Methoden und Werkzeuge zur Gestaltung energieeffizienter Fabriken:
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Chemnitz
Techn. Univ., Inst. für Betriebswiss. und Fabriksysteme
2009
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Titel: Methoden und Werkzeuge zur Planung und Gestaltung energieeffizienter Fabriken
Autor: Engelmann, Jörg
Jahr: 2009
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.I
Abbildungsverzeichnis.IV
Tabellenverzeichnis.VI
Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen.VII
1 Einleitung.1
1.1 Problemstellung und Hintergrund.1
1.2 Stand der Wissenschaft und Zielstellung.5
1.3 Aufbau der Arbeit.6
1.4 Abgrenzung des Betrachtungsbereiches.7
1.5 Die Automobilindustrie.9
1.5.1 Einordnung der Automobilindustrie im verarbeitenden Gewerbe.9
1.5.2 Die Fahrzeugproduktion in Deutschland.10
1.5.3 Die zukünftige Entwicklung in der Automobilindustrie.11
1.5.4 Trends im Automobilbau.13
1.5.5 Zusammenfassung der Trends und Einflussfaktoren.19
2 Grundlagen.20
2.1 Fabrikplanung.20
2.1.1 Definition Fabrikplanung.20
2.1.2 Einordnung der Fabrikplanung in das Untemehmensumfeld.20
2.1.3 Ziele der Fabrikplanung.22
2.1.4 Fabrikplanungsfälle.22
2.1.5 Fabrikplanung als ganzheitlicher Ansatz.23
2.1.6 Objekte der Fabrikplanung.24
2.1.7 Fabriklebenszyklusphasen.26
2.1.8 Planungsphasen und -aktivitäten.27
2.1.9 Fazit Fabrikplanung.28
2.2 Energie und Effizienz.29
2.2.1 Definition Energie.29
2.2.2 Umwandlungsmöglichkeiten für Energie.29
2.2.3 Unterschiedliche Wertigkeiten der Energieformen.30
2.2.4 Arbeit, Leistung und Zeit.30
2.2.5 Die Energienutzungskette und der betriebliche Energiefluss.32
2.2.6 Begriffsdefinition Energieeffizienz.33
2.3 Energiemanagement.35
Inhaltsverzeichnis
2.3.1 Definition Energiemanagement.35
2.3.2 Einordnung des Energiemanagements in das Unternehmensumfeld.35
2.3.3 Ziele des Energiemanagements.36
2.3.4 Objekte und Instrumente des Energiemanagements.37
2.3.5 Fazit Energiemanagement.39
3 Energiebedarf und Einsparpotenziale.40
3.1 Energiebedarf und Energiekosten im verarbeitenden Gewerbe und Fahrzeugbau 40
3.2 Einsparpotenziale.43
3.2.1 Potenzialarten.44
3.2.2 Technisches und Wirtschaftliches Gesamtpotenzial.45
3.2.3 Potenziale in Anwendungsbereichen.46
3.3 Die Bedeutung von Energieeffizienz in produzierenden Unternehmen.47
4 Betrachtungssysteme.51
4.1 Systemdenken, allgemeine Systemtheorie und Systems Engineering.51
4.2 Betrachtungssysteme und Zusammenhänge.52
4.2.1 Das Wertschöpfungssystem.53
4.2.2 Das Zielsystem.56
4.2.3 Das Planungssystem.58
5 Empirische Untersuchungen zur Evaluierung des Forschungsbedarfs . 63
5.1 Auswahl des Betrachtungsbereiches der Wertschöpfungskette.63
5.2 Betrachtungsbereich Karosseriebau.67
5.2.1 Messen als Grundvoraussetzung der Analyse.71
5.2.2 Analysen zum Betrachtungsbereich Karosseriebau.75
5.3 Befragung von Beteiligten am Planungsprozess.80
6 Methode zur Integration von Energieeffizienz in Fabrikplanungsprozesse 86
6.1 Stand der Forschung Energieeffizienz in der Fabrikplanung.86
