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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Kosten und Energie der Lernfabrik bewerten

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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Kosten und Energie der Lernfabrik bewerten

Ausbildung | ca. 90 Minuten plus Projektarbeit | Lernziel: Du vergleichst Energiebedarf, Stromkosten und Verbesserungsideen einer vernetzten Lernfabrik. Dein Ergebnis ist ein fortlaufendes Projektdossier mit Skizzen, Simulation, Prüfdaten und einer begründeten eigenen Abgabe.

Wichtig: Alle Zahlen des Ausbildungsfalls sind synthetische Modellannahmen, keine gemessenen Betriebs- oder Marktwerte. Trenne im Dossier Annahme, Simulation, Prüfung und Messung. Die Robotik bleibt ausschließlich im Simulator oder in einem ausdrücklich abgesicherten Schulungsbetrieb. Dieser Kurs enthält keine Live-Fahrbefehle; Simulationen begründen niemals eine Sicherheitsfreigabe.

Ausbildungsfall und Projektdossier

Auftrag: Eine schulische Montagelinie fertigt Modellbauteile. Förderband, Prüfstation, Druckluft und Steuerung sind vernetzt. Eine Roboterstation wird ausschließlich virtuell betrachtet. Du sollst der Ausbildungsleitung eine überprüfbare Energiesparmaßnahme vorschlagen, ohne Qualität, Verfügbarkeit oder Sicherheit vorschnell als gegeben anzunehmen.

Beobachtungsauftrag: Welche Verbraucher und Transportwege würdest Du in eine Systemskizze aufnehmen?

Videoimpuls: Vernetzung und Produktion – welche Informationen brauchst Du für eine Energieentscheidung? (Herstellerfilm; kein technischer Nachweis.)

Dein Dossier wächst nach jeder Lerneinheit:

Eintrag	Abgabe im selben Projektdossier
D1	Prozess- und Netzskizze mit Systemgrenze
D2	Annahmentabelle und Herkunft jeder Zahl
D3	Rechenblatt und Energieflussdiagramm
D4	Prüfprotokoll mit Abweichungsanalyse
D5	Simulation von Ausgangsfall und Verbesserung
D6	Eigene Entscheidung, Gegenargument und Quellen-/Rechtenachweis

Lerneinheit 1: System und Grenzen (10 Minuten)

Merke: Eine Systemgrenze entscheidet, welche Verbraucher und Kosten in Deine Rechnung eingehen. Netzwerkdaten ermöglichen eine Auswertung, beweisen allein aber weder Messgenauigkeit noch Energieersparnis.

Dossier D1: Zeichne „Förderband → Prüfung → Gutteil/Ausschuss“. Ergänze Druckluftversorgung, Steuerung, Zähler und Datenverbindungen. Kennzeichne die virtuelle Roboterstation als nicht physisch bilanzierten Verbraucher. Notiere, welche Verbraucher außerhalb der Grenze liegen.

Kurzcheck: Gehört die Beleuchtung dazu? Feedback: Nur, wenn Du sie ausdrücklich in die Systemgrenze und Datengrundlage aufnimmst; sonst wären Vergleiche inkonsistent.

Lerneinheit 2: Leistung, Zeit und Daten (15 Minuten)

Merke: Leistung P wird in kW, Energie E in kWh angegeben. Für eine Phase mit konstanter Leistung gilt E = P × t. Beim Wechsel von Betriebszuständen addierst Du die Teilenergien.

Synthetische Ausgangsdaten: Vier Stunden Betrachtungszeit; 50 Teile, davon 45 Gutteile; angenommener Arbeitspreis 0,30 €/kWh. Preis, Auslastung, Leistungen und Zeiten sind nur didaktische Parameter. Zusätzliche Grundpreise, Leistungspreise, Steuern im Einzelnen, Wartung und Robotik-Hardware sind nicht modelliert.

