Prost, Wohlsein und Salute: Die Deutschen trinken gerne und viel. Nicht nur Kaffee (164 Liter pro Jahr), sondern natürlich auch Mineralwasser (135 Liter), Bier (rund 100 Liter), Limonaden (75 Liter), Fruchtsäfte (30 Liter) und anderes. Kein Wunder also, dass die deutsche Getränkeindustrie einen Umsatz von jährlich rund 22 Milliarden Euro erwirtschaften kann und es recht flüssig läuft in der Branche. Allerdings wird die Produktion – wie an anderer Stelle auch – durch steigende Energiepreise beeinträchtigt. Immerhin entfallen mehr als 20 Prozent des Umsatzes der Getränkeindustrie auf die Kosten für Energie. Unter anderem wegen des Kühlens, Erhitzens, Pasteurisierens, Sterilisierens und der Produktion und Reinigung von Flaschen und Verpackungsmaterial gehört die Nahrungsmittelindustrie insgesamt sogar zu den größten Energieverbrauchern in Deutschland.  

Hohe Stromkosten 

Zeit also Stellschrauben zu suchen und zu nutzen. Eine dieser Stellschrauben ist der Stromverbrauch. »Die Stromkosten lassen sich in zwei Bereichen senken«, sagt Christian Salzig vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Zum einen durch Energiesparmaßnahmen an sich und zum anderen durch gezielteren Stromverbrauch. Also das Beziehen von Strom idealerweise vor allem dann, wenn zu viel davon in die deutschen Netze eingespeist wird und die Energie deshalb deutlich günstiger eingekauft werden kann.  

Dass sich das Stromangebot und damit die Preise für industrielle Verbraucher seit einigen Jahren und immer prägnanter im teils Minutentakt ändern, ist dem deutlichen Zuwachs bei den Erneuerbaren Energien geschuldet. Denn die 2,2 Millionen Photovoltaikanlagen auf deutschen Dächern erzeugen mittlerweile eine jährliche Nennleistung von 58.400 Megawatt und an Windstrommengen fließen allein aus Onshore-Windenergie jährlich 56.130 Megawatt in das Netz. Allerdings liefern die Anlagen den Strom nicht kontinuierlich, sondern nur dann, wenn Sonne beziehungsweise Wind vor Ort günstig stehen. Dann kommt es regional zu minuten- oder gar stundenlanger Überlast in den Netzen und der – fast schon - »Bitte« der Netzbetreiber, diese Überlast sofort aus dem Netz zu nehmen: gegen eine Preissenkung oder umsonst. (Unter Umständen erhalten Großabnehmer kurzzeitig sogar Geld für den Verbrauch).  

Intelligenter Energieeinsatz 

Allerdings kann es sich kaum eine Industrie leisten, ihre Produktion so umzustellen, dass stromfressende Geräte und Maschinen nur dann arbeiten, wenn Überkapazitäten im Netz abgebaut werden müssen. Aber sie kann – so zumindest die Vermutung – energieintensive Prozesse zumindest ein wenig verzögern oder beschleunigen. Und nach Meinung von Expert*innen wie Christian Salzig ist die Getränkeindustrie für einen entsprechenden Testlauf geradezu prädestiniert. »Wir haben es hier mit Prozessen zu tun, die in viele einzelne Produktionsschritte aufgeteilt sind und bei denen wir eine gewisse Pufferzone zwischen diesen Abschnitten nutzen können«, sagt Salzig. Eigentlich seien diese Puffer designt worden, um Ausfälle von Einzelmaschinen oder Verzögerungen im Betrieb auszugleichen, aber sie könnten eben auch für einen intelligenteren Einsatz von Strom genutzt werden. Von der Produktion von täglich Hunderttausenden PET-Flaschen über das Transportsystem zu den Füllstationen, dem Weitertransport, der Etikettierung und der Verpackung auf Euro-Paletten gäbe es immer wieder Übergänge – wenn auch nur im maximal Minutenbereich. Aber sie können genutzt werden, um die Weiterverarbeitung etwas zu beschleunigen oder zu verlangsamen und den Stromverbrauch an die aktuelle Situation anzupassen. Und das idealerweise in Verbindung mit einem leistungsfähigen Batteriespeicher, der so intelligent gesteuert wird, dass er zusätzliche Pufferaufgaben übernehmen kann.  

