspricht demnach einen durchschnittlichen Kostenvorteil von ca. 46,5 % im Zweischichtbetrieb und 51,8 % im Dreischichtbetrieb.

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Doch welche Herausforderungen müssen bewältigt werden, um von den Vorteilen des Spotmarktes profitieren zu können? (Seidl et al. 2016) unterteilt die Herausforderungen bei der Erschließung und Vermarktung von DSM-Potentialen in fünf Handlungsfelder: Generell, Energiewirtschaftlich, Technisch, Forschungsbedarf und Betriebswirtschaft-lich. Die primär wichtigsten Herausforderungen für die Flexibilisierung von Lasten in Hochregallagern sind den Feldern Forschungsbedarf und Technisch zuzuordnen.

1.3 Aufbau der Arbeit

In Kapitel 1 wird auf die Problematik hingeführt und die Reduktion der Energiekosten durch Methoden des Lastmanagements motiviert. Die notwendigen Grundlagen auto-matisierter Hochregallager werden in Kapitel 2 erläutert. Die aktuelle Situation der Ener-gieversorgung und Energiepreisbildung wird erörtert. Die derzeitige Herausforderung, den Energieverbrauch durch Smart Grids und den zugehörigen Smart Market zu dyna-misieren, um auf die Anforderungen des Atomausstiegs reagieren und regenerative Energien effektiv integrieren zu können, wird dargelegt. Maßnahmen des Energiemana-gements werden aufgezeigt und bewertet. Effiziente Maßnahmen wie z. B. Lagerstrate-gien, Bewegungsstrategien und Leichtbau werden erörtert und bewertet. Die Untersu-chung des Energiebezugs führt zur Abgrenzung der Energieflexibilität und zum Handel von Energie an der Strombörse. Die Eignung der Verwendung von Methoden des Ener-giemanagements in Unternehmen, um den Energiebezug an der Energiebörse tätigen zu können, werden untersucht und bewertet. Im Fazit werden die Defizite bestehender Energiemanagements für Hochregallager zusammengefasst.

Aus den Defiziten werden die Zielsetzung und Konzeption in Kapitel 3 Entwicklung der Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs in Hochregallagern abgeleitet. In Kapitel 3 wird die Methode konzipiert. Hierzu wird in einer Analogie die Lagerstrategie zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs entworfen. Die für das Systemkonzept not-wendigen Modelle werden in Kapitel 4 entwickelt. Die mechanischen Modelle werden durch die Antriebsmodelle und deren Regler komplettiert und den Messergebnissen ei-nes realen Regalbediengerätes (RBG) gegenübergestellt. Über die Systemstruktur des Hochregallagers werden die zu entwickelnden Methoden verortet. Anschließend wer-den zwei Ansätze zum Bezug der Energie an der Strombörse entworfen und deren Aus-wirkungen auf die Lagerstrategie erläutert. In Kapitel 5 wird die Lagerstrategie in zwei Ansätzen konzipiert und die Unterschiede und deren Auswirkungen werden analysiert und bewertet. Nach der Auswahl der geeigneten Methode werden das Verfahren ent-wickelt und die Anforderungen an das Steuerungskonzept abgeleitet. In Kapitel 6 wird ein Lastverteilungssystem entwickelt, um als weitere Methode des Energiemanage-ments die negativen Auswirkungen des Leistungspreises durch Flexibilisierung des Ener-gieverbrauchs zu minimieren. Dazu werden die Abhängigkeit der entwickelten La-gerstrategie zum Leistungspreis erläutert und ein Regelungskonzept entwickelt, welches sowohl die Anforderungen an den Lastausgleich als auch an die genaue Positionierung der einzelnen Regalbediengeräte erfüllt. In Kapitel 7 werden die Ergebnisse der entwi-ckelten Modelle, der energieflexiblen Lagerstrategie und des lastverteilenden

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Steuerungskonzept gezeigt. Anschließend werden die Ergebnisse der energieflexiblen Lagerstrategie in Bezug auf den Energiebezug an der Energiebörse gezeigt und disku-tiert. Das Kapitel schließt mit der Evaluation des Beitrags zur Senkung der Energiekosten. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und dem Ausblick. Der Aufbau der Arbeit ist in Abbildung 2 dargestellt.

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ger erläutert und die für diese Arbeit notwendigen Begrifflichkeiten definiert, um dann die oben genannten 3 Säulen des Energiemanagements (vgl. Abbildung 1) in Hochregal-lagern jeweils im Detail zu untersuchen. Das Kapitel schließt mit einer zusammenfassen-den Bewertung dieser Maßnahmen und leitet das Defizit zur Flexibilisierung des Ener-gieverbrauchs von automatischen Hochregallagern ab.

2.1 Energie und Energiemanagement in Unternehmen

(Heise et al. 1994) definiert Energie als „die Fähigkeit stofflicher oder nichtstofflicher Systeme, an ihrer Umgebung Arbeit zu verrichten sowie Wärme oder Strahlung an sie zu übertragen. Man unterscheidet u.a. thermische, mechanische, elektrische, chemi-sche, nukleare und Strahlungs-Energie. Energie kann nicht ‚verloren’ gehen, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden“ (Weber 2007).

Die erste vollständige Formulierung des Energieerhaltungssatzes geht auf Helmholtz zu-rück und besagt in der Formulierung von (Doering et al. 2012): „In einem abgeschlosse-nen System kann der Gesamtbetrag der Energie weder vergrößert noch verkleinert den. Es können lediglich die verschiedenen Energiearten ineinander umgewandelt wer-den“. Von dieser Aussage ausgehend leitet (Baehr et al. 2016) drei Aussagen zur quan-titativen Formulierung des ersten Hauptsatzes der technischen Thermodynamik ab.

1. „Jedes System besitzt eine Zustandsgröße Energie E. Kinetische und potentielle Energie sind Teile dieser Systemenergie E.

2. Die Energie eines Systems kann sich nur durch Transport über die Systemgrenze ändern. Die Erscheinungsformen dieses Energieübergangs sind:

a. Das Verrichten von Arbeit b. Der Übergang von Wärme c. Der Transport von Materie

3. Für die Energie gilt ein Erhaltungssatz: Energie kann weder erzeugt noch vernich-tet werden.“

Umgangssprachlich, und auch in dieser Arbeit, wird jedoch von Energieverbrauch, Ener-giebedarf und Energieverlust gesprochen. Die VDI 4661 definiert/erklärt den Energiebe-darf als „die zum Erstellen einer bestimmten Energiedienstleistung unter Einsatz einer dafür geeigneten Technik einzusetzende Endenergie unter definierten Randbedingun-gen. Energieverbrauch ist die für die Deckung des Energiebedarfs aufgewandte Menge bestimmter Energieformen unter realen Bedingungen“ (VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, Fachbereich Sicherheit und Management. 2014. VDI 4661:2014-08). Primär-energie – fossil, nuklear, regenerativ – wird in SekundärPrimär-energie, bspw. elektrischen Strom und (Ab-)Wärme, gewandelt. Die Irreversibilität des Vorgangs ist durch den zwei-ten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Für den Betrieb eines Hochregallagers

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bedeutet dies, dass elektrische Energie in potentielle Energie und Wärme gewandelt wird. Durch die Rekuperation der elektrischen Antriebe in einem Regalbediengerät ist es jedoch auch möglich, im Falle einer Auslagerung potentielle Energie in elektrische Energie zu wandeln. Aufgrund der Wirkungsgrade wird ein hoher Anteil der Energie in Wärme gewandelt und steht zur Nutzung nicht mehr zur Verfügung.

Für diese Arbeit sind die Begriffe des Bedarfs, Verbrauchs und Verlusts folgendermaßen definiert:

Energiebedarfe sind Werte, die erwartet werden. Die Werte basieren auf Berechnun-gen, wenn sie konkreter sind, und auf Erfahrungen und historischen Daten, wenn Ab-schätzungen getroffen werden.

Energieverbrauch ist die Energie, die reell benötigt und bezogen wird. Der Energiever-brauch ist messbar.

Energieverlust ist die Energie, die in einem Vorgang oder Prozess in eine Energieform gewandelt wird, die in dieser technischen Lösung nicht mehr nutzbar gemacht werden kann. Beispielhaft kann hier Wärme genannt werden, die in Antriebssystemen bei Be-wegung oder beim Bremsvorgang im Bremswiderstand entsteht.

In Unternehmen kann Energiemanagement grundsätzlich aus der technischen und aus der organisatorischen Perspektive betrachtet werden. Die organisatorische Perspektive beinhaltet dabei Abläufe und Prozesse rund um das Themengebiet Energie in einem Un-ternehmen. So wird beispielsweise der Prozess des Energieeinkaufs definiert, aber auch die prinzipielle Einstellung des Unternehmens und die Verhaltensweisen der Mitarbeiter bezüglich des verantwortungsvollen Umgangs mit Energie beschrieben und verbessert. Bei der Einführung eines systematischen Energiemanagementsystems im organisatori-schen Umfeld werden Unternehmen durch die internationale Norm ISO 50001:2011 ge-leitet. „Das Ziel dieser Norm ist es, Organisationen beim Aufbau von Systemen und Pro-zessen zur Verbesserung ihrer Energieeffizienz zu unterstützen“ (Deutsches Institut für Normung. 2015. DIN EN ISO 50001). „Bei der technischen Betrachtung des Energiema-nagements liegt der Schwerpunkt der Betrachtung auf den Anlagen, die Energie ver-brauchen. Maßnahmen werden rein technisch ausgearbeitet und gehen mit Änderun-gen und NeuerunÄnderun-gen in den AnlaÄnderun-gen einher“ (Geilhausen et al. 2015).

Beide Perspektiven haben zum Ziel, die Energiekosten zu senken. Durch eine systemati-sche und zusammenhängende Betrachtung aller Abhängigkeiten bei der Umsetzung von Maßnahmen zur Energiekostenreduktion können Energiekosten stärker gesenkt werden als durch die Umsetzung der jeweiligen Einzelmaßnahmen. Dies bedarf einer Betrach-tung der Abhängigkeiten bei der Beschaffung der Energie und der effizienten und effek-tiven Nutzung der Energie, aber auch einer kontinuierlichen Reduktion des Energiever-brauchs. (Geilhausen et al. 2015) schreibt, dass „ … nicht unbedingt der absolute Ver-brauch entscheidend ist, sondern [es] genauso wichtig ist, wann, d. h. zu welchem Zeit-punkt eine Kilowattstunde verbraucht wird“.