Verbraucher	Betrieb: kW × h	Ruhe: kW × h	Energie
Förderband	0,30 × 2,0	0,04 × 2,0	0,68 kWh
Prüfstation	0,20 × 1,5	0,06 × 2,5	0,45 kWh
Druckluft	0,60 × 1,0	0,10 × 3,0	0,90 kWh
Steuerung / IT	0,10 × 4,0	entfällt	0,40 kWh
Gesamt			2,43 kWh

Diese Abbildung zeigt einen schematischen Netzlastgang, ausdrücklich nicht den Lastgang unserer Modellfabrik. Eine Leistungsspitze lässt sich aus den obigen Summenzeiten allein nicht bestimmen.

Dossier D2: Übertrage die Daten mit Einheiten, Zeitfenster, Status „Annahme“ und möglicher Messquelle. Füge bei echten, autorisierten Messdaten Zeitpunkt, Zählerkennung, Auflösung und Freigabestatus hinzu.

Lerneinheit 3: Energie- und Stückkosten (15 Minuten)

Prinzipdarstellung eines Sankey-Diagramms: Die Breite von Strömen verdeutlicht Mengen. Zeichne im Dossier ein eigenes Diagramm mit den vier Modellverbrauchern.

Musterrechnung: 2,43 kWh × 0,30 €/kWh = 0,729 € variable Stromarbeit im Vierstundenfall. 2,43 kWh ÷ 45 Gutteile = 0,054 kWh/Gutteil. Stromarbeitskosten je Gutteil: 0,729 € ÷ 45 = 0,0162 €/Gutteil. Das ist keine Vollkostenrechnung.

Dossier D3: Dokumentiere Formeln, Zwischenergebnisse, eine Kontrollsumme und ein Energieflussdiagramm. Vergleiche bewusst „je hergestelltem Teil“ mit „je Gutteil“ und erkläre den Einfluss von Ausschuss.

Lerneinheit 4: Prüfdaten statt Scheingenauigkeit (10 Minuten)

Synthetisches Prüfprotokoll: Ein angenommener Gesamtzähler steht zu Beginn auf 102,40 kWh und am Ende auf 104,90 kWh. Seine Differenz beträgt 2,50 kWh. Das Modell liefert 2,43 kWh. Differenz: +0,07 kWh, bezogen auf den Modellwert rund +2,9 %.

Dossier D4: Stelle Modell- und Prüfwert nebeneinander. Prüfe mögliche Ursachen: Abgrenzung, unberücksichtigte Verbraucher, Auflösung, Zeitstempel, Lastschwankungen. Der Beispieldatensatz ist kein realer Messnachweis; aus der bloßen Nähe zweier synthetischer Werte folgt keine Modellvalidierung.

Kurzcheck: „Die Zahlen stimmen fast, also ist das Modell bewiesen.“ Feedback: Nein. Ein unabhängiger, dokumentierter Vergleich und eine begründete Toleranz fehlen.

Lerneinheit 5: Verbesserung und Wirtschaftlichkeit (15 Minuten)

Bildimpuls: Welche Standby-Annahmen zur Druckluft würdest Du durch Daten überprüfen? Keine Eingriffe an Druckluftanlagen.

Simulationsvariante A: Die angenommene Ruhe-Leistung der Druckluft sinkt von 0,10 auf 0,02 kW für 3 Stunden. Unter unveränderter Stückzahl, Qualität und Verfügbarkeit spart das rechnerisch 0,24 kWh und 0,072 € je Lernschicht. Neu: 2,19 kWh. Bei angenommenen 200 gleichen Schichten pro Jahr und 60 € einmaligem Aufwand ergeben sich 14,40 €/Jahr und eine einfache Amortisationsdauer von rund 4,17 Jahren. Nicht enthalten: Wartung, Zinsen, Preisänderungen und mögliche Folgeeffekte.

Videoimpuls des VDI ZRE: Wie unterscheiden sich Energie einsparen, Strom selbst erzeugen und Produktion zeitlich verschieben? Die dortige Fabrik ist nicht unser Modellfall.

