Mehr elektrische Antriebe, weniger Pneumatik: Was bedeutet das für die Stromversorgung?
Der Wechsel von pneumatischen hin zu elektrischen Antrieben ist in der Industrie eine bekannte Entwicklung. Seit einigen Jahren nimmt das Thema jedoch deutlich an Fahrt auf. Das liegt zum einen am kontinuierlich steigenden Kostendruck und zum anderen an immer schärferen Vorgaben für CO2-Einsparungen. In beiden Bereichen überwiegen die Vorteile der elektrischen Lösungen. Dieser Blogartikel zeigt, am Beispiel der OEMs in der Automobilindustrie, wie smarte industrielle Stromversorgungslösungen den Wandel hin zu elektrischen Antrieben effizient begleiten.
Elektrische und pneumatische Antriebe haben jeweils ihre Vor- und Nachteile.
Pneumatische Antriebe sind kostengünstig in der Anschaffung, einfach zu bedienen, bieten eine hohe Überlastfestigkeit und sind robust gegenüber Umgebungsbedingungen wie Temperaturschwankungen und erhöhter Staubbelastung. Pneumatische Antriebe setzen allerdings eine zentrale, kontinuierliche Drucklufterzeugung voraus, deren Realisierung einen hohen Aufwand bedeutet. Es gilt einen gleichmäßigen Druck bis „in die letzte Ecke“ der Fabrik zu verteilen und aufrecht zu erhalten. Kommt es zum Druckluftverlust durch ein Leck im System muss dieses schnell identifiziert und behoben werden, was einen hohen Instandhaltungsaufwand bedeutet.
Insbesondere in Anwendungen mit vielen Schaltzyklen fallen zudem im laufenden Betrieb die hohen Energieverluste aufgrund des schlechten Wirkungsgrads ins Gewicht. Selbst bei modernen Druckluftanlagen geht der größte Teil der Energie in Form von Verlustwärme verloren. Zudem muss das Druckluftsystem ständig einsatzbereit und damit in Betrieb sein, was einen hohen Energieverbrauch bedeutet. Dies führt zu generell hohen Betriebskosten und CO2-Emissionen.
Elektrische Antriebe in Kombination mit Servomotoren bieten eine bessere Energieeffizienz und ermöglichen eine hohe Geschwindigkeit und Präzision. Dank der integrierten Mikroprozessoren verfügen die meisten elektrischen Komponenten über einen größeren Funktionsumfang und erlauben den Zugriff auf Anwendungsdaten in Verbindung mit einem zentralen Monitoringsystem. Die Betriebskosten sind insgesamt geringer und der CO2-Fußabdruck lässt sich nachhaltig reduzieren. Zudem lässt sich der Strom leicht und nahezu verlustlos in der Fabrik verteilen. Die Möglichkeit den Strom umzuwandeln und zu speichern ist eine weiterer Vorteil. Hinzu kommen neue Technologien, wie das kabellose Übertragen von Energie. Elektrische Lösungen sind außerdem deutlich leiser, was die Lärmbelästigung für die Belegschaft reduziert.
Elektrische Antriebe sind allerdings in der Anschaffung teurer. Außerdem sind die Systeme, im Vergleich zu pneumatischen Lösungen, komplexer aufgebaut und erfordern womöglich ein Umrüsten bestehender Anlagen.
OEMs sind generell vorsichtig bei Änderungen von bewährten Systemen. Der wirtschaftliche, politische und gesellschaftliche Druck in Bezug auf Energieeffizienz veranlasst jedoch immer mehr Hersteller dazu, sich für den rein elektrischen Weg zu entscheiden. Daher wird bei neuen Industrieanlagen häufig schon von Beginn an auf die Installation eines Pneumatiksystems verzichtet. Eine Vorreiterrolle nehmen dabei, wie so oft, die Automobilindustrie und deren Zulieferer ein. Die zahlreichen Projekte zur Umstellung von Pneumatik auf Elektrik, die PULS in diesem Segment begleitet hat, hatten Eines gemeinsam: das richtige Stromversorgungssystem für elektrische Antriebe ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg.
Dezentrale Stromversorgung für elektrische Antriebe von Fördersystemen
In der Automobilindustrie wird von großen Karosserieteilen und schweren Motoren bis hin zu Komponenten aus dem Kleinteilelager alles über kilometerlange Fließbänder und fahrerlose Transportsysteme befördert. Im BMW-Werk Regensburg kommen allein die Montagebänder auf eine Gesamtlänge von 5,5 km.
Wenn die Stopper, Abzweigungen sowie Hub- und Dreheinheiten in Fördersystemen von pneumatischen auf elektrische Antriebe umgestellt werden, ist eine dezentral ausgelegte und abgesicherte Stromversorgung ideal geeignet. Hierfür werden platzsparende und zugleich leistungsstarke Netzteile mit ausreichend Leistungsreserven direkt im Feld benötigt. Lange, verlustreiche Versorgungsleitungen entfallen und die Flexibilität wird erhöht.
PULS hat hierfür die Produktkategorie “Field Power Supplies” entwickelt, die sich aus 360 W und 600 W-Stromversorgungen mit den hohen Schutzarten IP54, IP65 und IP67 sowie vielen verschiedenen Anschlussoptionen zusammensetzt. Für die Sicherheit der elektrischen Verbraucher sorgen Zusatzfeatures, wie z.B. bis zu vier integrierte strombegrenzte Ausgänge. Mit diesen, in das Netzteil integrierten, eFuses kann eine selektive Stromverteilung, Absicherung und Überwachung außerhalb des Schaltschranks realisiert werden.
Die Field Power Supplies sind sowohl mechanisch als auch elektrisch äußerst robust und resistent gegenüber schwierigen Umgebungsbedingungen, wie Feuchtigkeit, Staubbelastung, sowie Vibrationen.
Ausreichende Leistungsreserven für dynamische Bewegungsabläufe
Für Cobots, kleinere Roboter und dezentrale Anwendungen in der Automobilindustrie sind elektrische Antriebe inzwischen ebenfalls die erste Wahl.
Grund dafür sind auch signifikante Technikfortschritte bei elektrischen Motoren. In den letzten Jahren haben diese dazu beigetragen, dass der elektrische Antrieb eine echte Alternative zur Pneumatik darstellt. Die Motoren erzeugen viel Leistung bei geringen Abmessungen und Gewicht. Doch die schnellen Bewegungsabläufe, die Elektromotoren beispielsweise in Roboteranwendungen ermöglichen, erfordern Netzteile, die nicht nur in der Lage sind, kurzfristig höhere Lasten zu bewältigen, sondern auch die dabei entstehende Rückspeiseenergie zu verarbeiten.
Viele PULS-Netzteile verfügen über großzügige Leistungsreserven, die so genannte BonusPower. Zahlreiche Hutschienen-Netzteile der bewährten Produktfamilie DIMENSION leisten für 4 Sekunden bis zu 150 %. Auch die bereits erwähnten FIEPOS-Stromversorgungen kommen dank der BonusPower auf 200 % Leistung für 5 s. Kommende, in Entwicklung befindliche Produktfamilie für die Hutschienen-Montage werden diese Werte in Sachen Spitzenleistung und Dynamik sogar noch einmal übertreffen. Dank der großzügige Leistungsreserven erübrigt sich die Überdimensionierung der Stromversorgung, woraus sich Kosten- und Platzersparnisse ergeben.
Kabellose Versorgung von fahrerlosen Transportsystemen und mobilen Robotern
Verlustreiche pneumatische Antriebe werden bei fahrerlosen Transportsystemen (FTS), Flurförderfahrzeugen immer seltener. Stattdessen setzen die Hersteller auch hier auf elektrische Lösungen, die sich für die mobilen Anwendungen besser eignen. Für die effiziente Energieversorgung und das Laden der Batterien im laufenden Betrieb wird jedoch zuerst eine geeignete Ladeinfrastruktur in den Fabriken benötigt.
Mehrere führende Automobilhersteller setzen beim Laden der FTS und CoBots bereits auf die innovative Wireless Charging Technologie der PULS Business Unit Wiferion.
Die kontaktlose Ladetechnologie von Wiferion ermöglicht es diesen Fahrzeugen, sich ohne störende Ladepausen oder manuelle Eingriffe kontinuierlich in Betrieb zu halten. Das kabellose Laden bietet im Vergleich zu herkömmlichen Ladesystemen erhebliche Vorteile, wie den Wegfall von mechanischen Verschleißteilen oder das Risiko von Stolperfallen durch Kabel oder Kontaktleisten.
Mit Wiferions etaLINK- und CW-Systemen können FTS und mobile Roboter während ihres normalen Arbeitszyklus – etwa beim kurzen Halt an Stationen – effizient und autonom geladen werden. Dies sorgt für eine deutliche Erhöhung der Flottenverfügbarkeit, da lange Standzeiten zur Energieaufnahme entfallen. Die Energieübertragung erfolgt dabei direkt über Ladepads, die eine hohe Positioniertoleranz ermöglichen und in weniger als einer Sekunde mit dem Ladevorgang beginnen.
Mit den etablierten 3 kW- und dem neuen 1 kW-Systemen ist die Wiferion-Technologie derzeit führend im Markt. Die wartungsfreien Lösungen ermöglichen eine signifikante Steigerung der Flotteneffizienz und der Betriebssicherheit – ideal für den 24/7-Dauereinsatz in anspruchsvollen Umgebungen wie der Automobil- und Logistikindustrie.
Anlagenverfügbarkeit durch Anwendungsdaten steigern
Jede Minute Anlagenstillstand ist äußerst kostenintensiv. OEMs in der Automobilindustrie versuchen die so genannte Downtime von Maschinen und Fördersystemen deshalb auf ein absolutes Minimum zu beschränken.
Bei pneumatischen Antrieben besteht das Risiko eines Lecks im Druckluftsystem nach dem erst gesucht werden muss. Elektrische Antriebe sind hier in Bezug auf die Steuerung und vorbeugende Wartung leichter kalkulierbar.
PULS bietet Netzteile mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen an: u.a. IO-Link, EtherCAT sowie Netzteile mit integriertem Display. Dies ermöglicht einen einfachen und schnellen Zugriff auf Messwerte aus der Anwendung und Stromversorgungsfunktionen.
Auf Grundlage der Netzteildaten können Anlagenhersteller und -betreiber ihre Maschinen in Sachen Effizienz und Produktivität weiter optimieren. EtherCAT (z.B. CP10.241-ETC oder CP20.241-ETC) ist Dank der Datenübertragung in Echtzeit z.B. ideal für die Überwachung, Protokollierung und Fernsteuerung von komplexen Anlagen geeignet.
Die Stromversorgungsdaten können besonders innerhalb von Echtzeit-Regelkreisen ihre Vorteile ausspielen: Basierend auf den Daten können Antriebe oder andere energieintensive Verbraucher bestmöglich gesteuert werden, um den dynamischen Leistungsbedarf innerhalb der Möglichkeiten des Stromversorgungssystems zu halten. Dies ermöglicht eine verbesserte Systemeffizienz, da die Netzteile stets optimal ausgelastet werden. Insbesondere ermöglichen die Netzteile zusammen mit anderen Anlagenkomponenten automatisierte Reaktionen zur Bewältigung ungeplanter Betriebszustände, die bisher häufig zu Stillstand oder gar Schäden führten.
Das Netzteil liefert beispielsweise präzise Messwerte des Ausgangsstroms – also des Laststroms. Mittels dieser sehr fein abgetasteten Werte ist es möglich, digitale Lastprofile zu erkennen und zu beschreiben.
Auf Basis der Informationen zum Ausgangsstrom lässt sich so erkennen, ob sich eine Last, wie eine Elektromotor, über einen längeren Zeitraum hinweg verändert. Diese Veränderung kann ein Anzeichen für Verschleißerscheinungen sein. Bei ausgeschlagenen Profilen wäre im Lastprofil exemplarisch eine Sinuskurve zu erkennen. Im Zuge der computergestützten Datenanalyse würde diese Anomalie frühzeitig erkannt und gemeldet werden. So kann die verschleißende Komponente getauscht werden, bevor es zum Fehlerfall und Anlagenstillstand kommt.
Effizienz im 24/7-Betrieb erhöhen und CO2 reduzieren
Die Entscheidung für einen elektrischen Antrieb ist nur ein Faktor, der sich positiv auf die Effizienz und CO2-Bilanz auswirkt. Auch Netzteile mit einem hohen Wirkungsgrad unterstützen diesen Prozess. Je höher der Wirkungsgrad einer Stromversorgung für elektrische Antriebe, desto geringer die Verlustleistung und damit die Energieverschwendung. PULS erreicht mit seinen Schaltnetzteilen mittlerweile Wirkungsgrade von über 96 %.
Ein Rechenbeispiel verdeutlicht die Bedeutung dieses Wertes: Bei einem Wirkungsgrad von 96,4 % (z.B. beim SP960.241-S) entstehen Verluste von 3,6 %. Bei dem entsprechenden Netzteil mit 960 W Ausgangsleistung beträgt die Verlustleistung somit 34,5 W, die als Wärme an die Umgebung abgegeben werden.
Dass jeder Prozentpunkt beim Wirkungsgrad entscheidend ist, zeigt ein Gedankenspiel. Reduziert man den Wirkungsgrad rechnerisch auf 92 % steigen die Verluste auf 76,8 W und damit auf mehr das Doppelte. Überträgt man dies auf die Gesamtzahl der Stromversorgungen in einer Industrieanlage und berücksichtigt die zusätzliche Kühlung, wirkt sich das deutlich auf die CO2-Bilanz aus. Je höher der Wirkungsgrad eines Netzteils, desto geringer die Energieverschwendung und damit der CO2-Ausstoß.
Zusammenfassung: Effizienter Übergang von pneumatischen zu elektrischen Antrieben
Der Wechsel von pneumatischen zu elektrischen Antrieben in der Industrie wird durch steigenden Kostendruck und strengere CO2-Einsparungsvorgaben vorangetrieben. Elektrische Antriebe bieten eine bessere Energieeffizienz und geringere Betriebskosten, obwohl sie in der Anschaffung teurer und komplexer sind. Besonders in der Automobilindustrie zeigt sich, dass eine dezentrale Stromversorgung mit leistungsstarken Netzteilen die Flexibilität erhöht und Energieverluste minimiert.
PULS unterstützt diesen Wandel mit geeigneten Stromversorgungslösungen. Dies trägt nicht nur zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks bei, sondern rechnet sich auch finanziell für Unternehmen.
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