Energieeffiziente Maschinen lassen sich von der technischen Seite her problemlos realisieren, wenn dieser Aspekt von Anfang an bei der Konstruktion und Auswahl bzw. Zusammenstellung der Automatisierungs- und Antriebskomponenten berücksichtigt wird.
Der Autor: Hans-Gerd Hilger OEM Customer Manager, Schneider Electric
Beim Design einer Maschine lassen sich verschiedene Aspekte im Hinblick auf eine hohe Energieeffizienz berücksichtigen. Dies fängt bei der richtigen Dimensionierung der Antriebe an, denn oft werden Antriebe überdimensioniert, um für zukünftige Modifikationen noch Reserven zu haben. Allein durch das richtige Verhältnis zwischen Robustheit und Zuverlässigkeit einer Maschine und den mutmaßlich benötigten Reserven lässt sich der Energiebedarf einer Maschine optimieren. Erfahrungswerte zeigen, dass durch eine korrekte Auslegung der Antriebe bereits 3 bis 4 % an Energie eingespart werden können. Zusätzliche Effekte lassen sich durch den konsequenten Einsatz elektronischer Antriebstechnik erzielen. Gerade Pumpen und Lüfter bergen im Teillastbereich ein hohes Sparpotenzial. Bei Anwendungen, in denen ein Motor häufig gestartet oder gestoppt werden muss, bietet sich der Einsatz von Frequenzumrichtern anstelle von Schützen an, da hier durch die Elektronik die hohen Anlaufströme von Motoren begrenzt werden. Auf diese Weise werden Verluste reduziert und Lastspitzen vermieden.
Die Palette zusätzlicher Maßnahmen rund um die Antriebstechnik ist breit gefächert:
- Einsatz von Synchronmotoren mit Wirkungsgraden von 95 % anstelle der üblicherweise mit Frequenzumrichtern verwendeten Asynchronmotoren, wie es beispielsweise mit der Umrichterfamilie Altivar 71 möglich ist. Dies bietet eine Effizienzsteigerung um bis zu 10 %.
- Ersatz von Mechanik durch Motion-Technologie und Servoantriebssysteme für die Synchronisation von Bewegungen, den Ersatz von Nockenschaltwerken oder Kurvenscheiben. Eine solche Lösung bietet gleich zwei Vorteile: Neben einer höheren Energieeffizienz lässt sich hiermit zusätzlich eine höhere Performance der Maschine erzielen.
- Ersatz von Hydraulik und Pneumatik durch elektrische Lösungen. Gerade bei pneumatischen Systemen sind Verluste durch Leckagen unvermeidlich, sodass ihr Ersatz durch elektrische Lösungen den Energieverbrauch im Betrieb deutlich reduzieren kann.
Neben den mehr oder weniger offensichtlichen Maßnahmen zur Effizienzsteigerung spielt auch die Software-Entwicklung eine Rolle bei der Reduzierung des Energiebedarfs einer Maschine. Heute wird vielfach das Steuerungssystem einer Maschine beim Abschalten unter Spannung gehalten, um nach einer Produktionspause schnell wieder anfahren zu können. Dabei entstehen nicht unerhebliche Stand-by-Verluste. Bei entsprechender Programmierung kann der gesamte Zustand der Maschine mit allen relevanten Parametern vor dem Ausschalten gesichert und bei Wiedereinschalten vor dem Anfahren geladen werden.
So lässt sich die Maschine komplett abschalten, ohne dass einzelne Teile wie beispielsweise das Steuerungssystem unter Spannung gehalten werden müssen. Weitere Ansatzpunkte im Software-Engineering sind beispielsweise der Einsatz von Predictive Control-Reglern anstelle der klassischerweise oft genutzten PID-Regler oder intelligente Sequenzen zum Anfahren von Maschinen, mit denen sich hohe Einschaltstromspitzen vermeiden lassen.
Wesentlich beim Bau effizienter Maschinen ist ein aktives Energiemanagement. Erfahrungswerte zeigen, dass permanente Messungen und Analysen der Energieaufnahme bis zu 8 % Einsparpotenzial bringen.
Dieses ergibt sich aus der Möglichkeit, Anomalien im Energieverbrauch und damit Probleme mit der Maschine sehr früh zu erkennen. So können durch vorbeugende Instandhaltung Stillstände und Produktionsausfälle vermieden werden.
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