Studie über intelligente Beleuchtung in Lagern (Smart Lighting)

Die Professoren Eric Grosse und Christoph Glock erläutern in ihrem Buch Warehousing 5.0 dieses Konzept, das das Lager als zentrale Säule des Wettbewerbsvorteils und des Geschäftserfolgs ansieht und seinen großen Einfluss auf die Effizienz der Lieferketten anerkennt. Das in Zusammenarbeit mit zahlreichen Forschern entstandene Buch fasst die Ergebnisse der jüngsten Studien zu diesem Thema zusammen und bietet Managern einen Leitfaden für die Umgestaltung ihrer Prozesse.

Ein großer Teil der Treibhausgasemissionen von Industrieanlagen stammt aus den Bereichen Heizung, Kühlung, Klimatisierung und Beleuchtung. Letzteres kann in Lagern bis zu 65 % des Energiebedarfs ausmachen, was sich erheblich auf die Betriebskosten und die CO2-Bilanz der Anlage auswirkt.

Das Streben nach einer höheren Energieeffizienz und die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien haben zu innovativen Lösungen in Haushalten, Stromnetzen, Städten und intelligenten Fabriken geführt. Die Licht emittierenden Dioden (LEDs) sind zu einer beliebten und energieeffizienten Beleuchtungsquelle geworden.

Zu den Merkmalen intelligenter Beleuchtungssysteme (IBS) oder Smart Lighting Systems gehört die verbesserte Lichtqualität und die hohe Energieeffizienz dank LED-Technologie und intelligenter Lichtsteuerung. Herkömmliche Systeme bestehen in der Regel aus Leuchten, die über Schalter gesteuert werden. Dagegen verwenden IBS Komponenten wie Bewegungs- oder Tageslichtsensoren, um die Intensität und sogar die Farbe je nach den Umgebungsbedingungen und den Bedürfnissen des Benutzers anzupassen.

Anwendungen in der Logistik

Große Flächen in Kommissionierlagern mit Bereichen, die lange Zeit unbesetzt bleiben oder die das natürliche Licht nutzen können, stellen eine Gelegenheit für die Einführung intelligenter Beleuchtungssysteme (IBS) dar. Die Lichtqualität spielt eine entscheidende Rolle, denn sie beeinflusst die Leistung der Kommissionierer. Bei schlechter Sicht können die Arbeitsabläufe langsamer werden, die Wahrscheinlichkeit von Fehlern steigt und das Unfallrisiko nimmt zu.

Die arbeitsrechtlichen Vorschriften der einzelnen Länder enthalten oft nur geringe Anforderungen. So schreibt die deutsche technische Regel für das Lager je nach Arbeitsbereich eine Mindestbeleuchtungsstärke zwischen 50 und 300 Lux vor. In Anlagen, in denen Etiketten oder Spezifikationen bei Aufgaben wie Suchen und Kommissionieren gelesen werden müssen, sind nur 200 Lux erforderlich. Für eine klare Ablesung ist jedoch die drei- bis vierfache Beleuchtungsstärke erforderlich.

Die Lichtqualität spielt eine entscheidende Rolle, denn sie beeinflusst die Leistung der Kommissionierer

Der Einsatz von LED-Technologien in Lagern kann zur Senkung des Energieverbrauchs während der gesamten Kommissionierung beitragen. Durch die Umrüstung von konventioneller Beleuchtung auf LED-Lösungen lassen sich Energieeinsparungen von mehr als 50 % erzielen. Je nach Konfiguration kann sich die Renovierung in weniger als drei Jahren amortisieren.

Gerade im Bereich der Kommissionierung, wo die Beschäftigten körperlich und geistig anstrengende Aufgaben erfüllen, könnte die Einführung von IBS erhebliche Vorteile für ihr Wohlbefinden und ihre Produktivität bringen. Durch den Einsatz steuerbarer Beleuchtungstechnik können Arbeitsleistung, Selbständigkeit und Arbeitszufriedenheit gesteigert werden.

Fallstudie in einem Lager

Im Rahmen unserer Untersuchung haben wir ein Experiment und eine Simulation durchgeführt, um die Auswirkungen möglicher Installationen von intelligenten Beleuchtungssystemen (IBS) zu veranschaulichen.

Für die erste haben wir Daten von einem italienischen Unternehmen erhalten, das auf die Herstellung von Messingventilen für den Wasser- und Gassektor spezialisiert ist. Seine Anlagen umfassen eine Fläche von 4.300 m², wovon 3.500 m² für die Lagerung genutzt werden. Das Lager hat einen rechteckigen Grundriss, misst 75 x 45 m, verfügt über Palettenregale für die manuelle Kommissionierung und besitzt einige Fenster, die für Tageslicht sorgen. Es wird in zwei Schichten zu je acht Stunden pro Tag gearbeitet, fünfmal pro Woche.

