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O+P Fluidtechnik 9/2017

O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE FORSCHUNG UND

ANTRIEBE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 2-2 Tabelle: Ermittlung der Lebenszykluskosten für einen exemplarischen Einsatzfall (Lastmasse 15 kg, Hub 200 mm, vertikal, Haltezeit 2 s, 200 Zyklen/Stunde) Pneumatischer Antrieb Elektromechanischer Antrieb Entstehungskosten (einmalig) 13,9 % 78,1 % Beschaffung 9,7 % 71,8 % Installation 2,1 % 2,1 % Inbetriebnahme 2,1 % 4,2 % Betriebskosten ( jährlich) 6,2 % 4,4 % Wartung & Inspektion 2,1 % 2,1 % Geplante Instandsetzung 2,1 % 2,1 % Energie-/Druckluftkosten 2,0 % 0,2 % Verwertungskosten (einmalig) 4,2 % 4,2 % Demontage & Außerbetriebnahme 4,2 % 4,2 % Summe TCO (normiert) 43,2 %€ 100 % TCO des elektromechanischen Antriebs normierten Werte für einen bestimmten Lastfall, wie sie im Projekt ermittelt wurden. Hierbei wurde ein Lastfall mit 200 Zyklen pro Stunde bei 2000 Arbeitsstunden im Jahr betrachtet. Der Hub beträgt 200 mm in vertikaler Richtung bei 2 s Haltezeit in jeder Endlage. Zur Berechnung der Arbeitskosten wurde ein Stundensatz von 45 Euro angenommen. Weiterhin wurde die Lebensdauer der Antriebe auf fünf Jahre bei einem Zinssatz von 6 % festgelegt. Die hier im Gegensatz zu Tabelle 2-1 fehlenden Kostenstellen wurden als für beide Antriebstechnologien gleich angenommen und sind so stark vom Anwender abhängig, dass eine Berücksichtigung 2-2 2.2 1,4 1,4 1,2 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Beispielhafter Vergleich der TCO für zwei Lastfälle Beispielhafter Vergleich der TCO für zwei Lastfälle Fall 1 EM Fall 1 PN Fall 2 EM Fall 2 PN Fall 2 PN groß Fall 1 EM Fall 1 PN Fall 2 EM Fall 2 PN Fall 2 PN groß Fall 1: 200 mm vertikaler Hub, 2000 h/a, 400 Zyklen/Stunde, 2 s Haltezeit Fall 2: 800 mm horizontaler Hub, 4000 h/a, 600 Zyklen/Stunde, kein Halten nicht sinnvoll erscheint. Die Netzinfrastrukturkosten für das Druckluftnetz sowie die Raumkosten für die Drucklufterzeugung wurden wie zuvor beschrieben in die Druckluftkosten, also die Energiekosten für den pneumatischen Antrieb, mit einbezogen. Als durchschnittliche Kosten für einen Normkubikmeter Luft, der auf einen absoluten Betriebsdruck von 7 bar verdichtet wird, wurden 0,02 Euro angenommen. Die Berechnung der Energiekosten beruht auf einem durchschnittlichen Preis von 0,15 Euro/kWh el , wie er für industrielle Verbraucher üblich ist [BDE14]. Zu sehen ist, dass die Anschaffungskosten des pneumatischen Antriebs (in diesem Fall ein Standardzylinder mit 32 mm Kolbendurchmesser und 200 mm Hub inklusive eines 5/2-Wege-Standardventils und der notwendigen sonstigen Peripherie) sehr viel niedriger sind als die des elektromechanischen Antriebs (hier ein Antrieb mit Kugelgewindetrieb und Gleichstrom-Schrittmotor inklusive Controller und sonstiger Peripherie). Dies gleicht die deutlich höheren Energiekosten über die Lebensdauer mehr als aus, so dass die TCO des pneumatischen Antriebs im betrachteten Fall um ca. 57 % unter denen des elektromechanischen Antriebs liegen. Bild 2-2 zeigt einen Vergleich der normierten Lebenszykluskosten von pneumatischen und elektromechanischen Antrieben für zwei weitere Lastfälle. Angenommen wird wiederum eine Abschreibungs- und Lebensdauer der Antriebe von fünf Jahren bei einem Zinssatz von 6 %. Die beiden