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Energieeffiziente Antriebstechnik

| Autor / Redakteur: Claudia Dürr / Reinhard Kluger

Steigende Strompreise und ein erhöhtes Umweltbewusstsein rücken das Thema energieeffiziente Antriebstechnik zunehmend in den Fokus des Interesses der Industrie. Schon lange vor der offiziellen Einteilung von Motoren in Energieeffizienzklassen (EFF) durch die Europäische Kommission betrachtete man bei Baumüller bereits die Energiebilanz als wichtigen Bestandteil zur Errechnung der gesamten Lebenszykluskosten des Antriebs.

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Um die Energiebilanz einer Maschine zu errechnen, muss das gesamte Antriebssystem betrachtet werden.
Um die Energiebilanz einer Maschine zu errechnen, muss das gesamte Antriebssystem betrachtet werden.
( Archiv: Vogel Business Media )

In Deutschland ergeben sich durch energieeffiziente Antriebssysteme Einsparpotenziale in Milliardenhöhe: Der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.) ermittelte für das Jahr 2004 einen Energieverbrauch von 165 TWh durch elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme. Rund 27,5 TWh und damit 16,9 Mio. Tonnen CO2 könnten durch den Einsatz energieeffizienter elektrischer Antriebstechnik eingespart werden. Die Europäische Kommission hat 2005 eine Rahmenrichtlinie (EuP) erlassen, um zu einem effizienteren Umgang mit Energie und dadurch zur Reduzierung der Umweltbelastungen beizutragen. Hierbei geht es in erster Linie darum, den CO2-Ausstoß zu verringern und damit den Treibhauseffekt zu reduzieren. Vor allem in Industriezweigen, in denen die Maschinen rund um die Uhr in Betrieb sind, entwickelt sich zudem eine verstärkte Sensibilisierung für den Energieverbrauch der Anlagen.

Bei Baumüller nehmen energieeffiziente Antriebe und ihre Kostenkalkulation über den gesamten Lebenszyklus schon immer einen hohen Stellenwert ein. Die Servomotoren und Umrichter liegen seit Jahren im Bereich der höchsten Wirkungsgradklasse EFF1 und besser. Dabei kommt es dem Automatisierungspartner darauf an, das System ganzheitlich zu betrachten: Nicht nur einzelne Komponenten wie der Motor dürfen in die Berechnung der Energiebilanz mit einbezogen werden, auch müssen regelungstechnische und applikationsspezifische Gesichtspunkte berücksichtigt werden.

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Motoren im Vergleich

Die Motorbaureihen von Baumüller weisen im Vergleich zu Normmotoren im Bezug auf die vorangegangenen Gesichtspunkte gleich mehrere Vorteile auf. Zunächst einmal sind Normmotoren durch ihre im engen Rahmen definierten Klassifizierungen in jeglicher Hinsicht reglementiert. Ihre Leistungsabstufung unterliegt beispielsweise einer festen Zuordnung. Normmotoren befinden sich überwiegend in der Wirkungsgradklasse EFF2. Dagegen kann Baumüller bei vergleichbaren Kenngrößen einen kompakteren, effizienteren Motor bauen. So ist der Energiespargedanke bereits in der Konstruktion und den daraus resultierten Fertigungsschritten zu finden. Daraus ergeben sich bereits während der Produktion Möglichkeiten zur Material- und damit zur Energieeinsparung.

Da ein Normmotor durch seine Klassifizierung nur bedingt seinem Verwendungszweck innerhalb einer Applikation angepasst werden kann, ist es häufig unumgänglich, die komplette Antriebseinheit leistungsseitig und damit energetisch überzudimensionieren. Gängig ist bei Normmotoren eine Leistungsreserve von 15 bis 30 %. Energetisch betrachtet wird also stets ein größerer Motor eingesetzt als zum Betrieb der Anlage wirklich benötigt wird. Vorangegangen ist hier bereits ein höherer Materialeinsatz bei der Fertigung. Die Motoren von Baumüller dagegen können gemäß den herrschenden Bedingungen dimensioniert und so im optimalen Ausnutzungsgrad betrieben werden. Hierdurch werden unnötige Energieüberschüsse bei gleichzeitiger Minimierung von wirklich benötigten Reserven eingespart. Um dem Maschinenbauer ein Tool an die Hand zu geben, das ihm die Auslegung seiner Antriebe erleichtert, hat Baumüller die Software sizemaXX entwickelt, die man sich per InfoClick herunterladen kann.

