09.04.2013

BLG Logistics: Mon2Sea – Echtzeitmonitoring

...des Transports und Umschlags von Komponenten zur Offshore-Montage von Windkraftanlagen - ein Fachartikel des Windmesse Technik-Symposiums 2012

Mon²Sea wird Produktions- und Logistikprozesse bei der industriellen Serienfertigung und Errichtung von Offshore-Windkraft-anlagen unterstützen. Mittels IT-Funktionalitäten, Prozessdesign und dem innovativen Einsatz von IuK-Technologien soll sowohl die gesamte Supply Chain – ab Zulieferer über Hersteller bis zur Offshore-Montage – als auch die Steuerung der Rückführung der Ladungsträger zum Hersteller plan- und steuerbar gemacht werden. Die im Laufe des Projekts entwickelten Konzepte werden mittels einer IT-Forschungsplattform auf ihre Praxistauglichkeit hin bewertet.

Bei der Errichtung der heute von ihren zukünftigen Betreibern geplanten Offshore-Windparks werden die derzeit beim Bau von Windkraftanlagen verwendeten Instrumente zur Produktions- und Logistikplanung an ihre Grenzen stoßen. Die beabsichtigte Großserienfertigung und -montage erfordert Steuerungssysteme, wie sie z.B. in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Die dort vergleichbar hohe Prozesstransparenz wird auch für die Offshore-Montage von Windenergieanlagen wichtig – insbesondere weil Fehler, die erst am Montageort weit vor der Küste bemerkt werden, unweigerlich zu hohen Folgekosten führen.

Vor diesem Hintergrund wird in dem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderten Kooperationsprojekt Mon²Sea das Thema ‚Echtzeitmonitoring des Transports und Umschlags von Komponenten zur Offshore-Montage von Windkraftanlagen‘ behandelt. Ausgehend vom Konsens, dass es um mehr geht als um die bloße Installationslogistik, werden alle relevanten Prozesse innerhalb des Logistiknetzwerkes zur Errichtung eines Offshore-Windparks berücksichtigt: Zulieferung, Produktion, Zwischenlagerung, Hafenumschlag, Transport durch Errichterschiff und Installation auf See.

Ziel ist es, in einem zentralen Leitstand Status- und Positionsmeldungen der Anlagenkomponenten zur unternehmensübergreifenden Prozesssteuerung zu generieren. Dies erlaubt die Abbildung von Produktions- und Logistikprozessen sowohl bei der Serienfertigung als auch bei der Errichtung von Offshore Windenergieanlagen und darüber hinaus bei der Steuerung der Rückführung von Ladungsträgern zum Hersteller. Die im Rahmen von Mon²Sea angestrebte Optimierung der Supply Chain soll letztendlich eine sequenzgenaue Zusammenführung von Komponenten von der Produktion über den Hafen bis zur Montage gewährleisten.

Akteure im Logistik-Netzwerk der Offshore-Windenergie. Quelle: Industrie Management 27 (2011)

Besondere Herausforderungen der Windenergielogistik

Die besonderen Herausforderungen, denen es sich beim Verfolgen dieser Ziele in der Windenergielogistik und damit im Projekt Mon²Sea zu stellen gilt, beschränken sich nicht allein auf die Schwerlast und Größe einzelner Komponenten: Besonderes Gerät und Expertenwissen sind zwingend notwendig im Transport, beim Umschlag und bei der Lagerung der Teile. Darüber hinaus geht es jedoch darum, die branchenspezifischen Störungen, die den Materialfluss dieser Komponenten beeinflussen, zu berücksichtigen. Neben der im Errichtungs- und Installationsprozess zentralen Störgröße ‚Wetter‘ existieren weitere Störeinflüsse wie z. B. Beschädigungen einzelner Windenergieanlagenkomponenten, nicht intaktes Material bzw. Gerät, das für den Umschlag, den Transport und die Errichtung benötigt wird, die Lieferung falscher Komponenten, fehlende Komponenten, Überschreitung der geplanten Umschlagzeiten etc.