Lastfälle beschreiben jeweils eine typische Anwendung der Antriebe. Für den zweiten Lastfall wurden zwei verschiedene pneumatische Systeme betrachtet. Zunächst ein gut dimensioniertes System, bei dem ein Zylinder mit einem Kolbendurchmesser von 32 mm eingesetzt wurde. Weiterhin wurde ein übermäßig sicher ausgelegtes System mit einem Kolbendurchmesser von 50 mm betrachtet, hier als „Fall 2 PN groß“ bezeichnet. FALL 1: 200mm vertikaler Hub, 2000 h/a, 400 Zyklen/ Stunde, 2 s Haltezeit FALL 2: 800mm horizontaler Hub, 4000 h/a, 600 Zyklen/ Stunde, kein Halten ■ Anschaffung ■ Energie (5 Jahre) ■ Installation, Recycling, Wartung 48 O+P Fluidtechnik 9/2017 Anschaffung Energie (5 Jahre) Installation, Recycling, Wartung

ANTRIEBE Zu erkennen ist, dass die Energiekosten der elektromechanischen Antriebe erheblich niedriger liegen als die der pneumatischen Antriebe. Durch die geringen Anschaffungskosten der pneumatischen Antriebe wird dies jedoch wieder ausgeglichen, so dass schließlich für alle betrachteten Fälle die TCO der pneumatischen Antriebe niedriger ausfallen. Auch der überdimensionierte Pneumatikantrieb ist noch wirtschaftlicher als das elektromechanische Pendant. Allerdings wird durch die erheblich höheren Energiekosten deutlich, wie wichtig eine korrekte Dimensionierung pneumatischer Antriebe für deren Wirtschaftlichkeit ist. Eine Möglichkeit zur Reduktion der Zylindergröße ist hier z. B. die Nutzung von externen Stoßdämpfern, die die interne Endlagendämpfung entlasten und so die Maximallast im horizontalen Hub erhöhen. Bei den vorgestellten Betrachtungen muss der sehr große Funktionsumfang der elektromechanischen Antriebe beachtet werden, der so von den pneumatischen Antrieben nicht geliefert werden kann. Die betrachteten elektromechanischen Antriebe sind für Positionieraufgaben geeignet, während die pneumatischen Zylinder in den untersuchten Konfigurationen nur für Punkt-zu- Punkt-Bewegungen einsetzbar sind. Die Anschaffungskosten von pneumatischen Positioniersystemen liegen deutlich höher als die von einfachen schaltpneumatischen Systemen, was den Vorteil in der Wirtschaftlichkeit aufzehren dürfte. 3 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die untersuchten elektromechanischen Antriebe sind zwar erheblich energieeffizienter als ihre pneumatischen Pendants, jedoch sind diese in der Anschaffung deutlich günstiger. Dies führt dazu, dass für einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen, bei denen keine Zwischenpositionen angefahren werden müssen oder sonstige Funktionalität von Servoantrieben notwendig ist, der Einsatz pneumatischer Antriebe meist wirtschaftlicher ist. Je länger die Antriebe in Nutzung bleiben und je höher die Anzahl der Zyklen ist, die die Antriebe in dieser Zeit zu bewältigen haben, desto stärker fallen die geringeren Energiekosten der elektromechanischen Antriebe ins Gewicht. Werden dagegen wenige Zyklen mit langen Haltezeiten bei einer hohen Kraft in der Endlage benötigt, führt dies zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der pneumatischen Antriebe relativ zu den elektromechanischen. Die vorliegenden Ergebnisse wurden auf Basis von Versuchen ermittelt. Dabei zeigte sich, dass die große Variantenvielfalt innerhalb der elektromechanischen Antriebe eine allgemeine Aussage bezüglich ihrer Wirtschaftlichkeit unmöglich macht. Der Energieverbrauch