Ein weiterer und ganz wesentlicher Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz ist die breite Produktpalette der Motoren im Unternehmen Baumüller. Die Produktentwicklung einzelner Baureihen für unterschiedlichste Applikation sowie eine feine Leistungsabstufung einzelner Typen sind für die energiebewusste Antriebsauswahl eine wichtige Vorraussetzung. Da das Motorenspektrum sowohl im Synchron- als auch im Asynchronbereich über zahlreiche Abstufungen im Drehzahlbereich und somit im Leistungsbereich verfügt, können die in der Anlage notwendigen Energiereserven weiter eingeschränkt werden. Die jeweiligen Motortypen werden so in unterschiedlichen Applikationen energieoptimal und folglich am Nenn-Arbeitspunkt betrieben. Dabei werden die Motoren gemäß der applikationsspezifischen Bewegungsprofile ausgewählt: So fungieren beispielsweise die DS- und DA-Motoren von Baumüller als leistungsoptimierte Hauptantriebe, die als Energiewandler über einen optimalen Wirkungsgrad verfügen und elektrische Energie effizient in mechanische Energie umwandeln. Auch für hohe Lastwechsel bei möglichst geringem Trägheitsmoment (DSD-Reihe) kann jeweils eine spezifische Auswahl getroffen werden.

Baumüller entwickelt seit Anfang der 80er Jahre Direktantriebe. Diese Technologie zeichnet sich durch den Wegfall des Getriebes und verschleißbehafteter mechanischer Komponenten im Antrieb aus. Dadurch lassen sich auch Reibungsverluste im System verhindern und im Endeffekt die Energiebilanz positiv steigern.

Zur Veranschaulichung des beschriebenen Sachverhaltes soll die folgende Beispielrechnung dienen: Wenn man bei der Gegenüberstellung einer klassischen Motor-Getriebekombination zur heutigen Direktantriebstechnik von einer Wirkungsgradsteigerung von 2 bis 4 % ausgeht (die Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass die Werte im Einzelfall deutlich darüber liegen), ergibt sich daraus folgende Rechnung: Bei einer typischen Leistungsanforderung von 250 kW, 24 Stunden-Betrieb und 225 Arbeitstagen pro Jahr bei 9 Cent pro kW durchschnittlichen Strompreisen für Industrieanlagen ergibt sich beim Endverbraucher eine direkte Kosteneinsparung über die Einsparungen des Energieverbrauches von 4860 € pro Jahr. Diesen Vorteil kann der Maschinenbauer direkt, ohne zusätzliche Aufwendungen an seinen Endkunden weiter geben.

Regelung optimiert den Energieverbrauch

Die Regelung von Antriebssystemen spielt eine große Rolle zur Energieoptimierung: Der ZVEI stellt durch den Einsatz von elektronischen Drehzahlreglern ein Einsparungspotenzial von vier Fünfteln, also 22,4 TWh, in Aussicht, da durch eine präzise Regelung der Maschine nur soviel Energie zugeführt wird, wie sie gerade für den Prozess benötigt. Beispielsweise können die Verfahrprofile der Antriebe genau an die Anforderungen angepasst werden. Um für das gesamte System ideale Bewegungsprofile zu definieren, ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Maschinenbauer bereits in der Planungsphase einer Anlage notwendig. So kann genau errechnet werden, wie viel Energie im Prozess benötigt wird. Die überschüssigen Leistungsreserven können somit weitest gehend minimiert werden.