Wenn beim Bau einer Offshore-Windenergieanlage entlang der Lieferkette eine Störung auftritt, hat diese in der Regel Auswirkungen auf die Prozesse, die vor der Störung ablaufen. Kommt es zu dem Fall, dass die Montage bei der Installation auf See nicht wie geplant erfolgen kann, d. h., dass aufgrund einer Störung bei der Planerfüllung nicht alle Komponenten planmäßig verbaut werden können, wird der sogenannte Material-Pull nicht ausgelöst. Denn: Das angekündigte Material wird auf der Baustelle noch nicht benötigt, folglich wird der vorgesehene Materialfluss vom Lager zur Installationsstätte auf See unterbrochen. Das wirkt sich weiter auch auf den Materialfluss zwischen dem Komponentenproduzenten und dem Lager aus. Bei einer Rückführung des Materials in das Netzwerk kommt erschwerend hinzu, dass auch für diese ‚Komponenten aus der Gegenrichtung‘ Ressourcen bereitgestellt werden müssen, z. B. Lagerplätze auf dem Offshore-Terminal. Diese Umkehrung des Materialflusses in der Lieferkette wird als backward-push bezeichnet. ¹⁾

Störungen der Planerfüllung und die Auswirkungen auf das Netzwerk. Quelle: Industrie Management 27 (2011)

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde im Projekt zunächst eine ausführliche Analyse der existierenden Prozesse zur Offshore-Windenergielogistik durchgeführt. Daraus abgeleitet wurde ein umfassendes Prozesskonzept, in welchem die neu zu gestaltenden Prozesse dokumentiert und erläutert werden. Dieses stellte die Basis für das Fachkonzept dar, das das Soll-Konzept definiert.

Auf der Basis des erstellten Fachkonzepts wird im nächsten Schritt ein IT-Konzept erarbeitet. Es wird dabei der Aufbau einer zentralen IT-Lösung zur Abbildung des Materialzulaufs für Komponenten von Windenergieanlagen verfolgt. Dabei kommen GPS-Ortungsmodu-le zur durchgehenden Sendungsverfolgung zum Einsatz und Identifikations- und Inventursysteme zur lokalen Bestandsaufnahme an zuvor definierten Zulaufpunkten. Mittels einer Web-Schnittstelle werden die relevanten Zulaufinformationen über die gesamte Supply-Chain benutzerspezifisch angezeigt. Das im Ergebnis vorliegende detaillierte IT-Konzept dient als Grundlage für die IT-Um-setzung der Forschungsplattform.

Es folgt jedoch zunächst die Erstellung eines stochastischen Planungsmodells zur Optimierung der Ablaufplanung der Offshore-Montage unter besonderer Berücksichtigung von Umwelteinflüssen auf See, wie z. B. Strömung, Gezeiten und Wetter. Die hierbei zu beachtenden Randbedingungen sind einerseits die Planung der Schiffsbewegungen und andererseits die Anforderungen der einzelnen Montageoperationen an Wind- und Strömungsverhältnisse und Wellengang.

Die Schiffsbeladung ist in Abhängigkeit der prognostizierten Werte möglichst flexibel auf das Ziel auszurichten, um eine optimale Auslastung der teuren Errichterschiffe zu gewährleisten. Mittels des stochastischen Planungsmodells werden zum einen Plandaten für den Materialzulauf generiert und zum anderen wichtige Fragestellungen zu optimierten Schiffsbeladestrategien, Schiffseinsatzzeiten sowie notwendigen Material- und Flächenbedarfen im Hafen beantwortet. Das Simulationsmodell findet auch bei der späteren Prozessvalidierung Verwendung, wobei es dann um entsprechende Module zur Abbildung der Supply-Chain erweitert wird.

Die IT-Forschungsplattformentwicklung und Hardwarebeschaffung umfasst die Entwicklung und Realisierung der IT-Testumgebungen einschließlich der Implementierung von Schnittstellen und serverseitiger Testapplikationen sowie Beschaffung und Test der Hardware. Übergeordnetes Ziel ist die konzeptionelle Entwicklung und Realisierung der IT-Forschungsplattform für den Materialzulauf, welche die Anforderungen des Fachkonzeptes und des IT-Konzept erfüllt. Des Weiteren werden die entsprechenden Hardware-Kom-ponenten für die GPS-Ortungsmodule und das Identifikations- und Inventursystem beschafft, zusammengeführt und konfiguriert. Im Anschluss werden die Testapplikationen hinsichtlich der korrekten Funktionalität überprüft und die jeweilige IT-Testumgebung bereitgestellt.

