Koolstofneutraal tegen 2030

De Siemens-fabriek in het Duitse Amberg – een hoogtechnologische productiefaciliteit – zal tegen 2030 klimaatneutraal zijn. Simulatiealgoritmen die de complexe onderlinge relaties van een locatie modelleren, berekenen het meest efficiënte en economische pad naar decarbonisatie.

13/09/2022

 

De wereld van morgen moet koolstofneutraal zijn, zonder fossiele brandstoffen of kernenergie, maar met hernieuwbare energie. Toegegeven, het proces om een fabriek, stad of land koolstofneutraal te maken, is duur en tijdrovend. “Er moet altijd voldoende energie beschikbaar zijn, ook tijdens de overgangsfase waarin de infrastructuur wordt omgebouwd. Tegelijkertijd moet de concurrentiekracht behouden blijven of – nog beter – een boost krijgen”, zegt Franz Mende, Plant Manager in de Siemens-fabriek in het Duitse Amberg. “We hebben onze energie-efficiëntie over een periode van vele jaren geleidelijk verbeterd, maar koolstofneutraliteit vormt een veel grotere uitdaging. Het is een kwestie van de juiste stappen in de juiste volgorde zetten. Dat is ingewikkelder dan het op het eerste gezicht lijkt. Daarom werken we samen met collega’s van Siemens Smart Infrastructure, Real Estate en Technology Business Units en met OTH Amberg-Weiden om ons decarbonisatiepad te becijferen.”

Franz Mende, Plant Manager voor Siemens AG in Amberg

Ambitieus doel in Amberg

De vestiging in Amberg is een van de meest geavanceerde van Siemens. Twee afzonderlijke fabrieken – de Electronics Works en de Equipment Manufacturing Plant – ontwikkelen en produceren er producten  voor de wereldwijde markt. De producten die ze bouwen variëren van de SIMATIC-controller tot industrieel zoals SIRIUS. Klanten en partners krijgen een inkijk in het ‘The Impulse’ Visitor Center dat in 2021 werd geopend en waar digitale technologieën, concepten en automatiseringsoplossingen voor de autonome fabriek worden ontwikkeld en voorgesteld.

Het doel van de vestiging in Amberg is om binnen een periode van negen jaar, vanaf 2021, koolstofneutraal te worden. Dit betekent de omschakeling van fossiele brandstoffen naar duurzame energie. Omdat de fabriek al bestaat, noemen experts ze een brownfieldfabriek  – in tegenstelling tot een greenfieldfabriek die van nul gebouwd wordt. Zo’n bestaande fabriek ombouwen is natuurlijk een grote uitdaging: de energietransitie mag de continue werking en productiviteit in geen geval verstoren.

Amberg is niet aan zijn proefstuk toe op het vlak van energiebesparing. Al sinds 2004 voert de site energie-efficiëntiemaatregelen door, zoals:

  • Energy Analytics voor de aankoop van energiegegevens;
  • energiebeheer volgens DIN ISO 50001;
  • de installatie van twee warmtekrachtcentrales;
  • de aankoop van groene elektriciteit uit waterkracht;
  • de implementatie van eChillers.

De impact is duidelijk meetbaar en Amberg levert zo een belangrijke bijdrage aan de succesvolle decarbonisatie van Siemens. Tegen 2020 zou de CO2-uitstoot van de wereldwijde fabrieken al met ongeveer 50 % kunnen dalen. In 2020 was de koolstofuitstoot al met ongeveer 50 % verminderd.

Enkele jaren vooruit kijken – zonder risico’s

“Factoren zoals onder meer geografie, energieprijzen, de bijzondere eigenschappen van een fabriek bepalen in elk afzonderlijk geval het optimale traject”, legt Martin Kautz van Siemens Technology uit. “Verkeerde beslissingen kunnen duur uitvallen of het succes van het project in gevaar brengen. We hebben een softwareoplossing ontwikkeld om de dimensionering en optimale werking van deze multimodale energiesystemen - omgevingen waarin meerdere soorten energie op elkaar inwerken – te simuleren. . Het laat ons jaren van tevoren toe in te schatten wat er onder bepaalde omstandigheden zal gebeuren als we in dit energiesysteem iets veranderen. We gebruiken het als basis voor het berekenen van het optimale decarbonisatietraject, vanuit zowel een technologisch als een economisch perspectief. De methode kan worden toegepast op hele regio’s zoals een stad of, zoals in dit geval, op individuele fabrieken.”

Martin Kautz, ingenieur voor energiesystemen, centraal onderzoek bij Siemens AG

De groene digital twin

In de eerste stap analyseren Kautz en zijn collega's de werkelijke staat van het elektrische, verwarmings- en koelsysteem en bouwen ze het na in een wiskundig model: de ‘digital twin. “De kwaliteit van de digital twin bepaalt hoe realistisch de resultaten van de simulatie achteraf zullen zijn. Het is vooral belangrijk dat we exact weten wat de relevante details zijn van de fabriek en de producten die daar worden geproduceerd”, legt Kautz uit. “Als specifieke ovens in een fabriek bijvoorbeeld met gas moeten worden bediend, moet dit worden opgenomen in het decarbonisatiepad en ook worden gedefinieerd in de digital twin. Daarom werken we bij het modelleren nauw samen met experts ter plaatse – in dit geval met de Siemens-collega’s in Amberg.”

