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Maschinenbau erreicht Klimaziele

Mit dem Klimaschutzabkommen von Paris Dezember 2015 hat sich die Welt ein ambitioniertes Ziel gesetzt: die Begrenzung des weltweiten Temperaturanstiegs auf unter 2 Grad. Die Industrie kann und muss dabei einen wesentlichen Beitrag leisten. Neue Normen und Verordnungen braucht es dafür nicht – wohl aber intelligentere Konzepte, etwa bei den Antriebssträngen.

Die Mechanismen der Industrie 4.0 – neue Kommunikations- und Informationstechnologien – helfen dabei. Der innovative mittelständische deutsche Maschinenbau hat jetzt die Chance, sich mit einer Mischung aus anderem Denken und unternehmerisch verantwortungsvollem Handeln eine attraktive Wettbewerbsposition für die kommenden Jahre aufzubauen.

DR. TIM BENDIG, DR. ARMIN WALTER

 

Das Potenzial, das sich aus einer energieeffizienten Produktion ergibt, lässt sich leicht an Zahlen verdeutlichen: Im vergangenen Jahr hat Deutschland 647 Terrawattstunden (TWh) Strom erzeugt. Abzüglich des Stromexports von knapp 92 TWh verbrauchte davon 45 Prozent die Industrie, davon wiederum fielen etwa zwei Drittel auf die Antriebstechnik, was sich mit rund 160 TWh beziffern lässt. Das entspricht der Leistung aller deutschen Braunkohlekraftwerke. Die Spezialisten für Motion Centric Automation von Lenze sind davon überzeugt, dass sich von diesen 160 TWh 20 Prozent mit vergleichsweise einfachen Mitteln einsparen lassen – und zwar durch den Einsatz energieeffizienter Antriebsstränge. Stränge bedeutet, dass dafür nicht nur speziell auf Effizienz getrimmte Komponenten notwendig sind, umso mehr aber eine ganzheitliche Betrachtung, die über die Produktsicht hinausgeht. Allein die Konzeption intelligenterer Antriebsstränge mit vorhandenen Mitteln bringt bereits 75 Prozent der Gesamtersparnis ein, sind sich die Experten bei Lenze SE in Hameln sicher. Köpfchen statt Kupfer lautet die Devise.

 

Mehr Intelligenz im Antriebsstrang – mit Industrie-4.0-Charakteristika zu effizienteren Maschinen


In Zeiten von Industrie 4.0 sprechen wir gerne von individualisiertem Produkt, welches sich in der Losgröße 1 automatisiert fertigen lässt. Wenn wir so intelligent sind, das zu können, dann erscheint es auch möglich, die vollkommen individualisierte Maschine für diese Aufgaben zu bauen. Dafür bieten sich die folgenden Effizienz-Hebel an:

1. Verwendung möglichst effizienter Komponenten für den Antrieb

2. Dimensionierung des Maschinenantriebs nach dem Minimax-Prinzip

3. Nutzung des Zwischenkreises in der Produktion

4. Energierückspeisung nicht nutzbarer Energie und entsprechende Dimensionierung der Rückspeisung

5. Optimierung des Energieverbrauchs der Maschine im tatsächlichen Normbetrieb, zum Beispiel durch intelligente Bahnführung

6. Dynamische Dimensionierung des Antriebs, um das Betriebsoptimum der Maschine an die aktuelle Auftragslage anzupassen

Diese sechs Punkte zusammengenommen ergeben ein vollständiges Effizienzwerk, welches es jeden Tag neu zu errichten gilt.

 

Konzeption an erster Stelle


Für den Hauptanteil der möglichen Einsparungen sind nicht speziell auf Effizienz getrimmte Komponenten auschlaggebend, sondern in erster Linie konzeptionelle Änderungen. Mehr Intelligenz im Antriebsstrang würden allein schon 75 Prozent der möglichen Einsparungen bringen. Denn den größten Energieverlust verursachen Antriebe, die völlig überdimensioniert sind und daher in Teillastbereichen laufen, wo nur geringe Wirkungsgrade erreicht werden. Die Kalkulation sieht oft noch so aus, dass nicht die gewöhnliche Betriebslast zugrunde gelegt wird, sondern beispielsweise bei der horizontalen Förderung der maximale Bedarf, der zum Starten des Bandes gebraucht wird, und dann noch ein Zuschlag als Sicherheitsreserve.


Dabei könnte das Problem mit intelligenten Motoren und Frequenzumrichtern viel besser gelöst werden, wenn Spitzenbelastungen mit einem Motor bewältigt werden, der auf die tatsächlichen Anforderungen zugeschnitten ist. Die niedrigere Dimensionierung bringt finanzielle Vorteile, aber über die Laufzeit gesehen auch beim Stromverbrauch. Um den Maschinenbauer bei der Wahl geeigneter Komponenten zu unterstützen, hat Lenze den Drive Solution Designer im Einsatz, der es erlaubt, den Antriebsstrang genau auf die Anwendung zuzuschneiden.

