Badanie dotyczące inteligentnego oświetlenia w magazynach

W swojej książce Warehousing 5.0 profesorowie Eric Grosse i Christoph Glock skupiają swoją uwagę na koncepcji, która zakłada, że głównymi filarami wydajnego łańcucha dostaw, przewagi konkurencyjnej i sukcesu biznesowego są efektywnie funkcjonujące magazyny. Książka, która powstała dzięki współpracy szeregu badaczy, podsumowuje najnowsze wyniki badań i stanowi dla menadżerów przewodnik w zakresie transformacji procesów magazynowych.

Duża część emisji gazów cieplarnianych z zakładów przemysłowych pochodzi z wykorzystania systemów ogrzewania, chłodzenia, klimatyzacji i oświetlenia. Ten ostatni element może stanowić nawet 65% zapotrzebowania na energię w magazynach, mając tym samym znaczący wpływ na koszty operacyjne obiektu i ślad węglowy.

Nacisk na uzyskanie wyższej efektywności energetycznej i rosnące wykorzystywanie energii odnawialnej napędziło wdrażanie innowacyjnych rozwiązań w domach, sieciach energetycznych, miastach i inteligentnych fabrykach. Diody elektroluminescencyjne (z angielskiego light-emitting diode, LED) stały się popularnym źródłem oświetlenia o wysokiej efektywności energetycznej.

Jedną z cech inteligentnych systemów oświetleniowych (ang. smart lighting systems) jest lepsza jakość światła oraz wysoka efektywność energetyczna osiągnięta dzięki technologii LED i inteligentnemu sterowaniu oświetleniem. Tradycyjne systemy składają się zazwyczaj z opraw oświetleniowych sterowanych za pomocą włączników światła, natomiast systemy inteligentne wyposażone są w komponenty takie jak czujniki ruchu lub czujniki światła dziennego w celu dostosowania intensywności, a nawet koloru oświetlenia, do warunków otoczenia i potrzeb użytkownika.

Zastosowanie w logistyce

Duże przestrzenie magazynowe wykorzystywane do przygotowania zamówień — z obszarami, które przez długi czas pozostają wyłączone z użytku lub które mają dostęp do naturalnego światła — są odpowiednie do wdrożenia inteligentnych systemów oświetleniowych. Jakość światła odgrywa kluczową rolę, ponieważ wpływa na wydajność order pickera. Słaba widoczność może prowadzić do wolniejszego wykonywania pracy oraz zwiększa prawdopodobieństwo popełnienia błędu i ryzyko wystąpienia wypadków.

Należy mieć na uwadze, że normy pracy każdego kraju często przejawiają niskie wymagania dotyczące oświetlenia. Na przykład niemieckie przepisy techniczne przewidują minimalne oświetlenie magazynu na poziomie natężenia od 50 do 300 luksów w zależności od obszaru pracy. W instalacjach, w których podczas wykonywania zadań w zakresie wyszukiwania towaru lub kompletacji należy odczytać etykietę lub wykaz z artykułami, wymagane jest tylko 200 luksów. Jednak zalecany poziom natężenia oświetlenia podczas czytania jest trzy do czterech razy większy.

Jakość światła odgrywa kluczową rolę, ponieważ wpływa na wydajność order pickera

Wdrożenie technologii LED w magazynach może przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii podczas całego procesu przygotowania zamówień. Modernizacja tradycyjnego oświetlenia do rozwiązań LED umożliwia zwiększenie oszczędności energii o ponad 50% i, w zależności od konfiguracji, zwrot kosztów inwestycji w mniej niż trzy lata.

W procesie przygotowywania zamówień, który wzmaga u operatorów fizyczny i psychiczny wysiłek, wdrożenie inteligentnych systemów oświetleniowych mogłoby przynieść znaczące korzyści dla ich dobrego samopoczucia i produktywności. Zastosowanie technologii sterowania oświetleniem może zwiększyć wydajność, satysfakcję oraz samodzielność w pracy.

Studium przypadku

W naszym badaniu przeprowadziliśmy eksperyment i symulację w celu zilustrowania możliwych korzyści z zastosowania inteligentnych systemów oświetleniowych.

Pierwszy zestaw danych uzyskaliśmy od włoskiej firmy specjalizującej się w produkcji mosiężnych zaworów dla sektora wodnego i gazowego. Jej obiekty zajmują powierzchnię 4 300 m², z czego 3 500 m² jest przeznaczonych do magazynowania. Magazyn o wymiarach 75×45 m jest wyposażony w regały paletowe i posiada kilka okien zapewniających naturalne oświetlenie. Pracownicy pracują na dwie zmiany po osiem godzin dziennie, pięć razy w tygodniu, a do ich zadań należy m.in. ręczna kompletacja zamówień.

