Energieeffizienz in der Automatisierungstechnik

Transkript

1 Energieeffizienz in der Automatisierungstechnik Efficiency Arena Energie-Effizienz in der Automatisierung Festo AG&Co.KG Roland Volk Energy Efficiency Consultant

2 FESTO - Ein unabhängiges Familienunternehmen Pneumatische und elektrische Antriebstechnik für die Industrie und Prozessautomatisierung Gegründet 1925 Weltweiter Umsatz: 2,28 Milliarden Mitarbeiter weltweit Mehr als Katalogprodukte 61 Landesgesellschaften Vertretungen in mehr als 176 Ländern Kunden weltweit Mehr als technische Berater und Projektingenieure weltweit Forschung/Entwicklung: 9% vom Umsatz Aus- und Weiterbildung: 1,5% vom Umsatz 2

3 - Alle reden von Energieeffizienz Quelle: Maschinenmarkt Online

4 Unsere Kernbotschaften für EEF Die Applikation bestimmt die Wahl der besten Technologie Umsetzungsmaßnahmen sind von der Applikation abhängig heißt Lösungen für eine wirtschaftliche & nachhaltige Zukunft anzubieten Unsere Lösungen beim Kunden Energieeffizienz-Maßnahmen stehen im Mittelpunkt Intelligente Auslegung Produkte & Lösungen Industrial Education Services

5 Energie ist ein teures Gut! Erzeugung Verteilung Umwandlung 0.5 kg Brennholz* 100 l Erdgas* 0.4 kg Steinkohle* 1 kwh = 1000 W * 1 h = eine Stunde lang 1000 Watt Leistung g Uran* Länder Preise / kwh (2012) Deutschland 0,104 Frankreich 0,0725 Österreich 0,08-0,14 Variabel Variabel Variabel *Brennwert (fossile Energieträger): Italien 0,124 China 0,066 USA 0,065

6 Wie teuer ist Druckluft genau? Erfahrungswerte: typische Verteilung Energiekosten und weitere Kosten (Abschreibung und Wartung) für ein Kompressorsystem ist 75/25 Moderne Kompressoren-Systeme haben eine Druckluftkennzahl zwischen 90 und 120 Wh/Nm³ (Druckluftkennzahl = Energieaufwand pro Nm3 verdichtet auf 6bar rel.) Durchschnittliche Druckluftkosten: Durchschnittliche Stromkosten: 0,019 /Nm³ 0,12 /kwh Energiekosten: Stromverbrauch weitere Kosten: Öl- und Wasserverbrauch Anschaffung, Abschreibung, Zinsen + Platzkosten Wartungs- und Reparaturkosten Durchschnittliche Kosten der Druckluft: Jährliche Lieferleistung Kompressor (nach ISO 1217; 20 C, 1000 mbar) = 0,019 /Nm3

7 Moderne Druckluftsysteme sind aus Effizienzsicht voll wettbewerbsfähig! 7% als Wirkungsgrad Basis ist veraltete Anlage Nicht eindeutige Angaben Aber: Leider weit verbreitet Veröffentlichung F. Ilmberger & F. Seyfried, BWK, 1994 Moderne Anlage von Erzeugung bis zur Anwendung Moderne Anlage von Erzeugung bis Anwendung mit Wärmerückgewinnung Quelle: EnEffAH Energieeffizienz in der Produktion im Bereich Antriebs- und Handhabungstechnik

8 Was bringt 1 kwh für ein elektrisches oder pneumatisches System? Elektrisches System Input 1 kwh Pneumatisches System Verluste DLK: 0,12 kwh/nm³ Luftmenge: 8,33 Nm³ Output: Zykl. (12,7h) Output: Zykl. (3,1h) DNCE / EMMS-AS-55 Verluste Applikation: 15kg vertikal Zykluszeit: 3sec Verfahrzeit: 1sec DSBC m PUN-6 Verluste

9 Was bringt 1 kwh für ein elektrisches oder pneumatisches System? Elektrisches System Input 1 kwh Pneumatisches System Verluste DLK: 0,12 kwh/nm³ Luftmenge: 8,33 Nm³ Output: Zykl. (17h) Output: 3735 Zykl. (5,2h) DNCE / EMMS-AS-55 Verluste Applikation: 15kg vertikal Zykluszeit: 5sec Verfahrzeit: 1sec DSBC m PUN-6 Verluste

