Passwort vergessen?  |  Anmelden
 |  Passwort vergessen?  |  Anmelden
Suche

Samstag, 16. Februar 2019

Automation

Antriebseffizienz ist eine Frage des Gesamtsystems

Von Carmen Klingler-Deiseroth | 31. Mai 2018 | Ausgabe 22

Normen und Richtlinien helfen, das energieeffizienteste Antriebssystem zu ermitteln und damit CO2-Emissionen zu reduzieren.

Antrieb BU 2
Foto: HMPtechnologie

Linearantriebe: Pneumatikzylinder und elektrische Linearachsen konkurrieren hier. Der Energiekostenvergleich beider Systeme soll nun einfacher werden.

Elektromotorisch angetriebene Systeme in der Industrie wandelten in Deutschland im Jahr 2015 rund 160 TWh elektrische Energie in mechanische um. Auf den Stromverbrauch der Industrie bezogen sind das rund 70 % – ein hoher Wert, der sich trotz Regulierung seit Jahren hält. Wird dieser Strombedarf jedoch auf die insgesamt von der Industrie nachgefragte Energiemenge – inklusive Gas, Kohle, Mineralöle und sonstige Energieträger – bezogen, liegt der Anteil nur noch bei etwa 22 %. Bei dieser Betrachtung bezweifeln Motorenhersteller mittlerweile, ob der erwartete CO2-Reduktionseffekt durch Motoren mit noch höheren Wirkungsgraden den dafür recht hohen finanziellen Entwicklungsaufwand rechtfertigt.

Foto: Schunk GmbH & Co. KG

Montage und Handhabung: Solche Anwendungen erfordern eine Vielzahl an Antrieben. Hier lohnt die energetische Systembetrachtung.

Kontinuierlich wurden Arbeitsmaschinen bereits in den vergangenen zehn Jahren reguliert und immer höhere Wirkungsgrade festgesetzt. Nun fordert z. B. Peter Zwanziger, verantwortlich für Standards & Regulations im Bereich elektrischer Antriebe bei Siemens: „Die gesamte Kette der elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen muss künftig viel besser bedarfsorientiert an die Prozess- und Fertigungsindustrie angepasst und elektronisch geregelt werden, um unerwünschte Verluste zu erkennen und zu minimieren.“ Die dazu erforderliche Ingenieurskunst soll durch die zunehmende Digitalisierung einfacher abrufbar sein. Die Maßnahmen müssten aber auch zu einer nennenswerten CO2-Einsparung beitragen.

Energieeffizienzmaßnahmen lohnen sich auch abseits hoher Wirkungsgrade, wenn komplette elektrische Antriebssysteme betrachtet werden. Das bestätigt das Karlsruher Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) aufgrund von Erfahrungen mit den vom ISI betreuten und evaluierten Energieeffizienznetzwerken. In rund 360 Unternehmen hat das Institut zwischen 2007 und 2015 knapp 3600 Maßnahmen untersucht. „Darunter waren 570 Maßnahmen für elektrische Antriebe, die nach unseren Berechnungen hoch rentabel waren“, sagt Harald Bradke, Leiter des Competence Centers Energietechnologien und Energiesysteme am Fraunhofer ISI. Die jährliche Energieeinsparung pro Maßnahme lag im Durchschnitt bei rund 180 MWh.

Ein Antriebssystem zu analysieren, kann sehr anspruchsvoll sein. Engagiert sich ein Unternehmen in einem Energieeffizienznetzwerk, kommt es meist schneller ans Ziel. Zudem gibt es Hilfsmittel, etwa die Norm EN 50598–2, nach der ein System aus Motor plus Frequenzumrichter herstellerunabhängig in Systemwirkungsgradklassen (IES) eingeordnet werden kann. Diese mittlerweile auch international anerkannte Norm deckt elektrische Kraft- und Arbeitsmaschinen in einem Leistungsbereich von 0,12 kW bis 1000 kW ab. Danfoss hat beispielsweise für den leichten Einstieg in die Materie die App ecoSmart entwickelt.

