Energieeffizienz und Gesamtbetriebskosten
Wie Nord Effizienz und Kosten bei Infrastrukturprojekten in Balance bringen möchte
Intralogistikprojekte für Flughäfen oder Paketzentren müssen konkurrierende Ansprüche unter einen Hut bringen. System-integratoren und Betreiber schauen auf die Anlagen aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Nord propagiert einen umfassenden Tco-ansatz, um dem gerecht zu werden. Doch wie gelingt der optimale Kompromiss?
Die Lebenszykluskosten von Antriebslösungen (Total Cost of Ownership/tco) umfassen sämtliche anfallenden Kosten: von der Anschaffung über die Inbetriebnahme, Nutzung und Wartung bis hin zur Entsorgung. Die beiden größten Hebel zur Tco-senkung bieten dabei der Energieverbrauch sowie die Anzahl der eingesetzten Antriebsvarianten. Zwischen Energieeffizienzoptimierung und Variantenreduzierung besteht jedoch ein Zielkonflikt.
Teillast ist die Krux
Konzipiert man eine Anlage mit Antrieben, die jeweils auf den energieeffizientesten Arbeitspunkt ausgelegt sind, so fallen die reinen Investitionskosten optimal aus und die Motoren laufen unabhängig von ihrer Effizienzklasse vergleichsweise energieeffizient. Im Gegenzug müssen hierfür über den gesamten Lebenszyklus der Anlage viele verschiedene Antriebsvarianten verwaltet und gewartet werden.
Bei diesem Vorgehen werden beispielsweise Förderbänder für Flughäfen, Warenlager und Paketzentren häufig auf die zu erwartende Maximallast und folglich mit entsprechenden Sicherheitsfaktoren ausgelegt. Hieraus resultieren meist zu groß gewählte Antriebe. Im Realbetrieb wird bei solchen Anlagen die Maximallast jedoch nur mit einem geringen Anteil der beförderten Ladungseinheiten erreicht. Das Resultat einer solchen Auslegung ist, dass die Antriebe die meiste Zeit im Teillastbereich arbeiten.
Varianten: Weniger ist mehr
Während ein Antriebskonzept mit Hauptfokus auf der Einsparung von Energiekosten zu einer Vielzahl an Varianten führt, hat eine Variantenreduzierung genau das Gegenteil zum Ziel – nämlich die erforderlichen Drehmomente und Drehzahlen in einer Anlage mit so wenig verschiedenen Antriebsvarianten wie wirtschaftlich sinnvoll abzudecken. Eine Variante ist dabei eine Kombination aus Getriebe, Motor und Frequenzumrichter, die in unterschiedlichen Baugrößen und Übersetzungen vorkommen.
Varianten können reduziert werden, indem für einen bestimmten Last- und Drehzahlbereich nur noch eine Getriebemotorund Frequenzumrichter-baugröße eingesetzt wird. Für kleinere Leistungsanforderungen oder andere Drehzahlbereiche kann diese Antriebseinheit dann, gesteuert durch den Frequenzumrichter, alle erforderlichen Betriebspunkte abdecken.
Um möglichst viele Applikationen mit einer Variante zu bedienen kommt es im Zuge der Variantenreduzierung mitunter zu einer gezielten Überdimensionierung einiger Antriebe. Je weiter weg ein Antrieb jedoch von seinem optimalen Arbeitspunkt läuft, desto schlechter wird sein Wirkungsgrad und damit die Energieeffizienz, da sich die Energieaufnahme hierdurch zwangsläufig erhöht.
Das Optimum finden
Bei einer Variantenreduzierung steigen die Projektkosten tendenziell leicht an, weil teilweise größere Antriebe eingesetzt werden, die zu einem Mehrpreis im Vergleich zu einer maßgeschneiderten Dimensionierung führen. Der Betreiber profitiert hierbei jedoch im Gegenzug über die gesamte Antriebslebensdauer von dem optimierten Betrieb seiner Anlage und signifikanten Kosteneinsparungen in den Bereichen Administration, Service und Ersatzteilbevorratung. Auch der Systemintegrator spart durch eine gezielte Variantenreduzierung Kosten, beispielsweise beim Engineering. Eine größtmögliche Variantenreduzierung
kann jedoch auch nicht das Ziel sein, da ab einer gewissen Schwelle die Projektkosten sprunghaft ansteigen können. Zusätzlich führt eine geringe Anzahl an Varianten aufgrund zunehmender Überdimensionierung zu verschlechterten Wirkungsgraden bei den eingesetzten Antrieben. Bei Projekten gilt es daher den optimalen Mix aus den variantenanzahlabhängigen Kosten für Investition, Betrieb (Administration, Service, Ersatzteilbevorratung) und Energie zu finden.
