Der Einsatz effizienter Antriebstechnik in der Produktion ist ein wichtiger Faktor zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks. Es bieten sich zahlreiche Möglichkeiten, den Energieverbrauch einzelner Komponenten, aber auch kompletter Fertigungsanlagen zu senken. Über den gesamten Lebenszyklus hinweg kann hier deutliches Einsparpotenzial erreicht werden: Von der Auswahl und Dimensionierung des Antriebssystems bis zur Optimierung von Fertigungsprozessen durch Energie-Monitoring und Prozessoptimierung.
Einen großen Einfluss auf den späteren Energieverbrauch des Produktionsprozesses haben insbesondere die Konstruktion und Dimensionierung des Antriebs für die jeweilige Anwendung. Im Konstruktionsprozess seiner Serienmotoren arbeitet Baumüller unter anderem mit modernen Simulationstechniken, um Servo- und Torque-Motoren schon in der Entstehungsphase passend zu designen. Der Motor wird mit allen relevanten Eigenschaften modelliert und kann schon vor dem Aufbau des ersten Prototyps optimiert werden.
E-Antriebssysteme für Schiffe
Im Bereich der E-Mobilität liegen ebenfalls riesige Einsparpotenziale. Im klassischen Straßenverkehr sind bereits viele Fahrzeuge elektrifiziert. Ein von der Öffentlichkeit eher weniger beachtetes Feld mit viel Potenzial bieten Nutzfahrzeuge, Baumaschinen und Schiffe.
Schiffe eignen sich hervorragend für die Installation elektromechanischer Komponenten. „Sie bieten viel Bauraum, der Platz für leistungsstarke Antriebstechnik schafft“, wie Thomas Scholz, Experte für Systemlösungen und E-Mobilität bei Baumüller, erklärt. Der Einsatz eines konventionellen Schiffsmotors mit Diesel-Aggregat ist nämlich nicht besonders energieeffizient: Sein Wirkungsgrad liegt gerade einmal bei 35 bis 60 Prozent.
Der Unternehmensbereich Baumüller Marine Solutions hat daher ein hybrides Antriebssystem entwickelt, das die Kraft und Autonomie eines Diesels mit den vielen Vorteilen elektromechanischer Antriebskraft koppelt. „Hier arbeiten wir mit einem DC-Link, also einem Gleichstromzwischenkreis, den wir an Bord verteilen.“
Der Vorteil besteht darin, dass sich so alternative Energieträger wie Batterien oder Brennstoffzellen leicht ins System integrieren lassen. „Zudem sparen wir uns bei der Einbindung von Generatoren oder Wasserstoffmotoren eine Energieumwandlung und damit weitere Verluste im Wirkungsgrad“, so Scholz weiter.
Energieeffiziente Recyclingindustrie
Die Recyclingindustrie macht aus Abfall neue Produkte und erhält somit den nachhaltigen Kreislauf der globalen Warenwirtschaft. Schlagwort dafür ist „Circular Economy“. Wiederverwertbare Materialien werden häufig in kleinste Einzelteile zerlegt. Dies übernimmt ein Schredder, dessen Antriebswelle mit konventioneller Technik sehr energieintensiv betrieben werden muss. Bei der mechanischen Antriebskraft dieser Welle ist eine hohe Antriebsleistung nötig. Um daher die Energiebilanz dieser Maschinen signifikant zu verbessern, „hat Baumüller High-Torque-Motoren entwickelt, die einen hohen elektrischen und mechanischen Wirkungsgrad besitzen“, wie Andreas Orth, technischer Vertriebsmitarbeiter bei Baumüller, ausführt.
Bei Schreddern ersetzen diese High-Torque-Motoren von des Unternehmens hydraulische Antriebssysteme. „Mit elektromechanischer Antriebskraft erzielen wir einen höheren Gesamtwirkungsgrad, was das Energiemanagement der Maschine positiv beeinflusst“, so Orth weiter. Es verpufft weniger Wärmeenergie, sodass der Maschinenbetrieb nachhaltiger wird.
