Effiziente Antriebe Elektrische und pneumatische Antriebe sind oft Energieverschwender

Autor / Redakteur: Christa Friedl / Stefanie Michel

Ohne Antriebsenergie bewegt sich kein Roboterarm und kein Greifer, weder Pumpe noch Ventilator. Effizienz allerdings ist in der Automatisierungstechnik noch längst nicht automatisiert: Elektrische und pneumatische Antriebe vergeuden vielfach 50 % an Energie.

Anbieter zum Thema

An ihrem Prüfstand entwickeln die Forscher am Institut für Systemdynamik (Isys) der Universität Stuttgart mithilfe unterschiedlicher pneumatischer Antriebe energieeffiziente Betriebsmodi.
An ihrem Prüfstand entwickeln die Forscher am Institut für Systemdynamik (Isys) der Universität Stuttgart mithilfe unterschiedlicher pneumatischer Antriebe energieeffiziente Betriebsmodi.
(Bild: Universität Stuttgart, ISYS)

Die beste Energie ist immer diejenige, die gar nicht verbraucht wird. In der Automatisierungstechnik spricht sich diese Erkenntnis aber nur langsam herum. Das Einsparpotenzial in der industriellen Automatisierung liegt laut Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie bei 88 Mrd. kWh pro Jahr – das entspricht der Stromproduktion von mehreren Steinkohlekraftwerken der 400-MW-Klasse.

Während bei Kraft- und Arbeitsmaschinen die Energieeffizienz inzwischen durchaus eine Rolle spielt, ist der sparsame Umgang mit Energie in der Handhabungstechnik noch nicht verankert. Ein Grund dafür: Es fehlt an Richtlinien für Maschinenbauer, die pneumatische, mechanische oder elektromechanisch arbeitende Aggregate vergleichbar machen.

Keine Kenntnisse über den eigenen Energieverbrauch

Warum in der Automatisierungstechnik noch immer viel Energie vergeudet wird, hat noch andere Ursachen. Es mangelt beispielsweise an Kenntnissen über den eigenen Energieverbrauch und die -kosten. Wenn ein Unternehmen den Energieverbrauch optimieren will, fokussieren die Maßnahmen meist auf einzelne Aggregate statt auf den Prozess in seiner Gesamtheit.

Anlagen und Komponenten werden nach wie vor allein auf Basis der Investitionskosten angeschafft, längerfristige Betriebskosten bleiben unberücksichtigt. Auch die pauschale Zurechnung von Energiekosten zu einzelnen Kostenstellen setzt innerhalb des Unternehmens falsche Anreize. „In der Praxis stößt man auf viele Hürden“, sagt Michael Ohmer, Leiter Research Mechatronics bei Festo in Esslingen. „Die wichtigste aber: Es fehlt häufig schlicht am Bewusstsein, welche großen Potenziale Energieeffizienz birgt.“

Vier Jahre lang die Automatisierungstechnik untersucht

Ohmer ist beteiligt am Forschungsprojekt „Energieeffizienz in der Produktion im Bereich Antriebs- und Handhabungstechnik“ (EnEffAH), dessen Ergebnisse Ende Juni 2012 vorgestellt wurden. Im Rahmen von EnEffAH haben das Fraunhofer ISI und zwei Institute der Universität Stuttgart, das Institut für Leistungselektronik und elektrische Antriebe (Ilea) sowie das Institut für Systemdynamik (Isys), gemeinsam mit den Unternehmen Festo, Kaeser Kompressoren und Metronix vier Jahre lang die Automatisierungstechnik untersucht und Vorschläge für effizientere elektrische und pneumatische Antriebe erarbeitet. Sie haben die wichtigsten Sparmaßnahmen definiert und in ihrer Relevanz für bestimmte Anwendungen und ihren Aufwand beurteilt. Das Bundesforschungsministerium unterstützte das Projekt mit rund 1,5 Mio. Euro.

Blick auf Prozesskette deckt Einsparpotenziale dort auf, wo man sie nicht vermutet hätte

Wichtig war den Beteiligten, dass sie dabei unten („bottom up“) ansetzen, also bei der Anwendung der Energie am Produkt. Gleichzeitig haben die Experten die gesamte Wirkungskette der einzelnen Energieträger von der Erzeugung bis zur Verteilung untersucht. „Durch den Blick auf die gesamte Prozesskette stößt man auf Einsparpotenziale, wo man sie gar nicht vermutet hätte“, so Ohmer.

Eines der Ergebnisse: Auf die Frage nach dem „richtigen“ Antrieb gibt es keine allgemeingültige Antwort. Elektromotoren dienen als Antriebsaggregate für Kompressoren, Zentrifugen, Pumpen, Ventilatoren, aber auch für Linearachsen. Pneumatische Antriebe sind einfacher und robuster gebaut und spielen ihre Vorteile meist dort aus, wo es keine schnellen Bewegungen, hohe Taktraten und große Gewichte gibt. Welche Technik energetisch günstiger ist, muss im Einzelfall mit geeigneten Berechnungen überprüft werden. „Pneumatik und Elektrik stehen nicht in Konkurrenz, sondern ergänzen sich“, sagt Ohmer.

Pneumatische Antriebe sind energieeffizienter als angenommen

Eine zweite wichtige Erkenntnis: Pneumatische Antriebe sind deutlich energieeffizienter als gemeinhin angenommen. Die Energieaufnahme des elektrischen Antriebs hängt im Wesentlichen quadratisch von der gewünschten Kraft ab und steigt linear mit der Haltedauer.

