Analysewerkzeug für Antriebslösungen

Energieeffizienz

Auslegungssoftware – Mit neuen Software-Werkzeugen kann der Energiebedarf einer Antriebslösung, einzelner Antriebskomponenten oder des Gesamtsystems einer Maschine berechnet werden. So lassen sich zielgerichtet Energieverbrauch und Betriebskosten senken – und zwar noch im Entwicklungsstadium.

15. Oktober 2010

Dass jetzt aus betriebswirtschaftlichen Erwägungen heraus die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zunehmend in den Fokus rückt, macht für Volker Bockskopf Sinn. »Es ist höchste Zeit, bei Investitionsentscheidungen die Total Costs of Ownership (TCO) stärker zu berücksichtigen«, unterstreicht der Umweltmanager bei Lenze. Da die reinen Anschaffungskosten dem VDMA zufolge lediglich einen untergeordneten Anteil der TCO ausmachen, geht es vor allem um die Betriebskosten und ihr Verhältnis zum Anschaffungspreis. »Da Energie einer der größten Posten bei den Betriebskosten ist, sollten primär Antriebssysteme auf Effizienz und Energieverbrauch durchleuchtet werden«, ist Bockskopf überzeugt.

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 Antrieben mit hoher Energieeffizienz zu kommen, gibt es keine schnellen Lösungen wie beim Kühlschrankkauf. Das hängt damit zusammen, dass Antriebe Energie wandeln und somit ihre Aufgabe immer im Zusammenspiel mit einem mechanischen Prozess verrichten. Die Antriebskomponenten 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 benötigten und wie diese vom Antrieb zur Verfügung gestellt wird.

Effizienz von Anfang an

Grundsätzlich gibt es drei Ansatzpunkte, um die Energieeffizienz von Antriebssystemen zu erhöhen: Man kann, streng nach dem Motto »So wenig wie nötig« Elektrische Energie intelligent einsetzen; man kann genauso Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln und es lässt sich, drittens, rückgespeiste Bremsenergie nutzen. Hier setzt das Auslegungswerkzeug Drive Solution Designer (DSD) von Lenze an: Mit diesem Werkzeug lassen sich besagte drei Punkte ohne großen Aufwand schon während der Planung einer Maschine und ihrer Antriebslösung berücksichtigen.

Zunächst steht die präzise Auslegung, also die genaue Anpassung des Antriebs auf die Anwendung im Zentrum. Hierzu gehört zum Beispiel die bedarfsgerechte Dimensionierung des Antriebs, die an sich schon ein nicht zu unterschätzendes Einsparpotenzial bietet. Denn es ist noch immer gängige Praxis, Antriebe überzudimensionieren. Das geschieht meist aus Angst und Unsicherheit des Projekteurs, der vermeiden will, dass ein Antrieb bei der Inbetriebnahme oder 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. Mit dem DSD lässt sich eine exakte Antriebsauslegung schnell und einfach durchführen. Eingegeben werden die mechanischen Größen wie Massen, Reibung und der individuelle Geschwindigkeitsverlauf. Die mechanische und 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. Dabei bezieht die Software das umfangreiche praktische Erfahrungswissen der Hamelner Spezialisten für Antriebs- und Automatisierungstechnik über die Anwendungen und die elektromechanischen Antriebskomponenten mit ein. Diese umfassende Kompetenz lässt sich interaktiv im Dialog mit dem Anwender nutzen. 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 ist anhand eines aussagekräftigen technischen Protokolls und eines detaillierten Übersichtsprotokolls leicht nachvollziehbar. Um das Optimum zu erreichen, beinhaltet die Antriebsauslegung oft mehrere Schleifen. Da es meistens mehrere Lösungsmöglichkeiten für eine Anwendung gibt, empfiehlt es sich, Alternativen zu bilden, die unterschiedliche Lösungskonzepte, Antriebstechnologien und Produkte beinhalten. Die Lösungen mit ihren technischen Vor- und Nachteilen können leicht miteinander verglichen werden, um daraus die technisch wie wirtschaftlich bestmögliche Lösung auszuwählen.

Energiepass-Antriebslösung

Eine DSD-Besonderheit ist der »Energiepass-Antriebslösung«: Er liefert dem Anwender detaillierte Informationen zum Energiebedarf der Anwendung, den verschiedenen Antriebskomponenten und vor allem zum gesamten Antriebssystem. Die zu erwartenden Energiekosten werden transparent und übersichtlich dargestellt. Zusätzlich wird die rückspeisbare Energie berechnet, die über den DC-Bus ausgetauscht oder über ein Rückspeisemodul in das Versorgungsnetz zurückgeführt werden könnte.

Die Berechnungen der Energieeffizienz sind für den User am Ende jedes Auslegungsgangs verfügbar. Verbesserungspotenziale lassen sich so schnell erkennen. Im Handumdrehen sind daraufhin Optimierungen an Mechanik, Kinematik und Antriebskomponenten vornehmbar. 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 CO2-Reduktion ermitteln, was zum Beispiel für Endkunden der Automotivebranche oder am internationalen Emissionshandel beteiligte Betriebe sehr wichtig ist.

Mit DSD hat Lenze eine Antriebsauslegungs-Software entwickelt, mit der der Energiebedarf einer Antriebslösung, der einzelnen Antriebskomponenten und des Gesamtsystems einer Maschine berechenbar ist. Außerdem zeigt das Werkzeug Möglichkeiten auf, die Antriebsenergie effizienter zu nutzen. Auf dieser Grundlage lassen sich zielgerichtet Energieverbrauch und Betriebskosten einer Maschine senken – und zwar noch im Entwicklungsstadium.

O. Götz, P. Vogt, Lenze

Fakten

Seit über 60 Jahren ist Lenze ein innovatives Unternehmen mit rund 40 Vertriebsgesellschaften, Entwicklungsstandorten und Produktionswerken in Europa, Asien und Amerika. - Als Spezialist für Antriebstechnik und Automatisierung bietet Lenze ein breites Spektrum passend aufeinander abgestimmter Produkte, vorbereiteter Lösungen und kompletter Systeme.

Erschienen in Ausgabe: Sonderheft Green/2010