Impulsvortrag - Produktionsintegrierter Umweltschutz im Maschinenbau und in der Metallbearbeitung

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1 Fachtagung Hesen-Umwelttech 2009 Darmstadt, Impulsvortrag - Produktionsintegrierter Umweltschutz im Maschinenbau und in der Metallbearbeitung Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele Dipl.-Wirtsch.-Ing Benjamin Kuhrke Institut für Produktionsmanagement, Technische Universität Darmstadt

2 TU Darmstadt -, Umweltgerechte Produktion PTW260319EABK Bild 1

3 Ein lernendes Unternehmen an der TU Darmstadt: Prozesslernfabrik CiP (Center für industrielle Produktivität) Reale Produkte aus einer realen Produktionsumgebung mit Spanender Bearbeitung manueller Montage Logistik Qualitätsprüfung Aus- und Weiterbildung für Studenten und Mitarbeiter aus der Industrie Lehrmodul spanende Bearbeitung Bosch Group Lehrmodul Montage Lerninseln Rüstzeitreduzierung/SMED Mehrmaschinenbedienung Pull/Kanban zur Montage Autonome Instandhaltung Heijunka/Produktionsglättung Ergonomisches Arbeitplatzdesign Just-in-Time Produktion Flexibler Taktzeitangleich 5S, Visuelles Management, Standardisierung, Auditierung, Leistungsmanagement, KVP PTW260319EABK Bild 2

4 Motivation für einen produktionsintegrierten Umweltschutz in der Metallbearbeitung Beitrag zum Umweltschutz Verringerung von Kosten Schutz des Klimas Verringerung von Energiekosten 5,3 % im verarbeitenden Gewerbe Abgabepreisindex (2000=100) Energieeffiziente Anlagen Kraft-Wärme-Kopplung Abwärmenutzung Jahr Schonung knapper Ressourcen Spotpreisindex Global Steel (2000=100) Verringerung von Materialkosten 42 % im verarbeitenden Gewerbe 80 KSS-Emulsion = Öl Recycling Nachwachsende Rohstoffe Jahr PTW260319EABK Bild 3

5 Allgemeine Energie- und Stoffströme an einer Prozesskette in der Metallbearbeitung Energie Strom, Wärme Werkzeuge Hilfsstoffe KSS, Reinigungsmittel Urformen Umformen Fräsen Härten Schleifen Montage Halbzeug/ Material Bauteil/ Produkt Hilfsprozesse Waschen, Trocknen, Transport Reststoffe Späne, Abwasser, KSS Ausschuss Emissionen Abluft, Wärme PTW260319EABK Bild 4

6 Ansätze zum produktionsintegrierten Umweltschutz in der Metallbearbeitung Wärmedämmung Beleuchtung Heizungssystem Abwärmenutzung Nachwachsende Rohstoffe z.b. KSS aus Esther Strukturleichtbau Energieeffiziente Produktionsmaschinen Netshape-Technologie Nullfehler -produktion KWK Späne-/KSS- Aufbereitung Trockenbearbeitung Energieeffiziente Versorgungstechnik Ressourcenkreisläufe z.b. Wasseraufbereitung Die Erfahrung zeigt, dass vor allem Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs in der Praxis umsetzbar sind und sich hinreichend schnell amortisieren. PTW260319EABK Bild 5

7 Energieflussbild 2007 für die Bundesrepublik Deutschland Endenergieverbrauch in den Sektoren Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 15,6% Industrie 28,5% Haushalt 25,6% in Mio. t Steinkohleeinheiten (SKE) Quelle: AG Energiebilanzen Verkehr 30,3% PTW260319EABK Bild 6

8 Endenergieverbrauch in der Industrie und Verteilung mechanischer Energie Prozesswärme 63,7% Raumwärme 9,2% andere: 17,0% Kälteerzeugung 23,0% Mechanische Energie 21,2% Pumpen 25,0% IuK 1,4% Beleuchtung 1,7% Drucklufterzeugung 11,0% Lüftung/ Klimatisierung/ Ventilatoren 24,0% PTW260319EABK Bild 7