6.2 Konkretisierung des Methodenbedarfes und Rahmenbedingungen.88
6.3 Bestimmungsfaktoren im derzeitigen Planungsprozess.89
6.4 Bestimmungsfaktoren für Energieeffizienz.92
6.5 Handlungsansätze für einen rationellen Energieeinsatz.93
6.5.1 Erläuterung der Handlungsansätze.94
6.5.2 Bewertung der gegenseitigen Beeinflussung der Bestimmungsfaktoren.97
6.6 Planungsvorgehen und methodische Ansätze.""
6.7 Methodisches Konzept.10°
6.7.1 Systembestimmung.102
6.7.2 Konzept/Synthese.107
Inhaltsverzeichnis
6.7.3 Auswahl.109
6.7.4 Realisierung.112
6.7.5 Nutzung.113
6.7.6 Energiepreis-, Produkt-, Technologie- und Werkstoffentwicklung.115
6.8 Evaluierung der Anwendbarkeit der Methode an einem praktischen Beispiel.117
6.8.1 Systembestimmung Planungsobjekt Türenfertigung.119
6.8.2 Planungskonzept und Synthese.126
6.8.3 Auswahl von Alternativen.130
6.8.4 Zusammenfassung der Ergebnisse.133
6.9 Konzeptioneller Ansatz eines Softwaresystems.135
7 Zusammenfassung und Ausblick.138
7.1 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse.138
7.2 Ausblick.139
Literaturverzeichnis.142
Internetquellen.148
Abbildunasveneichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Rohölpreisentwicklung 2007/08 (Wochendurchschnitte) nach (MWV08].1
Abbildung 2-. Entwicklung der COz-Konzentraüon in der Atmosphäre ISORI08).2
Abbildung 3: Langfristige Roholpreisentwicklung 1861-2007 [BPSR08).3
Abbildung 4: Aulbau der Arbeit.
Abbildung 5: Morphologie zur Abgrenzung des Betrachtungsbereiches.7
Abbildung 6: Verarbeitendes Gewerbe Beschäftigte und Umsatz 2005 [STAT07].9
Abbildung 7: Fahrzeugbauende Werke in Deutschland und Produktions-Forecast 2007 nach [MIVE07].10
Abbildung 8: Wellproduktion an Personenkraftwagen in Prozent 2006 nach [ACEA07].11
Abbildung 9: Veränderung der Weltautomobilproduktion bis 2018 [VDA07-1J.12
Abbildung 10: TOP 3 der Herausforderungen nach [MICH07].14
Abbildung 11: Herausforderungen an die Fertigungssysteme der Zukunft.15
Abbildung 12: Verkürzung Produktlebenszyklus.16
Abbildung 13: Alternative Montagekonzepte nach [SCHRO8-1J.17
Abbildung 14: Trend zur Individualisierung der Produkte nach [SCHR08-1].17
Abbildung 15: Produktivitatszange nach [HAWK03].18
Abbildung 16: der Energiebedarf im System komplexer Abhängigketten.19
Abbildung 17; Fabrikplanung im Untemehmonsgeschehen nach [MUEL07][SCHM95].20
Abbildung 18: Planungsfelder der Fabrikplanung nach [EVER99].21
Abbildung 19: Planungsphasen, -Objekts und -Instrumente nach [SCHE04].23
Abbildung 20: hierarchisches Systemmodell der Fabrik.24
Abbildung 21; strukturelle Sicht des Systems Fabrik.25
Abbildung 22: wirkungsorientierte Sicht des Systems Fabrik.25
Abbildung 23 Planungsphasen und -stufen der Produktions- und Fabriksystemtebensgestattung nach [SCHE04]. 26
Abbildung 24. Energienutzungskette (vgl. [SPIT06][OFFN01]).32
Abbildung 25: schematische Darstellung des Energieflusses nach [ZIOL991.33
Abbildung 26: Energiemanagement im Unternehmensgeschehen (Eigene Darstellung auf Basis [MUEL07J [SCHM95]).36
