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Energieeffizenz

Intelligenter Einsatz der Antriebstechnik bietet vielfältige Energie-Einsparpotenziale

| Autor/ Redakteur: Dr. Edwin Kiel, Leiter Innovation, Lenze AG, Hameln / Reinhard Kluger

Der Stellenwert der Energieeffizienz ist insbesondere im letzten Jahr deutlich gestiegen. Zum einen ist mittlerweile unumstritten, CO2-Emissionen so weit zu reduzieren, dass die negativen globalen Klimaauswirkungen auf einem beherrschbaren Niveau bleiben. Zum anderen führen steigende Energiekosten dazu, gleiche Produktionsleistungen mit niedrigerem Energieverbrauch zu erzielen, um damit die Betriebskosten zu begrenzen.

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Beispiel Fördertechnik: Mit Blick auf hohe Effizienz sind die Antriebselement bedarfsgerecht auszulegen.
Beispiel Fördertechnik: Mit Blick auf hohe Effizienz sind die Antriebselement bedarfsgerecht auszulegen.
( Archiv: Vogel Business Media )

In industriellen Anwendungen sind Antriebe der größte Umsetzer elektrischer Energie. Hierbei ist generell festzustellen, dass elektrische Antriebe keine Verbraucher im engeren Sinne darstellen, da sie die elektrische lediglich in mechanische Energie umwandeln. Diese wird dann für unterschiedlichste Produktions-, Materialtransport- und Infrastrukturprozesse genutzt. In Deutschland verwendet die Industrie ungefähr die Hälfte des gesamten erzeugten Stroms − davon entfallen wiederum zwei Drittel auf elektrische Antriebe.

Wie ist in diesem Kontext die Energieeffizienz von Antriebssystemen zu bewerten? Klassisch wird hier der Wirkungsgrad betrachtet. Allerdings orientiert sich dieser an der elektrischen Leistung und lenkt davon ab, wie viel mechanische Energie daraus tatsächlich erzeugt wird. Für die angetriebenen Prozesse ist es aber entscheidend, dass die notwendige mechanische Leistung zur Verfügung steht.

Erreicht ein Antriebssystem beispielsweise einen Wirkungsgrad von 75%, dann ist − bezogen auf die erforderliche mechanische Leistung − 133% elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Verschlechtert sich dieser Wirkungsgrad auf 50%, dann sind bereits 200% elektrische Leistung erforderlich, bei gleichzeitiger Verdreifachung der Verluste.

Einfach nur Strom sparen: Durch drei Wege lassen sich Effizienzsteigerungen in industriellen Anwendungen erreichen. (Archiv: Vogel Business Media)

Dieses Beispiel macht deutlich, dass sich die Bewertung der Energieeffizienz an der notwendigen mechanischen Leistung und dem Anteil der elektrischen Energie, der nicht hierin umgesetzt wird, orientieren muss. Folglich lautet das Ziel beim effizienten Energieeinsatz, dass über den gesamten Arbeitsbereich elektrischer Antriebssysteme hinweg die aufgebrachte elektrische Energie nur unwesentlich oberhalb der benötigten mechanischen Energie liegen sollte.

Angesichts dieser gravierenden Zusammenhänge ist die Frage zu beantworten, wie sich die Effizienz von Antrieben erhöhen lässt. Hierbei sind drei Hauptthemen zu nennen:

1. Intelligenter Einsatz elektrischer Energie, von der so wenig wie nötig zu gebrauchen ist,

2. Umsetzung der elektrischen in mechanische Energie mit möglichst hohem Wirkungsgrad sowie

3. Nutzung der Bremsenergie, wenn diese in nennenswertem Umfang zurückgespeist wird.

Elektrische Energie intelligent einsetzen

Der intelligente Einsatz elektrischer Energie besitzt das höchste Potenzial zur Effizienzsteigerung. Die meisten Komponenten eines Antriebssystems haben einen optimalen Arbeitsbereich, der in der Nähe der Bemessungsleistung liegt. Sind sie zu groß dimensioniert, verlassen sie in der Regel ihr Optimum. Folglich sinkt der Wirkungsgrad. Deshalb ist es zunächst notwendig, Antriebselement bedarfsgerecht auszulegen.

Der Blick in die Praxis zeigt jedoch, dass exakte Analysen der tatsächlich notwendigen Antriebsleistung meist unterbleiben. Ferner weit verbreitet ist die bewusste Überdimensionierung − meist schlichtweg aus Angst, Komponenten vielleicht doch zu klein ausgewählt zu haben. Dieses wiederum würde die Inbetriebnahme durch mangelhafte Funktionen verzögern oder die Lebensdauer durch Überlastungen verkürzen. Im Zweifelsfall zieht also immer die größere Lösung, obwohl Konstrukteure natürlich auch gehalten sind, Komponenten mit einem möglichst niedrigen Preis einzusetzen.

