Massnahmen bündeln Lösungsansätze zur Steigerung der Energieeffizienz in Produktion und Logistik

Autor / Redakteur: Edwin Kiel / Reinhard Kluger

Energie sparen in der Antriebstechnik will überlegt sein. Einzelne Massnahmen führen unter dem Strich zu einer effektiven Energiebilanz. Mit entsprechenden Umrichtern und Getriebmotoren lassen sie sich realisieren.

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Das Thema Energie hat gerade im letzten Jahr deutlich an Aufmerksamkeit gewonnen. Es wird mittlerweile von allen bestätigt, dass die CO2-Emmissionen vermindert werden müssen, um die negativen Auswirkungen auf das Weltklima auf einem vertretbaren Niveau zu halten. Auch die steigenden Energiekosten erhöhen die Sensibilität beim Thema Energie.

Der Energieverbrauch kann gesenkt werden, wenn die Energieeffizienz erhöht wird. Letztendlich ist gesparte Energie die preiswerteste Energie. Bei der Verbesserung der Energieeffizienz vieler industrieller Prozesse kann wiederum die Antriebstechnik helfen, weil Antriebe ungefähr für zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich sind. Weil die Industrie wiederum rund die Hälfte der elektrischen Energie verbraucht, beeinflussen damit industriell genutzte Antriebe ein Drittel des gesamten elektrischen Energieverbrauchs.

Antriebslösungen mit Umrichtern und Getriebemotoren zum Einsparen von Energie steigern die Energieeffizienz in der Fabrik (Archiv: Vogel Business Media)

Um zu Antrieben mit einer hohen Energieeffizienz zu kommen, gibt es keine schnellen Lösungen wie beim Kauf eines Kühlschranks. Das hängt damit zusammen, dass Antriebe Energie wandeln und damit ihre Aufgabe immer im Zusammenspiel mit einem mechanischen Prozess verrichten. Die Komponenten des Antriebs können nur ihre Verluste reduzieren, diese haben allerdings in der Regel nicht den größten Anteil an der aufgenommenen elektrischen Energie.

Potenziale zur Erhöhung der Energieeffizienz (Archiv: Vogel Business Media)

Das gesamte Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz in der industriellen Antriebstechnik erschließt sich nur dann, wenn die einzelnen Anwendungen genau untersucht werden, welche Energie sie benötigten und wie diese vom Antrieb zur Verfügung gestellt wird. Insgesamt können alle Massnahmen unter den folgenden drei Punkten zusammengefasst werden:

  • Energie ist möglichst intelligent bereitzustellen, damit so wenig wie nötig eingesetzt wird. Hierzu zählen die bedarfsgerechte Dimensionierung und die Regelung von Antrieben
  • Die Energie ist im Antriebsstrang möglichst effizient, d.h. mit einem hohen Wirkungsgrad zu wandeln.
  • Wenn der mechanische Prozess in nennenswertem Masse Bremsenergie zurückspeist, dann wird diese weiterverwendet.
Drei Wege zur Erhöhung der Energieeffizienz in der Antriebstechnik (Archiv: Vogel Business Media)

Von diesen drei Säulen kommt der ersten die größte Bedeutung zu. Mit der intelligenten Bereitstellung von Energie kann vier bis fünf-mal so viel Energie gespart werden wie mit der Reduzierung der Verlustleistung. Auch die Nutzung von Bremsenergie hat bezogen auf den typischen Anwendungsmix in Fabriken einen kleineren Effekt als die Wirkungsgradoptimierung. Insgesamt kann durch Massnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Regel eine Energieeinsparung von 20 bis 30 Prozent erreicht werden, bei einzelnen Anwendungen auch deutlich mehr. Amortisationszeiten von zwei bis drei Jahren sind der Regelfall, so dass solche Investitionen auch bei jedem ernsthaften Controlling Unterstützung finden.

Intelligente Bereitstellung der Energie

Für die intelligente Bereitstellung der Energie ist es zunächst entscheidend, zu wissen, wieviel Energie überhaupt für den Prozess benötigt wird. Weiterhin ist zu klären, ob dieser Bedarf konstant ist oder sich ändert. Auf der Basis dieser Analyse können die richtig dimensionierten Komponenten ausgewählt werden. Weiterhin kann entschieden werden, ob die Regelung des Antriebs über einen Umrichter zu einer Senkung des Energieverbrauchs führt.

Nur durch eine exakte Analyse und Auslegung des Antriebs lässt sich der Effekt der Überdimensionierung verhindern. Notwendig ist hierfür eine exakte Analyse und Kenntnis der Anwendung. Moderne Auslegungswerkzeuge, die Antriebshersteller anbieten, helfen, diese Überdimensionierung zu vermeiden und den richtig dimensionierten Antrieb auszuwählen.

Viele Antriebe werden heute bereits über einen Umrichter angesteuert. Hierdurch kann die Drehzahl verändert werden. Damit können dann beide physikalischen Parameter, die die mechanische Leistung bestimmen – die Drehzahl und das Drehmoment – an den Bedarf des Prozesses angepasst werden. Fast alle mechanischen Prozesse haben einen Leistungsbedarf, der nicht konstant ist, sondern von vielen Parametern abhängt. Letztendlich kann davon ausgegangen werden, dass sich bei fast jedem Antrieb aus funktionalen und energetischen Gründen der Einsatz eines Umrichters lohnt und zu einer Optimierung des Antriebsverhaltens führt. Dieses wird in den nächsten zehn bis 15 Jahren dazu führen, dass alle industriellen Antriebe von Umrichtern angesteuert werden. Heute sind dieses erst ungefähr ein Drittel aller neu installierten Antriebe.