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Die Grundlage des Handels von Energie wird durch das Energiewirtschaftsgesetz, kurz EnWG, geschaffen. Das Gesetz hat unter anderen zum Ziel, „die freie Preisbildung für Elektrizität durch wettbewerbliche Marktmechanismen zu stärken [und] den Ausgleich von Angebot und Nachfrage nach Elektrizität an den Strommärkten jederzeit zu ermög-lichen“ (EnWG 2005). Wichtig aus unternehmerischer Sicht ist es, sich intensiv mit der Ressource Energie, deren Verbrauch und deren Beschaffung auseinanderzusetzen. „Be-triebliches Energiemanagement wird … als Management der Energiewirtschaft, einem funktionalen Teilbereich des Unternehmens mit Fokus auf die Ressource Energie als not-wendiger Input im Rahmen der betrieblichen Wertschöpfung, betrachtet“ (Posch 2011). Als wichtige Voraussetzung einer wirtschaftlichen Umsetzung nennt Posch die „Verfüg-barkeit der erforderlichen Infrastruktur und vor allem auch der entsprechende Bedarf eines Abnehmers“ (Posch 2011). Grundlage dieser Arbeit ist es daher, bestehende Inf-rastruktur zu nutzen und die Flexibilisierung des Energiebezugs zu motivieren.

Abbildung 3 zeigt die Zusammenhänge der einzelnen energierelevanten Teilsysteme im Hochregallager. Lageraufträge werden, der Lagerstrategie zugrunde liegend, durch die Regalbediengeräte im Hochregallager ausgeführt. Dieser logistische Prozess benötigt Energie. Der Energiebezug verursacht Energiekosten. Der Lastgang, welcher durch die Bewegung der Fördermittel entsteht, wird durch die Netzentgelte berücksichtigt. Mit Erfahrungswerten und Daten zum Lagerbetrieb können Energieverbrauchsprognosen erstellt werden, um mit dem Energielieferanten Strompreise auszuhandeln.

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Die Motivation dieser Arbeit besteht darin, Energie in Hochregallagern sinnvoll zu nut-zen. Das Vorgehen adressiert die Flexibilisierung des Energiebezugs in Abhängigkeit der Energieproduktion gekoppelt durch den Energiemarkt. Die Verbindung von Erzeuger und Verbraucher mithilfe intelligenterer Energienetze (smart grids) lässt intelligente Energiesysteme (smart energy) entstehen – durch die Kopplung an den Energiehandel intelligente Energiemärkte (smart markets) (Palensky et al. 2011; Lund et al. 2012; Roh-lfing 2012; Kollmann et al. 2013; Steinwärder 2014; Elzinga et al. 2015; Haslak 2016).

2.1.1 Energieflexibilität und Energieeffizienz

Smart Energy geht über den Einbau und die Nutzung intelligenter Stromzähler hinaus. (Voß 2011) differenziert zwischen den Begriffen „Energiesparen“ und einer „rationellen Energieanwendung“. Effizienz besagt, dass für die gleiche Arbeit weniger Energie benö-tigt wird. Das Ziel rationeller Energieanwendungen ist, dass durch intelligente Netze und die verfügbaren Informationen zum Verbrauchsverhalten, Energie intelligent gehandelt, erzeugt, verteilt und genutzt werden kann. Abbildung 4 verdeutlicht die wirtschaftliche Rationalität dieser Energieflexibilität. Ausgehend vom Status quo werden durch Ener-gieeinsparungen wirtschaftliche Vorteile entstehen, die sich für ein Unternehmen in ge-ringeren Energiekosten widerspiegeln.

McKane beschreibt in (McKane et al. 2008) das Paradoxon des Energiesparens. Dies be-sagt, dass mit abnehmender Effektivität der Maßnahme die Kosten zur Realisierung zu-nehmen. Dem gegenüber stehen energieflexible Anwendungen, die mehr Energie benö-tigen können. Die Theorie besagt, dass trotz höherem Energiebedarf – sogar gegenüber dem Status quo – geringere Energiekosten anfallen. Möglich wird dies, indem nicht nur die absolute Menge (hier die Energie) betrachtet wird, sondern auch der Zeitpunkt, zu dem die Energie benötigt wird.

Abbildung 4: Abgrenzung von Energieeffizienz zu Energieflexibilität. Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an (Voß 1994).

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Die Bilanzgrenze der Systembetrachtung vergrößert sich dadurch von der zu optimie-renden Applikation (Energieeffizienz) um die Bereiche des inner- und überbetrieblichen Lastmanagements sowie um die Energiebeschaffung. Dadurch verändert sich die Ziel-setzung weg von der Reduktion des Energiebedarfs und hin zur Energiekostenreduktion bei gleichem Nutzen.

Energieflexibilität in Produktionssystemen ist definiert als die „Fähigkeit eines Produkti-onssystems, den Energiebedarf mit geringem finanziellem Aufwand an Änderungen des Energiemarktes anzupassen“ (Abele et al. 2011; Reinhart et al. 2012; Graßl 2014). Diese Definition ist in Anlehnung an die Definition der Flexibilität eines Produktionssystems nach (Slack 1983) entstanden. Die Flexibilität wird dabei in drei Dimensionen unterteilt:

1. Zustand, 2. Zeit, 3. Kosten.

Die Diskussion der Dimensionen lässt sich am Schaubild wandlungsfähiger Produktions-systeme anschaulich erklären. Die Darstellung geht auf (Zäh et al. 2005) zurück. In Ab-bildung 5 ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Anforderung aufgetragen. Die Anforderung ist hier allgemein genannt und kann Ausprägungen wie z. B. Stückzahl, Losgröße oder auch Energiebedarf einnehmen.

Abbildung 5: Unterschied zwischen Flexibilität und Wandlungsfähigkeit, Quelle: (Nyhuis 2008).

