Automatisierung Green Machines – Neue Chancen für mehr Energieeffizienz

Redakteur: Ute Drescher

Ressourcen sollen geschont, CO2-Emissionen reduziert und die Effizienz der Produktion verbessert werden – bei sinkenden Betriebskosten. Mit der Wahl der richtigen Technik und geeigneter Komponenten bleibt das kein Wunschdenken.

Anbieter zum Thema

(Bild: Schneider Electric)
(Bild: Schneider Electric)

In der Maschinenbaubranche findet derzeit ein Umdenken statt: Produktivitätswachstum wird zunehmend unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit betrachtet. Während sich Maschinen und Anlagen weiterhin durch Produktivität auszeichnen sollen, rückt zugleich das Thema Energieverbrauch immer mehr in den Fokus. Enorm gestiegene Energiepreise und ein Bewusstseinswandel in der Öffentlichkeit erzeugen Handlungsbedarf. Ressourcen sollen geschont, CO2-Emissionen reduziert und die Effizienz der Produktion verbessert werden – bei sinkenden Betriebskosten. Mit der Wahl der richtigen Technik und geeigneter Komponenten bleibt das kein Wunschdenken.

Energieeffizienz beginnt bei der Auswahl und Konzeption der Antriebe. Allzu häufig ist der Maschinenantrieb überdimensioniert. Das führt dazu, dass das Aggregat mehr Energie verbraucht als tatsächlich notwendig. Durch das richtige Design lässt sich dieses Problem leicht verhindern. Anwendungen müssen sorgfältig gewichtet werden, um abzuschätzen zu können, wie robust und verlässlich eine Maschine sein muss und welche zukünftigen Weiterentwicklungen sinnvoll wären. Kleine und einfach konstruierte Motoren sind in der Regel besser als größere. Es empfiehlt sich also, Motoren genau an die jeweilige Anwendung anzupassen, anstatt mit Antriebskraft zu protzen. Diese grundlegende Empfehlung allein bringt erfahrungsgemäß schon Einsparungen von drei bis vier Prozent. Zugleich reduziert sich durch kleinere Motoren aber auch noch die Motorleistungssteuerung.

Hochleistungsmotoren haben eine längere Laufzeit und erhöhen die Einsatzzeit der Maschine. Nach der internationalen Standardklassifizierung IEC werden vier Kategorien unterschieden. Die Motoren sollten mindestens der Effizienzklasse IE2 entsprechen. Zudem sollten Elektromotoren mit einer elektronischen Drehzahlregelung ausgestattet sein. Die längere Lebensdauer von Hochleistungsmotoren stellt auch einen Beitrag zur Nachhaltigkeit dar und verspricht im Umkehrschluss etwa zehn Prozent Energieeinsparung.

Neben dem Einsatz von Motoren mit höherer Effizienz kann auch mit Frequenzumrichtern der Energieverbrauch reduziert werden. Bei Kaskadenschaltungen empfiehlt es sich, möglichst kleine Motoren zu verwenden und diese dem jeweiligen Bedarf anzupassen. Dies kann durch den Einsatz von Servomotoren oder Sychronmotoren geschehen. Synchronmotoren bieten auf Grund ihres höheren Wirkungsgrades Energieeinsparungen von bis zu 10 Prozent im Vergleich mit dem Standard-Asynchronmotor in Kombination mit einem geeigneten Frequenzumrichter.

Weiterhin kann die Energieeinsparung durch verstellbare Antriebe bis zu 50 Prozent betragen. Bei allen Anwendungen, die wiederholte Startvorgänge erfordern, verringert ein sequentielles Starten den Anlaufstrom und vermeidet damit Verluste und Belastungsspitzen, die Energieversorger in manchen Ländern mit Gebühren ahnden. Einige Anwendungen wie Hebevorrichtungen und Lifte profitieren von erneuerbaren Antrieben und Bauteilen.

Indes sprechen ökonomische und ökologische Aspekte für den verstärkten Einsatz mechatronischer Maschinenkonstruktionen. Sie führen oft zu den geringsten Gesamtkosten, und mit diesem Ansatz lassen sich sehr energieeffiziente und zuverlässige Maschinen bauen. Vorteilhaft für den Endverbraucher sind insbesondere eine höhere Produktivität dieser Maschinen, ihr geringerer Ausschuss, die flexiblere Produktion, die höhere Kompaktheit der Maschinen und der reduzierte Energieverbrauch.

Neben der Konstruktionsoptimierung können auch durch verbesserte Verfahren, Optimierung des Steuerungssystems und durch die Programmierung der Anwendung Energieeinsparungen erzielt werden. Automatisierung, beispielsweise mithilfe neuer Algorithmen, bietet in diesem Zusammenhang zahlreiche neue Möglichkeiten.