“Het gebeurt heel vaak dat we al energie kunnen besparen door de digital twin te gebruiken om de werkelijke status van processtappen te analyseren en te verbeteren. Zo kunnen we bijvoorbeeld situaties vinden waarbij verwarmings- en koelsystemen elkaar tegenwerken”, zegt Kautz. “Hoewel dit voorbeeld misschien triviaal klinkt, worden dit soort procestekorten gemakkelijk over het hoofd gezien zonder de gedetailleerde analyse die we moeten maken voor de simulatie.”

Fascinerend onderzoek & technologie

Inzicht in onze onderzoekslaboratoria en technische achtergronden 

Alle scenario’s voor energietransitie vastleggen

Procesoptimalisatie is de eerste stap. Nadien berekent de simulatie de haalbare en betaalbare technologische veranderingen die de fabriek koolstofneutraal zullen maken. “We vullen onze digital twin aan met alle hernieuwbare energiebronnen die voor ons mogelijk zijn”, zegt Kautz. “Zo’n maatregel zou bijvoorbeeld kunnen zijn om het hele dak uit te rusten met zonnepanelen. In het model registreren we dan hoeveel dit type systeem kost, hoe snel het geïnstalleerd kan worden en hoeveel vermogen we verwachten. In de simulatie berekenen we dan de meest rendabele volgorde van de maatregelen om de fabriek koolstofneutraal te maken.” Voor de vestiging in Amberg kan bijvoorbeeld het grootste koolstofreductiepotentieel worden bereikt door zonnepanelen te combineren met een warmtepomp.

Vaak kunnen de kerncijfers van tot de maatregelen – zoals energieprijzen over meerdere jaren of de ontwikkeling van de koolstofheffing – enkel geschat worden. “We ontwerpen verschillende scenario’s die aangeven hoe bijvoorbeeld energieprijzen zullen evolueren en simuleren ze afzonderlijk. Dat gaat heel snel, we moeten maar enkele parameters van de digital twin aanpassen”, zegt Kautz. “Dit geeft ons meerdere decarbonisatiepaden die elk optimaal zijn onder bepaalde omstandigheden. Het management van de vestiging beslist vervolgens welk scenario volgens hen het meest waarschijnlijk is en welk pad ze willen bewandelen.”

Maar dit proces eindigt niet bij de digital twin. Nadat de eerste stappen in de uitvoering gezet zijn en tijdens de eerste jaren van werking, kan de digital twin keer op keer eenvoudig aangepast worden om het gekozen pad te evalueren.

Het decarbonisatiepad van Amberg

De fabriek in Amberg, die in het referentieboekjaar 2018/2019 ongeveer 6,8 ton CO2 uitstootte, is nu het decarbonisatiepad ingeslagen. “ln de eerste stap concentreerden we ons op individuele maatregelen, waarbij we de kosteneffectiviteit van elke maatregel onderzochten om onze koolstofvoetafdruk te verbeteren. We hebben de energie van onze processtappen geoptimaliseerd en kopen nu groene – en dus koolstofneutrale – energie van onze elektriciteitsleverancier”, legt Mende uit. “Voor onze volgende stap naar koolstofneutraliteit hebben we gekozen voor een uitgebreide en flexibele aanpak. Het is belangrijk dat we ons voortdurend aanpassen aan veranderende randvoorwaarden. Zo is het onder meer de bedoeling grote delen van de daken uit te rusten met zonnepanelen. Hoewel dat onze koolstofvoetafdruk niet verder verbetert – minder dan nul is nog steeds nul – wordt onze energie goedkoper en worden we minder afhankelijk. Daarom verkiezen we liever een PPA (Power Purchasing Agreement), bij voorkeur met een lokale aanbieder.”

Daarnaast zal een warmtepomp de gasverwarming de komende jaren vervangen en wordt die zo efficiënt mogelijk gemaakt door zijn slimme combinatie met het koelsysteem. Amberg kan echter niet zonder gas omdat het gloeiovens nodig heeft voor de behandeling van metalen onderdelen. Deze ovens zullen nog enkele jaren in bedrijf blijven. “We plannen de omschakeling van aardgas naar biomethaan en onderzoeken tegelijk in welke mate we aardgas kunnen vervangen door waterstof. We verwachten dat onze activiteiten tegen 2030 volledig koolstofneutraal zullen zijn zonder flexibiliteit te moeten kopen door emissiecertificaten aan te kopen”, zegt Mende.

Het koolstofneutrale programma van Siemens

Amberg is geen alleenstaand geval. Ongeveer 50 Siemens-fabrieken werken momenteel aan een koolstofneutrale productie in de komende jaren, waaronder productievestigingen in de VS, Canada, Europa, India en China. Deze toekomstige ‘groene fabrieken’ zullen meer doen dan alleen maar efficiëntiemaatregelen doorvoeren. Naast de mogelijkheid van een gestandaardiseerde procedure biedt het koolstofneutrale programma van Siemens ook nieuwe financieringsmodellen, de elektrificatie van de productie, de aankoop van groene energie en de introductie van nieuwe businessmodellen. Er wordt ook rekening gehouden met de invloed van politieke randvoorwaarden, waaronder koolstofcertificaten en hun prijsstelling, subsidiewetgeving en belasting op hernieuwbare energiebronnen.

Abonneer je op onze nieuwsbrief

Blijf altijd op de hoogte: alles wat u moet weten over elektrificatie, automatisering en digitalisering.