Energieeffizienz beim Lager- und Kommissioniervorgang

Zur ganzheitlichen Betrachtung des Energiebedarfs von Fördermitteln in der Nutzungsphase werden am IFL analytische Energiebedarfsmodelle entwickelt. Deren Potenzial besteht vor allem darin, den aktuellen Stand heutiger Energieeffizienzmaßnahmen abzubilden und das Energieeinsparpotenzial zukünftiger Energiesparmaßnahmen abzuleiten.

Motivation 

Die Rahmenbedingungen zur Entwicklung, Herstellung, Vertrieb, Betrieb und Entsorgung von Fördermitteln in der Intralogistik werden sich zukünftig verändern. Grundlegende Faktoren, die diesen Veränderungsprozess hervorrufen, sind zum einen der gesellschaftliche Trend zu einem erhöhten Umweltbewusstsein, die Ausnutzung dieses Trends zu Marketingzwecken, aber auch erhöhte Anforderungen an die Umweltverträglichkeit durch die Verknappung von Ressourcen. In der EU wird beispielsweise eine stärker ökologisch ausgerichtete Entwicklung von Produkten aller Art, insbesondere von energieverbrauchsrelevanten Produkten, vorangetrieben. In diesem Rahmen verabschiedete das Europäische Parlament 2005 die „Ökodesign-Richtlinie“ 2005/32/EG für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Produkten. 2009 wurde diese Richtlinie um energieverbrauchsrelevante Produkte, zu denen auch z. B. Werkzeugmaschinen gehören, erweitert [1].

Umweltaspekte und Umweltauswirkungen 

Im Hinblick auf eine umweltgerechte Gestaltung von Produkten muss eine ganzheitliche Betrachtung aller Umweltaspekte, über den Energiebedarf hinaus, erfolgen. Im IGF-Vorhaben 16973 N „Analyse und Quantifizierung von Umweltauswirkungen von Fördermitteln in der Intralogistik“ wurde diese ganzheitliche Betrachtung für Fördermittel in der Intralogistik durchgeführt. Grundlage des Projektes ist die Ermittlung der Umweltauswirkung, die als „jede Veränderung der Umwelt […] aus Umweltaspekten einer Organisation“ [2] beschrieben wird (z. B. Klimaveränderungen) und des Umweltaspekts, der als „Bestandteil der Tätigkeiten […], der auf die Umwelt einwirken kann“, [2] bezeichnet wird. Die Höhe der einzelnen Umweltaspekte hängt dabei von einer Vielzahl von Einflussfaktoren wie beispielsweise dem Strommix oder der Betriebsart, ab.

Nach Quantifizierung der Umweltaspekte kann schließlich eine Aussage über die jeweiligen Umweltauswirkungen in abgegrenzten Systemen getroffen werden. Die für die Fördermittel identifizierten Umweltaspekte werden entlang des vollständigen Produktlebenszyklus von der Rohstoffgewinnung über die Nutzung bis hin zur Entsorgung am Ende der Lebensdauer [1] ermittelt. Eine Unterstützung zur Quantifizierung der Umweltauswirkungen bietet das EcoReport Tool [3], das im Rahmen der MEEuP Methode [4] der Ökodesign Richtlinie entwickelt wurde. Durch Angabe der verbauten Werkstoffe, deren Massen und weiteren Angaben zu einzelnen Lebensphasen, können Umweltauswirkungen von energiebetriebenen Produkten abgeschätzt werden. Aus den Ergebnissen ist erkennbar, dass die Höhe der Umweltaspekte in der Nutzungsphase am größten ist. Das Institut für Fördertechnik und Logistiksysteme (IFL) konzentriert sich deshalb auf die Betrachtung des Energiebedarfs in der Nutzungsphase mit Spezialisierung auf den Lager- und Kommissioniervorgang.

Unter Lagern und Kommissionieren werden die Einlagerung, die Lagerung und die Entnahme von Waren, sowie die Entsorgung von Ladungsträgern oder Verpackungsmaterialien in einem Distributionszentrum verstanden [5].

Der Energiebedarf wird anhand eigens dafür entwickelter analytischer Modelle ermittelt. Ziel ist es, diese Modelle für alle Fördermittel, die an den Prozessen Transport, Einlagern, Lagern und der Entnahme beteiligt sind, aufzubauen [5]. Mit den Energiebedarfsmodellen kann durch Ein- gabe von charakteristischen Größen wie der Geschwindigkeit, Beschleunigung, Massen und der Verlustgrößen eine Aussage über den Gesamtenergiebedarf oder den Leistungsverlauf eines Fördermittels für eine bestimmte Aufgabe im Lager- und Kommissioniervorgang getroffen werden. Dabei sind die Modelle nicht auf eine Geräteklasse beschränkt, sondern können individuell dem jeweiligen Gerät für verschiedene Aufgaben angepasst werden. Das Modell Regalbediengerät ermöglicht so beispielsweise die Darstellung einer Leistungsbilanz über die Anfahrt beliebiger Regalfächer, z. B. auch der charakteristischen Fächer nach der FEM 9.851 eines Einzel- oder Doppelspiels [6]. Leistungsmessungen an realen Systemen werden zur Verifizierung der Modelle und zur Ermittlung fehlender Parameter wie z. B. Fahrwiderstandsbeiwerten durchgeführt. Neben der Abbildung des Stands der Technik heutiger Systeme, kann mit Hilfe der Modelle das Energieeinsparpotenzial neuer Technologien und der Einfluss verschiedener Betriebsstrategien ermittelt werden.