Komponenten mit hohem Wirkungsgrad

Ist ein Antrieb so ausgewählt worden, dass er optimal zur Anwendung passt, dann soll er auch noch die Energie mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad wandeln. Hierzu müssen die einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs einzeln betrachtet werden.

Der Wirkungsgrad des Umrichters basiert auf den eingesetzen Bauteilen zur Leistungswandlung. Diese haben heute bereits einen hohen Wirkungsgrad von 95 bis 97 Prozent und können auf einfache Weise nicht weiter gesteigert werden.

Ein höheres Potenzial haben dagegen die Elektromotoren, die die elektrische in die mechanische Energie wandeln. Der Standard-Drehstrommotor in Asynchrontechnik kann so gestaltet werden, dass sein Wirkungsgrad steigt. Hier greifen die Wege, Mindestwirkungsgrade für Drehstrommotoren vorzuschreiben, die in den nächsten Jahren eingeführt werden. Diese können die Verluste des Motors um ca. ein Drittel reduzieren.

Bei allen geregelten Antrieben ist der Synchronmotor eine gute Alternative zum Asynchronmotor, weil er bei gleichem Drehmoment weniger Strom benötigt und damit natürlich auch weniger Verluste erzeugt. Aus diesem Grund ist bei allen geregelten Antrieben zu prüfen, ob Synchronservomotoren die bessere Wahl sind. Sie sind bei gleichem Drehmoment in der Regel etwas teurer als Asychronmotoren. Es kann aber der Umrichter kleiner gewählt werden, weil weniger Strom benötigt wird, und die Kosten für die elektrische Energie sinken, weil der Wirkungsgrad höher ist. Damit kann der Synchronmotor bei einer Gesamtkostenbetrachtung die insgesamt effizientere Lösung sein.

Bleibt noch das Getriebe: die Verzahnungen von Stirnrad- und Kegelradgetrieben haben hohe Wirkungsgrade. Entscheidend ist hier die Anzahl der Übersetzungsstufen. Hier haben Getriebeprogramme einen Vorteil, die in einem weiten Einsatzbereich mit zwei Übersetzungen auskommen. Schneckengetriebe haben dagegen schlechte Wirkungsgrade. Diese sollten durch Kegelradgetriebe mit deutlich besseren Wirkungsgraden abgelöst werden.

Bremsenergie sinnvoll nutzen

Nutzung der Bremsenergie (Archiv: Vogel Business Media)

Die dritte Säule einer energieeffizienten Antriebstechnik ist die sinnvolle Nutzung von zurückgespeister Bremsenergie, wenn diese in nennenswertem Masse anfällt.

Die allermeisten Antriebe werden heute nicht für Produktionsprozesse, sondern für den Materialtransport eingesetzt. Diese beschleunigen oder heben Massen. Werden diese dann wieder gebremst oder abgesenkt, wird kinetische oder potenzielle Energie aus der Mechanik in den Antrieb zurückgegeben. In der Regel wird diese heute über einen Bremswiderstand in Wärme umgesetzt.

Um Bremsenergie sinnvoll zu nutzen und eben nicht nur in Wärme zu verwandeln, gibt es mehrere Konzepte. So kann durch einen DC-Verbund mit anderen Achsen ein Energieaustausch realisiert werden. Dieses bietet sich bei allen kontinuierlichen oder schnell getakteten Prozessen an, bei denen gleichzeitig generatorisch (z.B. Abwickler) und motorisch (z.B. Gleichlaufantriebe) arbeitende Antriebe im Einsatz sind.

Wenn diese Möglichkeit des direkten Energieaustausches zwischen mehreren Antriebe nicht gegeben ist, kann über Rückspeiseeinheiten Energie in das elektrische Netz zurückgegeben werden.

Eine dritte Möglichkeit ist die kurzzeitige Zwischenspeicherung von Bremsenergie in einem Kondensator, um sie für den nächsten Beschleunigungsvorgang zu nutzen. Diese Möglichkeit bietet sind insbesondere bei sehr schnellen Taktantrieben, wie sie z.B. für Querschneider verwendet werden, an.

Antriebslösungen als Wegweiser zur Energieeffizienz

Amortisierung einer energieeffizienten Antriebslösung nach drei Jahren (Archiv: Vogel Business Media)

Elektrische Antriebe bieten eine Menge Möglichkeiten, Energie zu sparen. Ein Leitfaden, welche dieser Möglichkeiten bei welcher Anwendung den höchsten Nutzen bietet, kann von einer Klassifikation der Anwendungen in 12 Antriebslösungen [1] vorgenommen werden. Diese bilden dann einen Wegweiser, die beste Lösung für eine hohe Energieeffizienz zu finden [2]. Letztendlich werden die Potenziale zum effizienten Einsatz der elektrischen Energie in der industriellen Antriebstechnik nur durch eine genaue Analyse der Antriebsaufgabe und durch das Finden und genaue Dimensionieren der entsprechenden Antriebslösung erschlossen. Wenn dieses erfolgt, dann kann in den allermeisten Anwendungen der Einsatz der elektrischen Energie um mindestens 20 bis 30 Prozent reduziert werden, ohne dabei den angetriebenen Prozess einzuschränken. Die höheren Investitionen hierfür zeigen in der Regel Amortisationszeiten von zwei bis drei Jahren, so dass es keinen vernünftigen Grund gibt, aus Gründen der Schonung der Umwelt und zur Senkung der Energiekosten diese Wege nicht zu gehen.

Dr.-Ing. Edwin Kiel, Lenze AG, Leiter Innovation

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