Teil 1 von 3: Effizienz ist mehr als Verbrauch Auslegung und Engineering in der Antriebstechnik

Das Thema gliederten wir während der Diskussion in sechs Punkte: Erster Punkt war selbstverständlich die Energieeffizienz. Mit gleicher Gewichtung in der Bedeutung wollten wir jedoch auch die Felder Antriebsauslegung, Substitution, Effizienz im Zusammenspiel mit der Mechanik, Engineering und eine Total-Cost-Of-Ownership-Be­trach­tung debattieren. In der hier beginnenden dreiteiligen Artikelserie stellen wir die Standpunkte der Experten vor. Teil 1 konzentriert sich darauf, was überhaupt hinter dem Begriff Energieeffizienz steckt und wie eine Auslegung sinnvoll erfolgen kann. Im zweiten Teil folgen dann die Schwerpunkte Substitution und Effiziente Mechanik. Im dritten Teil beschäftigen sich die Teilnehmer der Gesprächsrunde schließlich mit dem Engineering und TCO-Gesichtspunkten. Dass Effizienz wesentlich mehr umfasst als nur den Verbrauch, darüber waren sich alle Teilnehmer einig. Dennoch waren die Experten durchaus nicht immer einer Meinung und setzten unterschiedliche Schwerpunkte in der Diskussion. Gerhard Kobs: Ich kann den Satz \’Effizienz ist mehr als Verbrauch\‘ nur unterstreichen. Dabei kann man untescheiden zwischen der Effizienz der Produkte und der Effizienz bezüglich des Engineerings. Bei den Produkten stehen Komponenten mit einem hohen Wirkungsgrad im Vordergrund – bei uns also Regler, Motoren und Getriebe. Es geht aber auch darum, Verluste zu vermeiden. Lüfter, die nicht benötigt werden, können abgeschaltet werden. Beim Thema Engineering kann man unterteilen in die Konzeptfindung, Prozessoptimierung und Auslegung. Welches Antriebskonzept ist das effizienteste für die Applikation: Hydraulik, Pneumatik, Elektrik oder Hybrid? Nach der exakten Auslegung der Komponenten muss ich den Prozess, z.B. die Bewegungsabläufe, optimieren. Dr. Edwin Kiel: Die Antriebstechnik ist im Moment stark durch das Thema Energieeffizienz getrieben. Man kann mit Antrieben in indust­riellen Einsätzen 20 bis 30% Energie sparen. Wenn man sich klar macht, dass alleine Lenze pro Jahr Umrichter mit einer Nennleistung von zwei Kernkraftwerken in den Markt gibt, wird schnell klar, welche Einsparpotenziale geregelte Antriebe darstellen. Antriebe in der Energiebilanz zu optimieren, bedeutet jedoch viel mehr, als nur nach einem Label zu schauen. Anbieter müssen die Anwendung gut kennen und die richtigen Komponenten dafür auswählen. Außerdem müssen Antriebe exakt dimensioniert werden. Da kann man schon eine Menge falsch machen. Claus Wieder: SEW betrachtet auch die anderen Größen – angefangen bei Getriebe, Motor und Elektronik. Gerade im Bereich der Mechanik gibt es genügend Möglichkeiten, Effizienz zu steigern oder zu vergeuden. Ich denke, dass in der Projektierung und der Auslegung ein wichtiger Punkt von Effizienz liegt. Ich gebe Herrn Dr. Kiel recht: Da wird auch heute noch vieles verkehrt gemacht. Fehler am Anfang kann der Anwender nur schlecht über Komponenten kompensieren. Dr. Axel Gomeringer: Wir betrachten das Thema Energieeffizienz unter dem Aspekt Total Cost of Ownership. Dort liegt im Moment der Nutzen für unsere Kunden. Wir konzentrieren uns nicht nur auf Energie­effizienz im Sinne der Umweltfreundlichkeit, sondern bieten dem Anwender einen Mehrwert durch geringere Kosten. Dafür müssen wir Komponenten liefern können, die in ein energieeffizientes System integriert werden. Und wir müssen die Sys­teme für die jeweiligen Anwendungsfälle energetisch optimieren. Das geht nur über Auslegung und das Know-how der Ingenieure. Außerdem müssen wir uns überlegen, wie wir neue Technologien voranbringen, um die Energieeffizienz zu steigern. Daher legen wir unter anderem Wert auf hybride Antriebskonzepte, die die Vorteile der Elektrik und Pneumatik kombinieren. Jochen Luik: Neben optimierten Komponenten sind die Auswahl der richtigen Antriebstechnologie und die richtige Dimensionierung ein Schlüssel, um kurzfristig gute Ergebnissen