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Sparen mit System

Energieeffizienz: Regalbediengerät halbiert Verbrauch
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Die Gesamtrückspeiserate dieses Regalbediengeräts unter Berücksichtigung aller möglichen Fahrkombinationen liegt knapp unter 50 %. Damit verbrauchen die mit dieser Rückspeisung ausgestatteten Geräte nur halb so viel Energie wie Geräte in konventioneller Bauart Je nach Regalgeometrie kann die intelligente Zwischenkreiskopplung den Energieverbrauch des Geräts um bis zu 25 % senken. Für die Hardware sind keine Investitionskosten notwendig. Das System amortisiert sich also unmittelbar Bilder: SEW-Eurodrive
Sinnvoll zu Lösungen kombinierte Technologien und Produkte, die der Markt bereit hält, sparen in der Antriebstechnik erheblich Energie ein. Dabei führen selbst in einer Anwendung unterschiedliche Konzepte zum Ziel, wie zwei Beispiele eines Regalbediengerätes zeigen.

Um den Energieverbrauch in der Antriebstechnik zu reduzieren, sind vor allem intelligente Lösungen gefragt. Je nach Anwendung können die richtigen Lösungen unterschiedlich ausfallen. Was für die eine Anwendung richtig ist, kann für eine andere sogar zu einem höheren Energieverbrauch führen. Die Analyse der Applikation ist zur Lösungsfindung unverzichtbar. Selbst in einer Applikation können unterschiedliche Konzepte zum Ziel führen, wie zwei Beispiele eines Regalbediengeräts zeigen werden.

Viele Anwendungen in der Antriebstechnik können heute nur noch mittels Drehzahlregelungen und Lageregelungen sinnvoll umgesetzt werden. Als typisches Beispiel in der Antriebstechnik wird im Folgenden das Regalbediengerät betrachtet, das sowohl Fahr- als auch Hubbewegungen durchführt. Diese Kombination von Bewegungen finden sich auch bei vielen Kränen – im englischen Sprachraum wird ein Regalbediengerät auch als „crane“ bezeichnet. Auch die Normen und Richtlinien bei Regalbediengeräten wurden letztlich aus Kranbaunormen abgeleitet.
Um ein Regalbediengerät sicher und schnell von Position A nach B zu bewegen, werden üblicherweise frequenzgeregelte Antriebe eingesetzt. Bei kleineren Geräten kommen dabei bereits Servomotoren zum Einsatz, bei größeren Geräten findet man vorrangig Drehstrom-Asynchronmotoren, die vektorgeregelt betrieben werden. Die Aufgabe des Gerätes ist es, möglichst schnell die Ladung zu übernehmen und ins Regal einzulagern oder diesen Vorgang beim Auslagern in umgekehrter Reihenfolge abzuarbeiten.
Energetisch betrachtet speichert das Regalbediengerät mit der transportierten Ladung potenzielle Energie im Regal. Beim Auslagern wird diese Energie unter Berücksichtigung von Wirkungsgradverlusten wieder freigesetzt. Das Regal stellt somit einen riesigen Energiespeicher dar. Bei konventioneller Bauart wird die freiwerdende Energie des beim Senken generatorisch arbeitenden Motors über den Brems-Chopper des Umrichters in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Sofern man das Regalbediengerät nicht als Heizung verwenden möchte, ist die Energie damit zur weiteren Nutzung verloren. Die freiwerdende Energie kann aber sinnvoll genutzt – quasi recycled werden:
  • Recycling der Energie durch Rückspeisung ins Netz
  • Direktes Nutzen der freiwerdenden Energie durch intelligente Zwischenkreiskopplung
Beide Verfahren sind mittlerweile Stand der Technik und in vielen Anlagen erprobt. Das Einsparpotenzial beider Lösungen hängt jedoch von vielen Faktoren ab, so dass die wirtschaftlichste Variante von Fall zu Fall beurteilt werden muss.
Energieeinsparung mit Rückspeisung
Ein am Netz betriebener Asynchronmotor wirkt bei übersynchronem Betrieb als Generator und speist im Schiebebetrieb – etwa beim Senken einer Last oder beim Verzögern – Energie zurück ins Netz. Auch am Umrichter erreicht der Motor in diesen Betriebsarten einen übersynchronen Betriebspunkt und entwickelt ein der Bewegung entgegengesetztes Moment. Die Leistung des Motors ist dabei negativ, die Energie muss also über den Umrichter abgeführt werden.
Die einfachste Maßnahme, die Energie zu entsorgen, stellt der Bremswiderstand dar. Wird das maximale Spannungsniveau im Zwischenkreis des Umrichters überschritten, wird die überschüssige Energie über den Brems-Chopper durch den Bremswiderstand regelrecht verheizt. Bei kleinen Energiemengen ist dies technisch durchaus akzeptabel, bei großen Energiemengen ist jedoch der Einsatz einer Netzrückspeisung wirtschaftlich sinnvoll. Die überschüssige Energie wird dabei in der Rückspeisung recycled, was durch den Wechselrichter der Rückspeisung erfolgt.
Im Falle des Regalbediengeräts hat man es beim Hubwerk mit durchaus nennenswerten Energiebeträgen zu tun, die im Falle der Senkbewegung des Hubwagens zurückgespeist werden können. Begünstigt wird die Rückspeiserate durch die üblicherweise hohen Wirkungsgrade der mechanischen Übertragungsglieder, so dass in der Hubachse bis zu 60 % der aufgewendeten Energie zurückgewonnen werden können. Im Fahren ist die Rückspeiserate geringer, da dort in der Konstantfahrt kontinuierlich Verluste auftreten und nur in der Verzögerung der Motor generatorisch betrieben wird. Die Gesamtrückspeiserate dieses Geräts unter Berücksichtigung aller möglichen Fahrkombinationen liegt knapp unter 50 %. Damit verbrauchen die mit dieser Rückspeisung ausgestatteten Geräte nur halb so viel Energie wie Geräte in konventioneller Bauart.
Je nach Anzahl der gefahrenen Spiele pro Stunde und Anzahl der Betriebstage im Jahr, ergibt sich eine unterschiedliche Amortisierungsdauer für die zusätzlichen Investitionskosten der Rückspeiseeinheit. Da Regalbediengeräte üblicherweise einer hohen Auslastung unterliegen, lassen sich Amortisierungszeiten in einer Größenordnung von zwei Jahren erreichen. Als nicht zu vernachlässigender Nebeneffekt sollte die CO2-Einsparung berücksichtigt werden, die in dem beschriebenen Fall bei 35 t pro Jahr liegt.
Energieeinsparung durch intelligente Zwischenkreiskopplung
Ein wesentliches Leistungskriterium des RBG ist die Anzahl der pro Stunde möglichen Einzel- und Doppelspiele nach FEM 9.851, die den Mittelwert der pro Stunde technisch möglichen Aus- und Einlagerungen spezifizieren. Der dabei erzielbare Durchsatz ist abhängig von der Nutzlast, der Regalgeometrie wie Länge und Höhe und den maximalen Geschwindigkeiten der RBG-Achsen und nicht zuletzt vom eingesetzten Lastaufnahmemittel. Hochleistungs-RBG sind dabei auf maximale Doppelspiele optimiert, der Energieverbrauch tritt zunächst in den Hintergrund. Da in den meisten Fällen eine chaotische Lagerverwaltung eingesetzt wird, sind die tatsächlichen Spielzeiten von den jeweiligen zufällig ermittelten Fachpositionen abhängig – der Mittelwert für ein Spiel stellt sich erst nach einem genügend langen Beobachtungszeitraum ein. Es ist daher auch nicht möglich, durch eine einfache Rechnung den typischen Energieverbrauch pro Doppelspiel anzugeben. Durch die Kombination aller möglichen Fahrten lassen sich jedoch die Einzelverbräuche ermitteln und daraus ein Mittelwert für ein typisches Spiel ermitteln.
Die Idee der Optimierung des Energieverbrauchs durch die Zwischenkreiskopplung beruht auf dem Prinzip, dass zwei Partner freiwerdende Energien teilen. Vereinfacht gesagt: was der eine gibt, nimmt der andere. Das Prinzip funktioniert dann optimal, wenn beide Partner ungefähr gleich stark sind. Als weiteres Kriterium gilt, dass die Spielzeit des RBG nicht verschlechtert werden darf – der Kunde möchte seinen Durchsatz ja beibehalten.
Die Zwischenkreiskopplung beider Umrichter alleine führt aber nur zu einem geringen Einspareffekt, sofern die Steuerung die Fahr- und Hubbewegung nicht energieoptimal aufeinander abstimmt. Vor dem eigentlichen Abarbeiten des Fahrbefehls ermittelt die Steuerung MOVI-PLC die optimalen Ein- und Umschaltzeitpunkte der Fahr- und Hubbewegung, wobei der Algorithmus die Gesamtspielzeit nicht verschlechtert. Erst diese intelligente Ansteuerung macht das Verfahren so effektiv.
Je nach Regalgeometrie kann die intelligente Zwischenkreiskopplung den Energieverbrauch des Geräts um bis zu 25 % senken. Für die Hardware sind keine Investitionskosten notwendig. Vielmehr wird der Gesamtaufwand sogar etwas geringer, da nur ein Bremswiderstand statt zwei benötigt wird. Sofern die Software einmal implementiert wurde, entstehen durch deren Multiplikation keine weiteren Kosten. Das System amortisiert sich also unmittelbar. In der beschriebenen Ausprägung werden pro Gerät und Jahr circa 20 t CO2 eingespart.
Dr.-Ing. Meinhard Schumacher SEW-Eurodrive, Bruchsal