Energieeffizienzmaßnahmen in der Nutzungsphase

Im Folgenden werden exemplarisch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz von Regalbediengeräten (RBGen) beschrieben und erörtert. Ein wichtiges gemeinsames Ziel dieser Maßnah- men ist es, die beim Bremsen und beim Absenken der Last anfallende generatorische Energie zu nutzen. Bis heute wird diese Energie meist über Bremswiderständen in Wärme umgewandelt und in die Umgebung abgegeben.

Möglichkeit 1: Energierekuperation

Bei Regalbediengeräten ist jede Fahrrichtung mit einem eigenen Antriebsstrang ausgestattet. Jeder die- ser Antriebsstränge besteht aus Frequenzumrichter, Motor, Getriebe und weiteren Übertragungsgliedern (z. B. Laufrollen auf der Fahrschiene oder Seiltrommeln). Im Folgenden soll am Beispiel der Zwischenkreiskopplung, Doppelschichtkondensatoren und Energierückspeisemodule die Energierekuperation erläutert werden. Dabei sind die Frequenzumrichter über einen Zwischenkreis elektrisch gekoppelt – die sog. Zwischenkreiskopplung, sodass eine gemeinsame Strom- und Spannungsebene zum Energieaustausch genutzt werden kann. Generatorisch erzeugte Energie eines Antriebs kann dadurch zeitgleich in einem anderen Antrieb genutzt werden. Generatorische Energie, die auf dem Gerät nicht verbraucht wird, wird als Wärme über einen Bremswiderstand abgegeben.

Diese Zwischenkreiskopplung kann auch als intelligente Zwischenkreiskopplung, bei der die Antriebsachsen gezielt koordiniert werden, ausgeführt werden [7]. Ergänzend dazu kann die nicht benötigte generatorische Energie in Doppelschichtkondensatoren gespeichert werden. Diese sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte in der Lage die hohen kurzfristig anfallenden Leistungen aufzunehmen und an die Antriebe abzugeben. Eine weitere Alternative stellt die Rückspeisung der nicht verbrauchten generatorischen Energie ins Versorgungsnetz dar. Das dafür erforderliche Rückspeisemodul bedingt allerdings – ebenso wie der Einsatz von Doppelschichtkondensatoren – höhere Investitionskosten und erhöhten Platzbedarf sowie erhöhtes Gewicht der Antriebstechnik Zur Veranschaulichung einiger Energiesparmaßnahmen wird zunächst ein Paletten-Regalbediengerät ohne Energierekuperation betrachtet.

Bild 1 zeigt eine Lagerfront, die ausgehend vom Ein-/ Auslagerpunkt (E/A) bei x = 0, y = 0 mit Hilfe eines RBGs versorgt wird. Die Länge des Lagers in x-Richtung beträgt 100 Fächer, die Höhe in y-Richtung 25 Fächer. Die mittlere Energie, die über diese Lagerfront berechnet wird, setzt sich in diesem Beispiel aus Einlagerspielen zusammen. Ein RBG fährt dabei mit einem Ladegut vom E/A ein Lagerfach an, lagert das Ladegut ein und fährt anschließend ohne Ladegut wieder zurück zum E/A. Dabei werden alle Fächer des 100×25 Lagers angefahren. Der grüne Bereich stellt die Fächer dar, die mit weniger als der mittleren Energie angefahren werden, während der rote Bereich die Fächer beinhaltet, deren Fahrt mehr als die mittleren Energie benötigt. Im rechten Schaubild ist die mittlere Energie über die Lagerfront dargestellt. Die Grenze des grünen und roten Bereiches stellt die Isoenergetische der mittleren Energie dar. Sie geht durch die Fächer, die alle mit der mittleren Energie angefahren werden können. Der Begriff lehnt sich an den der Isochronen an, die die Fächer darstellt, die mit der gleichen mittleren Spielzeit angefahren werden können [8].

Der Energiebedarf wird anhand des analytischen Energiebedarfsmodell aus allen elektrischen Energien, die zum Fahren, Heben und Teleskopieren benötigt werden inklusive aller (Fahr-) Widerstände ermittelt. Außerdem gilt für alle Betrachtungen im Folgenden eine chaotische Lagerbelegung mit einer gleichverteilten Anfahrhäufigkeit der Fächer. Die Masse des Ladegutes beträgt in diesen Fällen 1000 kg. Es wird ein Paletten-RBG mit ca. 20 t Gesamtmasse verwendet. Die mittlere Energie der gesamten Lagerfront liegt bei ca. 260Wh. In Bild 2 sind analog zu Bild 1 die Energie für ein mit Zwischenkreiskopplung ausgerüstetes RBG (oben) und für ein mit zusätzlichem Rückspeisemodul ausgestattetem RBG (unten) aufgezeigt. Neben der veränderten Lage der Fächer, die mit weniger (grüner Bereich) bzw. mehr (roter Bereich) als der mittleren Energie angefahren werden, ist insbesondere deutlich die geringe mittlere Energie für die Fachanfahrten (rechts) zu erkennen.