10 Was bringt 1 kwh für ein elektrisches oder pneumatisches System? Elektrisches System Input 1 kwh Pneumatisches System Verluste DLK: 0,12 kwh/nm³ Luftmenge: 8,33 Nm³ Output: 3956 Zykl. (65h) Output: Zykl. (62h) DNCE / EMMS-AS-55 Verluste Applikation: 15kg vertikal Zykluszeit: 30 sec Verfahrzeit: 1sec DSBC m PUN-6 Verluste

11 Natürlich haben beide Technologien Stärken und Schwächen! Stärken der elektrischen Antriebe Fahrprofile flexibel programmierbar Einfache Regelung des Antriebsystems Hohe Laststeifigkeit Hohe Dynamiken möglich Belastungsabhängiger Energieeinsatz Schwächen der elektrischen Antriebe Relativ komplexer Systemaufbau Dezentrale Wärmeerzeugung Nur bedingt überlastfähig Relativ hoher Platzbedarf Relativ hohe Anschaffungskosten Stärken der Pneumatik Einfach, kostengünstig mit 100% Einschaltdauer Wartungsarm, langlebig, zuverlässig und robust Hohe systembedingte Schutzart sowie Explosionsschutz Hohe Leistungsdichte, d.h. kleinbauend Einfache Installation und Inbetriebnahme Überlastfähigkeit Schwächen der Pneumatik Image des hohen Energieverbrauchs Energieverluste bei Leckagen Geräuschentwicklung Bewegungen ohne Zwischenpos. (ohne Servopneumatik) Geringe Laststeifigkeit

12 Effizienz beginnt mit intelligenter Auslegung Bei pneumatischen und elektrischen Antrieben Simulation ersetzt teure Realitätstests Auslegungssoftware unterstützt bei Auswahl, Konfiguration und Dimensionierung der pneumatischen Steuerungskette. ca. 40% weniger Druckluftverbrauch durch Verzicht auf Überdimensionierung ca. 10% geringere Anschaffungskosten Kein Potenzieren von Sicherheitsfaktoren Intelligente Softwaretools verwenden Positionswerte, Nutzmasse und Einbaulage zur Auslegung von Antriebsmechanik, Getriebe und Motor. bis zu 70% Energieeinsparung durch Reduzierung der Sicherheitsfaktoren ca. 20% geringere Anschaffungskosten 12

13 Energieeffizienzmaßnahme - Überdimensionierung vermeiden Beispiel: Bewegen eines Pakets (push-out) Gewicht: max. 12 kg Strecke: 250mm 60 Zyklen/min - 300ms Zykluszeit. Einschichtbetrieb mit 8h/Tag und 200 Tage/Jahr. Energieverbrauch Energiekosten pro Jahr (0.019 / m³) Zyl. Ø40mm Hub 250mm 3,77 Nl / Zyklus (+0,86Nl / Schlauch) Zyl. Ø32mm Hub 250mm ~505 ~ % Einkaufspreis 100% 88 % - 12 % 2,43 Nl / Zyklus (+0,86Nl / Schlauch) 13

14 Berechnung und Vergleich Gesamtkosten über 10 Jahre Pneumatik Zyl. Ø40mm Kleinerer Durchmesser möglich, durch die hohe Leistungsdichte des P-Zylinders! Elekt. Achse DNCE-40 Opt. Baugröße Zyl. Ø32mm Kosten incl. Anschaffung, Montage, Wartung, Instandhaltung, Energieverbrauch, Verzinsung der Investition zu 3% DNC-40 DNC-32 DNCE 14

15 Energieeffizienzmaßnahme - Überdimensionierung vermeiden Anwendung: Palettierung eines Getriebebauteils mit 15 kg, Strecke von 500 mm 20 Zyklen/min - 1s Zykluszeit. Einschichtbetrieb mit 8h/Tag und 200 Tage/Jahr. Beispiel: Ungünstige Auslegung durch Einzelbetrachtung Auslegung Achse durch Lieferant 1 Auslegung Getriebe durch Lieferant 2 Auslegung Motor durch Lieferant 3 Sicherheitsfaktor 2 Sicherheitsfaktor 1,5 Sicherheitsfaktor 1,2 Verbrauch pro Jahr = 195,1 kwh 15

