Elektroantriebe Elektromotoren antreiben und dabei CO2 sparen

Autor / Redakteur: Marcel Werner / Stefanie Michel

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.

Firmen zum Thema

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)
  • 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.

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.

Bildergalerie

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.

Hochleistungsspeicher in kompaktem Design

Die Energiemenge eines Schwungmassenspeichers hängt von der Masse des Rotors und seiner Drehgeschwindigkeit ab. Sogenannte Low-Speed-Schwungräder setzen auf Masse, wobei die Energie sich mit der Masse verdoppelt. Beim Hochgeschwindigkeits-Gerotor HPS, der sich mit bis zu 60.000 min-1 dreht, ist die Rotationsgeschwindigkeit ausschlaggebend und im Hinblick auf die speicherbare Energiemenge vorteilhafter: Die Geschwindigkeit geht mit der Drehzahl ins Quadrat. Ein schnelleres Schwungmassensystem kann also relativ klein ausfallen, und mit kleinen Schwungrädern können kompakte Speicher-Designs realisiert werden.

Gerotor-Einheiten lassen sich mit einem Durchmesser von 220 mm, einer Höhe von circa 250 mm und einem Gewicht von etwa 20 kg direkt an den DC-Zwischenkreis der Anlage oder Maschine koppeln. Je nach Kundenanforderungen kann beliebig skaliert werden, indem mehrere der HPS-Einheiten mit einer Lade-/ Entladeleistung von jeweils 50 kW Nennleistung und 60 kW Spitzenleistung sowie einem Energieinhalt von derzeit 135 bis 300 kJ parallel geschaltet oder für Anlagengruppen und ganze Werke in Power-Racks oder Power-Containern (AC) zusammengefasst werden.

Verbesserte Strom- und Netzqualität

Mit diesen Eigenschaften eignet sich der Gerotor HPS für unterschiedliche Aufgaben. Grundsätzlich verbessert er durch die Kompensation von Oberwellen, Flicker und Blindleistung die Strom- und Netzqualität sowohl in internen Gleichstromnetzen als auch bei der Netzversorgung und verhindert negative Auswirkungen auf sensible Komponenten. Zudem dient er als kurzfristige unterbrechungsfreie Stromüberbrückung bei Ausfällen des Netzstroms für bis zu 15 s. Da 97 % aller Stromausfälle im Bereich von bis zu drei Sekunden liegen, reicht diese Überbrückungszeit in den meisten Fällen aus, um Anlagen in einen neutralen Arbeitsmodus zu überführen. In instabilen Stromnetzen können damit kostenintensive Produktionsausfälle vermieden werden, was letztlich die Produktivität steigert.

Geringerer Verbrauch senkt Kosten

Beim Einsatz für das Spitzenlastmanagement in volatilen industriellen Prozessen werden mit Gerotor HPS erhebliche Kostenreduktionen bei Anschlussleistung und Bereitstellung durch die Glättung von Lastspitzen und die Bereitstellung von Spitzenleistung erreicht. Über die Lastspitzenkappung hinaus, bei der die Kostenreduktion beim Netzentgelt im Vordergrund steht, mindert das System durch die Rekuperation von Bremsenergie Energieverschwendung. Sie verringert den Stromverbrauch mit der Folge, dass beim immer noch stark auf fossilen Energieträgern basierenden Strom-Mix der CO2-Ausstoß sinkt und Klimaziele schneller erreicht werden können.

Kosteneinsparungen durch das Spitzenlastmanagement mit Gerotor HPS können sich in mittelständischen Betrieben auf etwa 80 Euro pro Kilowatt Anschlussleistung summieren, wodurch schnell Tausende von Euro eingespart werden können. Hinzu kommt ein um 15 bis 20 % verringerter Verbrauch durch Rekuperation. Je nach Anwendung sind auch deutlich höhere Einsparungen von bis zu 30 % möglich, beispielsweise bei Produktionsmaschinen im 3-Schicht-Betrieb in der Serienfertigung der Automobilindustrie. Dabei wird neben den Energiekosten zudem CO2 im Umfang von mehreren Tonnen pro Jahr eingespart.

Gerotor HPS amortisiert sich in ein bis drei Jahren

Unterm Strich rechnet sich die Anschaffung des Gerotor HPS durch die Einsparungen innerhalb von ein bis drei Jahren. Häufig kann durch das Downsizing anderer Komponenten und die Senkung des Grundlastbezugs die Amortisation noch schneller erreicht werden.

Aufgrund ihrer Leistungs- und Energiedichte sowie ihrer Zyklenfestigkeit decken Schwungmassenspeicher von Gerotor die Anforderungen an ein aktives Energiemanagement in der Industrie dort ab, wo Batteriespeicher physikalisch ungeeignet sind. Gerotor optimiert dabei diejenigen Anwendungen, bei denen der Großteil des Stromverbrauchs entsteht. In effizienter und flexibler Weise hilft das HPS-System dabei, durch intelligentes Spitzenlastmanagement, gezielte Rekuperation und verbesserte Stromqualität die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zu steigern.

Auszeichnungen für den Gerotor HPS Zur EMO Hannover 2017 präsentierte Gerotor zum ersten Mal öffentlich seinen intelligenten Hochleistungs-Schwungmassenspeicher HPS zur Steigerung der Energieeffizienz in der smarten Produktion. Hier wurde das Produkt zum einen von wissenschaftlichen Mitarbeitern des VDW als eines der „Highlights“ der Technischen Presseinformationen (TPI) ausgewählt. Zum anderen erhielt es einen Sonderpreis des „MM Award zur EMO Hannover 2017“.
Erst in diesem Jahr hat die Hannover Messe in den Kategorien Industrie und Energiewirtschaft je einen Mittelständler und ein Großunternehmen erstmals mit dem Industrial Energy Efficiency Award ausgezeichnet.

* Marcel Werner ist Mitgründer der Gerotor GmbH in 82178 Puchheim, Tel. (0 89) 7 16 77 24-00, info@gerotor.tech

(ID:46004876)