In den Zeitschritten 0 bis 2 des Schaubildes ist die Flexibilität mit dem Zustand f0=f1

an-gegeben. Um in den Flexibilitätskorridor zwischen Zeitschritt zwei und fünf zu kommen, muss der Zustand der Flexibilität verändert werden. Je nach System und Verhalten kann diese Veränderung autonom oder vorgegeben erfolgen. Die Veränderung der Dimension Zustand ist mit den Dimensionen Kosten und Zeit verbunden. Die Reaktivität eines Sys-tems ist durch die Zeit beschrieben, die benötigt wird, die Zustandsänderung zu bewäl-tigen. Die Dimension Kosten ist differenziert zu betrachten. Einerseits entstehen Kosten, um einen Zustand zu verändern, andererseits fallen unnötige Kosten an, wenn der Fle-xibilitätskorridor zu großzügig dimensioniert und nicht genutzt wird. Die Herausforde-rung der Wandlungsfähigkeitsdiskussion ist demnach, eine Balance der drei Dimensio-nen zu finden.

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Mit der Motivation, die Energiekosten in Hochregallagern zu senken, werden in den fol-genden Unterkapiteln unterschiedliche Ansätze analysiert und bewertet.

Zur Bewertung der zu untersuchenden Ansätze werden die drei Dimensionen der Flexi-bilität herangezogen und jeweils in geeignete Bewertungskriterien unterteilt:

1. Zustand:

In der Dimension Zustand bewertet das Kriterium der Anpassbarkeit, wie stark sich ein System an geänderte Rahmenbedingungen selbst anpassen kann bzw. angepasst wer-den kann (gar nicht über teilweise bis stark).

In die Betrachtung wird einbezogen, welche Anzahl verschiedener Zustände das System einnehmen kann (ein, mehrere, gleitend).

Das dritte Kriterium innerhalb der Dimension Zustand ist die Reversibilität des Zustands-wechsels (nicht reversibel, teilweise reversibel, reversibel).

2. Zeit:

Die Zeit, die ein System benötigt, um zwischen zwei verschiedenen Zuständen zu wech-seln, verwendet (Slack 1983) als Maß der Flexibilität. Das Kriterium wird

Änderungs-dauer benannt.

Für eine Bewertung der Flexibilität einer Methode oder eines Verfahrens ist auch der

Zeitpunkt der Veränderung wichtig. Findet die Veränderung im Entwicklungsprozess

statt? Erfolgt die Veränderung in der Nutzungsphase?

Die Häufigkeit der Zustandsänderung beschreibt, wie häufig eine Zustandsänderung po-tentiell möglich ist.

Eine Maßnahme hat definierte obere und untere Zeitgrenzen (Gottschalk 2007). Die

Dauer bewertet dieses Kriterium.

3. Kosten:

Ein Flexibilitätszustand und auch dessen Zustandsänderung verursacht Kosten. (Slack 1983) unterscheidet hier zwischen den Kosten, die für die Vorhaltung der Flexibilität entstehen, und denen Kosten, die durch Zustandsänderung entstehen – also der Nut-zung der Flexibilität. Dabei ist zu beachten, dass streng die Flexibilität bewertet wird und nicht die absolute Investition: „Wenn zwei Systeme in der Lage sind, den gleichen standsbereich abzudecken und sich zu den gleichen Betriebskosten zwischen diesen Zu-ständen bewegen können, dann macht das eine System, weil es teurer war als das an-dere, dieses System weder flexibler noch weniger flexibel als das andere“ (Slack 1983). Daher wird in der Dimension Kosten nach den Kriterien Vorhaltungskosten und

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Die drei genannten Dimensionen mit ihren Kriterien werden in den folgenden Kapiteln herangezogen, um den Einfluss der Flexibilisierung auf die Energiekosten in Hochregal-lagern bezüglich der zu untersuchenden Maßnahmen zu bewerten.

2.2 Grundlagen automatisierter Hochregallager

„Logistik ist der Schlüssel zur Verbesserung und Optimierung der betrieblichen Infra-struktur“ (Martin 2009). Dabei ist „Lagern (…) das Aufbewahren und Bereithalten der Bestände einer Anzahl von Artikeln“ (Gudehus 2010). Die Aufgaben von Logistikzentren reichen von der reinen Lagerung über vor- und nachgelagerte Leistungen, wie dem Kom-missionieren, zu spezifischen Ladeeinheiten oder dem Verpacken und Etikettieren indi-vidueller Packstücke bis hin zu wertschöpfenden Dienstleistungen, wie Vormontagen o-der Konfektionierungen.

In Abbildung 6 sind die Grundfunktionen von Lagersystemen dargestellt. In der Waren-annahme werden die Waren angenommen und zur Einlagerung vorbereitet. Nach der Identifikation erfolgt die Einlagerung ins Lager.

Abbildung 6: Grundfunktionen von Lagersystemen, Quelle: (Hompel 2009).

Werden nun vom Kunden kleinere Einheiten als die eingelagerten Packstücke geordert, so werden die Packstücke ausgelagert und in einem Kommissioniervorgang individuali-siert, mit weiteren Artikeln zu neuen Ladungseinheiten gepackt und anschließend dem Versand zugeführt. Die verbleibenden Packstücke werden nach dem Kommissionieren wieder ins Lager eingelagert. Die Förder-, Lager- und Kommissioniertechnik hat einen Anteil am Energieverbrauch des gesamten Logistikzentrums von durchschnittlich ca. 48 % (Günthner et al. 2009). Im Einzelfall hängt der Anteil des Energieverbrauchs jedoch stark von der Lagerart (Kühllager, Palettenlager nicht temperiert, etc.), von der

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Lagergröße und dessen Lagerbewirtschaftungsstrategien sowie des Automatisierungs-grades des Hochregallagers ab.

