Eine möglichst grüne Intralogistik setzt Lagerverantwortliche seit geraumer Zeit unter Zugzwang. Kein Wunder, beträgt doch der Anteil der Intralogistik an den Energiekosten in der Logistikkette rund 25 Prozent und davon entfällt wiederum die Hälfte auf die Bereiche Fördertechnik, Lager und Kommissionierung. Ansatzpunkte für mehr Energieeffizienz im Lager gibt es viele. Doch nur wenige sind schnell und einfach umgesetzt. Dazu zählt z.B. die Auswahl des richtigen Netzteils für den Betrieb von Transportsystemen. So ist der Energiebedarf von Logistik-Assets wie Förderbändern oder Sortieranlagen oft zu groß. Zur Spannungsversorgung von DC-Antrieben werden mehrheitlich konventionelle AC/DC-Netzteile eingesetzt. Bei denen ist jedoch eine individuelle Anpassung von energierelevanten Parametern wie Geschwindigkeit und Antriebskraft nicht möglich, weil die Möglichkeit zur dynamischen Anpassung der Leistung fehlt. Die Folge: Es wird unter Umständen mehr Energie verbraucht, als eigentlich nötig wäre. Der Konzept der Cotek-Netzteile macht damit Schluss – eine kleine Stellschraube im Gesamtsystem, die jedoch interessante Möglichkeiten zur Energieeinsparung birgt.
Einsparungspotential bei AC- und DC-Antrieben
Elektrische Motoren und Antriebssysteme sind äußerst robuste Komponenten. So robust, dass Schätzungen davon ausgehen, dass über die Hälfte der derzeit im Einsatz befindlichen Modelle ihrer erwartete technische Lebensdauer längst überschritten haben. Im Durchschnitt sind sie sogar meist doppelt so alt. Wegen ihrer Robustheit sind die Kosten für Anschaffung, Wartung und Reparatur gering. Sie machen nur drei Prozent der gesamten Lebensdauerkosten aus. Anders sieht es mit den Betriebskosten – und hier vor allem den Stromkosten – aus. Diese verursachen bei einem Elektromotor rund 97 Prozent der gesamten Lebensdauerkosten. Aktuell sind in der EU rund acht Milliarden Elektromotoren im Einsatz. Angesichts explodierender Energiepreise lohnt es sich, Antriebssysteme einer Überprüfung zu unterziehen und gegebenenfalls durch eine Lösung mit geringerem Energieverbrauch zu ersetzen.
Über Ökodesign-Richtlinien und Energieeffizienzklassen (IE1 bis IE4) versucht die EU zudem, den Energieverbrauch bei Neuanlagen zu verringern, und damit verbunden auch die CO2-Emissionen. Durch die lange Lebensdauer der Elektromotoren wird es allerdings eine geraume Zeit dauern, bis dieser Einspareffekt greift. Die Richtlinie 2019/1781 trat im ersten Schritt Mitte 2021 und wurde zum Juli diesen Jahres um den zweiten Schritt erweitert. Sie regelt die Effizienz für Motoren mit direktem Netzanschluss – also AC-Motoren und die dazugehörigen Frequenzumrichter.
Ende der Ausnahme absehbar
Bei der Ermittlung des Energieverbrauchs durch industrielle Antriebssysteme sind sowohl AC-Motoren als auch DC-Motoren einbezogen. Letztere sind von der Ökodesign-Richtline derzeit ausgenommen. Fachleuten jedoch erscheint es nur als eine Frage der Zeit, bis für DC-Motoren ebenfalls eine entsprechende Verordnung in Kraft treten wird. Bei AC-Motoren geschieht die Änderung der Drehzahl durch eine Frequenzänderung mittels eines Umrichters. DC-Motoren werden über Gleichspannung versorgt. Wird diese geändert, ändert sich auch die Drehzahl. Die weiteren Ausführungen der Richtlinie beziehen sich auf DC-Motoren, wobei die Annahmen sowohl für Bürstenmotoren (mit Kollektor) als auch für bürstenlose BLDC-Motoren zutreffen. Beide Technologien zeichnen, im Gegensatz zu AC-Motoren, folgende Merkmale aus:
- hohes Anlaufmoment
- hohes Drehmoment
- hochdynamisches Start-, Stopp- und Beschleunigungsverhalten
- schnelle Drehrichtungsänderung
- wenn gefordert eine extrem hohe Drehzahl (BLDC bis ca. 100.000rpm)
Aus diesem Grund sind diese Antriebskomponenten die erste Wahl für dynamische Applikationen wie Industrieroboter, Werkzeugmaschinen oder Transportsysteme.
Betrieb abseits hoher Wirkungsgrade
Gleichstrommotoren sind Leistungswandler. Die zugeführte elektrische Leistung wird in mechanische Leistung (Drehzahl und Drehmoment) umgewandelt. Ist bei einer Anwendung die DC-Betriebsspannung, das benötigte Drehmoment und die angestrebte Drehzahl bekannt, kann ein Motor passend auf diesen Arbeitspunkt ausgelegt werden (die sogenannte Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie). Generell ist festzuhalten, dass der Motorstrom proportional zum Drehmoment und die Drehzahl proportional zur DC-Versorgungsspannung sind. Das Produkt aus aufgenommenem Strom und angelegter Spannung entspricht also der Leistungsaufnahme des Motors (bis zur Grenze der Motorparameter). Das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ergibt die mechanische Abgabeleistung. Diese beiden Größen bestimmen den Motorwirkungsgrad, der nicht konstant über den gesamten Drehzahl/Drehmoment-Bereich ist. Jeder DC-Motor hat einen spezifischen Arbeitsbereich, in der er in seinem Wirkungsgrad-Maximum arbeitet.