Exakte Dimensionierung spart Geld

Zusammengefasst lautet der erste Weg zu höherer Effizienz: Antriebskomponenten exakt auszulegen. Im Vergleich zur Überdimensionierung rechnet sich diese Maßnahme von der ersten Sekunde an. Antriebshersteller wie Lenze verfügen über ein umfangreiches Applikationswissen und leistungsfähige Werkzeuge, um für eine Aufgabenstellung die passende Lösung auszuarbeiten. Die Produktbaukästen sind dabei so gestaltet, dass sie ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit bieten.

In vielen Prozessen ist die erforderliche mechanische Leistung variabel. Ein Beispiel sind Heizungs- und Kühlungsprozesse, dessen Energiebedarf von der momentanen Außentemperatur stark abhängt. Wird ein Pumpen- oder Gebläseantrieb mit konstanter Drehzahl betrieben, kann er sich den jahreszeitlichen Schwankungen nur schwerlich anpassen. Häufig kommen dann nachgeschaltete Drosseln zum Einsatz. Hierbei ist die Effizienz allerdings mangelhaft, weil zu viel Energie in Wärme umgesetzt wird. Ähnliche Betrachtungen gelten bei Förderprozessen, wenn der Materialdurchsatz vom tatsächlichen − und in der Regel schwankenden − Bedarf abhängt.

Diese Zusammenhänge belegen, dass Umrichter zur Drehzahlsteuerung von Motoren wirkungsvoll sind, um die Energieeffizienz angesichts variierender Leistungen zu steigern. Ein gesteuerter Antrieb kann sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment so verändern, dass genau die Leistung in den mechanischen Prozess geleitet wird, die dieser momentan benötigt. Mit fester Drehzahl betriebene Motoren können hingegen nur ihr Drehmoment verändern und erreichen im Teillastbetrieb zudem einen schlechteren Wirkungsgrad.

Arbeitspunkt anpassen

Kommt ein Frequenzumrichter zum Einsatz, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den momentanen Arbeitspunkt oder die Bewegungsabläufe dahingehend zu gestalten, dass der Energieeinsatz sinkt. Bei eher statischen Prozessen lässt sich der Arbeitspunkt eines Motors so anpassen, dass der Wirkungsgrad während des aktuellen Belastungspunktes möglichst hoch ist. Gleiches gilt für dynamische Bewegungsabläufe. Diese intelligenten Verfahren können aber nur zum Einsatz kommen, wenn die umfangreichen Möglichkeiten der Software innerhalb eines Umrichters zielgerichtet genutzt werden.

Bei Neuinstallationen liegt der Anteil mit Frequenzumrichtern heute bei rund 30% und hat sich in den letzten zehn Jahren mehr als verdreifacht. Der Wunsch nach höherer Energieeffizienz wird dafür sorgen, dass die Quote geregelter Antriebe schneller ansteigen wird als in der Vergangenheit. Insofern ist davon auszugehen, dass in 10 bis 15 Jahren 100% aller elektrischen Antriebe geregelt betrieben werden.

Energieumsetzung mit hohem Wirkungsgrad

Je niedriger der Wirkungsgrad der Antriebstechnik, desto mehr elektrische Energie ist erforderlich, um die geforderte mechanische Leistung zu erreichen. Entsprechend hoch sind dann auch die Verluste. (Archiv: Vogel Business Media)

Komponenten mit hohem Wirkungsgrad bilden die zweite Säule der Energieeffizienz bei Antriebssystemen. Hierbei sind die drei Elemente Umrichter, Motor und Getriebe zu betrachten. Der Wirkungsgrad des Umrichters hängt im Wesentlichen von den Bauteilen der Leistungselektronik ab. Diese hier fast ausschließlich verwendeten IGBTs haben sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich so weit verbessert, dass sich der Wirkungsgrad der Umrichter von aktuell 94 bis 97% mit einfachen technischen Maßnahmen nicht weiter steigern lässt.

Anders sieht die Situation bei den Motoren aus. Die am häufigsten verwendeten Standard-Drehstrommotoren erreichen im kleinen Leistungsbereich Wirkungsgrade zwischen 75 und 80%. Freiwillige Maßnahmen europäischer Hersteller haben dafür gesorgt, dass Motoren mit deutlich schlechteren Wirkungsgraden vom Markt weitestgehend verschwunden sind. Andererseits beträgt der Anteil installierter Motoren mit noch höheren Wirkungsgraden aus Kostengründen heute weniger als 10%.