16 Effizienz beginnt mit intelligenter Auslegung Anwendung: Palettierung eines Getriebebauteils mit 12 kg Strecke von 500 mm 20 Zyklen/min - 1s Zykluszeit. Einschichtbetrieb mit 8h/Tag und 200 Tage/Jahr. Klassische Auslegung Sicherheitsfaktor >> 1,5 1,2 Optimierte Auslegung Energieverbrauch 195 kwh/jahr 60 kwh/ Jahr - ~70 % Einkaufspreis ~4500 ~ ~18 % 16

17 Die Applikation bestimmt die Antriebstechnologie Anwendung Transport eines Werkzeugträgers zwischen zwei Förderbändern Anwendungsbeschreibung Bewegte Masse: Ausgeführter Hub: Verfahrzeit: Kompl. Zykluszeit: max. 20 kg 1000 mm (horizontal) ca. 2 s 5 s Randbedingungen Druckluftkosten: 0,019 /Nm³ Stromtarif: 0,12 /kwh Betriebstemperatur: 20 C Arbeitsstunden pro Tag: 16 Arbeitstage pro Jahr:

18 Die Applikation bestimmt die Antriebstechnologie Gesamtinvest Pneumatik Gesamtinvest Elektrik Gesamtverbrauch pro Jahr Nm³ Gesamtverbrauch pro Jahr 332 kwh Betriebskosten pro Jahr 743 Betriebskosten pro Jahr ROI ~ 2,8 Jahre Gesamtkosten über 10 Jahre Jahre pneum. Lösung elektr.lösung 18

19 Die Applikation bestimmt die Antriebstechnologie Anwendung Transport eines Werkzeugträgers zwischen zwei Förderbändern Anwendungsbeschreibung Bewegte Masse: Ausgeführter Hub: Verfahrzeit: Kompl. Zykluszeit: max. 20 kg 1000 mm (horizontal) ca. 2 s 53 s Randbedingungen Druckluftkosten: 0,019 /Nm³ Stromtarif: 0,12 /kwh Betriebstemperatur: 20 C Arbeitsstunden pro Tag: 16 Arbeitstage pro Jahr:

20 Die Applikation bestimmt die Antriebstechnologie Gesamtinvest Pneumatik Gesamtinvest Elektrik Gesamtverbrauch pro Jahr Nm³ Gesamtverbrauch pro Jahr 487 kwh Betriebskosten pro Jahr 941 Betriebskosten pro Jahr ROI ~ 2,1 Jahre Gesamtkosten über 10 Jahre pneum. Lösung elektrische Lösung Jahre 20

21 Kundenanfrage - 3 Achs-Raumportal Gewicht Werkstück: 1kg Zyklusdauer: 10 s Arbeitsstunden pro Tag: 24 Arbeitstage pro Jahr: 250 Grundlegender Aufbau: Z-Achse 21

22 Best of both worlds in einem 3 Achs-Raumportal Eingesetzte Komponenten X-Achse Y-Achse Z-Achse Konfiguration 1: Komplett elektrische Auslegung (E) Zahnriemenachse 1000mm 2x DGE ZR-KF Zahnriemenachse 1000mm DGE ZR-KF Spindelachse 300mm EGC BS-10P-KF Konfiguration 2: Elektrik und Pneumatik kombiniert (E+P) Zahnriemenachse 1000mm 2x DGE ZR-KF Zahnriemenachse 1000mm DGE ZR-KF pneum. Linearantrieb 300mm DGC KF-PPV-A Schwenkantrieb Servomotor MTR-DCI-42S-VCSC-EG7 pneum. Drehantrieb 180 DSR-16 Greifer E-Greifer pneum.greifer HGP-16 Anschaffungskosten ~ ~ 7.300

23 Best of both worlds in einem 3 Achs-Raumportal - Kostenvergleich Anschaffungskosten E E+P Energiekosten für 1 Jahr E E+P Durch das geringere Gewicht der pneumatischen Z-Achse fallen die Energiekosten des Raumportals nur unwesentlich höher aus Gesamtkosten über 5 Jahre Energiekosten E Anschaffungs -kosten E+P 23

24 Best of both worlds in einem 3 Achs-Raumportal Kostenvergleich , , ,00 Pneumatik und Elektrik stehen nicht in Konkurrenz, sondern können sich sinnvoll ergänzen! ,00 E E+P , ,00 0, Jahre 24

