Analysewerkzeug zeigt Einsparpotenziale bei Antriebslösungen
-
Bild 1. Bei der Antriebsauslegung lässt sich die elektrische und die mechanische Struktur individuell anpassen, sodass es leicht ist Alternativen zu bilden und gegenüberzustellen
-
Bild 2. Der Energiepass liefert dem Anwender umfassende Informationen über das Antriebssystem sowie den Energiebedarf
Bei Gebäuden ist es bereits Standard: Ein Energieberater zeigt mithilfe des Gebäude-Energieausweises den Primärenergiebedarf eines Hauses auf. Zugleich kann er Eigentümern oder potenziellen Käufern Verbesserungen vorschlagen. Lenze hat diese Idee auf den Maschinenbau übertragen: Mit seiner Antriebs-Auslegungssoftware lässt sich der Energiebedarf einer Antriebslösung, der einzelnen Antriebskomponenten und des Gesamtsystems einer Maschine berechnen. Außerdem zeigt sie Möglichkeiten auf, die Antriebsenergie effizienter zu nutzen. Auf dieser Grundlage lassen sich zielgerichtet Energieverbrauch und Betriebskosten einer Maschine senken – und zwar noch im Entwicklungsstadium.
Mindestens zwei Aspekte haben die Bedeutung der Energieeffizienz in industriellen Prozessen in jüngster Zeit in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt. Zum einen ist das Anliegen, CO 2-Emissionen so weit zu reduzieren, dass die negativen globalen Auswirkungen auf das Klima auf einem beherrschbaren Niveau bleiben, mittlerweile unumstritten. Zum anderen zwingen die begrenzten Vorräte fossiler Energieträger und damit verbunden die Erwartung langfristig steigender Energiekosten dazu, gleiche Produktionsleistungen mit niedrigerem Energieverbrauch zu erzielen – um damit die Betriebskosten zu begrenzen. Es sind also auch betriebswirtschaftliche Erwägungen, aus denen heraus die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zunehmend in den Fokus rückt. Da die reinen Anschaffungskosten dem VDMA zufolge lediglich einen untergeordneten Anteil der Total Costs of Ownership (TCO) ausmachen, geht es hier vor allem um die Betriebskosten und ihr Verhältnis zum Anschaffungspreis. Da Energie einer der größten Posten bei den Betriebskosten ist, sollten vor allem Antriebssysteme auf Effizienz und Energieverbrauch durchleuchtet werden.
Auf die Antriebstechnik kommt es an
Die Antriebstechnik ist deshalb ein so wichtiger Ansatzpunkt bei der Verbesserung der Energieeffizienz industrieller Prozesse, weil Antriebe ungefähr für zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich sind. Da die Industrie wiederum etwa die Hälfte der elektrischen Energie verbraucht, beeinflussen damit industriell genutzte Antriebe ein Drittel des gesamten elektrischen Energieverbrauchs.
Um zu einem Antriebssystem 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. In der Regel haben diese aber nicht den größten Anteil an der aufgenommenen elektrischen Energie. Das gesamte Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz in der industriellen Antriebstechnik erschließt sich nur dann, wenn die einzelnen Anwendungen genau daraufhin untersucht werden, welche Energie sie benötigen und wie diese vom Antrieb zur Verfügung gestellt wird.
Energieeffizienz schon bei der Planung berücksichtigen
Grundsätzlich gibt es drei Ansatzpunkte, um die Energieeffizienz von Antriebssystemen zu erhöhen:
• Elektrische Energie intelligent einsetzen: So wenig wie nötig
• Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln
• Rückgespeiste Bremsenergie nutzen
Genau da setzt das Auslegungswerkzeug Drive Solution Designer von Lenze an: Mit ihm können diese drei Punkte ohne großen Aufwand schon während der Planung einer Maschine und ihrer Antriebslösung berücksichtigt werden. Zunächst steht dabei die präzise Auslegung, also die genaue Anpassung des Antriebs auf die Anwendung, im Vordergrund. Hierzu gehört zum Beispiel die bedarfsgerechte Dimensionierung des Antriebs, die an sich schon ein nicht zu unterschätzendes Einsparpotenzial bietet. Schließlich ist es noch immer gängige Praxis, Antriebe überzudimensionieren. Das geschieht meist aus Angst und Unsicherheit des Projekteurs, der vermeiden möchte, dass ein Antrieb bei der Inbetriebnahme oder der späteren Anlagenoptimierungen nicht die geforderte Leistungsfähigkeit erreicht. Im Teillastbetrieb arbeiten aber fast alle Antriebskomponenten mit einem schlechteren Wirkungsgrad, sodass für den mechanischen Prozess mehr elektrische Energie und damit auch mehr Verlustleistung aufgebracht werden muss.