Ausgehend von der EuP-Richtlinie, die die Europäische Union Mitte 2006 verabschiedet hat und für die momentan Umsetzungsmaßnahmen erarbeitet werden, ist davon auszugehen, dass europaweit in naher Zukunft Mindestwirkungsgrade für Standard-Drehstrommotoren vorgeschrieben sein werden. Dabei dürften die Werte höher liegen als die erreichten Wirkungsgrade der Motoren, die heute in der Mehrzahl in den Markt gebracht werden. Europäische Motorenhersteller stellen sich deshalb schon jetzt darauf ein, den Wirkungsgrad ihrer Standardmotoren entsprechend zu verbessern.

Synchronmotor statt Asynchronmotor

Im geregelten Betrieb lässt sich beispielsweise statt eines Asynchronmotors auch ein Synchronmotor einsetzen. Weil beim permanenterregten Synchronmotor die Magnetisierung nicht mehr durch den eingespeisten Blindstrom, sondern von den auf dem Rotor aufgebrachten Dauermagneten erzeugt wird, erreicht er einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Dies hat weiter zur Folge, dass sich beim Umrichter durch reduzierte Motorströme die Verlustleistungen verringern und der Gesamtwirkungsgrad weiter steigt. Daher ist bei allen geregelten Anwendungen zu prüfen, ob der Einsatz eines Synchronmotors mit Blick auf Wirkungsgrad und Energieeffizienz nicht die bessere Lösung darstellt.

Beim Getriebe − als drittes Element eines Antriebsstrangs − ist ebenfalls auf hohen Wirkungsgrad zu achten. Hierbei schneiden Stirnrad- und Kegelradgetriebe im Vergleich zu Schneckengetrieben deutlich besser ab.

Bremsenergie zurück speisen

Energie wird in elektrischen Antriebsanwendungen nicht nur für den Arbeitsprozess in Form einer Werkstückveränderung, sondern vor allem auch für das Beschleunigen und Heben von Materialien verwendet. Gerade Massenfertigungen, die eine große Anzahl von Produkten herstellen, verfügen über vielfältige dynamische Positionier- und Hebevorgänge. Sie beschleunigen mit hohen Taktraten Materialien, entnehmen dabei dem elektrischen Netz kontinuierlich Energie − und bremsen oder senken sie dann wieder ab. Die hierbei durch den generatorischen Effekt wieder freigesetzte Energie wird dabei in den allermeisten Fällen über einen Bremswiderstand als Wärme „verheizt“. Gerade bei hohen Wiederholraten ist das Maß ineffizient eingesetzter Energie beachtlich.

So führt ein Fertigungstakt von 20 Sekunden in einem Zweischicht-Betrieb zu rund einer halben Million Beschleunigungs- und Bremsvorgängen. Als typischer Einsatzfall sind Regalbediengeräte in Logistikzentren zu nennen. Ein Weiterer ist der Automobilbau mit beispielsweise 200.000 Fahrzeugen, die pro Jahr vom Band einer Linie laufen. Der Blick in diese Fabriken offenbart unzählige Prozesse, in denen Lasten dauernd beschleunigt und abgebremst oder angehoben und wieder abgesenkt werden.

Für diese hochgetakten Anwendungen bietet sich als Alternative zum Bremstransistor eine Rückspeiseeinheiten an. Ein weiteres probates Mittel stellt der Energieaustausch zwischen Umrichtern dar. Auch gibt es in einigen Anwendungsfällen die Möglichkeit, die rückgespeiste Energie für den nächsten Beschleunigungsvorgang zwischenzuspeichern. Alle diese Wege haben gemeinsam, dass sie die Energieeffizienz, im Vergleich zur reinen Umsetzung in Wärme, deutlich erhöhen. Dieses Potenzial zu erschließen heißt, die Prozesse zu identifizieren, bei denen ein nennenswertes Maß an Bremsenergie anfällt.

Dr. Edwin Kiel ist Leiter Innovation bei der Lenze AG (Archiv: Vogel Business Media)

Fazit:Unterzieht man die Vielzahl von Antriebsanwendungen einer genaueren Analyse, so lässt sich mit den drei dargestellten Wegen der Energieverbrauch industrieller Prozesse deutlich senken. Statt lediglich die Energiesparmotoren in den Fokus zu setzen, bietet der gesamte Werkzeugkasten der elektrischen Antriebstechnik vielmehr deutlich mehr Möglichkeiten, Strom zu sparen.

Skalierbare und modulare Produktbaukästen - wie der von Lenze - bieten ein hohes Maß an Flexibilität, um eine optimale Antriebslösung zu erhalten. (Archiv: Vogel Business Media)

Antriebshersteller wie Lenze helfen im Rahmen ihrer Beratungs- und Lösungskompetenz dabei, die Energieeffizienz von Antriebsanwendungen erheblich zu steigern. Dieses schont die Umwelt und bringt zudem auch noch monetäre Vorteile durch sinkende Betriebskosten.

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