Energie-Effizienz im Maschinenbau

 

 

 Ausschnitt aus der RAVEL-Dokumentation "RAVEL im Maschinenbau" Nr. 724.333 D von Rolf Gloor.


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© GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 30. JANUAR 1997


Einleitung

In der Schweiz wird etwa 20% der Elektrizität in Antrieben der Industrie verbraucht. Erste Unternehmen haben schon erkannt, dass sie mit einem energie-effizienten Maschinenpark erheblich Strom und Geld sparen können. Die Hersteller von automatischen Maschinen kennen oft nur den theoretischen elektrischen Anschlusswert ihrer Maschinen. Viele Maschinen sind mit teueren überdimensionierten Antrieben ausgerüstet. Bei einigen CNC-Maschinen macht der elektrische Teil die Hälfte der Herstellkosten aus. Für den Maschinenkonstrukteur ist die Energie-Effizienz aber auch eine neue Perspektive für eine innovative Konstruktion. Die Serie "RAVEL im Maschinenbau" möchte die Wege zur "Energie-Effizienz im Maschinenbau" aufzeigen.

Das Bundesamt für Konjunkturfragen hat 1990 das Impulsprogramm RAVEL = "Rationelle Verwendung von Elektrizität" ins Leben gerufen. Ziel dieses Programms ist Wissen über die intelligente Nutzung von Strom aufzubereiten und mittels Publikationen und Weiterbildungskursen an die Praxis zu vermitteln.

Die Energiekosten einer Industriemaschine sind im allgemeinen gering, bezogen auf die Personal- und Kapitalkosten. Vergleicht man die Energiekosten aber mit dem Gewinn so sind die Beträge oft nahe zusammen. Intelligente Einsparungen von Elektrizität erhöhen direkt den Gewinn.

Die Wirtschaftlichkeit von Energiesparmassnahmen kann mit folgender vereinfachten Berechnung überprüft werden: Eine Maschine im 1 Schichtbetrieb läuft 10'000 Stunden während ihrer Nutzungsdauer von 5 Jahren. Bei einer Leistungsaufnahme von 10 kW und einem Strompreis von 10 Rappen pro kWh kostet der Elektrizitätsverbrauch 10'000 Franken. Für die Einsparung von 1 Watt kann also 1 Franken investiert werden. Bei mehr als 2'000 Jahresbetriebsstunden und einer längeren Nutzung können es auch 5 Franken pro eingespartes Watt sein.

Warum Energie-Effiziente Maschinen ?

Es sind aber nicht nur die Kosten, welche für eine energie-effiziente Maschine sprechen. Eine energetisch geschickt konstruierte Maschine ist auch technisch besser. Der Konstrukteur welcher genau weiss, wann er für den Prozess wieviel Energie braucht, und nur dann diese gibt, beherrscht sein Handwerk. Der Verkäufer, welcher in seinem Angebot einen geringen Stromverbrauch aufführen kann, hat einen Vorsprung gegenüber seinen Konkurrenten.


Beispiele für Energie-Effizienz

Kunststoff-Spritzgussmaschine

Die Firma ProControl aus Flawil hat einen Spritzgussautomaten für Kunststoffteile energetisch untersucht und verbessert. Die Hydraulikaggregate wurden komplett durch elektrische Servoantriebe (bis 130 Nm Drehmoment) ersetzt. Mit einer Doppelzahnstange und einem 4-Punkt Doppel-Kniehebel wurden 1'000 kN Schliesskraft realisiert. Pro Kunststoffteil reduzierte sich der spezifische Energieverbrauch um 50 %. Die Maschine benötigt 10 kW weniger Leistung und einen hat viel geringeren Kühlaufwand. Die problematische und teure Entsorgung des Hydrauliköls entfällt. Darüber hinaus, und das ist am wichtigsten, die modifizierte Maschine genauer und schneller.