25 Applikationen - Übertragbarkeit Technologievergleich lassen sich nicht pauschal auf weitere Anwendungen übertragen. Veränderte Randbedingungen (z. B. Zykluszeiten oder der ausgeführte Hub) haben Einfluss auf den wirtschaftlichen Vergleich und beeinflussen somit sehr stark den Return of Invest Exakte Randbedingungen sind wichtig Pauschale Aussagen sind nur schwer möglich / nicht empfehlenswert Als Daumenregel kann man festhalten: Je kleiner die Hublänge, je größer die Haltekraft und je länger die Haltedauer, desto effizienter ist die Pneumatik. Je größer die Hublänge, je geringer die Haltekraft und je kürzer die Haltedauer, desto effizienter ist die Elektrik. 25

26 Die richtigen Produkte & Lösungen Portfolio von Energieeffizienz-Produkten Applikationsspezifische Auswahl der effizientesten Automatisierungslösung DGC MS EMMS-ST Zylinder-Ventil- Kombinationen Im System denken - Lokales Optimum ist nicht zwangsläufig auch globales Optimum! DNC DPA CMMD-AS R R Reversregler Gesamte pneumatische und elektrische Wirkungskette berücksichtigen OVEM SOPA Krustenbrecher GFDM Energy Monitoring Antriebe, Ventiltechnik, Vakuum, Greifen, DL- Aufbereitung, Sensorik H-Portal DHDG 26

27 Produkte & Lösungen Sensorintegration in Wartungsgeräten Druck-Sensor zur Drucküberwachung Kontinuierliche Kontrolle der Betriebsdrücke Differenzdruck-Sensor zur Filterüberwachung Die sichere Überwachung der Fein- und Feinstfilter warnt rechtzeitig, nicht erst wenn es zu spät ist! Ökonomisch Filterwechsel genau nach Bedarf Durchfluss-Sensor zur Verbrauchsüberwachung Durchflussmessung zum Überwachen und Steuern Erfassung und Kontrolle des Luftverbrauchs 27

28 Produkte & Lösungen Luftsparschaltung Bei Erreichen des erforderlichen Vakuums wird die Luftsparschaltung aktiviert und somit die Luftzufuhr zur Venturi-Düse unterbrochen Vak. max Vak. min Vakuum Vakuumgenerator mit Luftsparfunkt. Herkömmlicher Vakuumgenerator 1 0 Bis zu 80% Einsparung 28

29 Festo Energy Saving Services Audit Energieeffizienz in Druckluftsystemen Pre Audit Energieanalyse Drucklufterzeugung Druckluft-Verbrauchsanalyse Druckluft-Qualitätsanalyse Leckage-Ortung Engineering Energieeffizienz-Analyse von Maschinen Entwicklung Condition Monitoring systems Audit Engineering Umsetzung Leckagebeseitigung Einführung von Condition Monitoring Systemen Umsetzung der Ergebnisse aus Energieeffizienz-Analyse von Maschinen Implementation Maintenance Training and Consulting Kundenspezifische Trainings Wartung Regelmäßige Energieanalyse Drucklufterzeugung Druckluft-Verbrauchsanalyse Druckluft-Qualitätsanalyse Leckage-Ortung und Beseitigung Vorbeugende Wartung

30 Industrial Education Synergien werden optimal genutzt Trainings von Festo Didactic ergänzen in idealer Form das Angebot der Festo Automation Gezielte Trainings für Energieeffizienz: Stopp der Verschwendung - Pneumatische Systeme technisch optimal planen und pflegen Wirtschaftlicher Technologievergleich der Antriebstechniken NEU!! Energieeffizienz in pneumatischen Anwendungen 30

31 Zusammenfassung Die Anforderungen vom Markt und aus gesetzlichen Regularien werden höher Energieeffizienz ist Team-Work - bei Festo - bei unseren Kunden - im Unternehmensverbund - Jede Antriebstechnologie hat Ihre Vorteile - Richtig ausgelegt und eingesetzt ist sowohl die Pneumatik als auch die Elektrik energieeffizient Besuchen Sie unseren Stand hier auf der Hannover Messe Halle 15 / Stand D07 Wir bieten unseren Kunden einen umfangreichen Support 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit