Energierückgewinnung für Mehrachsmaschinen (ERMA)

Problemstellung
Der Energieverbrauch mehrachsiger Produktionsmaschinen (Sondermaschinen, Roboter, Werkzeugmaschinen u.a.) beim Bewegen von Werkzeugen, Greifen und Transportieren von schweren Massen etc. wird in hohem Maße durch ständige Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge bestimmt. Daraus resultiert eine kurzzeitige Aufnahme und Abgabe von Spitzenleistung, die bis hin zur Dimensionierung der erforderlichen Installation und Bezahlung der Leistung kostenrelevant ist. Dagegen ist der physikalisch notwendige Energiebedarf für die eigentliche Bewegung auf die Überwindung prozessbedingter Gegenkräfte und Reibung beschränkt. Aufgabe des Projektes ist es, einen Teil der verschwendeten Energie durch Energierückgewinnungssysteme einzusparen. Für einachsige Systeme gibt es kommerzielle Lösungen, für Mehrachsmaschinen existieren bisher keine Ansätze.

Projektziele
Die Verbesserung der Energieeffizienz von Produktionsanlagen ist vor dem Hintergrund steigender Energiepreise nicht nur ein Wettbewerbsvorteil, sondern volkswirtschaftliche Notwendigkeit. Im Projekt soll gezeigt werden, dass es durch Einsatz intelligenter Steuerungsalgorithmen im Zusammenspiel mit modernen Energiespeichern möglich ist, den Energieverbrauch der betrachteten Produktionsmaschinen drastisch zu senken, ohne die technologischen Parameter der Maschinen zu verschlechtern. Neben der Entwicklung einer allgemeinen Methodik zum Entwurf der Energierückgewinnungssysteme wird die Wirksamkeit des Verfahrens an einem Demonstrator nachgewiesen.

Vorgehensweise
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf einer innovativen Kombination zweier Ansätze:
a) Lokale Energiespeicherung und -abgabe durch einen Schwungmassenspeicher, kombiniert mit einer Kurzzeitpufferung durch Kondensatoren oder Supercaps, unter Verwendung eines gemeinsamen elektrischen Zwischenkreises;
b) Vorausschauende Planung des Energiemanagements durch eine modellbasierte vorlaufende Echtzeitsimulation und Steuerung der energetischen Komponenten.
Die benötigten Algorithmen und Systemelemente werden zunächst von den spezialisierten Partnern entwickelt und anschließend in einem Demonstrator zusammengeführt, an dem der messtechnische Nachweis der erreichten Energieeinsparung geführt werden kann.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das Energierückgewinnungssystem ist für alle automatisch arbeitenden Anlagen einsetzbar, die elektronisch gesteuert werden und in denen schnelle Bewegungen mit größeren Massen auszuführen sind. Folgende Effekte werden erwartet:
a) Energieeinsparung im Bereich von 20 v. H. bis 40 v. H. (abhängig von Anlagengröße und Maschinentyp)
b) Entlastung des Stromnetzes von Leistungsspitzen, keine Rückspeisung ins Netz erforderlich
c) Erhöhung der Betriebssicherheit durch die Möglichkeit, kurzfristige Netzstörungen zu überbrücken und/oder kritische Produktionsprozesse sicher abzuschließen.
Die Ergebnisse dieses Projekts kommen sowohl den beteiligten Unternehmen als auch allen interessierten Maschinen- und Anlagenbauern zugute. Die beteiligten Unternehmen können durch die Erweiterung ihres Produktspektrums ihre Marktposition nachhaltig stärken.

• ARADEX Aktiengesellschaft
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein