Projektabschluss. e-simpro Energieeffiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung. Prof. Dr.-Ing.

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1 Effizienz auf Knopfdruck- Innovative Bewertungs- und Planungsinstrumente für die Produktion Projektabschluss e-simpro Energieeffiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele

2 Gliederung 1 Einleitung Einordnung und Bedeutung des Energieverbrauchs spanender Werkzeugmaschinen 2 Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen 3 e-simpro Problemstellung, Projektziele und -inhalte

3 Steigende Energiekosten stellen Unternehmen vor neue Herausforderungen Strompreise sind in den letzten 6 Jahren um 126 % gestiegen Energiekosten machen heute schon über 6 % an den Gesamtkosten der Unternehmen aus 4,82 5,09 5, % 6,86 7,80 9,14 10, ,3 +76% 6,3 7, Strompreisentwicklung für Industriekunden 2003 bis 2009 in [ct/kwh] Entwicklung der Energiekostenanteils an den Gesamtkosten 2000 bis 2009 in [ct/kwh] Quelle:VIK CARSTENVANLUER 2009 Quelle: IHK Baden Würtemberg

4 Verteilung des Energieverbrauchs in der Industrie Die Industrie verbraucht ca. 47% des deutschen Stromes Verkehr 3% Die EU verpflichtet zu CO 2 -Reduktionszielen von bis zu 30% bis % -20% Haushalte 27% Industrie 47% Gewerbe, Handel Dienstleistung 23% Quelle:VDEW In der Vergangenheit beschränkten sich Optimierungsmaßnahmen auf Bereiche der Infrastruktur Druckluftversorgung / Kompressoren Beleuchtung Klimatisierung Produktionsmaschinen und die maschinennahe Peripherie werden erst seit kurzem bei der Optimierung der Energieeffizienz berücksichtigt!

5 Energieverbrauch in der Fertigung Die Analyse verschiedener Bereiche der Fertigung eines Stangendrehteils ergab großes Energie-Einsparpotential bei der Werkzeugmaschine: Absaugung 3% KSS-Aufbereitung 3% Quelle: PTW Transport 5% Hauptantriebe Hydraulik Kühlung KSS-Hochdruck/Niederdruck Raumlufttechnik 15% Beleuchtung 6% Reinigung 1% Zerspanungsarbeit 5% Werkzeugmaschine 63% Energieerzeugung Energieübertragung Energiewandlung Span h 40% h 85% h 5-30% Die Werkzeugmaschine hat den größten Anteil am Energieverbrauch! h 1,7-10%

6 Betriebsdauer [Jahre] Jährliche Betriebskosten einer Werkzeugmaschine 10 Lebenszykluskosten / 10Jahre Betriebskosten pro Jahr* % Kapitalbindung 37% Wartung Inspektion 9% ungepl. Instandsetzung 6% Raumkosten 21% 21% Stromkosten 3% 16% 16% Druckluftkosten KSS- Kosten Erstinvestition *Nicht enthalten: Personal-, Werkzeug- und Materialkosten Quelle: COSTRA Studie PTW

7 Energiekosten übersteigen bereits die Werkzeugkosten Kosten je Schwenklager Energiekosten 0,05 0,13 0,07 0,03 Transferstraße 0,28 Energiekosten Rundtischmaschine Werkzeugkosten (Linie Rundtischmaschine) 0,01 0,08 0,10 0,20 0,01 0,19 Stromkosten Ruhezeit Nebenzeit Hauptzeit Druckluftkosten Quelle: Audi AG

8 Gliederung 1 Einleitung Einordnung und Bedeutung des Energieverbrauchs spanender Werkzeugmaschinen 2 Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen 3 e-simpro Problemstellung, Projektziele und -inhalte

9 Stellhebel zur Energieeffizienzsteigerung bei Werkzeugmaschinen Effiziente Komponenten und Antriebe Bedarfs- und prozessorientierte Ansteuerung der Maschinenkomponenten Optimale Dimensionierung und Auslegung der Funktionsmodule Reduktion von äußeren Belastungen

10 Ansatzpunkte zur Energieeffizienzsteigerung bei Werkzeugmaschinen sind vorhanden Energieeffiziente Komponenten und Funktionsmodule Motoren und Pumpen der KSS-Niederdruckversorgung Motoren der Absaugung Schaltschrankklimatisierung und Maschinenkühlung Bedarfsgerechte Regelung und Steuerung im Prozess KSS-Hochdruckpumpe Zentrale Absaugung Hydraulik Automatisches Abschalten in Produktionsunterbrechungen Prozessoptimierung Verringerung KSS-Verbrauch Kürzere Taktzeiten Vermeidung bzw. Reduzierung KSS-Hochdruck Optimale Auslegung der Komponenten

11 Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen - Status Quo Werbung von Komponenten -herstellern Betreiber von Werkzeugmaschinen kann Einsparpotentiale nicht bewerten 40% 30% 45% 70% i.d.r. höhere Investitionskosten Wenig Bereitschaft zur Mehrinvestition in Energieeffizienzmaßnahmen da Einsparpotentiale nicht bewertet werden können

12 Gliederung 1 Einleitung Einordnung und Bedeutung des Energieverbrauchs spanender Werkzeugmaschinen 2 Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen 3 e-simpro Problemstellung, Projektziele und -inhalte

13 Was verhindert die Transparenz des Energieverbrauchs? Stellgrößen Technologie / Prozess Maschine Umgebung Bearbeitungszeit Nebenaggregate Maschinen Typ Was wird wodurch beeinflusst? Einflussgrößen Prozess Parameter Dezentrale Aggregate Umgebungstemperatur Material Leistungsklasse Optimierungsgröße Energieverbrauch Fast jede Veränderung der Stellgrößen führt zu vielfältigen Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Aufgrund der Komplexität des Problems ist der Energieverbrauch nur schwer vorherzusagen.

