Energieeffizienz Durchflussmengen energieeffizienter regeln

Autor / Redakteur: Marco Bison / Stefanie Michel

Viele auf Hydraulik basierende Anwendungen arbeiten mit konstanter Drehzahl von Motor und Pumpe. Das ist in der Anschaffung günstig, benötigt aber viel Energie. Ein Servoantrieb wäre deutlich effizienter – und teurer. Mit einem drehzahlgeregelten Antrieb und einem „Power-on-Demand“-Konzept lässt sich der Energieverbrauch bei geringeren Kosten um die Hälfte reduzieren.

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Ein effizientes Hydrauliksystem benötigt nicht nur einen drehzahlgeregelten Antrieb, sondern auch ein entsprechendes Managementsystem, sodass sich der Endkunde unabhängig vom Standort einen aktuellen und detaillierten Überblick über alle Daten verschaffen kann.
Ein effizientes Hydrauliksystem benötigt nicht nur einen drehzahlgeregelten Antrieb, sondern auch ein entsprechendes Managementsystem, sodass sich der Endkunde unabhängig vom Standort einen aktuellen und detaillierten Überblick über alle Daten verschaffen kann.
(Bild: Eaton)

Energie effizient zu nutzen spart Unternehmen nicht nur Geld, sondern schont auch Ressourcen und wirkt dem Klimawandel entgegen. Ein wichtiger Ansatzpunkt bei der Steigerung der Energieeffizienz sind Pumpen – sie gehören zu den größten industriellen Stromverbrauchern. Bezogen auf den Lebenszyklus einer Pumpe betragen die Energiekosten durchschnittlich rund 45 % der Gesamtkosten.

Hier ruht also noch ein großes Energieeinsparungspotenzial, gerade für Pumpenanwendung sowie Kraftmaschinen basierend auf Hydrauliktechnologie. Allerdings arbeitet die überwiegende Mehrheit der heute im Einsatz befindlichen Applikationen mit einer konstanten Drehzahl von Motor und Pumpe. So erfordern zum Beispiel Hydraulikaggregate, die typischerweise aus kostengünstigen Asynchronmotoren, Motorstartern und Konstantpumpen aufgebaut sind, zwar nur geringe Investitionen. Doch dem steht ein relativ hoher Energieverbrauch gegenüber: Denn das gesamte Hydraulikaggregat wird auf den maximal benötigten Druck und Volumenstrom ausgelegt – und liefert diese Leistung auch, wenn sie gerade nicht benötigt wird. Zudem ist der Wärmeeintrag in die Hydraulikflüssigkeit durch die ständig laufende Pumpe hoch, sodass zusätzliche Kühlleistung erforderlich ist.

Geringe Investitionen können höhere Gesamtkosten verursachen

Um die Energieeffizienz eines solchen Systems zu erhöhen, besteht der elementare Ansatz darin, die Hauptpumpe der Anlage nicht konstant zu betreiben, sondern mit variabler Drehzahl: So wird nur die Leistung zur Verfügung gestellt, die das System benötigt. Als High-End-Lösung kann dies mit einem Vier-Quadranten-Direktantrieb realisiert werden. Dabei regelt ein Servoantrieb die Drehzahl der Pumpe und damit den Druck beziehungsweise den Volumenstrom. Eine aktive Ölkühlung ist hier nur in geringem Maße erforderlich. In der Summe verbraucht ein derartiges Aggregat damit deutlich weniger Energie als ein System mit Konstantdruck.

Allerdings kann ein Direktantrieb immer nur einen Prozess versorgen. Soll Hydraulikleistung für mehrere verschiedene Prozesse zur Verfügung gestellt werden, erfordert dies eine entsprechende Anzahl von Aggregaten. So ist der Vier-Quadranten-Direktantrieb mit Servomotoren eine Lösung, die vom Investitionsbedarf her am oberen Ende der Skala anzusiedeln ist.

Kosten- und energieeffiziente Lösung mit Drehzahlregelung

Eine kostengünstigere Alternative bietet Eaton: Bei dieser Lösung übernimmt ein Drehzahlstarter oder Frequenzumrichter die Steuerung der Drehzahl der Pumpe: Mit dem Frequenzumrichter lassen sich komplexere Funktionalitäten realisieren, kostengünstiger und einfacher in Betrieb zu nehmen ist der Drehzahlstarter. Als Antrieb kommt ein herkömmlicher Asynchronmotor zum Einsatz, wobei in Abhängigkeit von Betriebszyklen und Laufzeiten Motoren der Effizienzklassen IE2 bis IE4 verwendet werden können. Eine weitere Effizienzsteigerung lässt sich durch den Einsatz von Permanentmagnetmotoren erzielen, die allerdings auch höhere Investitionskosten verursachen.

Die Motorsteuerung erhält von einem Sensor Daten zum Druck im hydraulischen System und passt darauf basierend die Drehzahl des Motors an den Volumenstrombedarf der hydraulischen Verbraucher an. Dieses „Power-on-Demand“-Konzept ermöglicht auch die Versorgung mehrerer paralleler Prozesse mit einem ähnlichen Bedarf an Volumenstrom und Druck, wobei die Ansteuerung der verschiedenen Aktoren über Wege-, Proportional- oder Servoventile erfolgen kann. Dabei profitieren Nutzer dieser Konfiguration zusätzlich von einer höheren Maschinenlebensdauer dank geringerer Wärmeerzeugung, höherer Bedienersicherheit, einem kompakten Design sowie verbessertem Komfort durch Senkung des Geräuschpegels der Pumpe.