Antriebe präzise auslegen
Mit dem DSD lässt sich eine exakte Antriebsauslegung schnell und einfach durchführen (Bild 1). Dafür sind die mechanischen Größen (Massen, Reibung) und der individuelle Geschwindigkeitsverlauf einzugeben. Die mechanische und die elektrische Antriebsstruktur lässt sich individuell an die Erfordernisse der Maschine anpassen.
Dank einer im Hintergrund liegenden Produktdatenbank kann die physikalische Antriebsauslegung auch auf das Produktspektrum abgebildet werden, um dann geeignete, miteinander kombinierbare Produkte auszuwählen. Die auf dieser Grundlage erstellten Antriebslösungen erfüllen sowohl die physikalischen Anforderungen als auch die aus Fertigungs- und Vertriebssicht realisierbaren Möglichkeiten, also das im Warenwirtschaftssystem definierte Produktprogramm. Das Ergebnis lässt sich anhand eines aussagekräftigen technischen Protokolls und eines Übersichtsprotokolls leicht nachvollziehen.
Da es meistens mehrere Lösungsmöglichkeiten für eine Anwendung gibt, empfiehlt es sich, Alternativen zu bilden, die unterschiedliche Lösungskonzepte, Antriebstechnologien und Produkte enthalten. Die Lösungen lassen sich mit ihren technischen Vor- und Nachteilen miteinander vergleichen, um daraus die technisch wie wirtschaftlich optimale Lösung auszuwählen.
Der Energiepass-Antriebslösung
Eine Besonderheit des DSD ist der Energiepass. Er liefert dem Anwender detaillierte Informationen zum Energiebedarf der Anwendung, den verschiedenen Antriebskomponenten und vor allem dem gesamten Antriebssystem (Bild 2). Die zu erwartenden Energiekosten stellt er transparent und übersichtlich dar. Zusätzlich wird die rückspeisbare Energie berechnet, die über den DC-Bus ausgetauscht oder über ein Rückspeisemodul in das Versorgungsnetz zurückgeführt werden könnte.
Da die Berechnungen der Energieeffizienz dem Anwender am Ende eines jeden Auslegungsgangs zur Verfügung stehen, lassen sich Verbesserungspotenziale schnell erkennen. Im Handumdrehen können daraufhin Optimierungen an Mechanik, Kinematik und Antriebskomponenten vorgenommen werden. Mit dem DSD-Projektvergleich können überdies die verschiedenen möglichen Antriebslösungen hinsichtlich ihres Energiebedarfs verglichen werden.
Den so errechneten Energiebedarf können die Maschinenbauer an ihre Kunden weiterleiten. Wird dies für eine gesamte Produktionsanlage durchgeführt, kann der Endkunde den Energieanteil im Betrieb ermitteln – und damit zugleich Potenziale für Kosteneinsparungen aufzeigen. Zudem lässt sich die CO 2-Reduktion ermitteln, was zum Beispiel für Endkunden der Automotive-Branche oder am internationalen Emissionshandel beteiligte Betriebe besonders wichtig ist.
Antriebskomponenten energieoptimiert auswählen
Zur Verbesserung der Energieeffizienz von Antriebslösungen gibt es verschiedene Ansatzpunkte. Dazu gehört unter anderem auch die Auswahl der Antriebskomponenten. Hier einige Beispiele:
• Umrichter:
Beim Frequenzumrichter steigen die Verluste mit zunehmender Schaltfrequenz, dafür sinken sie im Motor. Durch Zweischaltermodulation lassen sich die Verluste im Umrichter reduzieren.
• Motor:
Synchronmotoren haben aufgrund ihrer Permanentmagnete geringere Verluste als Asynchronmotoren gleicher Leistung. IE2-Motoren sind für energiearmen Dauerbetrieb optimiert. Wird ein Asynchronmotor im 87-Hz-Betrieb verwendet, so sind die Verluste geringer als bei einem Asynchronmotor gleicher Leistung im 50-Hz-Betrieb.
• Getriebe:
Die Verwendung von Kegelstirnradgetrieben reduziert den Energiebedarf gegenüber Schneckengetrieben. Bei Getrieben sind sehr hohe Eintriebsdrehzahlen zu vermeiden, da dadurch die Planschverluste ansteigen. Jede Getriebestufe hat eine Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge.
-
Autor: Dipl. Ing. Peter Vogt ist in der Entwicklung von Software für die Antriebsauslegung bei Lenze in Extertal tätig.
-
Autor: Dipl.-Ing. Olaf Götz ist in der Entwicklung von Software für die Antriebsauslegung bei Lenze in Extertal tätig.
