Artikel Gewaltiges Potenzial

In den letzten Jahren haben sich die Energiepreise für elektrischen Strom nahezu verdoppelt – der Gesamtverbrauch ist gleichzeitig angestiegen. Erste Anzeichen, dass dennoch der spezifische Verbrauch gesunken sein könnte, lässt sich aus Aussagen des VDEW (Verband der Elektrizitätswirtschaft) ableiten. Demnach ist der Stromverbrauch bezogen auf das Bruttosozialprodukt um fast 2% im Jahr 2006 gesunken. Dieser Effekt beruht sicher nicht alleine auf der Effizienzsteigerung in der Antriebstechnik – hier kommen auch andere Faktoren zum Tragen, wie beispielsweise die Witterung und das Heizverhalten.

Der VDEW spricht jedoch in diesem Zusammenhang von der Entkopplung von Energieverbrauch und Wirtschaftswachstum. Diese Entkopplung ist aber nur dadurch zu erreichen, indem vielfältige technische Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung genutzt werden. Das Potenzial im Bereich der elektrischen Antriebstechnik liegt nach einer Studie des ZVEI von 2006 bei rund 28 Mrd. Wh, was ungefähr 5% des Gesamtverbrauchs in Deutschland entspricht. Dieses Potenzial anzugehen, lohnt in doppeltem Sinne: Auf der einen Seite steht ein immenser Gesamtbetrag von 2,2Mrd. Euro Einsparpotenzial, der unter Berücksichtigung der Strompreisentwicklung inzwischen noch einmal angestiegen sein dürfte, auf der anderen Seite wird die Umwelt nachhaltig geschont.

Die Anwendung entscheidet

Entscheidend bei der Umsetzung ist für die Unternehmen in den meisten Fällen die kurze Amortisierung der Investition. Die Amortisierungsdauer hängt dabei neben der Höhe der Investition sehr stark von der Art des Einsatzes und der Anwendung ab. Die Applikation entscheidet über sinnvoll oder nicht. Zwar ist es prinzipbedingt richtig, dass der Einsatz einer energieeffizienten Antriebskomponente den Stromverbrauch senkt, wird aber durch die Applikation die erforderliche Betriebsdauer oder der zugehörige Betriebspunkt gar nicht angefahren, kann es vorkommen, dass eine solche Investition sich nur auf sehr lange Zeit oder gar nicht amortisiert. Als Beispiel mag hier dienen, dass ein Antrieb, der nur sehr selten und dabei nur sehr kurz betrieben wird, wie etwa ein Torantrieb, insgesamt nur einen sehr geringen Energiebedarf aufweist.

In den überwiegenden Fällen laufen elektrische Antriebe in der industriellen Anwendung jedoch bei einer hohen Einschaltdauer, so dass der Verbrauch an elektrischer Energie ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor darstellt. Die Art der Anwendung und die Einsatzbedingungen verlangen jedoch angepasste Lösungen; die Pauschallösung zum Energiesparen in der Antriebstechnik gibt es nicht. Je nach Applikation variieren die optimalen Lösungen und häufig ist eine Einzelmaßnahme nur suboptimal. Die besten Ergebnisse werden durch die Kombination von sinnvollen Einzelbausteinen – Stichwort Energiesparbaukasten – zu einem effizienten Gesamtsystem erzielt.
Die Elemente des Energiesparbaukastens sind für sich genommen Einzelkomponenten, die hinsichtlich des Energieverbrauchs optimiert sind, wie etwa Energiesparmotoren der Baureihe DRE in Kupferdruckgusstechnologie. Dazu gehören aber auch Bausteine wie die Umrichterbaureihe vom Typ Movidrive, effiziente Getriebe der 7er Baureihe oder das mechatronische Antriebssystem Movigear, um nur einige zu nennen.

Kollektivlösungen betrachten

Zur Auswahl der optimalen Komponenten werden für die Applikation das Lastkollektiv und Drehzahl- bzw. Geschwindigkeits-Profil ermittelt. Aus diesen Anforderungen ergeben sich vorgefertigte sinnvolle Lösungen, die hinsichtlich ihres Energieverbrauchs untersucht werden und die bestmögliche Lösung ermittelt wird. Eine daraus resultierende typische Lösung, die den Systemgedanken verdeutlicht, stellt das Beispiel der direkten Energienutzung zwischen der Fahr- und Hubachse eines Regalbediengeräts (RBG) dar. Ein wesentliches Leistungskriterium des RBG ist die Anzahl der pro Stunde möglichen Einzel- und Doppelspiele nach FEM 9.851 (Fédération Européenne de la Manutention), die den Mittelwert der pro Stunde technisch möglichen Aus- und Einlagerungen spezifizieren. Der dabei erzielbare Durchsatz ist abhängig von der Nutzlast, von der Regalgeometrie wie Länge und Höhe und von den maximalen Geschwindigkeiten der RBG-Achsen.