Es gibt aber noch einen anderen Bereich, in dem sich mit der richtigen Antriebswahl viel Energie sparen lässt: Handhabung, Transport und Montage im Sondermaschinenbau – besonders dann, wenn die gesamte Lebensdauer betrachtet wird. Die Besonderheit solcher Antriebe ist, dass sie im Gegensatz zu Kraftmaschinen diskontinuierlich laufen: sie beschleunigen, fahren für kurze Zeit eine konstante Geschwindigkeit, bremsen, bleiben stehen, beschleunigen wieder.

Die Menge der Antriebssysteme in den Einsatzbereichen Handhabung, Transport und Montage (HTM) ist nicht zu unterschätzen: „Wie bei den Kraftmaschinen, geht es auch bei HTM um Millionen von Antrieben“, sagt Jürgen Krebs, Geschäftsführer beim Sondermaschinenbauer HMPtechnologie GmbH in Niederburg. Dabei müsse für jede Anwendung die Frage, welcher Antrieb energetisch günstiger ist, beantwortet werden: elektrisch oder pneumatisch.

Das stellt Maschinenbauer vor Herausforderungen. Von den Antriebsherstellern bekommen sie laut Krebs zwar den Energieverbrauch der infrage kommenden elektrischen Synchronservomotoren oder pneumatischen Zylinder genannt. „Deren Angaben lassen sich aber nicht vergleichen, um das energieeffizienteste Antriebssystem zu ermitteln“, sagt Krebs aus eigener Erfahrung.

Um Antriebsarten künftig herstellerunabhängig bewerten zu können, hat der Fachausschuss 4.17 der Gesellschaft Messtechnik und Automation im VDI die Richtlinie 3548 erarbeitet, die seit einigen Wochen im Gründruck ist. „In der Richtlinie wird nicht nur rechnerisch die Energieeffizienz ermittelt, es gibt auch eine Matrix mit zahlreichen technischen und wirtschaftlichen Auswahlkriterien sowie eine Bewertung der einzelnen Antriebsarten hinsichtlich der verschiedenen Kriterien“, sagt der VDI-Fachausschussvorsitzende Markus Lauzi. Er ist Professor an der Technischen Hochschule Bingen.

Während pneumatische Systeme noch einfach zu berechnen sind, ist bei elektrischen Antrieben oft ein längerer Rechenweg erforderlich. „Das hängt damit zusammen, dass die Drehbewegung in eine lineare Bewegung umgerechnet werden muss und Getriebe- und Umrichterwirkungsgrade zu beachten sind“, sagt Lauzi. Davor müsse keiner Angst haben, denn der Rechenweg sei in der Richtlinie dargestellt und für mehrere mögliche Lösungen mit Beispielen hinterlegt.

Mit der Richtlinie VDI/VDE 3548 liegt nun eine neutrale Berechnungsgrundlage vor, um den Energieeinsatz und die damit verbundenen Energiekosten elektrisch oder pneumatisch angetriebener Antriebssysteme auf allgemein akzeptierter Basis zu berechnen und nachzuweisen. Das ist im Rahmen von Energiemanagementsystemen und Energieaudits wichtig, die Unternehmen nach dem Energiedienstleistungsgesetz (EDL-G) durchführen müssen. „Davon abgesehen, hilft die Richtlinie jedem Unternehmen, die eigene Wirtschaftlichkeit zu erhöhen“, ist sich HMPtechnologie-Chef Krebs sicher.

Auf Energieeffizienz bei elektrischen Antriebssystemen zu achten, lohnt sich damit umso mehr. Ingenieure, Techniker und vor allem Entscheider sollten sich daher angesprochen fühlen, auf energieeffiziente Gesamtkonzepte zu setzen, sobald sie einen Motor tauschen. Gleiches gilt für den Einsatz von Kraftmaschinen oder Antrieben für Handhabung, Transport und Montage.