Antriebstechnik

Energieeffizienz mit automatisierten Antrieben

Die aktuelle wie künftige Rohstoff- und Umwelt-/Klimasituation, die Mindestvorgaben von Kyoto und Bali sowie die Beschlüsse von EU und Regierung zwingen zur schonenden, sparsamen Anwendung von Energie. Sowohl die Energieeffizienz als auch der Wirkungsgrad müssen und können in jedem technischen Bereich auf das Höchstmaß steigen. Nur mit wachsender Effizienz lässt sich der trotz sinkendem Primärenergieverbrauch zunehmende Stromkonsum wegen zusätzlicher, substituierender und neuartiger Anwendungen kompensieren.

Prinzip des getriebelosen Direktmotors

Auf die elektrische Antriebstechnik entfallen etwa zwei Drittel des insgesamt in der Wirtschaft verbrauchten elektrischen Stroms – circa 165 Terawattstunden (Quelle: ZVEI). Daher lohnt sich ihre energetische Untersuchung. Dabei zeigt sich nach Berechnungen des ZVEI, dass in elektromotorisch getriebenen Systemen des gesamten Leistungsbereichs das enorme Sparpotenzial von mehr als 27 Terawattstunden im Jahr steckt. (Das entspricht jährlich einer Kosteneinsparung vom mehr als zwei Milliarden Euro sowie einer Senkung des CO2-Ausstoßes von circa 17 Millionen Tonnen.)

Um dieser Schlüsselrolle beim Vermindern des Stromverbrauchs gerecht zu werden, sind alle Komponenten des elektrischen Antriebs sowie das automatisierte System insgesamt in dieser Richtung zu optimieren. Nicht nur Investitionskosten allein dürfen, sondern alle während des Lebenszyklus anfallenden Aufwendungen (TCO – Total Costs of Ownership, LCC – Life Cycle Costs) müssen bewertet werden. Modernste Bauelemente und Verfahren tragen bei, dass sich die Amortisationszeiten innovativer Lösungen drastisch verkürzen und sich der wirtschaftliche Druck zum – übrigens durchaus renditeträchtigen – Energiesparen verstärkt. Gleichzeitig lassen sich bestehende ideologische Hindernisse abbauen. Diese Aufforderung zum Sparen wendet sich in erster Linie an die Ausführung in Drehstromtechnik. Wegen genereller technischer und wirtschaftlicher Vorzüge dominiert die umrichtergespeiste Drehstrommaschine den Gleichstromantrieb – abgesehen von Kleinst-/Kleinmaschinen (unter 0,5 Kilowatt) und Retrofitprojekten.

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Die EU setzt den Rahmen

Mit der EU-Rahmenrichtlinie Energy using Products EuP (Eco-Design elektro-energiebetriebener Produkte) 2005/32/EC vom 6.7.2005 fördert die Europäische Kommission die energieeffiziente Gestaltung von 13 Produktgruppen der Elektrotechnik. Obwohl ein solches Ziel für Hersteller elektrischer Antriebstechnik nicht neu ist, beschleunigt die Vorschrift die Einführung energiesparender, umweltfreundlicher Lösungen. Natürlich verlangt die Umsetzung der EuP ihre kreative Anwendung, da sie sich vornehmlich an den Produzenten von Motoren, Stellgliedern und anderer Komponenten richtet. Angesprochen fühlen soll sich trotzdem der Lieferant des Systems Antrieb, der den Energiefluss zum technologischen Arbeitsprozess einzubeziehen hat. In Zusammenarbeit mit dem Maschinenbauer kann/wird er über die EuP-Richtlinie das Bewusstsein des Anwenders der Gesamtanlage zum schonenden Umgang mit Energie schärfen. Dabei helfen zweifellos an geeigneter Position installierte, optisch eindringliche Verbrauchsanzeigen.

Vielfältige Einsparmöglichkeiten

Jede Komponente eines Antriebs vermag im gesamten Leistungsbereich industrieller und nicht-industrieller Applikationen, ihren Beitrag zum Energiesparen zu leisten. Bei kleineren Nennleistungen werden die niedrigen Absolutwerte der verminderbaren Verluste von den größeren Stückzahlen ausgeglichen. Nicht zu übersehen ist hierbei, dass ein erheblicher Teil dieser Leistungsklasse außerhalb des typischen Industrieumfeldes arbeitet. Aus Miniaturantrieben folgen in der Regel lediglich indirekte Einsparungen, weil sich mit ihnen Arbeitsprozesse energieeffizienter ausführen lassen. Neben den wirtschaftlich greifbaren Erfolgen der stationären Antriebe (Schwerpunkt: HKL-Technik, Intralogistik) steht die Hoffnung auf die baldige durchgreifende Marktreife von Elektro- und Hybridantrieben für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen.