14 Messungen Neugestaltung e-simpro: Bewertung durch Simulation des Energieverbrauchs Klassische Herangehensweise Werkzeugmaschine Rechnergestützte Auslegung und Optimierung Werkzeugmaschine Optimierung & Bewertung Simulationsmodell - K - xd M * M * wm idq * idq * idq wm vdq * vdq theta _ mech M _ load idq Energieverbrauch - K - du / dt Energieverbrauch Energy consumption Status Quo Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen beruht auf Herstellerempfehlungen und Erfahrung Das Ergebnis wird mit Hilfe von Messungen verifiziert Nutzen für Werkzeugmaschinenhersteller und -betreiber Simulationsbasierte Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen Reduktion des Zeit- und Kostenaufwands für die Implementierung und Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen

15 e-simpro: Projektkonsortium Forschungseinrichtung Anwender/Betreiber Systemanbieter/Maschinenhersteller Ausrüster/Komponentenhersteller * * * Absaugung Steuerung/ Antriebstechnik/ Leistungselektronik Kugelgewindetriebe Kühlung/ KSS-Versorgung Pneumatik * Assoziierte Partner

16 active power [W] Zeit [s] active power [W] Zeit [s] e-simpro: Phasen des Forschungsvorhabens Analyse Modellierung und Implementierung Anwendung Energiemessungen und Nutzungsprofile Modellbildung und Verifikation - K - xd M * M * wm idq * idq * idq wm vdq * vdq theta _ mech Softwareprototyp zur Simulation des Energiebedarfs Exempl. Anwendung und Darstellung der Optimierungspotentiale Integration in den Entwicklungsprozess Maschinenentwicklungsprozess M _ load idq - K - du / dt Das Projekt gliederte sich in 3 Phasen: In der Analysephase wurden Untersuchungen zum Energieverbrauch von Komponenten und Maschinen durchgeführt sowie der Entwicklungsprozess analysiert Während der Modellierungs- und Implementierungsphase wurden Modelle zur Beschreibung der energetischen Wirkzusammenhänge erstellt, implementiert und verifiziert und daraufhin ein Softwaretool entwickelt In der Anwendungsphase wurden exemplarisch Optimierungspotentiale erschlossen und das Simulationstool in den Entwicklungsprozess integriert

17 Zwei Anwendungsfälle wurden in e-simpro betrachtet Entwicklungsprozess nein Prozessbeschreibungen INTRANET Normen Vorschriften Maschinendaten QS-Informationen Komponentenunterlagen Energieeffizienz nein OK? ja Prototypänderungen Simulation nein ja 3.1 Prototypenentwicklung Risikobeurteilung 3.4 Komponentenfreigabe 3.2 Prozessentwicklung 3.3 Prozessfreigabe Während des Entwicklungsprozesses von WZM wird ein Werkzeug benötigt, um den Nutzen energieeffizienter Lösungen untersuchen zu können. Dies ist eine wichtige Grundlage um evtl. Mehrkosten gegenüber dem Kunden transparent darstellen zu können. ja 3.5 Komponentenbeschaffung 3.6 Versuchsprogramm Konkrete Fertigungsaufgabe Die Simulation des Energieverbrauchs einer konkreten Fertigungsaufgabe soll sowohl unterschiedliche Werkstücke als auch verschiedene Maschinen abbilden können. Optimierungspotentiale an bestehenden Anlagen können so identifiziert und bewertet werden. kwh / Stück

18 Ausblick auf die Projektergebnisse e-simpro - simulierte Optimierungsmaßnahmen VL7 Antriebssystem KSS -System Maschinenkühlung Schaltschrank -kühlung Absaugung Hydraulik Netzteil 24V % -54% -100% elektr. Leistung [kw] % -56% Drehzahlregelung Lüftkühlung Durchstecktechnik Motordimensionierung Drehzahlregelung -7% Optimierte Einspeisung** Einsparung [MWh/Jahr]* -28% 63,17 MWh 45,28MWh Späneförderer 51 * 3-Schicht-Serienfertigung (5 Tage/Woche, 5982h Betriebszeit/Jahr) Strompreis: 0.1 /kwh ** Simulation SIEMENS VL7 (vor Optimierung) VL7 (Energieoptimiert)

19 Ausblick: Parellele Sessions & Demonstrator Vorstellung der Projektergebnisse e-simpro in Fachvorträgen: 1. Rahmenbedingungen und wissenschaftliche Vorgehensweise 2. Vorstellung des Softwarekonzepts und des Softwareprototyps 3. Bewertung und Potenzialabschätzung aus Sicht des Maschinenherstellers Vorstellung des Softwareprototypen und des Demonstrators in der Ausstellung

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen stehe wir Ihnen gerne zur Verfügung. Prof. Dr.-Ing. E. Abele Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Petersenstr Darmstadt, Germany Tel.: Fax: Internet:

21 Effizienz auf Knopfdruck- Innovative Bewertungs- und Planungsinstrumente für die Produktion Logo VP oder Akronym Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen (02PO2032) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.