Dossier D5: Simuliere Ausgangsfall und Variante A in einer Tabelle. Ändere zusätzlich den angenommenen Strompreis auf 0,20 und 0,40 €/kWh. Prüfe: Bleibt die Maßnahme bei weniger Schichten sinnvoll? Eine Schaltstrategie darf nur als Modellvariante behandelt werden; die Eignung im Betrieb ist getrennt zu prüfen.

Lerneinheit 6: Transfer, Robotik und Entscheidung (10 Minuten)

Das Foto zeigt industrielle Robotik, nicht die Freigabe eines realen Roboterarbeitsplatzes.

Videoimpuls: Ein CO₂-Fußabdruck benötigt zusätzliche Daten, Bilanzgrenzen und überprüfte Emissionsfaktoren. kWh allein sind keine CO₂-Bilanz.

Grenze: Roboterbewegungen werden hier nur im Simulator analysiert oder in einem ausdrücklich abgesicherten Schulungsbetrieb durch befugte Fachkräfte bearbeitet. Keine Live-Fahrbefehle, keine Umgehung von Schutzeinrichtungen, keine Sicherheitsfreigabe aus Simulationsdaten. Risikobeurteilung, Prüfung und Freigabe verbleiben bei den dafür verantwortlichen Personen.

Dossier D6: Entscheide für, gegen oder unter Bedingungen für Variante A. Begründe mit Energie, Kosten, Datenqualität, Qualität der Gutteile, betrieblicher Umsetzbarkeit und offenen Sicherheitsfragen. Formuliere mindestens eine benötigte zusätzliche Prüfung.

Gestufte Hilfen und Aufgabenpfade

Hilfe 1 – Denkfrage: Was ist die Bezugsgröße, und welche Verbraucher liegen innerhalb der Grenze?

Hilfe 2 – Rechenweg: Energie = Leistung × Dauer; Kosten = Energie × Arbeitspreis; spezifische Energie = Energie ÷ Gutteile.

Hilfe 3 – Kontrollbeispiel: Förderband: 0,30 × 2,0 + 0,04 × 2,0 = 0,68 kWh. Erst selbst rechnen, dann kontrollieren.

Niveau	Dein Auftrag	Begründetes Musterfeedback
Basis	Berechne den Energiebedarf der Prüfstation.	0,45 kWh: Betriebs- und Ruhephase gehören dazu; nur 0,30 kWh würde den Ruheverbrauch unterschlagen.
Anwendung	Ermittele Energie je Gutteil und Stromarbeitskosten je Gutteil.	0,054 kWh und 0,0162 €: Bezugsgröße sind 45 Gutteile, nicht 50 hergestellte Teile, weil Ausschuss keinen nutzbaren Output liefert.
Transfer	Bewerte Variante A bei halb so vielen Schichten.	Nur 7,20 €/Jahr rechnerische Einsparung; die einfache Amortisation verdoppelt sich auf etwa 8,33 Jahre, weil weniger Nutzungszeit den Rückfluss verringert. Ob die Maßnahme sinnvoll ist, hängt außerdem von Risiken und Folgekosten ab.

Feedbackregel: „Richtig“ genügt nicht. Nenne jeweils Ergebnis + Einheit + Annahme + Begründung + Unsicherheit.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Größe definiert die betrachteten Anlagen und Verbraucher? (Systemgrenze) (!Sichtweite) (!Raumhöhe) (!Farbcode)

In welcher Einheit wird elektrische Energie häufig bilanziert? (kWh) (!kW) (!Volt) (!Ampere)

Wie viel Energie benötigt das Förderband im Modellfall insgesamt? (0,68 kWh) (!0,60 kWh) (!0,08 kWh) (!2,00 kWh)

Wie groß ist die gesamte modellierte Energie je Lernschicht? (2,43 kWh) (!2,50 kWh) (!1,20 kWh) (!0,45 kWh)

Wie viele Gutteile gehen in die spezifische Kennzahl ein? (45) (!50) (!5) (!200)

Welche Stromarbeitskosten ergeben sich je Lernschicht? (0,729 Euro) (!2,43 Euro) (!0,30 Euro) (!7,29 Euro)

