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Elektroantriebe

Elektromotoren antreiben und dabei CO2 sparen

| Autor / Redakteur: Marcel Werner / Stefanie Michel

In energieintensiven Industrien können die Stromkosten – meist für Antriebe und Motoren – bis zu 10 % der Produktionskosten ausmachen. Kann man die Bremsenergie nutzen, lässt sich der Verbrauch reduzieren und gleichzeitig die Netzstabilität steigern.
In energieintensiven Industrien können die Stromkosten – meist für Antriebe und Motoren – bis zu 10 % der Produktionskosten ausmachen. Kann man die Bremsenergie nutzen, lässt sich der Verbrauch reduzieren und gleichzeitig die Netzstabilität steigern. (Bild: Gerotor)

Ein Schwungmassenspeicher kann mehr als nur unterbrechungsfreie Stromversorgung. Die Weiterentwicklung zu intelligenten Schwungmassenspeichern sorgt für geringere Kosten. Zudem wird mithilfe von Rekuperation der CO2-Ausstoß gesenkt.

  • Energiekosten sind ein hoher Kostenfaktor im produzierenden Gewerbe. Durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien steigen zudem die Netzschwankungen.
  • Darauf können Unternehmen reagieren. Dort, wo Motoren ständig zwischen Abbremsen und Beschleunigung wechseln, kann Bremsenergie rekuperiert werden.
  • Der Einsatz eines intelligenten Schwungmassenspeichers bietet sich an: Er verbessert die Netzqualität, dient als Stromüberbrückung, glättet Lastspitzen und spart Energie.

Die Industrie in Deutschland ist unter allen Sektoren derjenige Sektor mit dem höchsten Stromverbrauch. Mit rund 230 TWh macht ihr Bedarf knapp die Hälfte (2018: 47 %) des gesamten Verbrauchs aus. Maßnahmen, die diesen Bedarf reduzieren, lohnen sich daher insbesondere bei industriellen Prozessen. Nach politischen Weichenstellungen wie dem Pariser Klimaabkommen zielen Vorgaben und Richtlinien auf nationaler und internationaler Ebene darauf ab, dieses Einsparpotenzial in der Industrie zu nutzen und mit Verbrauchssenkungen auch die CO2-Emissionen zu verringern. Zu den Vorgaben für Unternehmen gehören daher der Einsatz von Energiemanagementsystemen nach ISO 50001 einschließlich des Nachweises ihrer Wirksamkeit in Form von Effizienzsteigerungen nach ISO 50003 sowie die Umsetzung von Ökodesignanforderungen für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich nach der europäischen Norm EN 50598.

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Der Klimawandel zwingt zur Energiewende

Viele Faktoren beeinflussen den Umgang der Unternehmen mit Strom und Energieeffizienz. Die Energiewende hat zu Änderungen im Strommix und im Verbraucherverhalten geführt. In die Stromnetze wird ein stetig wachsender Anteil an Energie aus erneuerbaren Quellen eingespeist. Deren Volatilität belastet das Netz und kann durch schlechte Stromqualität elektronische Komponenten beschädigen oder zum Netzausfall führen. Im produzierenden Gewerbe können die Energiekosten bis zu 10 % der gesamten Produktionskosten ausmachen – in energieintensiven Industrien sogar bis zu 40 %. Zudem veranlassen steigende Strompreise die Unternehmen dazu, die bezogene Energie effizient einzusetzen. Hohe Stromkosten können durch gezieltes Kappen von Lastspitzen deutlich gesenkt werden.

Elektrische Motoren mit Energieeinspar-Potenzial

Dabei bleibt jedoch ein erhebliches Potenzial ungenutzt. Mit etwa 70 % entfällt der Großteil des industriellen Verbrauchs auf elektrische Antriebe und Motoren, die unter anderem Industrieroboter, Servopressen, CNC-Anlagen, Regalbediengeräte, Aufzüge oder Kräne bewegen. Die meisten dieser Maschinen und Anlagen sind rekuperationsfähig und ermöglichen somit beim Abbremsen die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie. Da die Motoren in diesen Anwendungen permanent zwischen Abbremsen und Beschleunigung wechseln, müssen die Energiespeicher kurzfristig ein hohes Leistungsvermögen aufweisen. Bremsenergie kann daher nur von extrem zyklenfesten und leistungsstarken Energiespeichern genutzt beziehungsweise rekuperiert werden.

Schwungmassenspeicher (engl. Flywheel Energy Storage Systems, FESS), aus der Formel 1 auch als KERS bekannt, weisen die passenden Eigenschaften für diese Anwendungen auf. Die Technologie beruht auf elektromechanischen Kurzzeitspeichern, die nach dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses arbeiten und Energie in rotierenden Massen speichern. Sie bestehen aus einem integrierten High-Speed-Elektromotor, der sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird. Durch die Rotation wird Strom kinetisch gespeichert, weshalb Schwungmassenspeicher auch als kinetische Batterien bezeichnet werden. Der Speicher kann die elektrische Energie für den angeschlossenen Verbraucher, in der Regel Antriebsmotoren, liefern. Dabei ermöglicht er eine hohe Leistungsabgabe für kurze Zeiträume: Innerhalb von Millisekunden wird die volle Leistung typischerweise für etwa etwa 30 s erbracht. Je höher und je häufiger die Lastzyklen, desto effizienter ist das System.

Vorteile der Schwungmassen-Technik

Dieses Prinzip hat das bayerische Start-up Gerotor mit dem Hochleistungsspeicher Gerotor HPS für industrielle Anwendungen revolutioniert. Der Stromspeicher ist als mechanisches Bauteil verschleiß- und wartungsarm und lässt während seiner 20 Jahre Lebensdauer im Gerotor HPS nahezu unendlich viele Lade- und Entladezyklen unabhängig von der Entladungstiefe zu, denn ein Schwungmassenspeicher unterliegt keinem – chemischen – Alterungsprozess. Von Haus aus erreicht er einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %. Beim Gerotor werden Ruheverluste, die durch Reibung an den Lagern und an den Schwungmassen entstehen, durch eine Vakuumkammer verringert, in der die Schwungmasse läuft.

Zudem sind Schwungmassenspeicher weitestgehend unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen: Der Gerotor kann bei Temperaturen von -25 bis 60 °C betrieben werden. Als zukunftsträchtige Technologie ist er dank smarter Algorithmen in der Lage, sich selbst im Hinblick auf ein Maximum an Energieeffizienz zu optimieren. Als selbstlernender Speicher misst er für den effizienten Eigenbetrieb hochpräzise das Stromverhalten der zugrundeliegenden Anwendung. Diese Verhaltensdaten über Maschinen und Anlagen können – nur nach Freigabe durch alle Beteiligten – für dritte Energiemonitoring-Systeme im Rahmen von IIoT erfasst, vorverarbeitet und über OPC UA zur Verfügung gestellt werden.

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