Elektrische Antriebe bieten eine Menge Möglichkeiten, Energie zu sparen. Die richtigen Lösungen tragen dazu bei, dass sowohl die Umwelt als auch der Geldbeutel entlastet werden.
Mittlerweile wird von allen bestätigt, dass die CO²-Emmissionen vermindert werden müssen, um die negativen Auswirkungen auf das Weltklima auf einem vertretbaren Niveau zu halten. Auch steigende Energiekosten erhöhen die Sensibilität beim Thema Energie.
Der Energieverbrauch kann gesenkt werden, wenn die Energieeffizienz erhöht wird. Letztendlich ist gesparte Energie die preiswerteste. Beim Verbessern der Energieeffizienz vieler industrieller Prozesse kann wiederum die Antriebstechnik helfen, weil Antriebe ungefähr für zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich sind.
Um zu Antrieben mit einer hohen Energieeffizienz zu kommen, gibt es keine schnellen Lösungen. Der Grund: Antriebe wandeln Energie und verrichten damit ihre Aufgabe immer im Zusammenspiel mit einem mechanischen Prozess. Die Komponenten des Antriebs können nur ihre Verluste reduzieren, diese haben aber in der Regel nicht den größten Anteil an der aufgenommenen elektrischen Energie.
Aus diesem Grund stellt Lenze sein Programm zur Steigerung der Energieeffizienz in einen engen Zusammenhang mit seiner Kompetenz für Antriebslösungen. Alle Maßnahmen, mit denen die Energieeffizienz von Antrieben gesteigert werden kann, werden dabei auf drei Säulen gestellt:
- Energie ist möglichst intelligent bereitzustellen, damit so wenig wie nötig eingesetzt wird. Hierzu zählen die bedarfsgerechte Dimensionierung und die Regelung von Antrieben.
- Die Energie ist im Antriebsstrang mit einem hohen Wirkungsgrad zu wandeln.
- Wenn der mechanische Prozess in nennenswerter Masse Bremsenergie zurückspeist, dann wird diese weiterverwendet.
Die erste diese drei Säulen ist die bedeutendste. Mit der intelligenten Bereitstellung von Energie kann 4 bis 5 Mal so viel Energie gespart werden wie mit der Reduzierung der Verlustleistung. Auch genutzte Bremsenergie hat, bezogen auf den typischen Anwendungsmix in Fabriken, einen kleineren Effekt wie die Wirkungsgradoptimierung. Insgesamt kann durch Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Regel eine Energieeinsparung von 20 bis 30 % erreicht werden, bei einzelnen Anwendungen auch deutlich mehr. Amortisationszeiten von zwei bis drei Jahren sind der Regelfall, so dass solche Investitionen auch bei jedem ernsthaften Controlling Unterstützung finden.
Um Energie intelligent bereitzustellen, ist es zunächst entscheidend zu wissen, wie viel Energie überhaupt für den Prozess benötigt wird. Weiterhin ist zu klären, ob dieser Bedarf konstant ist oder sich ändert. Auf der Basis dieser Analyse können die richtig dimensionierten Komponenten ausgewählt werden. Weiterhin kann entschieden werden, ob die Regelung des Antriebs über einen Umrichter den Energieverbrauch senkt.
Es ist heute eine gängige Praxis, Antriebe überzudimensionieren. Es arbeiten aber im Teillastbetrieb fast alle Antriebskomponenten mit einem schlechteren Wirkungsgrad, so dass für den mechanischen Prozess mehr elektrische Energie und damit auch mehr Verlustleistung aufgebracht werden muss. Nur durch exakte Analyse und Auslegung des Antriebs lässt sich dies verhindern.
Viele Antriebe werden heute bereits über einen Umrichter angesteuert. Hierdurch kann die Drehzahl verändert werden. Damit können dann beide physikalischen Parameter, die die mechanische Leistung bestimmen – die Drehzahl und das Drehmoment – an den Bedarf des Prozesses angepasst werden. Fast alle mechanischen Prozesse haben einen Leistungsbedarf, der nicht konstant ist, sondern von vielen Parametern abhängt. Letztendlich kann davon ausgegangen werden, dass sich bei fast jedem Antrieb aus funktionalen und energetischen Gründen der Einsatz eines Umrichters lohnt und zu einer Optimierung des Antriebsverhaltens führt.
Ist ein Antrieb so ausgewählt worden, dass er optimal zur Anwendung passt, dann soll er auch noch die Energie mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad wandeln. Hierzu müssen die einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs einzeln betrachtet werden.
Ein hohes Potenzial haben dabei die Elektromotoren, die die elektrische in die mechanische Energie wandeln. Der Standard-Drehstrommotor in Asynchrontechnik kann so gestaltet werden, dass sein Wirkungsgrad steigt. Bei allen geregelten Antrieben ist der Synchronmotor eine gute Alternative zum Asynchronmotor, weil er bei gleichem Drehmoment weniger Strom benötigt und damit natürlich auch weniger Verluste erzeugt. Lenze bietet für Servo-Antriebe Asynchron- und Synchronmotoren an und kann damit bestmögliche Lösungen vorschlagen.
Bleibt noch das Getriebe: die Verzahnungen von Stirnrad- und Kegelradgetrieben haben hohe Wirkungsgrade. Entscheidend ist hier die Anzahl der Übersetzungstufen. Hier werden Getriebe angeboten, die in einem weiten Einsatzbereich mit zwei Übersetzungen auskommen. Schlechte Wirkungsgrade haben Schneckengetriebe. Lenze hat bereits vor über fünf Jahren begonnen, diese durch Kegelradgetriebe mit deutlich besseren Wirkungsgraden abzulösen.
Die dritte Säule einer energieeffizienten Antriebstechnik ist es zurückgespeiste Bremsenergie sinnvoll zu nutzen, wenn diese in nennenswerter Masse anfällt. Die allermeisten Antriebe werden heute nicht für Produktionsprozesse, sondern für den Materialtransport eingesetzt. Diese beschleunigen oder heben Massen. Werden diese dann wieder gebremst oder abgesenkt, wird kinetische oder potenzielle Energie aus der Mechanik in den Antrieb zurückgegeben. In der Regel wird diese heute über einen Bremswiderstand in Wärme umgesetzt.
So kann durch einen DC-Verbund mit anderen Achsen ein Energieaustausch realisiert werden. Dieses bietet sich bei allen kontinuierlichen oder schnell getaktete Prozessen an, bei denen gleichzeitig generatorisch arbeitende Antriebe, etwa Abwickler, im Einsatz sind oder und motorisch arbeitende, wie etwa Gleichlaufantriebe. Auch kann über Rückspeiseeinheiten Energie in das elektrische Netz zurückgegeben werden.
Dr. Edwin Kiel Leiter Innovation, Lenze AG, Hameln
Energie intelligent bereitstellen
Teilen:
