Energieeffiziente Intralogistik auf Geräteebene Beispiel Regalbediengerät

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1 Energieeffiziente Intralogistik auf Geräteebene Beispiel Regalbediengerät Dipl.-Ing. Rainer Ertl , Magdeburger Logistiktage fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner Technische Universität München

2 1. Potenziale zur Energieeffizienz beim RBG 2. Simulationsmodell für Energieverbrauch 3. Auswertung und Ergebnisse 4. Leichtbau und praktische Umsetzung 2

3 Potenziale zur Energieeffizienz bei Regalbediengeräten Bedeutung der Energieeffizienz: Steigende Energiepreise Strengere gesetzliche Auflagen Image / Werbezwecke Auszug aus Werbetext: [ ] Es setzt auf bewährte Technologien, welche konsequent verbessert wurden, läßt neueste Technologien mit einfließen und erreicht damit höchste Energieeffizienz. [1] [1] [2] [2] 3

4 Potenziale zur Energieeinsparung bei Regalbediengeräten Energieeffizienz bei Regalbediengeräten [3] Systemoptimierung H z Strategieoptimierung Leichtbau Ausnutzung vorhandener Masse Energieeffiziente Antriebe E/A- Punkt L x Energieaustausch Energiespeicher Energierückspeisung Energieeffiziente Fahrstrategie [3] Furmans, K.; Linsel, P.: Leichtbau bei Unstetigförderern durch Einsatz moderner Werkstoffe. In:Logistics Journal Proceedings (2011) 4

5 1. Potenziale zur Energieeinsparung beim RBG 2. Simulationsmodell für Energieverbrauch 3. Auswertung und Ergebnisse 4. Leichtbau und praktische Umsetzung 5

6 Simulationsmodell Input Simulationsmodell Ergebnis Auftragsliste 25 Motor- und Geräteparameter? Energiebedarf [kwh] Massenverteilung 0 Definition der technischen und betrieblichen Eigenschaften Parametergesteuert und flexibel Automatisierter Ablauf Abbilden der mathematischen Zusammenhänge Black Box Variantenvergleich für Energiemanagement Übersichtliche Gesamtdarstellung Detaillierte Aufgliederung der Energieanteile 6

7 Simulationsmodell Input Simulationsmodell Ergebnis Energiemanagement Simulink- Modell (Matlab) Fahrantrieb Dynamik Massenverteilung Bewegungssteuerung Hubantrieb Position m-file (Matlab) xlsx-file (MS Excel) xlsx-file (MS Excel) 7

8 Simulationsmodell Bewegungssteuerung Genaue Abbildung des Bewegungsvorgangs: t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Ein vollständiges Verfahrmanöver besteht damit aus: Vier Phasen mit positivem bzw. negativem Ruck ( t 1, t 3, t 5, t 7 ) Zwei Phasen mit konstanter Beschleunigung ( t 2, t 6 ) Eine Phase mit konstanter Geschwindigkeit ( t 4 ) t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 8

9 Simulationsmodell Leistungsverlauf und Energieverbrauch Getriebeübersetzung Wirkungsgrade Durchmesser der Motorwelle Massenträgheitsmomente von Motor und Getriebe Massenverteilung Bewegungsverlauf Momente und Drehzahlen 9

10 Simulationsmodell Energiemanagement Ohne Zwischenkreis Mit Zwischenkreis Mit Rückspeiseeinheit Antriebskonfigurationen Ohne Zwischenkreiskopplung (mit/ohne Superkondensatoren) Mit Zwischenkreiskopplung (mit/ohne Superkondensatoren) Mit Zwischenkreiskopplung und energieeffizienten Verfahren Mit Rückspeisemodul 10

11 Simulationsmodell Zwischenkreiskopplung und energieeffizientes Verfahren Effizientes Verfahren Variante A : Hubwerk hebt t Fahr > t Hub Hubwerk wartet vorerst und beendet Verfahrvorgang synchron. Effizientes Verfahren Variante B : Hubwerk senkt t Fahr > t Hub Hubwerk senkt unter Zielpunkt hinaus und hebt zum Ende des Manövers. 11

12 1. Potenziale zur Energieeinsparung beim RBG 2. Simulationsmodell für Energieverbrauch 3. Auswertung und Ergebnisse 4. Leichtbau und praktische Umsetzung 12

13 Auswertung und Ergebnisse Validierung am lehrstuhleigenen AKL Parameter Gassenhöhe Gassenlänge Gesamtmasse Max. Nutzlast Fahrgeschwindigkeit v x Fahrbeschleunigung a x Hubgeschwindigkeit v y Hubbeschleunigung a y AKL 8,5 m 23,5 m 1,8 t 100 kg 4m/s 2m/s² 0,75 m/s 2m/s² H z Messung verschiedener reiner Fahr- und Hubvorgänge sowie VDI-Spiel und FEM-Spiel Vergleich der Messkurven mit den Simulationsergebnissen E/A- Punkt L x 13