Nach einem umfassenden Energieaudit wurde festgestellt, dass die Beleuchtung bis zu 30 % des Gesamtverbrauchs der Anlage ausmacht. Das Unternehmen verwendete ursprünglich Halogen-Metalldampflampen im Lager und entschloss sich, zur Senkung des Energieverbrauchs seine Infrastruktur zu modernisieren. Bei der Umrüstung orientierte sich das Unternehmen an der Norm EN 12464-1, in der die Beleuchtungsanforderungen für Arbeitsräume in Innenräumen festgelegt sind. Um die Kosten für die Umrüstung zu minimieren, tauschte es nicht nur die Lampen, sondern auch die Leuchten aus.

Der Einsatz von LED-Technologien in Lagern kann zur Senkung des Energieverbrauchs während der gesamten Kommissionierung beitragen

Das Unternehmen integrierte IBS durch Tageslichtsensoren und Bewegungsmelder. Diese Integration ermöglichte eine dynamische Steuerung des Beleuchtungsniveaus unter Berücksichtigung des Einflusses des natürlichen Lichts. So konnte das System die Intensität der einzelnen Gänge an die jeweilige Nutzung anpassen.

Nach der Installation wurden 12 Monate lang Daten gesammelt. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Der Verbrauch im Lager sank um rund 80 %. Besonders erwähnenswert ist, dass dies durch die Tageslichterkennung begünstigt wurde, die im Sommer zu weiteren Einsparungen führte.

Energieverbrauch für die Beleuchtung [kWh] im Lager (angepasst aus Füchtenhans et al, 2023)
Auszug aus ‘Warehousing 5.0’ de Christoph H. Glock y Eric H. Grosse

Durch den Einsatz intelligenter Systeme konnte eine Steigerung von rund 50 Lux in den Lagergängen erreicht werden. Die Gesamtkosten für die Umrüstung der Anlagen beliefen sich auf 18.000 €, was 2.500 € pro kW installierter Beleuchtungsleistung entspricht. Dank der beträchtlichen Energieeinsparungen und der verbesserten Beleuchtung amortisierte sich die Investition innerhalb von 1,9 Jahren.

Strategien zum Sparen

Um mehr über den Einfluss von IBS auf die Leistung zu erfahren, haben wir außerdem ein Simulationsmodell für ein manuelles Kommissionierlager entwickelt. Wir berücksichtigen Aspekte ihrer Gestaltung und ihres Betriebs sowie Größe, Nachfragemuster, Anzahl der Kommissionierer, Lagerzuweisungen und Chargenstrategien. So haben wir vier Strategien umgesetzt, die die verschiedenen Stufen der intelligenten Beleuchtungstechnologien darstellen:

• Die ersten beiden Systeme beleuchteten alle Gänge während des Betriebs vollständig.
• Mit dem dritten System wurde die Intensität in den zu diesem Zeitpunkt nicht genutzten Gängen reduziert.
• Das vierte System umfasste vollständig beleuchtete Aktivitätsbereiche und eine reduzierte Beleuchtung außerhalb dieser Bereiche.

Die Simulation zeigte, dass intelligente Systeme den Energieverbrauch um bis zu 87 % im Vergleich zu herkömmlicher Lagerbeleuchtung mit Vollzeitbetrieb senken können. Hinsichtlich der möglichen Amortisationszeiten für Lagerinvestitionen haben die Ergebnisse unserer Simulation, der Fallstudie und einer Reihe von Gesprächen mit Experten zu folgenden Schlussfolgerungen geführt:

• In einem 7.500 m² großen Lager mit einer jährlichen Beleuchtungsdauer von 7.000 Stunden beträgt der durchschnittliche jährliche Gesamtenergieverbrauch bei Verwendung von Leuchtstofflampen 1.792 MWh bei Kosten von 322.560 € (bei einem Preis von 0,18 kWh).
• Durch die Umrüstung der Lampen auf LED-Lampen reduziert sich dieser Wert auf 1.174 MWh mit Kosten von 211.320 € pro Jahr.
• Durch die Einbindung von Tageslichtsensoren zur Nutzung von 4,4 Stunden Sonnenlicht pro Tag und ein dimmbares Steuerungssystem könnten zusätzliche Einsparungen erzielt und der Verbrauch auf 987 MWh bzw. 177.600 € pro Jahr gesenkt werden.
• Bei einer durchschnittlichen Lebensdauer von 15.000 Stunden für Leuchtstofflampen und 50.000 Stunden für LEDs beliefen sich die Unterhaltskosten für erstere auf 576.000 Euro über zehn Jahre.
• Die für die Einführung des LED-Systems erforderliche Modernisierung bzw. Umrüstung wird auf eine Million Euro geschätzt, wobei die Wartungskosten in diesem Szenario jedoch wegfallen.

Ausgehend von diesen Annahmen beträgt die Amortisationszeit für eine Beleuchtungsanlage ohne Tageslicht 5,9 Jahre und bei Ausstattung mit Tageslichtsensoren, die 4,4 Stunden Sonnenlicht pro Tag zählen, 4,9 Jahre.