Abbildung 27: Betriebliches Energiemanagement nach dem Regelkreis Modell nach [WOHI89].37
Abbildung 28: Aufbau und Ablaufschema Energiecontrolling nach (VDI4602).38
Abbildung 29: Energieverwendung in den metallverarbeitenden Wirtschaftszweigen 2005 [STAT07].40
Abbildung 30: Entwicklung Energieverbrauch und Fahrzeugproduktion 2003-2006 [STAT06] [STAT07)[VDAI08].41
Abbildung 31: Fahrzeugbau: Produktion und Energieverbrauch 1995-2030, in Mrd. EUR und PJ [ENER05J.42
Abbildung 32: Entwicklung von Bruttoproduktionswert und Energiekosten [BMWI08].42
Abbildung 33: Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen in der Industrie 2005 [BMWI08].43
Abbildung 34: Unterscheidung verschiedener Potenzialarten nach [FISI03].44
Abbildung 35. Entwicklung der Elektroenergie- und Werkzeugkosten Basisjahr 2000 nach [BO0EO71.49
Abbildung 36: Entwicklung Erdöl-, Arbeitskosten- und Rohstoffpreisindex [STAT08-1][STAT08-2][BUND08].50
Abbildung 37: Komponenten des Systems Engineering nach [DAEN02].51
Abbildung 38: Übersicht betrachteter Systeme mitEinfluss auf Energieeffizienz.52
Abbildung 39: Wertfluss eines Produktionsprozesses (schematische Darstellung) nach [AGGT871.53
Abbildung 40: Wertschöpfungskette nach Porter [PORT89].54
Abbildung 41: Wertschöpfungskette in der Automobilindustrie.54
Abbildung 42: Produktionsablauf Automobilfertigung nach [KIEL07].55
Abbildung 43: Rolle der Energie in Ziel-, Kennzahl- und Bewertungssystemen.57
Abbildung 44: Savtng Potentials and 'Investments in design phase as compared to operational phase nach [BREF08].56
Abbildung 45: Planung als Grundlage für zukünftigen Energieverbrauch von Fertigungssystemen.59
Abbildung 46: Betriebliche Arbeitssysteme als Ort energetischer Transformationsprozesse nach [WOHI89J.59
Abbildung 47: Modell eines sozio-methodischen Planungssystems.60
Abbildung 48: Adressaten für Energieeffizienz im Planungsprozess.62
Abbildung 49: Beteiligte Planungsbereiche und Einfluss auf Energieeffizienz im Fabrikplanungsprozess.62
Abbildung 50: Energiebedarf, Energiekosten und CO2-Emissionen der Fertigungsbereiche.65
Abbildung 51: Zusammenhang von Energiebedarf und Änderungshäufigkeit unterschiedlicher Fertigungsbereiche.66
Abbildung 52: Struktur eines Karosseriebaus nach [WEMH05).67
Abbildung 53: exemplarische Betriebsmittelstruktur im Karosseriebau.ß8
Abbildung 54: Beispiel Energieträger im Karosseriebau und Anwendungsbereiche.68
Abbildung 55: Fügeverfahren im Automobilbau nach 1HAL000].69
Abbildung 56: Der Untersuchungsraum heute und morgen.71
Abbildung 57: mögliche Messstruktur des Energieträgers Strom.72
Abbildung 58: Messwerterfassung in unterschiedlichen Strukturebenen.73
Abbildung 59: Schrittweise Detaillierung der Messintervalle für Strom.74
Abbildung 60: Periphere Ordnung der Subsysteme der Produktion [SCHE 04).75
Abbildung 61: Periphere Ordnung der Systeme.7?
Abbildung 62: Verbrauchsstrukturanalyse einer Karosseriebauhalle.^
Abbildung 63: Modell OLAP-Würfel energetische Informationen für Fertigungsbereiche."