Auslastung von Maschinen ist nicht optimal

Studien haben gezeigt, dass Maschinen selten 100 Prozent der Zeit in Produktion sind. Es wird geschätzt, dass sich der Energieverbrauch um fast 37 Prozent senken ließe, wenn die Maschinen während der Leerlaufphasen richtig verwaltet würden – etwa indem einfach der Strom abgeschaltet wird. Hierfür muss bei der Programmierung der Maschine ein sicheres Anhalten und Wiederanfahren berücksichtigt werden. So muss etwa vermieden werden, das Steuerungssystem und die verwendeten Bussysteme auch dann mit Strom zu versorgen, wenn die Maschine abgeschaltet ist. Vielmehr sollten sämtliche Einstellungen und Positionen beim Anhalten gespeichert und beim Neustart reaktiviert werden. Wegen Sicherheitseinschränkungen oder auch weil schnelle Neustarts erforderlich sind, ist die Umsetzung dieser Richtlinien zuweilen nicht ganz einfach.

Neben dem Antrieb verbraucht auch das Steuerungssystem Energie und sollte daher unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten überprüft werden. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann die richtige Automatisierungstechnik einen günstigen Effekt auf den Energieverbrauch des gesamten Regelsystems haben. Eine dezentrale Steuerungskonzeption beispielsweise kann den Verbrauch deutlich erhöhen. Abhängig von der Größe der Anwendung sowie von Sicherheits- und Performance-Kriterien ist die Wahl einer dezentralen Architektur dennoch manchmal notwendig.

Das Abschalten von Signallampen und Hintergrundbeleuchtungen von Anzeigefeldern im Leerlaufmodus wiederum bewirkt eine Reduktion des Stromverbrauchs von Bedienpulten von bis zu 65 Prozent. Bei Drucktastern und Leuchtmeldern birgt indes der Einsatz von LED-Technologie große Einsparpotenziale

Durch die Überwachung des Stromverbrauchs über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine hinweg, sind Betreiber in der Lage, Stromfresser schnell zu identifizieren. Häufig fehlt es in diesem Punkt an Transparenz; der reale Energiebedarf der Maschinen und Anlagen ist dem Anwender selten bekannt. Rechnergestütztes Energiemanagement schafft hier Abhilfe. Bei hohem Grundverbrauch und geringer Auslastung lässt sich der Strombedarf so am ehesten senken. Der Einsatz von Strommessgeräten führt zu mehr Sensibilität im Umgang mit der Thematik und bringt Benutzern häufig rasche Einsparungen. Als erste Maßnahme gilt: Das konsequente und angepasste Ausschalten bei organisatorischem Stillstand.

Experten gehen davon aus, dass ein besseres Management der Maschinen den Energieverbrauch des Gesamtsystems um bis zu 35 Prozent reduzieren kann. Sowohl auf Basis bestehender als auch mit neuen Technologien sind Einsparungen durch intelligente Nutzung realisierbar. Nach der Anlageninstallation bieten die Anpassung der installierten Leistung, die Prozessoptimierung in der Produktion - beispielsweise die Rückgewinnung eingesetzter Prozessenergie - die Optimierung der maschinenübergreifenden Systemsteuerung in Zusammenarbeit mit der Anlagenplanung und die Verhaltensänderung von Mitarbeitern noch beträchtliche Potenziale. Die Maßnahmen von Antriebsherstellern, Anlagenausrüstern und Betreibern von Maschinen und Anlagen sollten daher stets Hand in Hand gehen.

Für alle Seiten gilt: Wenn Unternehmen auf „Grün“ setzen, finden ihre Produkte eine höhere Akzeptanz im Markt. Dadurch eröffnen sich Herstellern, Ausrüstern und Anwenderunternehmen im produzierenden Gewerbe verbesserte Absatzmöglichkeiten. Da Kunden bei ihrer Kaufentscheidung zunehmend neben dem Anschaffungspreis auch sämtliche über die Laufzeit anfallenden Kosten berücksichtigen, rechtfertigen Kostensenkungen über den Lebenszyklus der Maschine die höheren Preise bei Konstruktion und Anschaffung.

In einem Markt mit immer stärkerer internationaler Konkurrenz kann die Schonung von Klima und Umwelt als Differenzierungsstrategie dienen; billigere Konkurrenz kann auf Distanz gehalten werden. Gelingt es Maschinenbauern und Anwendern, sich am Markt beim Thema Energieeffizienz mit innovativen Produkten zu positionieren, so sind positive Effekte auf Umsatz und Beschäftigung zu erwarten. Das Thema Energieeffizienz wird sich darüber hinaus zunehmend als wesentliche und nachhaltige Markteintrittsbarriere für potenzielle Wettbewerber etablieren und kann einen wichtigen Baustein zur Bekämpfung der Produktpiraterie darstellen. Nachdem auf nationaler wie internationaler Ebene immer schärfere Normen und Gesetze bezüglich der CO2-Emissionen erfüllt werden müssen, ist Energieeffizienz aber nicht nur ein Wettbewerbsvorteil, sondern wird für immer mehr Industrieunternehmen zur puren Notwendigkeit. (ud)

(ID:26651080)