Welche Differenz zeigt das synthetische Prüfprotokoll zum Modell? (0,07 kWh) (!0,70 kWh) (!2,43 kWh) (!2,50 kWh)

Welche Energieeinsparung wird für Variante A angenommen? (0,24 kWh) (!0,08 kWh) (!0,90 kWh) (!2,19 kWh)

Warum ist die einfache Amortisationsdauer allein unzureichend? (Sie ignoriert wichtige Folgekosten und Unsicherheiten) (!Sie ersetzt die gemessene Leistung) (!Sie beweist sichere Roboterbewegungen) (!Sie erfasst automatisch jede CO2 Emission)

Was darf aus einer Robotersimulation abgeleitet werden? (Eine prüfbedürftige Modellhypothese) (!Eine automatische Sicherheitsfreigabe) (!Eine Erlaubnis für Live Fahrbefehle) (!Ein Nachweis aller Schutzfunktionen)

Memory

Leistung	Kilowatt
Energieverbrauch	Kilowattstunde
Lastgang	Leistung im Zeitverlauf
Gutteil	Qualitätskonformes Erzeugnis
Modellannahme	Offen deklarierter Schätzwert
Amortisation	Rückflussdauer einer Investition

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Systemgrenze	Festlegung der betrachteten Verbraucher
Betriebsphase	Abschnitt mit aktiver Produktion
Ruhephase	Abschnitt ohne aktiven Bearbeitungsvorgang
Prüfprotokoll	Dokumentation von Prüfumfang und Ergebnissen
Sensitivitätsanalyse	Veränderung wichtiger Eingangsannahmen
Sicherheitsfreigabe	Gesonderte Entscheidung zuständiger Verantwortlicher

Kreuzworträtsel

Leistung	Welche Größe beschreibt Energieumsatz pro Zeit?
Kilowattstunde	Welche Einheit wird für die elektrische Energiemenge verwendet?
Standby	Wie heißt ein betriebsbereiter Zustand ohne aktive Produktion?
Sensorik	Welcher Fachbegriff bezeichnet die Gesamtheit der Sensoren?
Simulation	Wie heißt die modellbasierte Nachbildung eines Ablaufs?
Amortisation	Wie heißt der Rückfluss einer Investition über Einsparungen?

LearningApps

Die Suche zeigt externe Angebote; deren Qualität und Lizenz sind vor Verwendung gesondert zu prüfen.

Lückentext

Die betrachteten Verbraucher bestimmst Du mit einer

.

Elektrische Energie berechnest Du bei konstanter Leistung aus Leistung und

.

Für Energie verwendest Du die Einheit

.

Betriebs- und Ruhephasen müssen bei der Bilanzierung beide

werden.

Im Modell gelten 45 Teile als

.

Energie geteilt durch qualitätskonforme Stückzahl ergibt eine spezifische

.

Eine Abweichung zwischen Modell und Prüfung erfordert eine

.

Die Stromkosten hängen unter anderem vom angenommenen

ab.

Die einfache Amortisation hängt von Investition und jährlicher

ab.

Eine Robotersimulation ersetzt keine eigenständige

.

Offene Aufgaben

Leicht

Prozesskette: Zeichne die Montagelinie und füge das Bild als D1 ein.
Systemgrenze: Markiere ein- und ausgeschlossene Verbraucher mit Begründung.
Elektrische Leistung: Erstelle eine beschriftete Karte mit kW, kWh und Stunden.
Messprotokoll: Übertrage die synthetischen Eingabedaten nachvollziehbar in D2.

Standard

Energieflussdiagramm: Gestalte ein eigenes Sankey-Diagramm für die vier Verbraucher.
Kostenrechnung: Erstelle ein Rechenblatt zu Energie und Stromarbeit je Gutteil.
Qualitätsmanagement: Visualisiere, wie sich mehr Ausschuss auf den Kennwert auswirkt.
Datenanalyse: Kommentiere die Abweichung von Modell und Prüfwert in D4.