ist hier deutlich stärker als bei den pneumatischen Antrieben von der konkreten Anwendung abhängig, weshalb für eine Verallgemeinerung der Ergebnisse auf andere Antriebstypen zusätzliche Messungen notwendig wären. In Zukunft sollten neben rein monetären Betrachtungen auch weitere Kriterien in den Vergleich zwischen verschiedenen Antrieben einfließen. Insbesondere die Umweltwirkungen schon in der Herstellung sowie am Ende des Lebenszyklus der verschiedenen Antriebe bedürfen einer genauen Analyse. Durch Optimierungen an den Antrieben selbst bzw. in ihrer Ansteuerung besteht noch ein großes Potenzial zur Senkung der TCO vor allem der pneumatischen Antriebe. Die vielfältigen Möglichkeiten zur Reduktion des Druckluftbedarfs wurden im Rahmen der Studie nicht betrachtet und sollten in Zukunft einbezogen werden. Auf der anderen Seite ist durch weiter entwickelte Fertigungsmethoden und -abläufe zukünftig eine Verringerung der Beschaffungskosten elektromechanischer Antriebe vorstellbar. Das Projekt wurde durch einen industriedominierten Arbeitskreis des Forschungsfonds des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA begleitet und unterstützt. Die Autoren danken allen Beteiligten für die finanzielle Förderung und die fachliche Unterstützung. Literaturverzeichnis [Bae12] Baehr, H. D.; Kabelac, S.: Thermodynamik, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2012. [BDE14] BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.: Energie-Info Industriestrompreise – Ausnahmeregelungen bei Energiepreisbestandteilen, Berlin, 2014. [DIN80] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 1945 Teil 1 – Verdrängerkompressoren – Thermodynamische Abnahme- und Leistungsversuche, Beuth Verlag, Berlin, 1980. [Dru07] Drugemöller, A.; Schäfer, R.: Energieeffizienz mechatronischer Systeme ist unschlagbar, Maschinenmarkt/Automation Antriebstechnik, Ausgabe vom 26.03.2007, S. 78, 2007. [NN12] EnEffAH-Projektkonsortium: EnEffAH-Abschlussbericht, 2012. [Fes11] Festo AG & Co. KG: Effizienz ist mehr als Energiesparen – Auf die individuelle Anwendung kommt es an, Esslingen, 2011. [Her14] Hering, E.: Investitions- und Wirtschaftlichkeitsrechnung für Ingenieure, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014. [Nor01] Norris, G. A.: Integrating life cycle cost analysis and LCA, The International Journal of Life Cycle Assessment, Vol. 6, Nr. 2, S. 118 - 121, 2001. [Sch09] Schweiger, S.: Lebenszykluskosten optimieren – Paradigmenwechsel für Anbieter und Nutzer von Maschinen und Anlagen, 1. Aufl., Betriebswirtschaftlicher Verlag Gabler, Wiesbaden, 2009. [VDI05] VDI Verein Deutscher Ingenieure: VDI 2884 – Beschaffung, Betrieb und Instandhaltung von Produktionsmitteln unter Anwendung von Life Cycle Costing (LCC), Beuth Verlag, Berlin, 2005. [VDM06] VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau: VDMA Einheitsblatt 34160 – Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen, Beuth Verlag, Berlin, 2006. Autoren: M. Sc. Stephan Merkelbach und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, IFAS der RWTH Aachen University, Steinbachstraße 53, 52074 Aachen; Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Dr.-Ing. Marcel Fey und Dipl.-Ing. Bastian Eßer, Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen University O+P Fluidtechnik 9/2017 49

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