Effizienz durch Optimierung

Der größte Effekt tritt natürlich beim Komplettsystem Automatisierter Antrieb ein. Geliefert aus einer Hand gewährleistet dieser Blickwinkel, dass die Funktionskette Motorprinzip, präzise Motorauslegung, Stromrichterstellglied, Regelungsstrategie, Applikation am technologischen Prozess (Arbeitsmaschine) sogar energetisch durch Verknüpfen wirkungsgradmaximierter Komponenten optimiert wird. Elektrischer Maschine und Stromrichter-Stellglied fallen hierbei eine zentrale Stellung zu. Zusatzkostenintensive Fehlbemessungen werden ausgeschlossen, Antrieb und Arbeitsmaschine sind bestmöglich aufeinander abgestimmt. Unter- oder Überlastung etwa von Motoren mit höchstem Wirkungsgrad sowie Fehlanpassung führen zum Abnehmen der Effektivität.

Die noch verlustärmere Premium- und Super-Premium-Kategorien der Energiesparmotoren ESM ergänzen die Wirkungsgradklassen eff1 und eff2 ihrer asynchronen Drehstromausführung. Alle ESM-Spezifikationen erwartet wegen ihrer energetischen Bedeutung die Standardisierung in der IEC 60034-30 (prEN 60034-30). Permanenterregte Synchronmaschinen (PMS) mit vernachlässigbaren Rotorverlusten drängen in unterschiedlicher Ausprägung verstärkt auf den Markt, sowohl für höchste Drehzahlen (niedrigpoliger High-Speed-Motor) als auch für größte Momente (hochpoliger High-Torque-Motor). Vorrangig werden deshalb sie die Wirkungsgradforderung der Premium-Klassen erfüllen. Im Kommen sind darüber hinaus Direktmotoren. Dergleichen getriebelose, sehr dynamische Maschinen hoher Leistungsdichte arbeiten besonders energieeffizient. Zudem schlagen Kompaktheit (Platzersparnis) und gesteigerte Lebenserwartung (Zuverlässigkeit) im Antrieb wirtschaftlich positiv zu Buche.

Die Bedeutung des Stellgliedes ergibt sich aus seiner Funktion, die Befehle der Informationsverarbeitung umzusetzen. So sorgt der Stromrichter für eine höhere Energie- und Umwelteffizienz, indem er Bremsenergie zurückspeist, Netzrückwirkungen auf das normenverträgliche Maß sowie Zusatzverluste reduziert werden. Für solche „Energieeinsparung ohne Nebenwirkung“ bieten sich zahlreiche topologische Ansätze. Erfolg für die anstehende Aufgabe verspricht namentlich die Anordnung leistungselekronischer Bauelemente als Schaltmatrix. Bidirektional stromführende Direktumrichter lassen sich gleichfalls in Mehrpunkt-Ausführung für Mittelspannungsantriebe aufbauen. Infolge der Applikation von PMS wird der Umrichter trotz gleicher Leistung kleiner, verlustärmer sowie kostengünstiger, weil der Motor den Wechselrichter lediglich mit Wirkleistung belastet. Der für den Betrieb der Asynchronmaschine benötigte Magnetisierungsstrom entfällt.

Ausblick

Energiesparpotenzial erschließt sich nicht nur bei Neuanlagen, sondern ebenso bei der Modernisierung bestehender Antriebssysteme. In beiden Fällen betragen die Investitionskosten meist lediglich einen Bruchteil (unter zehn Prozent) der TCO/LCC, so dass die Mehrzahl aller Retrofits (Refurbishing) gleichfalls eine kurze Rückflussdauer der eingesetzten Mittel auszeichnet.

Jeder Kunde sollte grundsätzlich vom Lieferanten den Nachweis verlangen, dass sein Partner die geschilderten Sparoptionen lückenlos nutzt. Der Vollständigkeit wegen sei hinzugefügt, dass erhebliche Sparpotenziale bei der Energieerzeugung, aber auch bei anderen Verbrauchern zu heben sind.
Wie es scheint, ist beim Energiesparen die Grenze der Wirksamkeit von Appellen erreicht. Künftig wird auch dieser Bereich reguliert werden müssen. Deutlich statuieren diesen Paradigmenwechsel die ESM. Ab 2011 zwingt der Gesetzgeber zur Applikation hoher Wirkungsgrade.

Joachim Krause

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