Po przeprowadzeniu kompleksowego audytu energetycznego odkryto, że oświetlenie odpowiadało za 30% całkowitego zużycia energii w obiekcie. Firma, która pierwotnie używała lamp metalohalogenkowych, podjęła decyzję o modernizacji infrastruktury w celu zmniejszenia zużycia energii. Podczas opracowywania projektu kierowano się wytycznymi normy EN 12464-1, która określa wymagania oświetleniowe dla wewnętrznych przestrzeni roboczych. Zamiast zwykłej wymiany lamp, wdrożono wymianę opraw oświetleniowych w celu zminimalizowania kosztów podczas modernizacji.

Wdrożenie technologii LED w magazynach może przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii podczas całego procesu kompletacji zamówień

Firma wdrożyła inteligentne systemy oświetleniowe za pomocą czujników światła dziennego i czujników ruchu. Połączenie to pozwoliło na dynamiczne sterowanie poziomem oświetlenia z uwzględnieniem wpływu naturalnego światła. W ten sposób system był w stanie dostosować intensywność oświetlenia w każdym korytarzu w zależności od tego, jakie czynności były w nim wykonywane.

Po instalacji dane zbierano przez 12 miesięcy. Wyniki były zaskakujące: zużycie w magazynie spadło o około 80%. Warto zauważyć, że w znacznym stopniu przyczynił się do tego system wykrywania światła naturalnego, który przyniósł większe oszczędności w okresie letnim.

Zużycie energii na oświetlenie [kWh] w magazynie (Füchtenhans i in., 2023)
Fragment książki Warehousing 5.0, Christoph H. Glock, Eric H. Grosse

Wdrożenie inteligentnych systemów pozwoliło również zwiększyć blisko o 50 luksów natężenie oświetlenia posadzki korytarzy magazynowych. Całkowity koszt modyfikacji instalacji wyniósł 18 000 euro, co stanowi równowartość 2 500 euro za kW zainstalowanej mocy oświetleniowej. Zastosowane ulepszenia przyczyniły się do znaczącej oszczędności energii, w wyniku czego okres zwrotu inwestycji wyniósł 1,9 roku.

Strategie oszczędzania

Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak inteligentne systemy oświetlenia wpływają na wydajność, opracowaliśmy również model symulacyjny w magazynie z ręcznym systemem kompletacji zamówień. Wzięliśmy pod uwagę rozmiar obiektu, układ przestrzenny i działania operacyjne, a także wzorce zapotrzebowania, liczbę osób przygotowujących zamówienia, system wyznaczania miejsc składowania i strategie dotyczące serii produktów. Wdrożyliśmy cztery strategie, które reprezentują różne stopnie zaawansowania technologii inteligentnego oświetlenia:

• W pierwszej i drugiej systemy w pełni oświetlały wszystkie korytarze podczas pracy.
• W trzeciej system zmniejszył intensywność oświetlenia w korytarzach, w których nie odbywał się żaden proces.
• W czwartej system stosował pełne oświetlenie w strefach roboczych i zredukowane oświetlenie poza tymi obszarami.

Symulacja wykazała, że inteligentne systemy mogą zmniejszyć zużycie energii nawet o 87% w porównaniu z tradycyjnym oświetleniem magazynu. Istotnym aspektem naszych badań było również oszacowanie okresu zwrotu inwestycji. W tym celu przeanalizowaliśmy wyniki naszej symulacji, studium przypadku i informacje pozyskane od ekspertów, które doprowadziły do następujących wniosków:

• W magazynie o powierzchni 7 500 m² średnie roczne zużycie energii przy użyciu świetlówek pracujących 7 000 godzin wynosi 1 792 MWh, przy koszcie 322 560 euro (biorąc pod uwagę cenę 0,18 kWh).
• Dzięki unowocześnieniu lamp w żarówki LED, zużycie energii zmniejszyło się do 1 174 MWh, przy koszcie 211 320 euro rocznie.
• Zastosowanie czujników światła dziennego, pozwalających wykorzystać 4,4 godzin światła słonecznego dziennie, i systemu sterowania z możliwością ściemniania może przynieść dodatkowe oszczędności i obniżyć zużycie do 987 MWh, czyli 177 600 euro rocznie.
• Średnia żywotność świetlówek wynosi 15 000 godzin, a żarówek LED 50 000 godzin, koszty utrzymania tych pierwszych wyniosłyby zatem 576 000 euro w ciągu dziesięciu lat.
• Nakłady finansowe poniesione w ramach modernizacji wymaganej do wdrożenia systemu LED szacuje się na milion euro, ale w tym przypadku pozbywamy się kosztów konserwacji.

Przy tych założeniach okres zwrotu systemu oświetlenia pracującego bez przerwy wynosi 5,9 roku, a w przypadku wyposażenia instalacji w czujniki światła dziennego umożliwiające efektywne wykorzystanie 4,4 godziny światła słonecznego dziennie - 4,9 roku.