Gemeinsam mit Kolleg*innen in einem Konsortium aus einem Getränkehersteller, aus Unternehmen der Softwareindustrie und der Automatisierungstechnik, aus der Stromversorgung und aus Forschungsinstituten will Salzig erforschen und erproben, wie sich »aktuell insbesondere durch eine intelligente Regelung von Flaschenproduktion, Abfüllanlagen und Verpackungsmaschinen ein smartes Energiemanagement bei einem Getränkehersteller etablieren lässt, um eine aktive Teilnahme an den Strommärkten zu ermöglichen.« Genannt haben die Partner das Projekt »DESPRIMA«, einer Verkürzung von »Demand Side- und Produktionsmanagement für Getränkeabfüllprozesse«.  

Digitale Drinks  

Doch so gut die Idee ist – die Probleme liegen natürlich im Detail. Und dazu gehört unter anderem die Hygiene. »Beispielsweise dürfen bei der Saftabfüllung keine größeren Pausen entstehen, weil sonst die Gefahr der Keimbildung überhandnehmen würde. Umso wichtiger war es für uns vom Fraunhofer ITWM, alle Prozesse und Vorgaben inklusive der Stromversorgung en détail in einem Modell abzubilden«, betont Salzig. Das ist nicht allein für die Simulation der nun auch zeitgesteuerten Prozesse sinnvoll. Die Modellierung erleichtere später auch die reale Regelung der Abläufe. »Wir haben dafür Digitale Zwillinge genutzt, also die Maschinen und Transportbänder so genau nachgebildet, dass auch alle Dynamiken, Abläufe und Energieverbräuche in der Simulation berücksichtigt werden können«, sagt der Experte. Auf diese Weise sei es gelungen, die Prozesse entlang der kompletten Produktionslinie im Computer nachzuvollziehen und die Auswirkungen von Veränderungen vorab ablesen zu können.  

Prädiktive Regler 

Wichtig, so Salzig, sei in diesem Zusammenhang der vom Fraunhofer ITWM für DESPRIMA entwickelte »modellprädiktive Regler«. Dieser Name ist auch Programm, denn der Regler oder besser die Regler erlauben es nun, verschiedene Situationen konkret einzustellen und die Folgen berechnen zu lassen. Was beispielsweise, wenn an einer Station eine von zwei Maschinen angehalten wird und die andere für eine gewisse Zeitspanne volle Leistung bringt? Welche Kombination von Steuerbefehlen an verschiedenen Gliedern der Wertschöpfungskette hat welche Konsequenzen für den weiteren Verlauf? Ist eine energiegeschickte Steuerung auch mit den Vorgaben der Produktion vereinbar und welche Folgen für den Energieverbrauch zeichnen sich ab? 

Demand Side Management 

»Die Kunst für uns Forschende besteht darin, nicht nur die unmittelbaren Konsequenzen von einzelnen Maßnahmen abzubilden, sondern auch die weiterreichenden Folgen für den übernächsten und überübernächsten Produktionsschritt, der erst in einigen Minuten ansteht, zu prognostizieren. Und das bei Zehntausenden von Flaschen und verschiedenen Produktionsstrecken und in teilweiser Abhängigkeit der vorhandenen Energie in den Netzen«, betont Salzig. Entscheidend sei es, klassische Produktionserfordernisse und das Demand Side Management, also den möglichst günstigen Bezug von Energie, in Überlappung zu bekommen. »Für uns heißt das, die Leistung der Produktion in ihrer Menge und Qualität so gut wie bisher beizubehalten und trotzdem auf die Anforderungen beziehungsweise minutenweisen ‚Angebote‘ aus dem Netz möglichst sofort reagieren zu können.«  

Das Projekt läuft noch bis März kommenden Jahres, dann sollen dazu konkrete Erkenntnisse für einen Getränkehersteller in Brandenburg vorliegen. Allerdings dürfte es schwer werden, diese Erfahrungen dann so zu verallgemeinern, dass sie sich eins zu eins auf andere Getränkehersteller oder Großbrauereien übertragen lassen. »Allerdings haben unsere Vorgehensweise und unsere Modelle einen so hohen Abstraktionsgrad, dass auch andere Prozesse, deren Kernstruktur vergleichbar ist, von unserem Modell profitieren werden«, prognostiziert Salzig. Dann könnten auch Teile der Lebensmittelindustrie gleichermaßen zu Profiteuren und zu Unterstützern der Energiewende werden. Ein Grund mehr, sich sein Getränk schmecken zu lassen. 

(aku)