9 Ansatzpunkt zur Energieeffizienz im metallbearbeitenden Gewerbe In der Vergangenheit vor allem Optimierungsmaßnahmen bei Infrastruktur- und Versorgungsanlagen wie Druckluft, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren, Beleuchtung, Hallenklima usw. durch Energieeffiziente Motoren Drehzahlregelung Optimierung des mechanischen/hydraulischen Systems Effiziente Beleuchtung Wärmedämmung- /rückgewinnung Produktionsmaschinen und die maschinennahe Peripherie werden bei der Optimierung der Energieeffizienz selten berücksichtigt! PTW260319EABK Bild 8

10 Fallbeispiel: 60 % des Energieverbrauchs bei der Bearbeitung eines Stangendrehteils sind der Werkzeugmaschine zuzuschreiben Absaugung 3% KSS-Versorgung 3% Transport 5% Raum-Luft-Technik 15% Beleuchtung 6% Waschen 1% Spanungsarbeit 4% Gesamtenergiebedarf*: 1 kwh Werkzeugmaschine 63% Ergebnisse aus der Analyse des Energieverbrauchs einer Traub TNS 65/80 D in der spanenden Fertigung bei der Heidelberger Druck AG. *Bearbeitung eines Stangendrehteils aus CK 45 Quelle: PTW, Eigene Studien PTW260319EABK Bild 9

11 Jahresenergiebedarf eines modernen 5-achsigen Bearbeitungszentrums im Vergleich Jahresstromverbrauch 12 x *3600 kwh/jahr X 200 kwh/tag 220 Arbeitstage (2 Schicht) 227 x kwh/jahr *193 kwh/jahr PTW260319EABK Bild 10

12 Die Energiekosten betragen bis zu 21 Prozent der Lebenszykluskosten einer WZM Betriebskosten pro Jahr 8% Kapital - bindung 37% Wartung Inspektion 8% ungepl. Instandsetzung 6% Raum Kosten 21% 21% Energie Kosten 3% 16% 16% Druckluft Kosten KSS Kosten Erstinvestition Quelle: COSTRA Studie PTW PTW260319EABK Bild 11

13 Grundleistung dominiert den Stromverbrauch bei der Drehbearbeitung einer Gelenkwelle aus CK45 Drehbearbeitung einer Gelenkwelle aus CK Hauptschalter Ein Nebenaggregate ein Anschlussleistung (59 kw) Leistungsaufnahme [kw] Notaus-Test Beginn Zerspanungsprozess Ende Zerspanungsprozess Hauptschalter Aus Zeit [s] Stromverbrauch durch Grundlast entspricht 65% des Gesamtstromverbrauchs! 5 6 Exkurs Energieverbrauch indischer Maschine lag bei Faktor 2,5! -20 PTW260319EABK Bild 12

14 Komponentenbezogener Jahresenergieverbrauch eines Drehautomaten in der Wiederholfertigung Hydraulikmotor Antriebsstrang inkl. Leistungselekronik Kühlmittelpumpe Niederdruck Trafo 24 V u. SPS Lüfter Hauptspindel 4 Schaltschranklüfter Kühlmittelpumpe Hochdruck Hydraulikölkühler Trafo 230 V Maschinenleuchten Hebepumpe Kühlschmierstoff Stromverbrauch [kwh] Anteil Standby-Verbrauch Energieverbrauch PTW260319EABK Bild 13

15 Bei reiner Spannfunktion durch Kompaktaggregate und bei zentralem System durch Drehzahlregelung Energie sparen * Kompaktpumpenaggregat für Spannfunktion im Aussetzbetrieb Energieeinsparung 60%...90% Leistung Spannen Entspannen Zentralhydraulik 4 kw Kompaktaggregat 0,17 kw Zeit ** Drehzahlveränderliches Pumpenaggregat für die Zentralhydraulik Energieeinsparung 30% Quelle: * Hawe, **Bosch Rexroth PTW260319EABK Bild 14