kosteneffizienz
Durch die steigenden Energiepreise, verbunden mit der Diskussion zur Reduktion der Treibhausgase, werden die richtigen Maßnahmen zum Senken des Verbrauchs inzwischen immer häufiger umgesetzt. Dies ist möglich, da diese Maßnahmen sich auch wirtschaftlich darstellen lassen. Die Technologien und Produkte hierzu sind auf dem Markt verfügbar. Diese müssen jedoch sinnvoll zu Lösungen kombiniert werden.

Exaktes Anpassen wird Schlüsselgröße
Der Einsatz von Energiesparmotoren, also Asynchronmotoren der Wirkungsgradklassen IE2 und IE3, die zumeist am Netz geführt sind, bieten zwar dem Namen nach ein erhebliches Potenzial – die absolute Einsparung hält sich jedoch in einem relativ bescheidenen Rahmen. In einfachen Anwendungen als Dauerläufer in Pumpen und Lüftern ist der Einsatz unumstritten und sinnvoll. Doch in dynamischen Anwendungen kann ein Energiesparmotor sogar zu höheren Gesamtverbräuchen führen, da er prinzipbedingt höhere Massenträgheiten hat. Den Vorteil des besseren Wirkungsgrades können Energiesparmotoren nur dann ausschöpfen, wenn sie lange und möglichst in Konstantdrehzahl betrieben werden. Dies zeigt, dass Lösungen, die auf einzelnen Produkten mit spezifischen Energiespareigenschaften aufgebaut sind, nur in bestimmten Applikationen funktionieren. Um das wirklich volle Einsparpotenzial nutzen zu können, bedarf es auf die Applikation angepasste Lösungen.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 7
Ausgabe
7.2022
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