In dieser Arbeit werden automatische Hochregallager betrachtet, die beispielsweise in Distributionszenten eingesetzt werden, um große Warenmengen eines oder mehrerer Lieferanten effizient umzuschlagen. Als Ladehilfsmittel werden Paletten verwendet. Die Waren werden in Palettenregal-Lagern in Silobauweise eingelagert. Die Regale dienen in der Silobauweise auch als Tragkonstruktion für Wand- und Dachelemente. In dieser Bauweise errichtete Hochregallager können aktuell bis zu 55 m hoch gebaut werden und sind eine Palette tief. Durch die große Höhe ist das Lagervolumen so auch bei geringer Grundfläche hoch. Hochregallager können aufgrund der Höhe nicht mehr mit Kommis-sionierstaplern beschickt werden. Der Ein- und Auslagervorgang erfolgt vielmehr durch Regalbediengeräte. In Abbildung 7 ist das untersuchte Hochregallager mit acht Regalbe-diengeräten und Lagervorzone dargestellt.

Abbildung 7: Hochregallager mit acht Regalbediengeräten und der Lagervorzone.

Beim Umschlagen von Waren werden diese in der Fertigung oder im Wareneingang pa-lettiert ①. Bevor die Einlagerung erfolgt, werden die Abmessungen der Pale en in der Profilkontrolle überprüft ② . Anschließend werden die Palette und deren Artikel iden-tifiziert und einem Lagerplatz im Hochregal zugeordnet ③. Die Iden fika on kann mit-tels Barcodes oder RFID erfolgen. Die identifizierten Paletten werden nun den Regalbe-diengeräten über Stetigförderer zugeführt ④ ⑤ ⑥. Am Übergabeplatz ⑦ nimmt das Regalbediengerät ⑪ die Palette von den Stetigförderern und lagert die Ware am vor-gesehenen Platz in das Hochregallager ⑫ ein. Hier verbleibt die Ware, bis sie durch einen Auslagervorgang der Kommissionierung oder direkt dem Warenausgang ⑨ zuge-führt wird. „Mit zunehmender Marktdynamik, der zunehmenden Komplexität und

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Indi-Versorgungssicherheit, Termintreue und Lieferqualität an Bedeutung gewonnen“ (Syska 2006). Die Unterteilung der Vorgänge und Abläufe der Intralogistik in Flüsse hilft die komplexen Abhängigkeiten aufzulösen.

Die Flussorientierung beschreibt die Abhängigkeit von Material-, Informations-, aber auch Energie- und Finanzflüssen (Pfohl et al. 1991; Weber 1996; Syska 2006; Pfohl 2010). Der Informationsfluss löst eine Warenbewegung im Logistiksystem aus und begleitet die Ware entlang des Materialflusses. Der Informationsfluss berechnet Lager- und Lieferzei-ten, bestimmt Verfügbarkeiten und löst Nachbestellungen von zur Neige gehenden Wa-ren rechtzeitig aus. Der Energiefluss in einem Hochregallager resultiert neben Beleuch-tung und Klimatisierung aus der Bewegung der Waren mittels Förder- und Lagermitteln. Der Finanzfluss fließt durch den Verbrauch von Energie vom Verbraucher zum Erzeuger und geht in die Logistikkosten ein. Durch die Erbringung von Logistikleistung fließt ein weiterer Finanzfluss, entgegen dem Materialfluss, vom Kunden zum Logistikdienstleis-ter. Der Quotient aus Logistikleistung und Logistikkosten beschreibt die Logistikeffizienz, die wiederum die Wirtschaftlichkeit von Logistiksystemen bewertet. „Ziel des wirt-schaftlichen Handelns ist die Maximierung der Differenz von Erlösen und Kosten bei mi-nimalem Kapitaleinsatz“ (Gudehus 2010). Die Logistikeffizienz kann demnach gesteigert werden, indem die Logistikleistung verbessert wird oder die Logistikkosten gesenkt wer-den. Die Leistungskennzahlen beschreiben die Logistikleistung (Hofmann et al. 2009) und setzen sich aus der Verfügbarkeit, der Liefertreue, der Produktivität und der Durch-laufzeit zusammen. Die Logistikkosten setzen sich primär aus Bestandskosten und Pro-zesskosten zusammen.

Die Senkung der Logistikkosten durch energieeffiziente Maßnahmen in Hochregallagern und deren Regalbediengeräte erfolgt nach (Zadek & Monecke) in drei Bereichen. Im kon-struktiven Bereich werden Aspekte des Leichtbaus oder Auswirkungen von Gegenge-wichten in der Lagertechnik untersucht. Im technologischen Bereich werden die Poten-tiale von Energiespeichern und von Zwischenkreiskopplungen in der Antriebstechnik un-tersucht. Im steuerungstechnischen Bereich werden die Auswirkungen von energieeffi-zienten Bewegungsformen erforscht und bewertet.

Im folgenden Kapitel werden Maßnahmen zur Beeinflussung des Energieverbrauchs in Hochregallagern in diese drei Bereiche – konstruktiv, technologisch, steuerungstech-nisch – unterteilt, anhand derer untersucht und bewertet. Danach werden Maßnahmen des Lastmanagements zur Senkung und Vermeidung von Lastspitzen untersucht. Ab-schließend wird auf die dritte Säule des Energiemanagements, die Energiebeschaffung, eingegangen.