Ziel sind im nächsten Schritt die Planung, Durchführung und Auswertung von Labortests und der Feldtest sowie die dazugehörige Dokumentation. Es soll die Einsatzfähigkeit der entwickelten Forschungsplattform umfassend unter praxisnahen Bedingungen im Seehafen untersucht werden. Zunächst werden Testläufe zur Überprüfung der Systemkomponenten im Labortest definiert, die physische Testumgebung aufgebaut und die Testläufe durchgeführt. Danach werden die Testläufe für den Feldtest geplant, durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert. Der Feldtest beinhaltet die Prüfung der gesamten IT-Forschungsplattform im Hinblick auf den praxisnahen Einsatz zur Ladungsverfolgung im Logistiknetzwerk. Die adressierten Ziele und Ergebnisse in der letzten Projektphase bestehen in der Prozess- und Systemvalidierung der Offshore-Montage aus Sicht der Produktionsplanung und -steuerung. Hierzu werden in einer simulationsbasierten Fallstudie vom stochastischen Planungsmodell notwendige Materialbedarfe im Hafen und auf See zur Offshore-Montage ermittelt, welche als Plandaten für den Materialzulauf dienen und an die IT-Forschungsplattform übergeben werden. Im Rahmen der Fallstudie werden u.a. alternative Schiffbeladestrategien, Materialvorlaufzeiten und Sicherheitsbestände untersucht. Auf Basis der Fallstudie werden im Rahmen von Szenariountersuchungen relevante Mengen und Kosten erfasst. Hierauf basierend wird eine Wirtschaftlichkeitsrechnung durchgeführt.

Drei Komponenten ermöglichen Echtzeitmonitoring

Die drei wesentlichen Komponenten des Projekts Mon²Sea stellen die IuK-Infrastruktur, die IT-Forschungsplattform für Materialzulauf und das stochastische Planungsmodell dar. Das Gesamtziel besteht im Zusammenspiel der drei Komponenten, womit es einen hohen Grad an Komplexität umfasst.

Die Infrastruktur aus Informations- und Kommunikationstechnologie stellt der IT-Forschungsplattform sowie dem stochastischen Planungsmodell Rohdaten bzgl. Position und Zustand der logistischen Objekte zur Verfügung. Nur wenn der reale Materialfluss mithilfe von Tracking-und-Tracing-Strategien und angepassten Identifikations-und Lokalisierungsautomatismen transparent wird, kann das komplexe Gesamtsystem im Zusammenspiel der Komponenten erfolgreich gesteuert werden.

Die IT-Forschungsplattform bildet den Materialzulauf ab und ermöglicht die Automatisierung wesentlicher Steuerungsfunktionalitäten. Durch den Einsatz von GPS- und Auto-ID-gestütztem Echtzeitmonitoring werden nicht nur die Bewegungen einzelner Komponenten und Anlagenteile transparent, sondern auch die der für den Transport der Großkomponenten speziell gefertigten Ladungsträger. Durch den Zugang aller Prozessbeteiligten zu Status- und Bewegungsdaten werden zukunftsweisende und noch nicht in der Praxis erprobte Methoden wie eine unternehmensübergreifende Prozessoptimierung ermöglicht.

Das stochastische Planungsmodell zur wetterabhängigen Off-shore-Errichtungs- und Montageplanung der Windkraftanlagen baut auf den Informationen auf, die mittels des Echtzeitmonitorings generiert werden und erweitert diese um ein Planungsmodell. Das Planungsmodell ermöglicht beispielsweise eine Unterstützung in der Schiffsbelegungsplanung, der Bestandsoptimierung sowie der Erstellung von Notfallplänen in Reaktion auf schnelle Wetter- oder zeitliche Veränderungen, die sich in der Supply Chain ergeben.

Im Rahmen von Mon²Sea wird Sicherheit und Zuverlässigkeit innerhalb der neu aufzubauenden, komplexen Supply Chain für Offshore-Windkraftanlagen geschaffen. Die Lieferkette wird trotz fehlender Erfahrungswerte beherrschbar gemacht und die Off-shore-Windenergielogistik der Industrialisierung ein Stück näher gebracht.