Hebelkonstruktion für elektrische Spritzgussmaschine Elektrische Spritzgussmaschine

Streckwerk

Bei einer Textilmaschinenart wird der Stoff zwischen treibenden und bremsenden Walzen gestreckt. Das ziehende Walzensystem wird durch einen Drehstrommotor mit Frequenzumrichter angetrieben. Das andere wird mit einer wassergekühlten Magnetpulverbremse gebremst. Bei einer energetischen Überarbeitung der Maschine fand man auf dem Markt ein Frequenzumrichtersystem in Modulbauweise. Der bremsende und treibende Teil wurde danach mit dem gleichen Antriebssystem ausgeführt. Der eine Motor läuft als Generator und gibt seine Leistung über den gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis der Frequenzumrichter an den treibenden Antrieb ab. Der durchschnittliche Leistungsbedarf der Maschine reduzierte sich von 10 auf 7 kW. Die eingesparten 3 kW entlasten auch die Raumklimatisierung. Die Mehrkosten werden durch die Konstruktionsvereinfachung kompensiert. Zusätzlich vereinfachte und verkürzte sich das Einrichten, da der bremsende Teil auch angetrieben werden kann.

Abfüllanlage

An einer Sackabfüllanlage werden die vollen Säcke auf einem Drehtisch zur automatischen Palettierstation geschwenkt. Bei einer Produktionserhöhung von 400 auf 500 Säcken in der Stunde überhitzte sich der im Start/Stop-Modus betriebene 5.5 kW Drehstrommotor. Nach dem zweiten Ersatzmotor wurde ein 7.5 kW Motor eingebaut. Dieser überhitzte sich noch viel schneller. Eine energetische Grobanalyse ergab, dass der Motor die meiste Energie brauchte um sich selber zu beschleunigen. Dabei erwärmte er sich jedesmal mit einem Wert entsprechend der Beschleunigungsenergie. Die träge Masse des Motors musste reduziert werden und die Beschleunigung mit geringem Schlupf erfolgen. An der bestehenden mechanischen Konstruktion wurde der 2-polige Asynchronmotor durch einen kleineren 4-poligen 100 Hz Motor mit Frequenzumrichter ersetzt. Der Jahresenergiebedarf für den Drehtisch halbierte sich. Danach war eine Produktionserhöhung auf 560 Säcke pro Stunde möglich.

Schneckenförderer

Ein Schneckenförderer für eine Verbrennungsanlage wird während 8'600 Jahresstunden über ein Schneckengetriebe mit i = 45 und einen 5.5 kW Drehstrommotor angetrieben. Das Getriebe verheizte fast die Hälfte der Motorleistung. Durch den Einsatz eines Zyloidengetriebes genügte ein 4 kW Motor. Statt 50'000 sind nur noch 35'000 kWh Elektrizität pro Jahr nötig. Die Mehrkosten gegenüber dem alten Antriebssystem betragen 1'200 Franken. Pro Jahr werden aber bei einem Strompreis von 10 Rappen pro kWh 1'500 Franken eingespart. Das bessere Getriebesystem zahlt sich also in weniger als einem Jahr.

Schenckenförderer für Verbrennungsanlage Prinzip Zycloidengetriebe

Die 5 Bereiche des Energiesparens

1. System: In der Wahl des energieoptimalen Systems liegen die grössten Energiesparmöglichkeiten. Es ist zum Beispiel energetisch viel effizienter Schüttgut auf Förderbändern als mit Luft zu fördern.

2. Steuerung: Oft kostet es praktisch nichts, Komponenten abzuschalten wenn sie nicht benötigt werden. Mit drehzahlvariablen Antrieben kann zum Beispiel bei der Flüssigkeitsförderung bedarfsgerecht geliefert werden.

3. Auslegung: Überdimensionierung hat nichts mit besserer Qualität zu tun und kostet Geld. Ein zu grosser Motor erfordert zum Beispiel auch ein zu grosses Getriebe dieses wieder ein stärkeres Fundament.

4. Komponentenwahl: Vordergründig denkt man bei Energiesparmassnahmen an den Einsatz von teuren Komponenten. In den drei vorausgehenden Bereichen liegen grössere Energiesparmöglichkeiten als in den "besseren" Komponenten, welche natürlich auch ihre Bedeutung haben.

5. Unterhalt: Ein abgenützter Keilriemen oder ein nicht nachkalibrierter Temperatursensor verschwendet nicht nur Energie, sondern kann auch die Prozessqualität verschlechtern. Für den Konstrukteur bezieht sich der Unterhalt nicht nur auf die Betriebsanleitung sondern auch auf Anzeigegeräte und wartungsfreundliche Einrichtungen.