Beim pneumatischen Antrieb hingegen hängt die Energieaufnahme nur linear von der gewünschten Kraft ab. Daraus haben die Forscher Faustformeln für automatisierte Maschinenbewegungen formuliert: Je kleiner die Hublänge, je größer die Endlagenkraft und je länger die Haltedauer, desto effizienter sind pneumatische Antriebe. Je größer die Hublänge, je geringer die Endlagenkraft und je kürzer die Haltedauer, desto besser sind elektrische Aggregate geeignet.

Mit Technikmix aus Elektrik und Pneumatik Energie sparen

Jeder Betrieb kann es an seiner Stromrechnung ablesen: Der Energieverbrauch ist eng mit der Wirtschaftlichkeit industrieller Prozesse verbunden. Von den Lebenszykluskosten einer Druckluftstation entfallen beispielsweise rund 70 % auf den Energieverbrauch. Allein Leckagen vergeuden in schlecht gewarteten Anlagen bis zu 30 % der Druckluft. „Viele Firmen wissen einfach nicht, dass sie in diesem Bereich das Geld quasi zum Fenster hinauswerfen“, betont Erwin Ruppelt, leitender Projektingenieur bei der Kaeser Kompressoren AG in Coburg. Durch einen optimalen Technikmix aus Elektrik und Pneumatik und durch die korrekte Auslegung der Antriebe können in der Produktion bis zu 70 % an Energie eingespart werden.

Ansatzpunkte gibt es viele: Ein großes Einsparpotenzial bei pneumatischen Antrieben sehen die Experten beispielsweise in der Rückspeisung von Bremsenergie. „Fast in jedem Industriebetrieb ist die Wärmenutzung von Kompressoren möglich“, so Ruppelt. Die zurückgewonnene Wärme kann zur Heizung und Klimatisierung verwendet werden. Bei Elektromotoren bieten frequenzvariable Elektroantriebe oder ein sparsamer Stand-by-Modus hohe Einsparpotenziale. Oft auch sind Antriebsaggregate schlichtweg zu groß dimensioniert, Druckluftnetze sind häufig zu lang und verzweigt.

Systemgrenzen sind in der Industrie nicht eindeutig

Dennoch gibt es keine pauschale Antwort auf die Frage, wie und wodurch sich am wirksamsten Energie und Kosten sparen lassen. Denn in einem industriellen Prozess sind die Systemgrenzen nicht so eindeutig definierbar wie in einem geschlossenen System, wie einer Waschmaschine mit standardisierter Funktionsweise und definierten Effizienzstufen. Zudem lassen sich keine standardisierten Rahmenbedingungen für Automatisierungsapplikationen definieren.

Drei Schritte zu mehr Energieeffizienz in der Automatisierung

Als Orientierung empfehlen die Experten, in drei Schritten vorzugehen, um die Automatisierung effizienter zu gestalten.

  • Schritt 1: Bei Druckluftanlagen Leckagen suchen und beseitigen. Auch die regelmäßige Wartung der Komponenten führt unmittelbar zu Einsparungen. Bei elektrischen Motoren können als „Erste Hilfe“ die Bewegungsprofile der Antriebe energieoptimiert und Schwingungen der Regelung reduziert werden.
  • Schritt 2: Bewusstsein für Energieeffizienz bei allen Mitarbeitern schaffen. Die Unternehmensleitung muss entsprechende Rahmenbedingungen für eine Verankerung der Energieeffizienz in der Unternehmenskultur festlegen. Auch bei Lieferanten (beispielsweise in Lastenheften) und Kunden (über das Marketing) sollte das Denken in Effizienzkategorien gefördert werden.
  • Schritt 3: Prüfen, welche Maßnahmen das beste Nutzen/Aufwand-Verhältnis versprechen. Damit eine Anlage oder Maschine energieeffizient ist, müssen alle Parameter stimmen. Diese sind jedoch sehr individuell. Was im einen Fall energieeffizient ist, muss es im anderen Fall noch lange nicht sein.

Fast immer rechnet sich Effizienz erstaunlich schnell. Amortisationszeiten von ein bis eineinhalb Jahren sind üblich, in manchen Fällen sind sie auch deutlich kürzer. Die beteiligten Institute und Unternehmen haben verschiedene Tools entwickelt, mit denen Betriebe Aggregate und Prozesse auf ihre Effizienz hin abschätzen können oder mit denen sie die Eigenschaften von technischen Systemen simulieren und vorhersagen können, wie sich ein bestimmter Antrieb im Bezug auf seinen Energieverbrauch verhält.

Effizienz ist in der Automatisierungstechnik kein Selbstläufer

Noch ist Effizienz in der Automatisierungstechnik kein Selbstläufer. „Vom deutschen Markt kommen noch keine ausreichend klaren Signale“, formuliert es Ohmer. Der Blick ins Ausland stimmt aber manchen Effizienzanhänger optimistisch. In Schwellenländern wie Argentinien oder Mexiko entwickelt sich die Nachfrage nach effizienter Antriebstechnik deutlich schneller als hierzulande. Eine mögliche Erklärung ist, dass Länder mit einem starkem Wirtschaftswachstum nicht in Lösungen von gestern investieren. Sie wollen von Anfang an nur das Beste.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:34608270)