O+P Fluidtechnik 10/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ENERGIEEFFIZIENZ ENERGIEEFFIZIENTE ANTRIEBSTECHNIK IN DER PRODUKTION Steffen Hülsmann, Adrian Raisch, Vladimir Boyko, Jochen Ohrem, Ringo Weichelt, Jürgen Weber, Oliver Sawodny „EnAP“ steht für „Anwenderorientierter Einsatz von energieeffizienter Antriebstechnik in der Produktion“ und ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Verbundprojekt. Industrie und Wissenschaft erarbeiten gemeinsam Konzepte und Methoden, um für bestimmte Bewegungsaufgaben die energetisch optimale Lösung zu finden. 46 O+P Fluidtechnik 10/2019

Anforderungen ENERGIEEFFIZIENZ 1 EINLEITUNG Energieeffizienz und der verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen sind seit langer Zeit ein erklärtes Ziel von Politik, Wirtschaft und Industrie. Die Energieversorgung bildet die Lebensader der industriellen Produktion, daher sind energieeffiziente Produktionstechniken in der Automatisierung ein wichtiger Aspekt für die langfristige globale Wettbewerbsfähigkeit. Vor diesem Hintergrund beschäftigen sich Wissenschaft und industrielle Forschung seit Jahren mit der Entwicklung von Strategien, mit denen die Energieeffizienz in der Automatisierungstechnik verbessert werden kann. Die daraus abgeleiteten Maßnahmen sind inzwischen verfügbar und ausführlich dokumentiert, allerdings hängt es stark vom jeweiligen Anwendungsfall ab, ob eine sinnvolle Umsetzung in der Praxis möglich ist. In die Bewertung müssen zum einen Aspekte der technischen Machbarkeit einfließen, bspw. dürfen energieeffiziente Lösungen im Vergleich zu konventionellen Ansätzen keine geringere Zuverlässigkeit aufweisen, zum anderen muss bei der Lösungsfindung auch die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt sein. Da energiesparende Antriebslösungen oftmals in der Anschaffung mit etwas höheren Investitionskosten verbunden sind als herkömmliche Lösungen, muss deren Amortisation über eine gewisse Laufzeit gewährleistet sein und nachgewiesen werden können. Sind die kostenspezifischen Daten in der Planungsphase einer industriellen Anlage nicht vorhanden, so werden mögliche effizienzsteigernde Maßnahmen häufig nicht erkannt und in der Praxis nicht umgesetzt. Ein vorrangiges Ziel des Forschungsvorhabens „EnAP“ besteht darin, einen systematischen Einsatz von energieoptimalen Automatisierungslösungen zu fördern. „EnAP“ steht für „Anwenderorientierter Einsatz von energieeffizienter Antriebstechnik in der Produktion“ und ist ein Verbundprojekt, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über eine Laufzeit von dreieinhalb Jahren gefördert wird. In Kooperation von Firmen und Instituten werden Energiesparkonzepte und Optimierungsmethoden erarbeitet, die vor allem in pneumatisch und elektrisch betriebenen Handhabungssystemen zum Einsatz kommen können. Es wird angestrebt, durch die erarbeiteten Methoden ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem für konkrete Bewegungsaufgaben und die damit verbundenen Anforderungen systematisch die optimale Lösung gefunden werden kann. Dabei sollen nicht nur die technische Machbarkeit, sondern auch Aspekte wie Energieverbrauch, Wirtschaftlichkeit oder Installationsaufwand berücksichtigt werden. 2 KONVENTIONELLE AUSLEGUNG VON AUTOMATISIERUNGSLÖSUNGEN Viele Hersteller von Automatisierungskomponenten bieten unterschiedliche Auslegungswerkzeuge an, mit denen der Projektierungsvorgang unterstützt wird. Häufig handelt es sich dabei jedoch lediglich um Auswahlhilfen, bei denen die technische Machbarkeit beleuchtet wird. Eine Optimierung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit oder Energieverbrauch ist nicht vorgesehen. Auch ein Vergleich über verschiedene Technologien hinweg ist meist nicht möglich, da bspw. pneumatische und elektrische Antriebsachsen nicht im gleichen Tool projektiert und miteinander verglichen werden können. Dies führt dazu, dass, wie in Bild01 dargestellt, zunächst eine Antriebstechnologie ausgewählt werden muss (hier: Pneumatik oder Elektrik). Anschließend erfolgen die Auswahl geeigneter Komponenten und eine meist statische Auslegung aufgrund von Datenblättern oder algebraischen Zusammenhängen. Ergebnis ist oft eine Liste von 01 Prinzipielle Arbeitsweise von konventionellen Auslegungswerkzeugen Technologieauswahl Abhängig von Hersteller und verfügbaren Komponenten Pneumatik Pneum. Komponenten + konventionelle Schaltung Auslegung • meist statisch • Datenblätter • Hub, Kraft, ... Ergebnis Lösungsvorschläge System 1 System 2 entweder Syst. 3 Syst. 4 Elektrik Elektr. Komponenten + konventionelle Controller Auslegung • meist statisch • Datenblätter • Hub, Kraft, ... Ergebnis Lösungsvorschläge 5 System 1 System 2 oder Syst. 3 Syst. 4 verschiedenen Lösungsvorschlägen, allerdings ohne direkte Vergleichsmöglichkeiten oder Priorisierung. Die tatsächlich optimale Antriebslösung kann mit dieser Methode nicht gefunden werden. 3 VERBESSERTE AUSLEGUNGSMETHODEN IM PROJEKT ENAP Um die Akzeptanz und das Bewusstsein für Energieeffizienz in der industriellen Automatisierungstechnik zu steigern, wurden im Projekt weiterführende Auslegungsmethoden entwickelt, die eine systematische Auswahl und Gestaltung von Lösungen ermöglichen und dabei den energetischen und wirtschaftlichen Nutzen von Energiesparmaßnahmen schon bei der Projektierung sichtbar und bewertbar machen. Dafür müssen im Lösungsraum einer Verfahraufgabe pneumatische und elektrische Antriebsstrukturen gleichermaßen vertreten sein. Ihre technologieneutrale domänenübergreifende Vergleichbarkeit soll durch verschiedenartige Kennzahlen (technische, energetische, kostenspezifische) gewährleistet werden. Zur Entwicklung solcher Methoden sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar, die je nach Art der Aufgabe Vor- oder Nachteile mit sich bringen. Da die Erarbeitung und Bewertung dieser methodischen Ansätze zentraler Bestandteil des Projekts ist, wurden von den Projektpartnern insgesamt drei unterschiedliche Methoden entwickelt, die im Folgenden vorgestellt werden. 3.1 KENNZAHLENBASIERTE AUSLEGUNGSMETHODE Die Antriebsauswahl und -dimensionierung erfolgen bei der am Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden entwickelten kennzahlenbasierten Methode auf Basis der exer- 5 O+P Fluidtechnik 10/2019 47