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2.2.1 Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs in HRL

Die Maßnahmen zur Energieeffizienz bilden die erste Säule zur Senkung der Energiekos-ten. Hierzu wird auf die konstruktive Energieeffizienz von Regalbediengeräten sowie Energieeffiziente Antriebstechnik eingegangen und verschiedene Ansätze zur energeti-schen Kopplung von Achsen im Zwienergeti-schenkreis werden verglichen. Die Auswirkungen un-terschiedlicher Bewegungsformen werden danach erörtert. Abschließend werden ener-gieeffiziente Lagerbewirtschaftungsstrategien gegenübergestellt.

2.2.2 Konstruktive Energieeffizienz

Regalbediengeräte sind flurgebundene unstetige Fördermittel zum Ein- und Auslagern von palettierten Ladeeinheiten in Regalsystemen, siehe Abbildung 8. Das Fahrwerk ei-nes Regalbediengerätes wird auf einer Schiene längs zur Regalwand geführt. Für den Fahrantrieb werden bei Palettenregalbediengeräten vorrangig Reibradantriebe einge-setzt, die durch ein bis zwei Asynchronmotoren angetrieben werden. „Bei den radge-triebenen Regalbediengeräten besteht im Prinzip keine Beschränkung in der Gassen-länge. In der Praxis findet man heute häufig Gassenlängen, die einige 100 m betragen“ (Kiel 2007). Auf das Fahrwerk ist orthogonal der Mast geschweißt, der am Kopfträger über Führungsrollen geführt wird. In Z-Richtung wird der Hubwagen durch das Hubseil entlang des Mastes bewegt.

Abbildung 8 Darstellung eines Regalbediengerätes (mit Änderung übernommen), Quelle: (Arnold et al. 2009).

Der Hubwagen nimmt die Palette am Übergabepunkt über eine teleskopierbare Gabel auf und legt sie am vorgegebenen Lagerplatz ab. Dieser kann sich entweder in der rech-ten oder linken Regalwand befinden. Regalbediengeräte erreichen eine Höhe von

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maxi-Energieeffizienz durch Reduktion der Masse gesteigert werden. Ertl (Ertl et al. 2011a) zeigt, dass durch eine Verbundbauweise aus Stahl und Aluminium die Masse um 35 % reduziert werden kann. Der Einsatz von GFK reduziert die Masse um weitere 20 %. Der geringeren Masse und der höheren Dynamik gegenüber stehen die „exponentiell stei-genden Werkstoffkosten“ (Ertl et al. 2011a), die eine Amortisationsdauer von mindes-tens 16,9 Jahren verursachen (Furmans et al. 2011). Die Hublast kann reduziert werden, wenn das Gewicht des Hubwerks plus der halben Nutzlast durch ein Gegengewicht ent-lastet wird. Die Entlastung des Hubwerks durch ein Gegengewicht spart ca. 27 bis 35 % Energie ein (Ertl et al. 2011a), erhöht jedoch die Gesamtmasse eines Regalbediengerätes und hat somit Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme des Fahrantriebs.

2.2.3 Energieeffiziente Antriebstechnik

Der Fahrantrieb, der Hubantrieb und der Antrieb des Lastaufnahmemittels der Regalbe-diengeräte werden durch Synchron- und Asynchronmotoren angetrieben. Der Zentral-verband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI) gibt ein Energieeinsparungs-potential von 2,2 % durch Verbesserung der Motorwirkungsgrade in der deutschen In-dustrie an (Auinger 1999). Hierfür werden Energiesparmotoren, also Asynchronmotoren der Wirkungsgradklassen IE2 und IE3 empfohlen. Der Betrieb von Regalbediengeräten erfordert jedoch häufiges Beschleunigen und Verzögern zur Erfüllung der logistischen Aufgabe. Der höhere Wirkungsgrad dieser Energiesparmotoren kann in der Praxis nur dann Vorteile bringen, „wenn sie lange und möglichst in Konstantdrehzahl betrieben werden“ (Schuhmacher 2010). Schuhmacher zeigt, dass bei einem stark intermittieren-den Betrieb aus der Verwendung von Asynchronmotoren ein höherer Energieverbrauch im Vergleich zu Synchronmotoren resultiert.

Bei der konventionellen Bauweise sind das Fahr- und Hubwerk energetisch voneinander getrennt. Beim Beschleunigen in Fahrtrichtung und beim Anheben des Hubwerks wird elektrische Energie benötigt. Beim Bremsen des Regalbediengerätes und beim Absen-ken des Hubwerks wird Energie wieder freigesetzt. Die freiwerdende Energie kann un-terschiedlich verwertet werden. „Bei konventioneller Bauart wird die freiwerdende Energie (...) in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt“ (Schuhmacher 2010) und ist somit im System nicht mehr nutzbar. „Beim generatorischen Bremsen der An-triebe, wird der erzeugte Strom in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt“ (Ertl et al. 2011a). Diese Konfiguration wird im folgenden Kapitel mehreren anderen An-triebskonfigurationen gegenübergestellt.

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2.2.4 Energiespeicher und Zwischenkreiskopplung

Ertl (Ertl et al. 2012) untersuchen das Einsparpotential verschiedener Antriebskonfigu-rationen. In Abbildung 9 sind die gängigen Konfigurationen dargestellt. Die Antriebskon-figuration ohne Zwischenkreiskopplung (ZK) mit Bremswiderstand (BW) dient dabei als Referenzkonfiguration für den Vergleich des Energieverbrauchs.

Abbildung 9: Vergleich der Antriebskonfigurationen für Regalbediengeräte, Quelle: (Ertl et al. 2012) .

Die links abgebildete Konfiguration ergänzt die konventionelle Bauart (ohne ZK/ mit BW) um einen Superkondensator (SC) je Antriebsachse. Durch die Vorschaltung des Super-kondensators kann die zurückgewonnene Energie jeder Achse gespeichert und der je-weiligen Achse für den nächsten Fahrzyklus wieder zur Verfügung gestellt werden. Diese Konfiguration (ohne ZK (mit 2 SC)) benötigt nach (Ertl et al. 2012) im automatischen Kleinteilelager 27 % weniger Energie als die Referenzanordnung.

Bei der Konfiguration mit Zwischenkreiskopplung sind beide Umrichter über einen Gleichstromverbund gekoppelt und der zurückgewonnene bzw. erzeugte Strom einer Achse lässt sich von der zweiten Achse nutzen. Kann die Energie nicht genutzt werden, so wird diese im Bremswiderstand in Wärme gewandelt. Im Vergleich zur konventionel-len Bauart wird laut Ertl et al. bei einer Zwischenkreiskopplung (mit ZK/mit BW) 14 % Energie im Hochregallager eingespart.

Wird in den Zwischenkreis zusätzlich ein Superkondensator integriert, können nach (Ertl et al. 2012) bis zu 29 % Energie eingespart werden. (Schuhmacher 2010) zeigt, dass durch diese „intelligente Zwischenkreiskopplung“ der Energieverbrauch eines Regalbe-diengerätes um bis zu 25 % gesenkt werden kann. In Abbildung 10 werden die Verbräu-che unterschiedliVerbräu-cher Konfigurationen bei je 500 Doppelspielen eines Hochregalbedien-gerätes gegenübergestellt.

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Abbildung 10: Einsparpotential verschiedener Antriebskonfigurationen, Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Ertl et al. 2011a).

Eine weitere Antriebskonfiguration ist die Ergänzung des Zwischenkreises mit einer Rückspeiseeinheit (RE). Durch die Rückspeisung überschüssiger Energie des Zwischen-kreises ins lokale Netz wird die Wandlung der Energie in Wärme durch die Bremswider-stände verhindert. Hierbei wirkt sich der „hohe Wirkungsgrad der Rekuperation […], der bei ca. 75 - 80 % liegt“ (Zadek & Monecke) positiv aus. Schuhmacher gibt an, „dass in der Hubachse bis zu 60 % der aufgewendeten Energie zurückgewonnen werden können“ (Schuhmacher 2010), während in der Fahrachse der Wirkungsgrad vom Fahrprofil ab-hängig ist. Wird das Regalbediengerät in Fahrtrichtung nur beschleunigt und anschlie-ßend abgebremst, liegt der Wirkungsgrad bei ca. 50 %. Bei größeren Distanzen wird das Regalbediengerät nach der Beschleunigung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Der Wirkungsgrad sinkt auf 26 % ab, „da in der Konstantfahrt kontinuierlich Verluste auftre-ten“ (Schuhmacher 2010). Der Wirkungsgrad beschreibt nur die Effektivität im Fall der Rückspeisung. Im regulären Lagerbetrieb, dem intermittierenden Betrieb mehrerer galbediengeräte, liegt das Einsparpotential aufgrund der Wirkungsgradverluste der Re-kuperation nach (Ertl et al. 2012)bei 38 % gegenüber der Referenzantriebskonfiguration (mit ZK/mit RE). (Austermann et al. 2014) beschreiben die Topologie einer Rückspeise-schaltung, die „durch [die] Entkopplung von Einspeise- und Rückspeise-Netzstromrich-ter“ sowie die Auslegung nur auf die „tatsächlich notwendige Rückspeiseleistung“ (Aus-termann et al. 2014) eine Energieeinsparung von 30 % erreichen kann.

Auf Ebene des Regalbediengerätes senkt die Verwendung eines Kondensators als Ener-giespeicher im Zwischenkreis die Energiekosten erheblich. (Irrgang 2016) bestätigt, dass durch diese Form des „direkten Energierecyclings“ der Energiebedarf um 33 % gesenkt und die Leistungsspitzen auf ein Fünftel reduziert werden können. Die Rückspeiseeinheit ermöglicht die Rückspeisung überschüssiger Energie ins lokale Netz des

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Hochregallagers. Kann diese Energie durch andere Regalbediengeräte auf Hochregalla-gerebene nicht genutzt werden, wird sie in das Mittelspannungsnetz rückgespeist.

2.2.5 Energieeffiziente Bewegungsformen

Im vorherigen Kapitel wurde die technologische Steigerung der Energieeffizienz durch die Implementierung eines Zwischenkreises mit Speichermöglichkeit zwischen den An-triebsachsen eines Regalbediengeräts beschrieben. Die Energieeffizienz kann nach (Ertl et al. 2011a) um weitere 5 % verbessert werden, indem die Bewegungsformen der Re-galbediengeräte optimiert werden. In den 80er-Jahren wurden in diesen Geräten dis-tanzabhängige Drehzahlregelungen der Fahr- und Hubachsen verwendet, die in den 90er-Jahren von interpolierenden Achssteuerungen abgelöst wurden. Durch die Achs-steuerungen ist es möglich, unterschiedliche Bewegungsformen zu fahren und deren Einfluss auf den Energieverbrauch zu untersuchen.