Ressourceneffiziente Servomotoren
Neue Kühlkonzepte für Servomotoren ermöglichen, dass weniger Bauraum in der Maschine gebraucht wird. Der Motor wird kleiner und somit in der Regel auch leichter. Dies spart wertvolle Rohstoffe wie Kupfer für die Spulen, Magnetmaterial für die Rotoren sowie Eisen für das Motorgehäuse ein. Servomotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Ein hoher Teil der zugeführten elektrischen Energie wird in mechanische Leistung umgesetzt. Die übrigen etwa 10 Prozent der elektrischen Leistung fallen als Verlust in Form von Wärme an. Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, muss diese Wärme abgeführt werden. Dafür bietet der Antriebsspezialist seinen Kunden Servomotoren mit einem ausgefeilten Kühlungssystem an. Flüssigkeitsgekühlte Motoren können im Prozess entweder mit Wasser- oder Ölkühlung betrieben werden. In vielen hydraulischen Maschinen beispielsweise kann das Hydrauliköl gleich für die Kühlung mitverwendet werden.
„So benötigt der Betreiber der Maschine nicht nur einen kleineren Motor, er erhöht auch die Leistungsdichte des Antriebs“, wie Matthias Beetz, Akademieleiter der Baumüller-Gruppe, betont. Das warme Abwasser kann folglich zur Beheizung von Wohnobjekten, Industriegebäuden, Gewächshäusern sowie Schwimmbädern, Wellnesseinrichtungen und vielen weiteren Objekten eingesetzt werden. „Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit und schont Ressourcen“, so Beetz weiter.
Energiesparende Servohydraulik
Servohydraulische Antriebe werden in der Kunststoff- oder Metallverarbeitung eingesetzt, um beispielsweise Fahrzeugteile zu pressen. Die Servohydraulik besteht aus einer servo-hydraulischen Konstantpumpe, die von einem Drehzahl-geregelten Motor, zum Beispiel einem Servomotor, angetrieben wird. Bei einfachen Applikationen sorgt eine ungeregelte Konstant-Pumpe mit konstanter Drehzahl für die nötige Antriebsleistung. So entstehen permanente Volumenströme, die aber nicht in dieser Konstanz benötigt werden. „Dies ist hinsichtlich der Energieeffizienz-Kriterien äußerst ungünstig und in vielen Fällen nicht wirtschaftlich“, betont Beetz.
Das Unternehmen geht einen entscheidenden Schritt weiter: Der Servoumrichter regelt hierbei einen hochdynamischen Synchronmotor. An diesen Motor ist eine Pumpe angebaut. „Diese Kombination aus Servomotor und Pumpe nennen wir servo-hydraulisches Antriebssystem – oder eben Servopumpe.“ Der Motor wird bei diesem System nur dann eingeschaltet, wenn der entsprechende Druck und Volumenstrom im Prozess benötigt wird. In Phasen ohne Leistungsbedarf ruhen die Motoren und verbrauchen keine Energie. „Das Energieeinsparpotenzial dieser Servohydraulik von Baumüller zeigt sich vor allem in Prozesspausen“, wie Beetz weiter erklärt. Wie viel Energie Kunden dabei im Vergleich zu hydraulischen Antrieben einsparen, lässt sich mit dem Baumüller-Energierechner schnell und unkompliziert berechnen.
Vorteile von Servopressen
Überall dort, wo starre Komponenten mit hoher Kraft geformt, gebogen oder getrennt werden, setzen Anwender traditionell auf hydraulische Antriebskraft. Warum jedoch Servo-Exzenterpressen nicht nur energieeffizienter, sondern auch wirtschaftlicher sind, erklärt Stefan Hecht, Simulationsingenieur bei Baumüller. Servo-Exzenterpressen sind Spitzenleistungsanwendungen. Bei diesen Exzenterpressen wird im Umlaufprozess für einen kurzen Moment eine sehr hohe Leistung gebraucht. Problem: Die hohen Investitionskosten in vorgelagerten Peripheriekomponenten wie zum Beispiel Zuleitungen. „Ein großer Ressourcenverbrauch, der nicht sein muss“, so Hecht.