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 langem 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. In Bild 2 ist für ein RBG mit einer Nutzlast von 1000kg und einer Ganglänge von 80m bei einer Gerätehöhe von 20m der Energieverbrauch der Fahr- und Hubachse für jede Einzelfahrt zu einem Fach und zurück dargestellt – dies entspricht allen möglichen Einzelspielen (betrachtet wurde der Fall 1 nach FEM 9.851).
Betrachtet man die Hubbewegung für sich alleine (Fahrstrecke X=0), ergibt sich eine ansteigende Gerade, d.h. der Energieverbrauch ist direkt proportional zur Hubhöhe. Die Fahrbewegung für sich alleine (Hubhöhe Z=0) betrachtet zeigt, dass der Energieverbrauch im Nahbereich zum Ein- bzw. Auslagerpunkt proportional zur Fahrstrecke zunächst stark ansteigt. Anschließend ist die Zunahme pro gefahrenem Meter flacher. Die Ursache liegt darin, dass für die Beschleunigung mehr Energie bezogen auf die Fahrstrecke benötigt wird als nach Erreichen der Endgeschwindigkeit, da dann nur noch Beharrungswiderstände überwunden werden müssen.
In der Darstellung aus Bild2 wird davon ausgegangen, dass bei Abwärtsfahrt und beim Verzögern des Fahrwerks die überschüssige Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wird, was der üblichen RBG-Technik entspricht. Die freiwerdende Energie kann aber durch geeignete Maßnahmen auch effizient wieder verwendet werden – quasi recycled.
Dazu werden die Umrichter vom Typ Movidrive von Fahr- und Hubachse in ihren Zwischenkreisen zusammengeschaltet. Dadurch wird ermöglicht, dass freiwerdende elektrische Energie direkt wieder von der zweiten Achse verwendet werden kann. Das alleinige Zusammenschalten würde aber dazu führen, dass das Recycling mehr oder weniger nach dem Zufallsprinzip funktionieren würde, denn die Fahr- und Hubbewegungen sind auf geringe Spielzeiten optimiert und nicht auf das Teilen von freiwerdender Energie. Dies wird durch die überlagernde Steuerung realisiert. Fahr- und Hubachse werden dabei so angesteuert, dass die kürzest mögliche Gesamtzeit nicht verlängert wird und gleichzeitig aber innerhalb des zur Verfügung stehenden Zeitfensters die Fahr- und Hubachse energieoptimiert betrieben wird. Beispielsweise können dadurch Situationen auftreten, bei der eine kurze Hubbewegung erst beginnt, wenn das Fahrwerk schon in seiner Verzögerungsphase ist. Vereinfacht könnte man sagen: Was der eine gibt, nimmt der andere. Der Gesamtenergieverbrauch wird dadurch je nach Regalgeometrie und Geräteparametern um bis zu 25% reduziert, wie in Bild3 verdeutlicht wird. Für identische Geräteparameter erreicht das Gerät die gleiche Anzahl an Einzel- bzw. Doppelspielen bei verbesserter Energiebilanz. Besonders wirksam ist das System dann, wenn sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung gefahren wird.

Intelligente Lösungen

Innerhalb des Baukastensystems für Energiesparlösungen übernimmt die Steuerung Movi-PLC die zusätzliche Koordinationsaufgabe. Die Hardware – also die eigentliche Gerätesteuerung – ist ohnehin ein Bestandteil des RBG. Der Einsatz als so genanntes Applikationsmodul ist neben den Steuerfunktionen problemlos möglich, so dass die beschriebene Lösung nahezu preisneutral zu aktivieren ist. Der Aufwand gegenüber anderen Lösungen wie beispielsweise Energierückspeisungen oder Matrixumrichtern ist minimal und vermeidet übliche Nachteile wie starke Netzrückwirkungen oder den großen Platzbedarf in der ohnehin schmalen RBG-Gasse.