Schwer

Simulation: Erstelle zwei prüfbare Szenarien und dokumentiere die Parameteränderungen in D5.
Sensitivitätsanalyse: Vergleiche mindestens zwei Preise und zwei Jahresnutzungen.
Investitionsrechnung: Verfasse eine kritische Bewertung der Amortisationszahl einschließlich nicht berücksichtigter Kosten.
Projektpräsentation: Präsentiere D6 als eigene Entscheidung mit Gegenargument, offenen Prüfungen und Quellen-/Rechtenachweis.

Lernkontrolle

Systemanalyse: Ein zusätzlicher Verbraucher wird entdeckt. Erkläre, wie sich Systemgrenze, Rechnung und Vergleichbarkeit ändern müssen.
Qualitätsmanagement: Die Zahl der Gutteile sinkt bei gleichem Verbrauch. Leite die Folgen für Energie- und Kostenkennzahlen ab.
Plausibilitätsprüfung: Entwirf einen unabhängigen Messplan, mit dem Du 2,43 kWh Modellenergie überprüfen könntest, ohne unbefugte Eingriffe vorzunehmen.
Wirtschaftlichkeitsrechnung: Beurteile eine längere Amortisationsdauer bei geringerer Nutzung und lege Entscheidungskriterien offen.
Robotersicherheit: Begründe, warum eine schnelle, kollisionsfreie Simulation keine Sicherheitsfreigabe ist, und benenne die verantwortliche Prüfebene.
Nachhaltigkeit: Erkläre, welche zusätzlichen Daten Du für eine belastbare CO₂-Bewertung benötigst und warum Du aus diesem Kurs keine Emissionszahl ableiten kannst.

Lernnachweis

Gib ein zusammenhängendes Dossier ab: D1 System- und Netzskizze, D2 Herkunft und Kennzeichnung aller Annahmen, D3 Rechenblatt mit Einheiten und Diagramm, D4 Prüfprotokoll mit Ursachenhypothesen, D5 nachvollziehbare Simulationsvarianten, D6 begründete Entscheidung mit Gegenargument. Ergänze Datum, Version, Verantwortlichkeit, Quellen und Bildnachweise.

Bewertung: Nachvollziehbarkeit der Modellgrenzen, fachlich richtige Rechnungen, Umgang mit Unsicherheiten, Vergleich gleicher Bedingungen, Qualität der Begründung und konsequente Trennung von Simulation und sicherheitstechnischer Freigabe. Es gibt keine Sicherheitsabnahme durch diesen Lernnachweis.

OERs zum Thema

Fachlich geprüfte Einstiegsquellen: Umweltbundesamt: Energiemanagement; Umweltbundesamt: ISO 50001; TU Darmstadt: ETA-Fabrik; DGUV: Industrieroboter; DGUV: Robotik-FAQ; Amortisationsrechnung. Fachquellen dienen der Einordnung; alle Modellzahlen dieses Kurses sind eigens gesetzte Übungsannahmen.

Mediennachweise und Rechte

Wikimedia Commons – geprüfte Dateiseiten (Lizenzstand beim Abruf; für Nachnutzung jeweils aktuelle Dateiseite beachten):

Datei und Fundstelle	Urheber / ausgewiesene Lizenz
Förderband	Nenad Stojković; CC BY 2.0
Netzwerkdiagramm	T.seppelt und Vorlagenurheber; CC BY-SA 4.0
Elektronische Zähler	Mamlik; CC0 1.0
Lastgangbeispiel	Seisofrei; CC0 1.0
Sankey-Diagramm	Seymore-strongboy; CC0 1.0
Stromzähler	Editor abcdef; CC0 1.0
Kompressor	Clawed; CC BY-SA 3.0
Photovoltaik	WeserStrom; CC BY 3.0
Roboterfoto	Nenad Stojković; CC BY 2.0

Videos – nachgewiesene Herausgeber/Fundstellen: Mercedes-Benz: Factory 56; VDI ZRE: Green Factory; it's OWL: Climate bOWL. YouTube-Videos werden ausschließlich eingebettet, nicht als frei lizenziert ausgegeben. Verfügbarkeit, Einbettung und Rechte sind vor Wiederverwendung erneut zu prüfen.