Möglichkeit 2: Lagerbetriebsweisen

Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung beim Betrieb eines Lagers ist die Anpassung der Lagerstrategien. Ein vielversprechender Ansatz ist die Belegung beim Einlagern des Lagers hinsichtlich des Energiebedarfs. Das hier beschriebene Beispiel verfolgt eine „SML-Zonierung“, eine Zonierung nach Lastmassen (siehe Bild 3). Innerhalb der Zonen gilt eine chaotische Lagerplatzvergabe. Eine Auswahl der Ergebnisse zeigt Bild 4. Auch hier ist die veränderte Lage der Fächer, die unterhalb (grün) bzw. oberhalb (rot) der mittleren Energie liegen deutlich. Ebenfalls ist die mittlere Energie (rechts) als Bezugsgröße angegeben, die auch Potential für weitere Energieeinsparungen aufzeigt. Werden diese Massenzonierungen noch mit Anfahrhäufigkeiten (ABC-Zonierung) überlagert, kann eine Lagerstrategie entwickelt werden, die neben einer Durchsatzoptimierung auch gleichzeitig energieeinsatzoptimiert ist. Diese Betrachtungen sind derzeit Gegenstand der Forschung am IFL.

Möglichkeit 3: Betriebsweise / Strategie – Systemgedanke

Um den Gesamtenergiebedarf des Lager- und Kommissioniervorgangs ganzheitlich angeben zu können und Möglichkeiten der Einsparung zu identifizieren, ist es zwingend erforderlich, die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Fördermittel mit zu berücksichtigen. Basis dafür ist ein Systemgedanke. Das Gesamtsystem „Technik im Lager- und Kommissioniervorgang“ kann dabei in verschiedene Teilsysteme unterteilt werden, z. B. Teilsystem „Fördertechnik“ oder „Lagertechnik“. Im Teilsystem „Lagertechnik“ wird beispielsweise das „Regalbediengerät“ angesiedelt. Kern der Teilsysteme sind die oben beschriebenen analytischen Energiebedarfsmodelle für die einzelnen Fördermittel. Neben der unterschiedlichen Gestaltung der Fördermittel, spielt die strategische Abfolge der einzelnen Prozesse im Lager- und Kommissioniervorgang eine wesentliche Rolle. So besteht ein energetischer Unterschied, ob bei der Aufgabe „Einlagern“ eine volle Palette mit einem RBG eingelagert, oder erste Ware auf mehrere Kleinladungsträger verteilt und anschließend mit zum Beispiel einem Shuttle-System eingelagert werden. Diese Betrachtung ist Stand der Forschung am IFL.

Zusammenfassung und Ausblick

Anhand der gezeigten Beispiele wird deutlich, dass die Energieeffizienzbetrachtung im Lager- und Kommissioniervorgang ein herausforderndes Thema für Industrie und Forschung ist. Neben der Entwicklung von Modellen zur Bestimmung des Energiebedarfs, müssen auch standardisierte Möglichkeiten zur Bewertung dieser Systeme über z. B. Kennzahlensysteme gegeben werden. Deshalb wird am IFL auch ein Kennzahlensystem zur Bewertung der Nachhaltigkeit im Lager- und Kommissioniervorgang entwickelt.

Literatur:

[1] Richtlinie 2009/125/EG: zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte, EU Parlament und Rat, Brüssel, 2000
[2] DIN EN ISO 14001: Umweltmanagementsysteme, Beuth Verlag Düsseldorf, 2009
[3] VHK for European Commission: Eco- Report – Excel calculation sheet, Delft 2005
[4] VHK for European Commission: MeeuP (Metholody Study Eco-design of Energy-using Products) Report, Delft 2005
[5] J. Wisser: Der Prozess Lagern und Kommissionieren im Rahmen des DCRM, Universitätsverlag Karlsruhe, Karlsruhe 2009
[6] FEM 9.851 Leistungsnachweise für Regalbediengeräte Spielzeiten, Fédération Européenne de la Manutention (Europäische Vereinigung der Förder- und Lagertechnik), VDMA Verlag, Frankfurt a.M., 2003
[7] Schumacher, M. Energiesparen mit System, ETZ Elektrotechnik + Automation Heft S2/2009, VDE Verlag Berlin, S. 25- 27
[8] Schulz, R., Monecke, J., Zadeck, H.(2012). Isoenergetische Fächer eines Automatischen Kleinteilelagers, Jahrbuch der Logistik 2012, Freeberatung, Korschenbroich, S. 28-33

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