Die Regelung von Servomotoren erfolgt wesentlich genauer als die von Normmotoren, wodurch der Kurvenverlauf von Servomotoren im Betrieb idealer ist. Einsparpotenzial ergibt sich nämlich bereits, wenn Verluste bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen minimiert werden. Kurvenverlauf und Zyklus können beispielsweise durch sanftes Anfahrverhalten dahingehend optimiert werden, dass zum einen ein Energiespareffekt erzielt wird und zum anderen der Antrieb rohstoffschonend arbeitet, d.h. dass mechanische Bauteile weniger Verschleiß ausgesetzt sind.

Seit 20 Jahren entwickelt Baumüller zudem Regler, die Energie nicht in Wärme umwandeln. Beim Bremsen des Motors muss die in der Mechanik gespeicherte kinetische Energie abgebaut werden. Oftmals geschieht dies durch die Umwandlung von Verlustwärme mit einer Widerstandsbremsung im Umrichter. Anstelle von Bremswiderständen setzt Baumüller dagegen auf rückspeisefähige Systeme. Dadurch wird die Frequenz beim Hochlaufen kontinuierlich gesteigert und beim Bremsen die kinetische Energie ins Netz zurück gespeist. Baumüller setzt hierzu b maXX-Servoregler ein, die im Zwischenkreisverbund angeschlossen sind. Die beim Einspeisen erzeugt Energie wird in den Zwischenkreislauf zurückgeführt, so dass die Regler nur noch den entstehenden geringfügigen Energieverlust ausgleichen müssen.Eine weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung ergibt sich durch den Feldschwächbetrieb. Dadurch können die Motoren im Betrieb kurzzeitig überlastet werden, ohne dass größere Energiereserven vorgehalten werden müssen.

Aufgrund langjähriger Erfahrung und Know-how im eigenen Haus gelingt es Baumüller, nicht nur neu konzipierte Maschinen sondern auch bestehende Anlagen hinsichtlich ihrer Energiebilanz zu optimieren. In beiden Fällen ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden Voraussetzung für eine effiziente Lösung: Wenn die Bewegungsprofile schon früh definiert sind, kann bei neu konzipierten Maschinen bereits in der Planungsphase errechnet werden, wie viel Energie im Prozess benötigt wird. Generell geht der Trend dahin, durch neue, leichtere Werkstoffe den Energiebedarf der kompletten Anlage zu senken. So reduzieren beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe (Carbone) die Masse, die letztlich von den Antrieben bewegt werden muss. Durch die leichten Werkstoffe kann der gesamte Produktionszyklus beschleunigt werden. Bei der Erneuerung von bestehenden Anlagen können Antriebe ideal dimensioniert werden, wenn man vor Ort Messungen durchführt, um den genauen Energiebedarf festzustellen. Hier gilt ebenfalls das Prinzip, die meist noch vorhandene Leistungsreserve von 30 % so weit wie möglich zu minimieren und so einer Überdimensionierung der Anlage entgegen zu wirken. Hier bei ist sizemaXX ein hilfreiches Tool.

Standpunkt

„Der vermehrte Einsatz energieeffizienter Antriebstechnik scheitert bisher klar am höheren Einstiegspreis, da der Kaufentscheid meist ausschließlich aufgrund des Total Cost of Ownership fällt.

Auf europäischer und deutscher Ebene sind verstärkte politische Aktivitäten hinsichtlich Energieeffizienz zu beobachten. Dadurch wird sich auch der Druck auf OEMs und Endkunden erhöhen, verstärkt Life Cycle Costs in die Kaufentscheidung von Maschinen und Anlagen einzubeziehen. In letzter Zeit beobachten wir eine zunehmende Sensibilisierung für das Thema; die Nachfrage an energieeffizienten Antrieben nimmt langsam aber stetig zu. Bei elektrischen Antrieben beträgt der Energieverbrauch an den gesamten Lebenszykluskosten oftmals annähernd 90 Prozent. Auf lange Sicht gesehen rechnen sich energieeffiziente Antriebe trotz zunächst höherem Anschaffungspreis allemal. Ein Return of Investment kann mit ihnen bereits nach wenigen Jahren oder gar nur Monaten erzielt werden.“

Claudia Dürr, Pressesprecherin der Baumüller Holding GmbH & CoKG.

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