Energieeinsparungen von mehr als 50 Prozent

Mit einem gemeinsam mit dem Solution Partner, der ATP Hydraulik AG, entwickelten Maschinenmodell konnte Eaton die Energieeffizienz dieses Antriebskonzepts veranschaulichen. Dabei wurden drei Hydraulikaggregate parallel betrieben: Ein Aggregat arbeitet als Basislösung mit konstanter Drehzahl von Motor und Pumpe, beim zweiten kam die Servolösung mit Servoregler zum Einsatz, beim dritten schließlich ermöglicht ein Drehzahlstarter die Regelung der Hauptpumpe in Abhängigkeit der tatsächlich benötigten Leistung. So erlaubt das Maschinenmodell den direkten Vergleich der Einheiten hinsichtlich Dynamik, Energieverbrauch und Gesamtbetriebskosten.

Dabei wurden die Vorteile des drehzahlvariablen Hydraulikaggregats deutlich: Ausgehend von der Basislösung konnte gezeigt werden, dass mit dem „Power-on-Demand“-Konzept Energieeinsparungen von rund 60 % möglich sind.

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Retrofit mit Drehzahlregelung spart 50 % Energie ein

Dieses Einsparungspotenzial hat Eaton auch in der Praxis bestätigt: im Rahmen einer Retrofit-Maßnahme einer 20 Jahre alten 50-t-Spritzgussmaschine. Deren Hydraulikeinheit wurde bis dato mit einem konventionellen 15-kW-Asynchronmotor konstant angetrieben. Der Volumenstrom der Pumpe wird mechanisch gesteuert; selbst bei einem geringen Volumenstrom treibt der Motor die Pumpe konstant mit 1500 min-1 an und verbraucht entsprechend viel Energie. Dieser Antrieb wurde daher mithilfe des Frequenzumrichters Eaton PowerXL DA1, eines Permanentmagnetmotors und der Axialkolbenpumpe Eaton 425 Kolbenpumpe modernisiert. Indem der Motor lastabhängig geregelt und ihm nur Leistung abverlangt wird, wenn der Prozess es erfordert, konnte der Energieverbrauch von 5,6 auf 2,8 kWh gesenkt werden – also um rund 50 %. Unter der Annahme, dass die Maschine 300 Tage im Jahr in zwei Achtstundenschichten läuft, betragen die jährlichen Energieeinsparungen pro Maschine 2016 Euro. Die Amortisationszeit beträgt in diesem Fall 2,2 Jahre.

Intelligente Verdrahtung als Voraussetzung für ein Energiemanagement

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist aber nur der erste Schritt auf dem Weg zu einem energieeffizienten System. Der nächste ist es, die Voraussetzung für ein Energiemanagementsystem zu schaffen. Nur durch eine umfassende Aufzeichnung und Analyse der Energie- und Maschinendaten lassen sich hierfür der Energieverbrauch überprüfen, Optimierungsmöglichkeiten identifizieren und die Wirkung umgesetzter Maßnahmen kontrollieren. Das setzt den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren voraus, zum Beispiel für die Messung von Drücken, Positionen oder Temperaturen sowie Informationen zu den Betriebszuständen jeder einzelnen Komponente.

Bei der herkömmlichen Einzelverdrahtung bedeutet das einen erheblichen Zusatzaufwand für Leitungen und Verkabelung, um die Informationen von der jeweiligen Komponente zur speicherprogrammierbaren Steuerung zu übermitteln. Ein intelligentes Verbindungssystem auf Geräteebene wie Eatons Smart­wire-DT bietet im Vergleich hierzu deutliche Vorteile. Mit ihm lassen sich Komponenten wie Schaltgeräte, Leistungsschalter, Befehls- und Meldegeräte, Sensoren und Aktoren anstelle der aufwendigen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung über eine einzige Leitung miteinander verbinden. Die Leitung versorgt die angeschlossenen Geräte mit Strom und übernimmt gleichzeitig die Datenkommunikation. Gleichzeitig werden die Standardkomponenten mithilfe eines ASIC-Bausteins in intelligente und kommunikationsfähige Einheiten verwandelt.

Daten für Cloud-basiertes Energiemanagement zur Verfügung stellen

Da die E/A-Module von Smartwire-DT in Schutzart IP67 verfügbar sind, lassen sich auch Sensoren und Aktoren im Feld anschließen. So können Daten einer Maschine oder Anlage, zum Beispiel zur Überwachung der Vertikalbewegung der Zylinder, der Temperatur oder des Druckes, einfach erfasst und für ein Energiemanagement genutzt werden. Smartwire-DT bietet über Gateway-Module die Möglichkeit, das System an alle gängigen Steuerungen und Feldbussysteme wie Profibus, Profinet, CAN-Open, Modbus-TCP, Ethernet/IP, Powerlink oder Ethercat anzubinden – sowie an das Internet, und macht es somit IoT-ready. Werden Steuergeräte mit OPC-UA-Interface eingesetzt, können alle Daten – bis hinunter zur Geräte­ebene – beispielsweise für eine Cloud-basierte Energiemanagement-Software zur Verfügung gestellt werden. MM

* Dipl.-Ing. Marco Bison ist Manager Mechatronic Technologies bei der Eaton Automation GmbH in 6928 Manno (Schweiz)

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