Simulation-based assessment of energy use in factories

Abstract

The increasing awareness of the limited resources of our planet is demanding that industrial companies improve the sustainability of their business strategies and urging decision-makers to adopt environmentally friendly manufacturing practices. In this respect, identifying ways to improve energy use in factories is subject to ongoing research. Recently, factory simulation models have been proposed to better understand the interdependencies of energy use in the different peripheries of a factory system. However, the complexity of the proposed factory simulation models and their inability to jointly evaluate multiple energy-related performance metrics have limited their application in practice. This work extends the scope of existing factory simulation models with a particular focus on on-site energy supply systems and extends conventional energy performance metrics to include non-energy benefits. It also improves upon the prevailing trial-and-error approaches currently used to evaluate improvement measures within these models. The findings show that an assessment procedure that combines a multi-peripheral factory model with a comprehensive evaluation process using design of simulation experiments can improve both the comprehensiveness and generalizability of the obtained simulation results. The results show that by applying the proposed methodology, combined energy-saving potentials of 38% can be achieved for the factory building and its technical building systems. At the same time, the non-energy benefits in terms of improved occupational safety can be increased by 40%. Starting from this baseline, further improvements are possible with regard to the energy supply system setup. Using the proposed evaluation process, it is possible to further improve various energy performance metrics of the factory, including energy costs (-10%), energy demand (-7%), and CO2 emissions (-11%). In addition, the share of renewables on the energy supplied was increased by 16% and energy flexibility by 31%. The results of this work should promote the understanding of the complex interdependencies of energy use in factories and advance the transition of the corresponding factory simulation models and related evaluation processes into planning practice.

Das zunehmende Bewusstsein über die begrenzten Ressourcen unseres Planeten verlangt von den Industrieunternehmen ihre Ressourceneffizienz zu steigern. In diesem Zusammenhang ist die Verbesserung des Energieeinsatzes in Fabriken Gegenstand laufender Forschung. In jüngster Zeit wurden Fabriksimulationsmodelle vorgeschlagen, um die gegenseitigen Abhängigkeiten des Energieeinsatzes in den verschiedenen Peripherien eines Fabriksystems besser zu verstehen. Die Komplexität der vorgeschlagenen Modelle und ihre Unfähigkeit, mehrere energiebezogene Leistungskennzahlen gemeinsam zu bewerten, haben ihre Anwendung in der Praxis jedoch bisher eingeschränkt. Diese Arbeit erweitert bestehender Fabriksimulationsmodelle mit einem besonderen Schwerpunkt auf Vor-Ort-Energieversorgungssysteme und ergänzt konventionellen Energieleistungskennzahlen um nicht-energetische Vorteile. Die Arbeit präsentiert außerdem ein neues Bewertungsprozess um Fabriksimulationsmodelle strukturiert auf Maßnahmen zur Verbesserung der Energienutzung hin zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus Fabrikmodell und Simulationsexperimenten den Umfang der erforderlichen Simulationsläufe und die Verallgemeinerbarkeit der erzielten Simulationsergebnisse verbessern kann. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Anwendung der vorgeschlagenen Methodik Energieeinsparpotenziale von 38% für das Fabrikgebäude und seine technischen Gebäudeanlagen erreicht werden können. Gleichzeitig können nicht-energetische Vorteil wie bspw. im Bereich der Arbeitssicherheit um 40% ermittelt werden. Ausgehend hiervon sind weitere Verbesserungen im Hinblick auf den Aufbau des Energieversorgungssystems möglich. Mithilfe des Bewertungsprozesses können verschiedene Energiekennzahlen der Fabrik weiter verbessert werden, darunter Energiekosten (-10 %), Energiebedarf (-7 %) und CO2-Emissionen (-11 %). Darüber hinaus wurde der Anteil der erneuerbaren Energien an der Energieversorgung um 16 % und die Energieflexibilität um 31 % erhöht. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen das Verständnis für die Zusammenhänge der Energienutzung in Fabriken fördern und den Übergang der Fabriksimulationsmodelle und der damit verbundenen Bewertungsverfahren in die Planungspraxis beschleunigen.