Was ist Flexibilität?

Was ist Flexibilität?

Flexibilität ist die Fähigkeit eines Industrieprozesses auf äußere Einflussfaktoren wie beispielsweise Angebotsnachfrage, Materialbestand oder aber auch Strompreissignale zu reagieren und in Abhängigkeit dieser, den Industrieprozess zu steuern.

Die Flexibilität von industriellen Prozessen kann durch sehr viele Eigenschaften beschrieben werden. Im Folgenden wird auf die Eigenschaften eingegangen, welche für die Bewertung von Flexibilität unter Berücksichtigung eines dynamischen Stromtarifs die größten Auswirkungen haben. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren hinsichtlich der Flexibilität eines Industrieprozesses gehören die Planbarkeit, der maximale Verschiebezeitraum sowie die technischen Restriktionen

Planbarkeit

Für die Vermarktung einer Flexibilität ist die Information, wann und wie lange ein Prozess läuft, von hoher Bedeutung. Je früher diese Informationen zur Verfügung stehen, desto mehr Vermarktungsoptionen können sich ergeben. Dies bedeutet, dass eine Flexibilität, welche einen Tag vor Strombelieferung bekannt ist, anders und ggf. besser vermarktet werden kann, als eine Flexibilität, welche sich wenige Stunden vor Strombelieferung ergibt.

Außerdem ist hinsichtlich der Planbarkeit zwischen Prozessen zu unterscheiden, welche regelmäßig laufen und somit gut prognostizierbar sind und Prozessen, welche sporadisch laufen und schlecht prognostizierbar sind.

Abbildung 1: Einflussfaktoren auf die Prozessplanung

Technische Eigenschaften

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Flexibilität eines Prozesses sind die technischen Eigenschaften. Hierbei ist zwischen Prozessen zu unterscheiden, welche in einzelne Teilprozesse aufteilbar und somit unterbrechbar sind und Prozessen, welche, nachdem sie einmal gestartet sind, komplett durchlaufen müssen. Bei Prozessen, welche kontinuierlich durchlaufen, ist die Eigenschaft der Teillastfähigkeit bzw. die Fähigkeit die Prozessauslastung zu variieren, ein wichtiges Kriterium.

Außerdem ist bei kontinuierlichen Prozessen zwischen Prozessen, welche kontinuierlich bei einer zuvor festgelegten Auslastung produzieren und Prozessen, welche nach einer Regelgröße wie beispielsweise der Temperatur oder Druck laufen, zu unterscheiden.

Zeitliche Verschiebung

Die Zeitspane, um welche eine möglichst große Last zeitlich nach vorne bzw. nachhinten verschoben werden kann, spielt eine besonders große Bedeutung hinsichtlich der monetären Bewertung der Flexibilität. Je größer die zur Verfügung stehende Zeitspanne ist, desto mehr kann von der Volatilität der Strompreise profitiert werden.

Diagramm 1 zeigt die Häufigkeit von Verlagerungsanreizen auf Basis der Strommarktdaten aus dem Jahr 2015. Bei einer maximalen Zeitverschiebung von 4 Stunden entsteht in 50% aller Stunden ein Preisunterschied von 7 €/MWh, in 25% aller Stunden 12 €/MWh und in 10% aller Stunden sogar 19 €/MWh.

Diagramm 1: Häufigkeit von Verlagerungsanreizen

Beispiele für die Flexibilität industrieller Prozesse

Als klassisches Beispiel für die Flexibilität industrieller Prozesse sind Kälteprozesse zu nennen. Ziel dieser Prozesse ist es, ein Medium unterhalb einer zuvor festgelegten Grenztemperatur zu halten. Höchste Priorität ist, dass die Grenztemperatur niemals überschritten wird. Hierbei ist es allerdings meist egal, ob genau die Grenztemperatur gehalten wird, oder ob die Grenztemperatur um einige wenige Grad unterschritten wird. Die Flexibilität des Kühlprozesses liegt demnach im Puffer zwischen der Grenztemperatur und der minimalen Temperatur, auf welche das Medium gekühlt werden darf.

In Diagramm 2 wird ein Beispiel für die Steuerung eines Kühlprozesses anhand von Preissignalen unter Beachtung der Grenztemperatur von 20°C und der minimalen Temperatur von 15°C dargestellt. In Zeiten des günstigen Stroms wird das Kühlaggregat auf 100% der Leistung hochgefahren und das Kühlmedium auf das Minimum herunter gekühlt. In Zeiten des teuren Strom wird der Puffer zwischen minimaler Temperatur und Grenztemperatur ausgenutzt und die Leistung des Kühlaggregates gedrosselt bzw. sogar abgeschaltet. In diesen Zeiten erhöht sich die Temperatur innerhalb des Kühlmediums innerhalb der erlaubten Grenzwerte. Sobald der Strompreis wieder sinkt, wird durch das Hochfahren des Kühlaggregats der Kältepuffer wieder aufgefüllt. Die Flexibilität eines solchen Prozesses hängt von der maximalen Leistung des Kühlaggregats, der maximalen Temperaturdifferenz zwischen Grenztemperatur und minimaler Temperatur und des Volumen des Kühlmediums zusammen.

Diagramm 2: Beispiel Kühlung

Ein weiteres Beispiel für die Flexibilität eines industriellen Prozesses ist ein nicht zu 100% ausgelasteter Prozess. Dies können beispielsweise Nebenprozesse mit Standzeiten sein, welche unkoordiniert Ein- bzw. Ausgeschaltet werden. Durch das Ausnutzen der Standzeiten und das koordinierte Ein- bzw. Ausschalten des Prozesses kann die Flexibilität genutzt werden.

Diagramm 3 zeigt ein Beispiel für die Steuerung eins Prozesses mit hohen Standzeiten. In diesem Beispiel ist es dem Industrieunternehmen egal, wann der Prozess letztendlich läuft, wichtig ist, dass der Prozess frühestens morgens um 6:00 Uhr gestartet wird und jeden Abend um 22:00 Uhr zu Beginn der Nachtschicht abgeschlossen ist und das Produkt weiter verarbeitet werden kann. Es besteht also ein Zeitverschiebungspotential von 14 Stunden. Aus historischen Gründen und fehlendem Anreiz dies zu überdenken wird der Prozess jeden Tag zum Ende der Nachtschicht gegen 6:00 Uhr gestartet. Durch einen dynamischen Stromtarif und der Automatisierung des Prozesses kann durch die Reaktion auf Preissignale die Flexibilität in Form des Zeitverschiebungspotentials von 14 Stunden genutzt werden, ohne dass dies Einfluss auf Abläufe des Industrieunternehmens hat.

Diagramm 3: Beispiel Nebenprozess

Auch Prozesse mit nahezu 100% Auslastung bieten bei der näheren Betrachtung Flexibilitätspotential. Beispielsweise sind viele vollautomatische Zerspanungsmaschinen nur wirtschaftlich, wenn sie durchgehend bei 100% Auslastung laufen und die Standzeiten minimiert werden. Allerdings müssen auch diese Maschinen regelmäßig gewartet und mit neuen Werkzeugen gerüstet werden. Die Rüst- und Wartungsplanung kann als Flexibilitätspotential gesehen werden.

Diagramm 4 zeigt ein Beispiel für den Einsatz des Flexibilitätspotentials durch die Berücksichtigung von Strompreissignalen bei der Planung von Rüst- und Wartungszeiten. Ziel der Planung ist, die Wartungsarbeiten zu Zeiten sehr teuren Strompreisen durchzuführen.

Diagramm 4: Beispiel Verschiebung Rüst- und Wartungszeitraum

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