Ein abgestimmtes Antriebssystem
Doch wie lassen sich die Vorteile beider Optimierungsstrategien nun zusammenbringen? Die Antwort von Nord heißt beispielsweise Logidrive. Diese Antriebskombinationen bestehen aus einem Ie4synchronmotor mit Nennleistungen von bis zu 5,5 kw, einem zweistufigen Kegelstirnradgetriebe sowie einem motornah installierten Nordac-link-frequenzumrichter. Die standardisierten Getriebemotorvarianten sind hocheffizient, dank Plug-andplay servicefreundlich. Zudem führen sie automatisch zu einer Reduzierung des Ersatzteilvorrats im laufenden Betrieb.
Das gesamte System ist modular aufgebaut, sodass alle Komponenten der Antriebstechnik individuell gewartet werden können. Das minimiert die Instandhaltungsund Reparaturkosten. Ein leichtes Aluminiumgehäuse spart im Vergleich zu klassischen Getrieben rund 25 Prozent Gewicht.
IE4: Hohe Wirkungsgrade auch bei Teillast
Den Spagat zwischen energieeffizientem Betrieb und einem Minimum an Antriebsvarianten schaffen die Logidrive-systeme vor allem durch den Einsatz von Ie4-synchronmotoren. Dank Pmsm-technik (Permanentmagnet-synchron-motor-technik) haben die Motoren einen hohen und relativ konstanten Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich und bieten so auch in Teillast- und Teildrehzahlbereichen eine optimale Energieverbrauchsperformance – ein klarer Vorteil gegenüber der herkömmlichen IE1-, IE2-, oder Ie3-asynchrontechnik. Trotz Überdimensionierung durch Variantenreduzierung bleibt also der Wirkungsgrad auf einem hohen Niveau und im Resultat bleiben die Gesamtbetriebskosten gering.
Einfach Projektierung und Inbetriebnahme
Das Konzept dieser Antriebe ist auf einfache Projektierung und Inbetriebnahme ausgelegt: Alle Anschlüsse beim Nordaclink-frequenzumrichter beispielsweise werden über einfache Steckverbindungen hergestellt und integrierte Wartungsschalter und Handbedienschalter sorgen für eine hohe Benutzerfreundlichkeit. Die in die Umrichter integrierte PLC kann die übergeordnete Anlagensteuerung entlasten und eigenständig Steuerungsaufgaben übernehmen.
Diese frei programmierbare PLC verarbeitet die Daten angeschlossener Sensoren und Aktoren, kann Ablaufsteuerungen einleiten und die Antriebs- und Anwendungsdaten an den Leitstand, vernetzte Komponenten oder eine vorhandene Cloud übermitteln. Dies ermöglicht auch die bereits erwähnte kontinuierliche Zustandsüberwachung (Condition Monitoring). Die Frequenzumrichter in den Logidrivesystemen können die Abtriebsgeschwindigkeit über einem Frequenzbereich von 25 bis 70 Hz regeln. Zusammen mit der guten Überlastfähigkeit der Motoren kann statt verschiedener Motorbaugrößen ein einziger Motortyp eingesetzt werden. Dieser wird je nach Leistungsanforderung vom Umrichter mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben. In einem konkreten Projekt ging es um den Gepäcktransport an einem Flughafen. Dort wurden 700 Antriebseinheiten für Förderbänder gebraucht. Die zu fördernden Gepäckstücke sollten maximal 50 Kilo wiegen. Ohne Variantenreduzierung wären 58 verschiedene Antriebskonfigurationen mit entsprechendem Verwaltungsaufwand auf allen Ebenen erforderlich gewesen. Nord reduzierte auf elf Varianten, wobei acht von der Standardsystemlösung Logidrive abgedeckt werden.
Wie ein optimaler Kompromiss aussieht
Nur eine intensive Auseinandersetzung mit dem Projekt und seinen Anforderungen und eine sorgfältige Abwägung aller Aspekte, die sowohl die Wirtschaftlichkeit für Systemintegratoren als auch für Betreiber heranzieht, führt bei der Antriebsauslegung zum besten Ergebnis.
Die Applikationsingenieure von Nord Drivesystems unterstützen Anwender bereits bei der Planung mit umfassenden Analyseund Beratungsleistungen. Mit den standardisierten Ie4-getriebemotorvarianten Logidrive haben die Norddeutschen zudem leistungsstarke Antriebstechnik im Programm, die die Effizienz steigert und gleichzeitig die Varianten reduziert. Das Resultat ist ein optimaler Kompromiss aus Investitions-, Betriebsund Wartungskosten.