Abbildung 64: elektrischer Standby Bedarf ausgewählter Fertigunsanlagen.^j*
Abbildung 65: Elektroenergiebedarf von Fertigungsstationen pro gefertigter Karosserie.^
Abbildung 66: Umfrageergebnisse Planungsprioritäten.°^
Abbildung 67: Voraussetzungen.°l
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 68: Verbrauchscharakteristika.83
Abbildung 69: Energieeffizienz als neue Anforderung (eigene Darstellung in Anlehnung an [ZAHN96]).86
Abbildung 70: wichtigste Gründe, warum Energiesparpotenziale nicht genutzt werden [IHKK07J.88
Abbildung 71: Das logische Zielquadrat der Produktion nach [ERLA07].89
Abbildung 72: Beziehung zwischen Ziel-und Wertschöpfungssystem.91
Abbildung 73: Zielstellung und grundsatzliche Vorgehensweise.92
Abbildung 74: Handlungsansätze und Fertigungssystem.94
Abbildung 75: Bewertung der gegenseitigen Beeinflussung der Bestimmungsfaktoren.97
Abbildung 76: Vorgehensmodell und Systemgestaltung im Systems Engineering.98
Abbildung 77: Ptanungsprozess heute und Erweiterung auf Nutzungsphase (Iststand vgl. [HABW06]).99
Abbildung 78: Methode zur Integration von Energieeffizienzfaktoren in den Planungsprozess.100
Abbildung 79: Regelkreis zur Datengenierung und Anpassung.101
Abbildung 80: Schritt Systembestimmung innerhalb der Methode.102
Abbildung 81: Zyklusverlauf einer Fertgungsanlage (ENGEOS-21.103
Abbildung 82: Zyklusverlauf der elektrischen Leistung einer hydraulischen Falzanlage.104
Abbildung 83: Zyklusvertauf der elektrischen Leistung euler Punktschwei zanae.104
Abbildung 84: Schritt Konzept/Synthese im Rahmen der Methode.107
Abbildurtg 85: Funktionsbestimmung im energieeffizienzorientierten Planungsprozess.108
Abbildung 86: Schritt Auswahl im Rahmen der Methode.109
Abbildung 87: Schritt Realisierung im Rahmen der Methode.112
Abbildung 88: Schritt Nutzung im Rahmen der Methode.113
Abbildung 69: Dimensionen eines ganzheitlichen Technologiemanagemenrs nach [BULL03].115
Abbildung 90: Planungsablauf der Schritte Systembestimmung. Konzept/Synthese, Auswahl.118
Abbildung 91: Vergleich der Energietosten der Fertigungsanlägen im Lebenszyklus.125
Abbildung 92: Schritt Konzept/Synthese im Planungsablauf.126
Abbildung 93: Vergleich Anschaffungs- und Energtekosten (LC) Laseranlagen.130
Abbildung 94: Vergleich Anschaffungs- und Energiekosten (LC) Falzanlage.131
Abbildung 95: Vergleich Energiekosten (LC) Technische Abluft mit und ohne SPS Einbindung.132
Abbildung 96: Gesamtübersicht der Ergebnisse.134
Abbildung 97: SEPA-F Datenbankkonzept.135 |
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| spelling | Engelmann, Jörg 1971- Verfasser (DE-588)137601247 aut Methoden und Werkzeuge zur Gestaltung energieeffizienter Fabriken Autor: J. Engelmann Methoden und Werkzeuge zur Planung und Gestaltung energieeffizienter Fabriken Chemnitz Techn. Univ., Inst. für Betriebswiss. und Fabriksysteme 2009 VIII, 148 S. graph. Darst. txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Wissenschaftliche Schriftenreihe des Institutes für Betriebswissenschaften und Fabriksysteme 71 Literaturverz. S. 139 - 152 Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2008 u.d.T.: Engelmann, Jörg: Methoden und Werkzeuge zur Planung und Gestaltung energieeffizienter Fabriken Fabrikplanung (DE-588)4134388-8 gnd rswk-swf Energieeffizienz (DE-588)7660153-5 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Fabrikplanung (DE-588)4134388-8 s Energieeffizienz (DE-588)7660153-5 s DE-604 Wissenschaftliche Schriftenreihe des Institutes für Betriebswissenschaften und Fabriksysteme 71 (DE-604)BV010697452 71 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=017155665&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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