Die Bewegungsformen können in achsunabhängige Bewegungen, sogenannte zielba-sierte Bewegungsstrategien, und in achsübergreifende Bewegungen, genannt wegba-sierte Bewegungsstrategien, unterteilt werden. Achsunabhängige Bewegungsformen werden von (Schulz et al. 2012) zur Beschreibung des Einflusses kinematischer Parame-ter auf den Energiebedarf eines Regalbediengeräts unParame-tersucht. Schulz et al. stellt fest, dass durch Reduktion der Fahrgeschwindigkeit Energie gespart werden kann, und emp-fiehlt zur Nutzung der Bremsenergie des Fahrwerks, „die Fahrgeschwindigkeit so einzu-stellen, dass Fahr- und Hubwerk gleichzeitig am Ziel ankommen“ (Schulz et al. 2012). Die Geschwindigkeitsreduktion der Hubachse hat „keinen Einfluss auf den Gesamtenergie-bedarf des Hubwerkes, weil die potentielle Energie nicht von diesen Parametern ab-hängt“ (Schulz et al. 2012). Die Hubleistung wird nach Schulz mit einem Wirkungsgrad η von ca. 90 % bezogen auf die elektrische Last bilanziert.

Für einen energieeffizienten Betrieb eines Regalbediengeräts können nicht nur die kine-matischen Parameter angepasst werden, sondern auch der Startzeitpunkt des Hubwer-kes kann so gewählt werden, dass möglichst viel der vom Fahrwerk zurückgespeisten Energie für die Hubbewegung genutzt werden kann (Schulz et al. 2012; Siegel et al. 2013; Braun-Blau 2016). „[Der] größte Teil der Bremsenergie des Fahrwerkes [wird] für die Hubbewegung genutzt“ (Schulz et al. 2012), wenn die Hubachse dann in Bewegung ge-setzt wird, wenn die Fahrachse anfängt zu bremsen. Wird der Startzeitpunkt der Hubbe-wegung verschoben, verlängert sich die Spielzeit einer Fahrt, wenn die Hubzeit größer der Bremszeit ist. Die Fahrgeschwindigkeitsreduktion und die Verschiebung der Start-zeitpunkte der Bewegung der Hubachse wirken sich vorteilhaft auf den Energiebedarf eines Regalbediengerätes aus. Wenn die Fahrbewegung die spielzeitbestimmende Be-wegung ist, haben die Reduktion der Fahrgeschwindigkeit und die Verschiebung des Startzeitpunktes der Hubbewegung Einfluss auf die Spielzeit. Die maximal mögliche lo-gistische Leistung des Lagers verschlechtert sich dadurch.

Der Einfluss auf die Spielzeit kann reduziert werden, wenn die Achse mit der längeren Fahrzeit als führende Achse definiert wird. Die Achse mit der kürzeren Fahrzeit wird auf

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die Achse mit der längeren Fahrzeit synchronisiert. Dies bedeutet bei einer zeitdominan-ten Hubbewegung, dass „die Fahrgeschwindigkeit soweit reduziert wird, dass Horizon-tal- und Vertikalbewegung gleichzeitig enden“ (Voß et al. 2012a). Die Synchronisierung der Achsen über das 7-Phasenprofil führt zu einer geraden Strecke zwischen Start- und Zielpunkt. Durch achsübergreifende Bewegungen lassen sich wegbasierte Bewegungs-strategien realisieren. Energieeffiziente Trajektorien beschreiben für jeden Lagerauftrag den Weg, der zurückgelegt werden muss, um die Energieverteilung zwischen beiden Be-wegungsachsen optimal zu gestalten. Bei einer kombinierten Fahr- und Senkbewegung wird die freiwerdende Energie der Hubachse für die Beschleunigung der Fahrachse ver-wendet und anschließend die Bremsenergie der Fahrachse wiederum für eine Hubbe-wegung. Die Trajektorie beschreibt eine „Badewannenform“, siehe Abbildung 11 rechts. (Günthner et al. 2013) zeigen auf, dass durch energieeffiziente Fahrstrategien bei Palet-tenregalbediengeräten nur max. 3,3 % Energieeinsparungen bei annähernd gleichblei-bendem Durchsatz möglich sind.

Abbildung 11: Auswirkungen von Fahrstrategien auf den Energieverbrauch, Quelle: (Ertl et al. 2011a).

Die Untersuchung der Methode „vx: energieeffizient“ zeigt Energiesparpotential bis zu 15,5 % bei der Antriebskonfiguration ohne Zwischenkreiskopplung auf. Die Reduktion der Geschwindigkeit führt jedoch „zu einer Verlängerung der Fahrzeit um bis zu 40 Pro-zent“ (Günthner et al. 2013). Die Untersuchungen zeigen somit auf, dass energieeffizi-ente Bewegungsstrategien Auswirkungen auf die Logistikleistung haben.

2.2.6 Energieeffiziente Lagerbewirtschaftungsstrategien

„Die Lagerbewirtschaftungsstrategien werden differenziert nach Strategien zur Lager-platzvergabe und Strategien zur Ein- und Auslagerung“ (Hompel 2009).

2.2.6.1 Lagerplatzvergabestrategien

Lagerplatzvergabestrategien haben zur Aufgabe, die Lagereinheiten (LE) rechtzeitig der, dem Hochregallager nachgelagerten, Kommissionierung bereitzustellen und den ins La-ger einzulaLa-gernden LEs einen geeigneten Platz im HochregallaLa-ger zuzuweisen. Die

Abbildung

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Referenzen

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