Die Lösung: Das Energiemanagement von Baumüller, das eine Komplettlösung für die Leistungsspitzen der energieintensiven Servo-Exzenterpresse passgenau darstellt. Der Clou: „Neben unseren drehmomentstarken Torque-Motoren mit Mehrfachwicklung verwenden wir externe Zwischenkreiskapazitäten, die Energie speichern können.“ Diese Energiereserven geben erst dann die Leistung frei, wenn die Servopresse auf Spitzenlast fährt. So wird die Spitzenlast aus dem Stromnetz von 1.000 kWh auf 600 kWh reduziert. Mit dieser Technik können der Transformator sowie die Zuleitungen kleiner ausgelegt werden. „Unsere Simulation gepaart mit dem Baumüller Energiemanagement spart nachhaltig Ressourcen“, wie Hecht weiter betont.
Mehr Effizienz durch die DC-Industrie
Baumüller arbeitet darüber hinaus an unternehmensübergreifenden Projekten für die Energieversorgung und Produktion der Zukunft mit. So zeigt das bundesdeutsche Forschungsprojekt „DC-Industrie“, wie in der Fertigung konventionelle AC-Stromnetze durch DC-Netze ersetzt werden können. Bei der DC-Industrie ermöglicht ein DC-Netz den Energieaustausch zwischen den einzelnen Verbrauchern. Dadurch ist es möglich, erneuerbare Energien oder Speicher mit geringen Umwandlungsverlusten zu integrieren. Das Forschungsteam identifizierte beim Transformator ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 80 Prozent. Ein weiterer Vorteil besteht in der Rückgewinnung der Bremsenergie einzelner Motoren. Sie verpufft im DC-Netz nicht mehr, weil sie für den Antrieb eines weiteren Motors sorgt. Bei einer Reduzierung der Einspeiseleistung, einem geringeren Energieverbrauch und der höheren Ressourceneffizienz ist ein nachhaltigerer Betrieb möglich.
Energieerzeugung durch Flugbewegung
Ein etwas ungewöhnliches aber hochinteressantes Beispiel zum Abschluss sind Flugwindkraftanlagen zur elektrischen Energiegewinnung aus Höhenwind. Bei dieser neuartigen Form der Energiegewinnung hängt der Kite-Drache an einem speziellen HMPE-Faserseil. Kommt Wind auf, steigt der Lenkdrache in Achterreihen auf. Die Zugkraft treibt einen Generator an, wodurch Energie gewonnen wird. Ein hocheffizienter Antrieb speist diese Energie in das Stromnetz, in Batterien oder in den Direktverbrauch ein. Diese Technik passt in einen 30-Fuß-großen Container.
Diese Anlagen können in Zukunft zum Beispiel an der Küste eingesetzt werden und bieten ein modernes Konzept für die dezentrale Energieversorgung in windreichen Regionen oder auf Hochseeschiffen.
Fazit
Diese Beispiele zeigen, dass Lösungen für nachhaltigere Antriebstechnik bereits in vielen Applikationen eingesetzt werden. Mit Hilfe der Produkte, Dienstleistungen und Systeme von Baumüller können Fertigungsprozesse und Mobilitätskonzepte ihren ökologischen Fußabdruck verkleinern und der Energie- und Ressourcenverbrauch langfristig reduziert werden. Als Hersteller von Antriebs- und Automatisierungstechnik ist Baumüller Enabler für nachhaltigere industrielle Fertigungsprozesse und für die Mobilität von morgen.
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