zu erzielen. Die Optimierung im bestehenden System kann nur erfolgen, wenn der mechatronische Verbund betrachtet wird. Die Komponenten werden in aller Regel kaskadenartig dimensioniert – ausgehend von der Mechanik über das Getriebe, die Frequenzumrichter bis in die Spannungsversorgung und Spannungsaufbereitung hinein. Hier muss ein Wirkungsgrad für ein Gesamt­system ermittelt werden. Das fängt an mit der Auswahl der richtigen Mechanik: Setze ich beispielsweise einen Spindelantrieb ein, einen Linearmotor oder einen Zahnriemenantrieb ein? Ralf Henkel: Bevor man über Antriebsdimensionierung, Wirkungsgrade oder rückgespeiste Bremsenergie diskutiert, lohnt sich ein Blick auf das Wesentliche: Stimmt das Automatisierungskonzept? Und bei der Hardwarestruktur sehen wir häufig noch separate Antriebsregler, separate CNC-Controller, separate Robotiksteuerungen, separate Steuerungssysteme, uneinheitliche Feldbussys­teme. Hier lässt sich durch passende Hardware-Multitalente, die ein modernes Antriebskonzept ermöglichen, schon viel Geld sparen. Mit einem passenden Konzept können auch Softwareaufgaben beliebig verteilt werden und über ein schnelles Bussystem synchron Informationen austauschen. Klar ist, dass moderne Automatisierung durch Software geprägt wird und deshalb ein durchgängiges Softwarekonzept ein wesentlicher Eckpfeiler energiesparender Antriebskonzepte ist. Kai Binder: Die Komponentenlieferanten unterstützen die Energieeffizienz-Debatte: Im Refit-Geschäft können sie viel Geld verdienen. Verhaltener sind da schon die Betreiber. Die Maschinenbauer jedoch scheinen noch sehr zurückhaltend zu sein. Kann man die Kunden mit Energieeffizienz nicht überzeugen? Jochen Luik: Beim Maschinenbauer wird im Moment noch zwischen den Einstandskosten und den Lebenszykluskosten abgewogen. Aber wir müssen Konzepte für die Zukunft bereithalten. Denn die Maschinenbauer sind für das Thema sensibilisiert. Und die Bedeutung wird auch durch die politischen Umstände an Bedeutung gewinnen. Letztendlich müssen wir als Komponenten- oder Systemlieferanten ein Konzept in der Tasche haben, um zukunftsweisende Lösungen anzubieten. Gerhard Kobs: Ich denke auch, dass unsere Kunden aufgrund der öffentlichen Diskussion aufmerksamer werden. Ein Beispiel aus dem Bereich der Servopressen in der Automobilindustrie: Sie verbrauchen 10% weniger Energie gegenüber einer hydraulischen Presse. Und das ist bei Leistungen von 640kW doch einiges. Deshalb fragen die Automobilisten auch nach diesen Lösungen. Kai Binder: Jede Waschmaschine hat heute eine Energieklasse. Wer ein Haus vermieten will, braucht einen Energiepass. Braucht man demnächst auch für eine Maschine einen Energiepass? Dr. Edwin Kiel: Das haben wir auch schon diskutiert. Aber das wird so nicht funktionieren. Der ganze Maschinenbau und die Anzahl der Anwendungen sind sehr vielfältig. Wollen wir uns eine solche Regelung wirklich auferlegen? Können wir das nicht anders lösen? Kai Binder: Welchen Einfluss hat die Auslegung der Maschinen mit kaskadierten Sicherheitsreserven des Maschienbaus? Und was bringen Auslegungstools? Dr. Edwin Kiel: Schon seit einigen Jahren setzen wir im Vertrieb ein Softwarewerkzeug ein, mit dem man die Daten der Antriebs-Aufgabenstellung aufnimmt. Das sind zu bewegende Massen, Reibungen und Bewegungsabläufe. Dann erfolgt die Produktauswahl aus einem variantenreichen Baukasten. Da gilt es, immer dafür zu sorgen, dass die Komponenten weder überdimensioniert noch unterdimensioniert sind. Unterdimensioniert heißt, das System erfüllt die Funktion nicht. Überdimensioniert heißt, es ist zu teuer – und im Zweifelsfall nicht wettbewerbsfähig. Wir haben unserem Vertrieb ganz klar gesagt: Es gibt kein Angebot mehr ohne Auslegung. Und mit leistungsfähigen Tools kann man das schnell umsetzen. Gerhard Kobs: Wir sind zurzeit mit einem Praxisseminar zur Auslegungssoftware bei den Kunden unterwegs. Dabei führen wir beispielhaft eine manuelle Auslegung durch – unter Berücksichtigung