Systembetrachtung

Es gibt einige Beispiele für etablierte Energiespar-Anstrengungen. Die eindrücklichsten ergeben sich beim Antrieb mit unserer Muskelkraft oder mit einer Batterie. Wenn wir ein Velo mit einem Motorrad vergleichen, sehen wir, welche konstruktiven Anstrengungen beim Gewicht und der Reibung im Kraftübertragungssystem unternommen wurden. Ein normaler Tischcomputer würde mit der Batterie eines ebenbürtigen Notebook-Computer nach 10 Minuten den Geist aufgeben. Obwohl diese Beispiele mit dem Maschinenbau nicht allzuviel zu tun haben, zeigen sie, dass die grössten Sparmöglichkeiten in der Grundkonstruktion liegen.

Man kann Maschinen und Anlagen vergleichen, indem man die Leistungsaufnahme im Leerlauf und bei Last misst. Eine Wasserpumpe braucht mit Wasser viel mehr Leistung als ohne Wasser. Bei einer Werkzeugmaschine wird das Wattmeter etwas ansteigen, wenn gearbeitet wird. Eine Verpackungsmaschine oder ein Roboter brauchen ohne Werkstück nahezu gleichviel Strom wie mit Werkstück .

Nach einem Grundgesetz der Physik geht keine Energie verloren. Was als Energie in eine Maschine hineingesteckt wird, kommt wieder heraus, sonst würde die Maschine mit der Zeit ja überhitzen. Die Energie (vorallem Wärme), welche die Maschine abgibt, ist aber meistens nichts wert, da sie nicht genutzt wird, oder sogar noch aufwendig abgeführt werden muss.

Viele Maschinen verrichten im energetischen Sinn keine Nutzarbeit (Bild 5). Auf theoretischer Basis kann man auf den prozesspezifischen Energieaufwand zurückgreifen. Oft ist dieser Wert sehr viel geringer, als die Leistungsaufnahme der Maschine pro produzierte Einheit.

Energiebilanz einer Maschine

Für einen komplizierten Bearbeitungsprozess ist die Verwendung des Begriffs Wirkungsgrad nicht sehr sinnvoll. Energetisch ist der Ausdruck Nutzungsgrad (der durchschnittliche Wirkungsgrad) besser. Wenn eine Maschine in einem Zyklus von 10 Sekunden für 2 Sekunden mit einem Wirkungsgrad von 50% arbeitet so kann der Nutzungsgrad bei 15% liegen. Der Einrichtbetrieb und die Stillstandszeiten reduzieren den Nutzungsgrad nochmals.

Eine andere Betrachtungsweise konzentriert sich auf die Energieverluste. Die Verluste fallen an verschieden Teilen der Maschine an. Zum einen sind die Prozessverluste wie beim Zerspanen eines Werkstückes. Die Maschinenverluste entstehen vorallem durch Reibung und in den Hilfsaggregaten. Elektrische Verluste erwärmen die Motoren, Kabel, Steuerung, Trafo, Schalter und Sensoren. Zusätzliche Verluste verursachen Produktionsausschuss, die Beleuchtung und die Klimatisierung. Nicht zuletzt reduziert eine gute Produktionsplanung die Logistikverluste durch eine schlechte Maschinenauslastung.


Kennlinien verschiedener Prozesse

Den verschiedenen Grundprozesse kann man Kennlinien in Bezug auf Leistung und Geschwindigkeit (Drehzahl) zuordnen. Folgende 4 Gruppen, unterscheiden sich um jeweils eine Potenz:

0. Potenz: Ab einer gewissen Drehzahl konstante Leistungsaufnahme bei spanabhebender Bearbeitung wie Bohren, Fräsen, Drehen und beim Zentrumswickler

1. Potenz: Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt beim Lift, Kran und bei der Gleitreibung die Leistung proportional zu.

2. Potenz: Bei der laminaren Strömung nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit die Leistung quadratisch zu. Dieser Effekt ist bei Feinfiltern und bei hydrodynamischen Lagern zu beobachten.

3. Potenz: Am häufigsten nimmt der Leistungsbedarf mit der Geschwindigkeit kubisch zu. Bei turbulenten Strömungsverhältnissen von Gebläsen, Pumpen usw. und bei der Positionierung.


10 Lösungsansätze für Energiesparmöglichkeiten

  1. Konzentration auf die Energiefresser: Energie ist Leistung mal Zeit. Es sind nicht nur die grossen Aggregate, welche viel Energie brauchen. Eine kleine Pumpe mit 100 Watt Leistung welche rund um die Uhr läuft, braucht mehr Energie als eine 2 kW Spindel, welche 1 Stunde pro Tag läuft.

  2. Optimaler Prozess für die Aufgabe: Für die Lösung einer Aufgabe gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Beispiel braucht das Fräsen von Stahl etwa 30 mal weniger spezifische Energie als das Schleifen oder 100 mal weniger als die Funkenerosion.

  3. Reduktion der Reibung: Maschinen mit einer hohen Leerlaufleistung haben oft hohe Reibungsverluste. Die Reibung kann mit reibungsarmen Kontaktstellen wie zum Beispiel Wälzlager statt Gleitlager und bei schnellen Oberflächen mit strömungsoptimalen Formen reduziert werden.

  4. Reduktion der bewegten Massen: Komponenten welche oft die Geschwindigkeit ändern, sollten möglichst leicht sein. Durch die Materialwahl zum Beispiel Aluminium statt Stahl, die Form zum Beispiel Wabenprofil statt Vollprofil kann die Masse reduziert werden. Zusätzlich kann durch verteilte Antriebe und durch Direktantriebe eine erhebliche Vereinfachung realisiert werden.

  5. Prozessgrössen dem momentanen Bedarf anpassen: Viele Komponenten an einer Maschine arbeiten mehr, als nötig ist. Zum Beispiel regelt eine Zustellachse seit dem Einrichten auf der gleichen Position, obwohl sie geklemmt und abgeschaltet werden könnte. Ein anderes Beispiel ist bei vielen Hydraulikaggregaten zu finden, welche die überschüssige Energie über einen Bypass vernichten, anstatt die Förderleistung dem Bedarf anzupassen.

  6. Antriebskonzepte auch energetisch auswählen: Es ist nicht egal, welches Antriebssystem gewählt wird. Am besten ist der Elektroantrieb und das Getriebe. Diese erreichen zusammen einen Wirkungsgrad von 50 bis 90%. Der Hydraulikantrieb wandelt dreimal die Energie. Vom Elektromotor in die Pumpe und dann in den Hydraulikantrieb. Die besten Systeme erreichen einen Wirkungsgrad von 50%. Am schlechtesten sieht es mit der Pneumatik aus. Zur dreifachen Energiewandlung kommt die Abwärme der Luft bei der Kompression dazu. Ein Pneumatiksystem übersteigt selten einen Wirkungsgrad von 5%.

  7. Maschinenumgebung mit einbeziehen: Eine Maschine ist energetisch nicht nur mit ihrem elektrischen Anschluss mit der Umgebung verknüpft. Nebst den anderen direkten Energieanschlüssen wie Öl, Gas, Druckluft, Hydraulik, Heizung und Kühlung beeinflusst sie das Klima in ihrer Umgebung. Um in einer warmen Maschinenhalle 2 kW rauszukühlen braucht es zusätzlich 1 kW Strom.

  8. Anwender mit einbeziehen: Viele Maschinen werden nicht abgeschaltet, weil es eine kleine Ewigkeit geht, bis sie betriebsbereit sind. Eine dauernde Leistungsmessung mit Trendauswertung kann als Wartungsanzeige und Frühindikator für Störungen verwendet werden.

  9. Energiebilanz: Wenn Massen dauernd beschleunigt und abgebremst werden, so wird die Bremsenergie meistens in Wärme umgewandelt. Bei Systemen mit mehreren Achsen können diese die Energie unter sich austauschen. Für grösser Antriebe gibt es auch die Möglichkeit der Netzrückspeisung. Wo möglich, sollte wenigstens die Abwärme einer Maschine zum Beispiel für Warmwasser genutzt werden.

  10. Leistungskoordination: Wenn in einer Fabrik mehrere Maschinen in Betrieb sind, oder in einer Maschine mehrere Antriebe, so kann mit einem gestaffelten Einschalten und einer gegenseitigen Verriegelung die Leistungsspitze gebrochen werden. Die Kommunikation unter den Maschinen und zum Leitsystem sollte auch die Energie berücksichtigen. Zum Beispiel könnte ein Handlingroboter jeweils erst kurz vor dem Bearbeitungsende eingeschaltet werden.


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