 

Wirkungsgrade verbessern


Vor allem die Vernetzung innerhalb der Produktion schafft die Grundlage, endlich den ineffizienten Teillastbereich sowie den Stand-by-Betrieb zu beherrschen. Gerade die elektrische Antriebstechnik präsentiert sich hier gegenüber der Pneumatik und Hydraulik als besonders geeignet für Optimierungen, weil elektrische Antriebe nur dann in Aktion treten müssen, wenn der Prozess sie wirklich benötigt und die Wirkungsgradverluste generell geringer ausfallen. Die können laut Forschungen der Uni Kassel bei der Pneumatik durchaus 90 Prozent betragen und bei der Hydraulik immer noch 30 Prozent. Folglich wird es die elektrische Antriebstechnik sein, die eine Schlüsselfunktion einnehmen wird, wenn es darum geht, Maschinen so zu konzipieren, dass sie selbstständig auf situative Auslastungen reagieren und sich optimal anpassen.


Energieeffiziente Komponenten ermöglichen rund 15 Prozent Einsparungen, allerdings muss auch hier das Zusammenspiel im Antriebsstrang betrachtet werden. Durch die Kombination eines normkonformen IE3-Motors mit einem Schneckengetriebe würden die Einsparungen des Motors durch den niedrigen Wirkungsgrad des Getriebes konterkariert werden. Stattdessen empfiehlt sich die Verwendung eines zweistufigen Stirnradgetriebes oder eines Winkelgetriebes mit Kegelverzahnungen, die beide einen höheren Wirkungsgrad aufweisen.

 

Bremsenergie nutzen


Weitere 10 Prozent Energieeinsparung geht auf das Konto von Bremsenergie durch Motoren im generatorischen Betrieb, wenn andere Antriebe die Energie nutzen, statt sie einfach nur über Bremswiderstände zu verheizen. Die einfachste Möglichkeit ist, die rückgespeiste Energie über einen DC-Verbund der Umrichter zu leiten und direkt wieder zur Verfügung zu stellen. Bei kontinuierlichem Start-/Stopp-Betrieb können Kondensatoren zur kurzfristigen Zwischenspeicherung der Energie ein geeignetes Mittel der Wahl sein. Bei höheren Strömen lohnt sich jedoch der Einsatz einer Rückspeiseeinheit, die überschüssige elektrische Energie wieder ins Netz zurückführt. Lenze hat hier einen Weg gefunden, die Komponente flexibler zu gestalten. Bislang war es üblich, Einspeise- und Rückspeise-Einheit zu kombinieren, was dazu führte, dass die Leistung der beiden Elemente jeweils gleich sein musste. In der Lenze-Lösung wird die Rückspeise-Einheit separiert, so dass diese unabhängig dimensioniert werden kann, was auch zu einer kostengünstigeren Lösung führt.

 

Intelligenter Baukasten


All diese Überlegungen sind in das mittlerweile abgeschlossene und von Lenze initiierte Innovationsprojekt „Intelligente Antriebs- und Steuerungstechnik für energieeffiziente Intralogistik“ (IASI) eingeflossen. Herausgekommen ist ein intelligenter, mechanisch kompatibler Baukasten für effiziente Antriebslösungen. Das Projekt innerhalb des Spitzenclusters „it’s OWL“ nutzt die Mechanismen der Industrie 4.0 und verknüpft energieeffiziente Motoren, Umrichter und Getrieben mit einer energetisch optimierten Bewegungsführung. Den Kern des Ganzen bilden technische Systeme, die mit inhärenter Teilintelligenz auf veränderte Umweltbedingungen reagieren, ihr Verhalten selbstständig anpassen sowie mit anderen Systemen kommunizieren und kooperieren. IASI zeigt, dass selbstoptimierende und an die aktuelle Auslastung angepasste Bewegungsabläufe Energieeinsparungen zwischen 15 und 40 Prozent bringen – und das ohne steigende Investitionskosten oder Produktivitätseinbußen, bei einfachem Austausch bisheriger Lösungen.

 

Blick in die Zukunft: Intelligente Bahnen und dynamische Anpassung


Weitere Effekte ergeben sich aus der Anpassung von Bahnführung und Geschwindigkeit. Das Institut für Mechatronische Systeme (imes) an der Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Universität in Hannover forscht in Kooperation mit Lenze unter anderem daran, Steuerungssoftware so anzupassen, dass Roboterbewegungen die natürliche Schwerkraft ausnützen, um Schwung zu holen. So wird weniger elektrische Energie für die Antriebe benötigt.


Ein weiterer Ansatz für die zukünftige Entwicklung ist, den Energieverbrauch an den tatsächlichen akuten Bedarf anzupassen, also beispielsweise die Geschwindigkeit abhängig von der Auftragslage zu reduzieren, der sich zum Beispiel durch die tägliche Auftragslage der Produktion ergibt. Im Endeffekt kommen wir dann also neben einem Produkt der Losgröße 1 auch zum Energieverbrauch 1.

 

Fazit


Große Teile aktueller Energieeffizienz-Richtlinien sind in puncto Reduzierung des Energieverbrauchs wenig zielführend, treiben die Kosten, gehen an den Bedarfen vorbei und helfen keinen Schritt weiter, gesamtwirtschaftliche Einsparziele zu erreichen. Erkennbar ist allerdings, dass sich im Zug der Diskussionen um die Industrie 4.0 der Betrachtungswinkel vergrößert und die tatsächliche Auslastung von Applikationen immer mehr in den Fokus der Einsparüberlegungen rücken sollte.

www.lenze.de

 

Beitrag aus [me] 2/2016

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