der Mechanik wie z.B. Zahnstangen-Ritzel, Getriebe und Motor, bis hin zu Bewegungsprofilen und Lasten. Dabei vergleichen wir die Ergebnisse mit einer Dimensionierung, die ein Tool automatisch erzielt. Das Ganze erfolgt systematisiert und nachvollziehbar. Und der Anwender erhält den kleinsten Motor oder das kleinste Versorgungsmodul. Wir stellen unseren Kunden das Tool auch auf unserer Homepage zur Verfügung. Claus Wieder: Aber da kommen noch andere Faktoren hinzu: Gefühle beim Projektierer wie der Sicherheitzuschlag. Der Mechaniker möchte ein bisschen mehr, und dem Elektriker sind 1,1kW meist zu wenig; also nehmen wir 1,5kW. Deshalb sind die Erfahrungswerte die bestimmenden Dinge. Oder der Maschinenbauer will standardisieren, also nur eine statt drei verschiedene Motorgrößen verwenden. Dann wird generell der größte Motor in der Anlage verwendet. Ralf Henkel: Natürlich erkaufen sich Maschinenbauer durch Überdimensionierungen einen ruhigen Schlaf, weil sie sich damit auf der sicheren Seite wähnen und überdimensionierte Motoren eine längere Lebensdauer der Maschine gewährleisten sollen. Eine einfache, aber doch exakte Antriebsdimensionierung ist jedoch problemlos möglich. Die Vermeidung von Überdimensionierungen hilft nicht nur Kosten der Anschaffung von Antriebseinheiten zu senken, sondern auch die Kosten der später eingesetzten Energie. Jochen Luik: Um Softwaretools werden wir nicht herumkommen. Denn der Maschinenbauer arbeitet zum einen mehrstufig, zum anderen eher \’grobkörnig\‘. Da gilt oft das Prinzip \“Letztes Mal hatten wir einen 100er-Motor, diesmal ist die Maschine größer, also nehmen wir einen 140er-Motor\“. Wir bei Festo können in unseren Softwaretools die komplette Technik von der Mechanik bis hin zur Steuerungstechnik abbilden. Wir bilden Themen wie innere Reibwerte, Wirkungsgrade einzelner mechanischer Komponenten und Getriebe ab. Über die Eingabe von Applikationsdaten können wir dann den Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten bestimmen. Ralf Henkel: Wenn man dem Maschinenbauer die Möglichkeit gibt, sämtliche Ströme, Temperaturen, Motorwerte anzeigen und auswerten zu können, kann er daran erkennen, ob er Optimierungsmöglichkeiten hat. Da sehen wir einen Schwerpunkt, ebenso wie in der Einbeziehung der Kühltechnik. Durch Kühltechniken wie \’Cold Plate\‘ oder Durchsteckmontage kann man nicht nur die elektrische Leistung, sondern auch die thermische Umgebung optimieren. Das muss also ebenfalls Bestandteil eines Planungstools sein, was wir auch im Programm haben. Kai Binder: Vertrauen die Kunden den Ergebnissen dieser Tools? Jochen Luik: Die Kunden vertrauen unseren Auslegungen und den Ergebnissen, die unsere Softwaretools produzieren. Das ist unkritisch. Zusätzlich haben wir eine Lebensdauerberechnung integriert. Wenn ein Kunde beispielsweise eine berechnete Lebensdauer von fünf Jahren für seine Maschine erhält und einen Sicherheitsfaktor von zwei Jahren zusätzlich möchte, dann können wir ihm das System für sieben Jahre Lebensdauer auslegen. Gerhard Kobs: Bei uns gibt es einen Sicherheitsfaktor als Parameter. Unsicherheiten in der Auslegung können so kompensiert werden und geben dem Anwender ein besseres Gefühl. Claus Wieder: Wir garantieren bei der Auslegung, dass sie auch funktioniert. Die Anwender brauchen ja einen Richtwert. Trotzdem dimensioniert man die Anlage manchmal größer oder kleiner. Aber die Auslegung liefert den Basiswert. Das ist letztendlich reine Mathematik. Ralf Henkel: Generell verläßt sich der Maschinenbauer auf uns als Lieferanten, speziell was die Auslegung der Antriebskomponenten betrifft. Das ist dann stets ein enges Zusammenspiel. Themen wie Standardisierung und Variantenvielfalt kommen hier ebenfalls zur Sprache. Den nächsten Teil der Expertenrunde können Sie im SPS-MAGAZIN 9/2008 lesen. Dann diskutieren die Teilnehmer darüber, welche Rolle Antriebssubstitutionen und eine intelligent gewählte Mechanik an Effizienzgewinnen bereithalten. (afs)