Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen Der schwierige Weg zur Entwicklung der Normenreihe ISO WPK 2014, Wien Lukas Weiss

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1 Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen Der schwierige Weg zur Entwicklung der Normenreihe ISO WPK 2014, Wien Lukas Weiss

2 Gesetzgebung als Anlass zur Normierung ErP 2009/125/EG ersetzt EuP 2005/32/EG Produktanalyse zeigt ein relativ geringes Potential bei regelbasierten Massnahmen abgeleitet aus den Base Cases, und mehr bei einer Brachenübereinkunft (Voluntary Agreement VA) 2

3 ISO TC 39 / WG 12 TC 39 Werkzeugmaschinen, Arbeitsgruppe WG12 Environmental Issues Aktiv seit 2010 Starke Beteiligung von Mitgliedern der CECIMO-EE-Arbeitsgruppe und von der Industrie Teil 1 wird 2014 publiziert, Teil 2 voraussichtlich DIS-Status in diesem Jahr Weiterführende Teile zur Zeit unklar 3

4 Was ist Effizienz? Quantifizierung der eingesetzten Ressourcen Quantifizierung des erreichten Ergebnisses Testteil Referenzprozess Spezifische Zerspanungsenergie (E pro Volumen) Prozessleistung (verfügbare Leistung geteilt durch zugeführte Leistung) 4

5 Quantifizierungsmethoden Vergleich Aussage teilebezogen 1 Testteil 2 Referenzprozess 3 spezif. Zerspanungsenergie 4 Spezifikation Leistung Prozesszone x x x (x) (x) x Vorgabe von Testteil Bedingt; Maschinen für gleiche Anwendung Vorgabe von Testteil und Prozess Aussage maschinenbezogen Quantifizierungsmethode maschinenübergreifender Vergleich Zerspanungsvolumen Funktionsbeschreibung Nein Ja Bedingt; für gleiche Eigenschaften 5

6 Eingesetzte Ressourcen ISO beschränkt sich auf die Nutzungsphase und auf die Energie, welche der Werkzeugmaschine zugeführt wird. Betrachtungsgegenstand ist ein produktionsfähiges System MJ MJ MJ MJ MJ MJ MJ MJ 0 MJ MJ 6

7 Systemgrenze für Energiebetrachtung Nach ISO ist die funktionelle Einheit der quantifizierte Nutzen eines Produktsystems für die Verwendung als Vergleichseinheit Die Systemgrenze ist ein Satz von Kriterien zur Festlegung, welche Prozessmodule Teil eines Produktsystems sind Im Zentrum steht der Prozess Die Werkzeugmaschine stellt den Hauptantrieb, und alle Neben- und Hilfsantriebe bereit Durch die Hallenintegration wird Energie zugeführt, sowie Wärme und ggf. Elektrische Energie Wärmeabfuhr KSM ausgetauscht Prozess Weitere Versorgung Factory & Facilities Wärme Abluft Zone Werkzeugmaschine 7

8 Eingesetzte Ressourcen Systemgrenzen Vorschlag nach ISO Relevant sind nicht die Energieflüsse im physikalischen Sinne an der Systemgrenze, sondern die Energie zur Bereitstellung dieser Versorgungen 8

9 Konsolidierung ErP-Richtlinie zielt auf Stromverbrauch Konsolidierungsgrösse Äquivalenzwerte für Druckluft Rückkühlung Luftverbrauch / Dunstabsaugung Wärmeabgabe an die Halle müssen vom Kunden vorgegeben oder ermittelt werden Beispiel Druckluft: Empirische Werte 0.12 kwh / m 3 (ANR) Abwärmeverlust ca. 93% (druckabhängig) Kann genutzt werden Bewertung der Abwärme durch Vergleich mit der gleichen Wärmemenge, die bedarfsgerecht nach dem Stand der Technik bereitgestellt wird Stand der Technik: Wärmepumpe mit COP 3 Bedarfsgerecht: Bedarf während der Heizperiode und für Warmwasser Strombedarf zur Erzeugung dieser Abwärme max. 20% Wirkungsgrad kombinierte Bereitstellung max. 27% 9

10 Abwärmenutzung in der Produktion Werkzeugmaschinen sind nur Wärmequellen, keine Senken. Abwärmenutzung nur mit mit externen Senken/Verbrauchern. Abwärmetemperaturen und Mengen sind unwirtschaftlich für WRG Themen Leistungsaufnahme reduzieren und Effizient Kühlen 10

11 Leistungsverlauf Bearbeitungszentrum Bohr-Fräsbearbeitung auf einem grossen Bearbeitungszentrum Maximale Leistungsaufnahme Peak 55kW, Durchschnitt 12kW, starke Fluktuation 11

12 Leistungsverlaufsmessungen Grosse Drehmaschine: Trockenbearbeitung, druckluftgekühlt! (links) Grosse Schleifmaschine: Kühlschmierfunktionen dominant (rechts) Rot = Haupt- und Nebenantriebe Blau = Medien (KSM-Pumpen, Kühlung) 25 kw 50 kw Druckluft sec sec. Über 25 ausgemessene Werkzeugmaschinen: Es gibt immer Verbesserungspotenzial, aber jedes Mal an einem anderen Ort. Kein regelbasiertes Vorgehen: Systemspezifische Optimierung 0 12

13 Funktionsbezogene Darstellung Zuordnung der Energie zu den WZM-Funktionen Main machine tool functions Machining (machine process / motion / control) Process cooling and conditioning Tool and part handling Machine cooling and conditioning Waste handling Machine components 24 V supply 230V supply E/R module supply Monitoring module CNC Total Chip conveyor Pulse lubrication Mist collector Hydraulic pump Fluid application pump Spindle cooling pump Cooling fan 1 Cooling fan 2 Fan E/R module CNC air-conditioning 1 CNC air-conditioning 2 Compressed Air 13

14 Funktionsbezogene Darstellung: Beispiele Trockenbearbeitung Drehen (links) Laserschneiden (rechts) IWF ETHZ / Adam Gontarz 14

15 Checklisten ISO Anhang: Checklisten, zur Beurteilung von Einzelaspekten 15

16 Einsatzszenarien Verbrauchs- und Effizienzbeurteilung bedingt ein Einsatzszenario Leistung Beobachtungszeitraum = 1 Woche Einrichten Prozess Nachtabschaltung Unterhalt Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit 16

17 Einsatzszenarien Standardszenario im Entwurf ISO Beobachtungszeitraum 24h Prozess 16h Betriebsbereit 4h Aus 4h Aufgabenbezogenes Szenario nach Entwurf ISO Observation period (0 t3) active power observation period Off Ready for operation Processing Active power Preprocessing Processing Postprocessing t0 00:00 t1 04:00 t2 08:00 t3 24:00 t1 t2 t3 17

18 Schrittweise Erweiterung der Systemgrenze ISO konkretisiert die schrittweise Erweiterung der Systemgrenze um alle Versorgungen, welche mehr als 10% der elektrischen Energieaufnahme ausmachen. Electrical energy Electrical energy Compressed air Machine tool >+10%? Machine tool Peripheral A Peripheral B... Peripheral A Peripheral B... System boundary System boundary Electrical energy Compressed air Heat exchange Machine tool Peripheral A Peripheral B... System boundary Electrical energy Compressed air Heat exchange Machine tool Contaminated Air Peripheral A Peripheral B... System boundary 18

19 Weitere Entwicklung der Normenreihe ISO enthält sowohl Elemente in der Philosophie der ISO 9000 wie auch rezeptartige Handlungsanleitung Teil 2 ist als konkrete Handlungsanleitung konzipiert. Sie nennt den Definitionsbedarf Umgebungsbedingungen, insbesondere Umgebungstemperatur Maschinenzustand, wie Produktionsbereitschaft, im Prozess, etc. Maschinenaktivität, insbesondere im Prozess legt aber keine Werte fest Teil 3 und 4 zeichnen sich als Vorgehensbeschreibung für die Charakterisierung der Maschinenaktivität ab Zentrale Fragestellung zur Selbstregulierung im Sinne der ErP-Richtlinie bleiben offen Quantifizierung der erzielten Verbesserungen Stand der Technik für regelbasiertes Vorgehen 19

20 Zusammenfassung ISO Reihe, Ecodesign für Werkzeugmaschine, zur Stützung einer freiwillligen Vereinbarung zur Erfüllung der ErP-Richtlinie 2009/125/EG Ursprünglich konzipiert mit der Testteilmethode zur Ergebnisquantifizierung Effizienzaussage bedingt Quantifizierung der eingesetzen Ressourcen und des erzielten Ergebnisses. Für Letzteres gibt es mehrere Ansätze. Einschränkung auf den Energieverbrauch in der Nutzungsphase Systemgrenzen müssen festgelegt werden und entsprechen nicht unbedingt dem Lieferumfang einer Werkzeugmaschine Konsolidierung der Versorgungen in äquivalenter elektrischer Energie Leistungsaufnahmemessung mit Mehrkanalmesstechnik ist aufschlussreich Funktionsbezogene Darstellung ist typenübergreifend Checklisten geben punktuell Hilfestellung, nicht normativ Effizienzaussage bedingt auch Nutzungsszenarien mit einem längeren Beobachtungshorizont Die Weiterentwicklung der ISO in Teil 3 und weitere bleibt offen 20

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit inspire AG für mechatronische Produktionssysteme und Fertigungstechnik IWF Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung IWF der ETH Zürich Lukas Weiss 21