16 Auch bei KSS-Hochdruckpumpen lassen sich durch Drehzahlregelung Energiekosten einsparen Stirnfräsen D=100 Stirnfräsen D=100 Stirnfräsen D=45 Stirnfräsen D=18 Bohren D=18,2 Bohren D=5 Bohren D=5/6,3 Bohren D=5 Bohren D=6,8/8,5 Bohren D018,7 Gewinde M6 Bohren D=6,8 Bohren D=6,8 Gewinde M8 Bohren D=199,5 Bohren D=12-14 Bohren D=3-18,1 Bohren D=12-14 Bohren D=6-14,35 Bohren D=3-18,1 Bohren D=5 Stirnfräsen D=100 Wekzeugwechsel 50x sec 7,9 6,7 19,0 24,0 2,0 3,6 22,0 14,0 1,2 1,3 71,0 5,3 8,8 37,0 5,3 10,0 38,0 5,3 17,0 38,0 2,0 12,0 50,0 Druck und Drehzahl konstant l/min bar kw 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 4,9 Wh 10,8 9,1 25,9 32,7 2,7 4,9 29,9 19,1 1,6 1,8 96,6 7,2 12,0 50,4 7,2 13,6 51,7 7,2 23,1 51,7 2,7 16,3 68,1 0,55 kwh Druck und Drehzahl variabel l/min bar kw 2 2 1,7 1,3 2,5 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 1,3 4,9 0,8 1 1,3 1,4 4 0,1 Wh 4,4 3,7 9,0 8,7 1,4 0,8 4,9 3,1 0,3 0,3 15,8 1,2 2,0 8,2 1,2 3,6 51,7 1,2 4,7 13,7 0,8 13,3 1,4 0,16 kwh Lastfall Stromk./a Mehrinvest 6000 h/jahr Stück/Jahr Alternative 1 Alternative Amortisation < 1 Jahr Quelle: Knoll PTW260319EABK Bild 15

17 Energieeffiziente Schaltschrankklimatisierung Energieeffiziente Aggregate Betrieb unter Vollast (1000W) 70% -45% Betrieb unter Teillast 80W) 30% Betriebszeit pro Tag 16 Stunden Betriebszeit pro Jahr 240 Tage Strompreis pro kwh 0,11 Energiekosten [ ] Anzahl der Geräte 10 0 Standard Effizientes Aggregat Kühlleistung [W] % - 45% Wartung 0 Nano Beschichtung Filtermatte Filtermatte nach 1/4 Jahr Verschmutzte Filtermatte Quelle: Rittal PTW260319EABK Bild 16

18 Bei der Fräsbearbeitung sinkt mit wachsender Zustellung der spezifische Energieverbrauch P [W] Leistungsaufnahme Spezifischer Energieverbrauch E spezifisch [Wh/1000mm 3 ] a p [mm] 0 Aufgrund der hohen Grundlast hängt der spezifische Energiebedarf stärker von der Prozesszeit als von der durch die Hauptantriebe verursachte Leistungsaufnahme ab. PTW260319EABK Bild 17

19 Bei der Fräsbearbeitung sollte die Prozesszeit so kurz wie möglich gehalten werden E spezifisch [Wh/1000mm 3 ] [ Spezifischer Energieverbrauch sinkt mit steigendem 6 a p 4 f z 2 v c 0,1 0,2 f z 0,3 0,4 a p =1 v c =100 a p =1 v c =200 a p =2 v c =100 a p =2 v c =200 a p =2 v c =100 a p =3 v c =200 a p =4 v c =200 a p =4 v c =200 0 Prozesszeit reduzieren und Maschine ausschalten! PTW260319EABK Bild 18

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. E. Abele, Technische Universität Darmstadt Petersenstr Darmstadt Tel: Fax: info@ptw.tu-darmstadt.de Internet: Institut für Produktionsmanagement, Technische Universität Darmstadt