14 Auswertung und Ergebnisse Exemplarische Validierung für das VDI3561-Doppelspiel z H P [kw] 15 Leistungsverlauf E [kj] 60 Energieverbrauch P1 (3,9;5,6) P2(15,7;1,4) E/A-Punkt 9 40 L x Simulation [kj] Messung [kj] E/A P1 24,43 24,50 0,30 Delta [%] 0 20 P1 P2 10,76 10,89 1,12-3 P2 E/A 16,82 16,23 3, Gesamt 52,02 51,62 0,78 E/A P1 P2 E/A E/A P1 P2 E/A t [s] t [s] Simulation Messung Simulation Messung 14

15 Auswertung und Ergebnisse Ergebnisse für 1000 Doppelspiele bei chaotischer Lagerung bei Volllast Energiebedarf [kwh] % -7,5% -9% - 29% - 16% Hubmotor Fahrmotor Lastwechsel Grundlast 5 0 ohne Zk ohne Zk (mit 2 SC) mit Zk mit Zk (opt) mit Zk (mit 1 SC) mit Re Rückspeiseeinheit (Re): Grundlastleistung erhöht von 0,75 kw auf 1,1 kw Energieeinsparpotenzial nur bei 16 % Superkondensatoren (SC): max. Energiespeicher 20,6 kws, zusätzliche Masse 40,4 kg Energieeinsparpotenzial mit über 25 % unerwartet hoch Zwischenkreis (Zk): Energieeinsparpotenzial 7-10% 15

16 Auswertung und Ergebnisse Ergebnisse für 1000 Doppelspiele bei chaotischer Lagerung bei Teillast (halbierte Maximalgeschwindigkeit) ,5% -9% + 11% Energiebedarf [kwh] Hubmotor Fahrmotor Lastwechsel Grundlast 0 Volllast Teillast Volllast Teillast Volllast Teillast ohne Zk mit Zk mit Re Der Teillastbetrieb erhöht die Gesamtdauer für 1000 Doppelspiele um 38 % Im Falle ohne Rückspeiseeinheit ergibt sich ein Energieeinsparpotenzial von 9-10 % Beim Einsatz einer Rückspeiseeinheit erhöht sich der Energieverbrauch bei Teillastbetrieb um 11 % 16

17 1. Potenziale zur Energieeinsparung beim RBG 2. Simulationsmodell für Energieverbrauch 3. Auswertung und Ergebnisse 4. Leichtbau und praktische Umsetzung 17

18 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Großes Energieeinsparpotenzial durch Massenreduzierung durch Leichtbaudesign Ganzheitlicher Entwicklungsprozess angestrebt durch Verknüpfung verschiedener Simulationsprogramme und rechnergestützter Methoden CAD (CATIA) FEM (Abaqus) MKS (ADAMS) Eindimensionale Simulationswerkzeuge (Matlab/Simulink) Ziel: Leichtbau mit neuen Werkstoffe und Bauweisen 18

19 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Stand der Technik [5] [1] Leichtbaukonstruktion mit Tragwerk aus dünnwandigen Stahlblechen Vorteil: Kostengünstig und hohe Steifigkeit Nachteil: Hohe Dichte des Stahls [1] [5] 19

20 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Leichtbaukonzepte - Werkstoffwahl Leichtmetalle, v.a. Aluminiumlegierungen Faserkunststoffverbunde, v.a. CFK Stahl Alu CFK Steifigkeit ++ o + Festigkeit + o ++ Verarbeitung Dichte Kosten CFK/Alu-Konzept: Voll-CFK-Konzept: CFK nur in den Gurten Stege aus Aluminium Einfache Geometrie für CFK, komplexe Geometrie für Alu Einfache, integrale Gestaltung Führungsschienen aus Metall Fertigungsverfahren für geringe Stückzahl mit geringen Investitionskosten Steg Gurt 20

21 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Fügeverbindungen - Grundlagenversuche zur Verklebung Untersuchungsziele: Klebetechnologie völlig neues Fügeverfahren in der Fördertechnik Untersuchung der Verarbeitbarkeit verschiedener Klebstoffe Test der Klebevorbereitung und des Fügevorgangs Durchführung von Belastungstests und Versagensversuch Ergebnis: Klebeverbindung mit großen Klebeflächen sehr robust Erstes Versagen durch Überschreiten der Streckgrenze der Aluminiumprofile und Auftreten plastischer Verformung Klebeverbindungen geeignet für den Anwendungsfall RBG-Leichtbau 21

22 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Prototyp-Maststück und Versuch zur Hubwagen-Rollenbelastung Herstellung eines Verbundmaststücks mit Gurten aus CFK und Stegen aus Aluminiumlegierung Untersuchung des Abrollverhaltens auf dem CFK mittels Dauerversuch 22

23 Energieeffizienz durch Leichtbaudesign Prototyp zum geplanten Demonstrator Mastfertigung in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Carbon Composites (lcc) der TUM: Schneiden des Schaumstoffkerns Manuelles Ablegen von CFK-Gelegen Harzinfusion mittels VAP-Verfahren Planung: Aufbau eines vollfunktionsfähigen CFK-Demonstrators bis Ende

24 Anhang VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Für Fragen stehe ich nun gerne zur Verfügung. 24