EEE – Die Formel zur Messung der Energieeffizienz

Darstellung der EEE-Kennzahlensystematik
Darstellung der EEE-Kennzahlensystematik

Die seit 2011 in der EU geltende Norm DIN EN ISO 50001 sieht vor, dass Unternehmen des produzierenden Gewerbes zukünftig ihren Beitrag zur Energieeffizienz-Steigerung der Industrie leisten müssen. Neben der Erfassung des Energieverbrauchs ist eine effektive systematische Auswertung der Energieeffizienz für die Priorisierung von Maßnahmen der Schlüssel für den unternehmerischen Erfolg. In Zusammenarbeit der Daimler AG, Werk Gaggenau, mit dem Hersteller von Energiemonitoring-Systemen Kröhnert Infotecs GmbH wurde frühzeitig ein Kennwertsystem entwickelt und in der Fertigung erprobt, mit dem sich die Energieeffizienz unterschiedlicher Produktionsmaschinen übersichtlich bewerten und optimieren lässt. MAG ist der erste Werkzeugmaschinenhersteller, der dieses Kennwertsystem in seine Maschinensoftware übernimmt.

Der Gesetzgeber hat mit der Inkraftsetzung der EU-Norm DIN EN ISO 50001 das umgesetzt, was Betreiber von Produktionsanlagen in unterschiedlichen Ausprägungen bereits seit Jahren von den Herstellern dieser Anlagen fordern, nämlich eine Möglichkeit, die eingesetzte Energie effizienter zu nutzen. Häufig werden bereits Verbrauchsdaten für die Berechnung der TCO (Total Cost of Ownership) noch weit vor der Fertigstellung der eigentlichen Produktionsanlagen vom Besteller verlangt.

In der bisherigen Systematik werden die Performanz der Anlage in Bezug auf Ausnutzungsgrad und die gefertigte Qualität nicht mit berücksichtigt. Diese Parameter werden durch die Energeieeffizienz-Kennzahlen verknüpft.

Die Grundidee wurde bereits vor 2010 von Herrn Kröhnert der Firma Kröhnert Infotecs aus Karlsruhe entwickelt. Gemeinsam mit Herrn Dr. Kleinjans erfolgten 2011 die ersten Erprobungen und Optimierungen bei der Firma Daimler im Werk Raststatt. Die Firma MAG hat sich dem Team angeschlossen und unterstützt bei der Umsetzung der Kennzahlen maschinenseitig.

Die Berechnung der Energieeffizienz-Kennwerte erfolgt automatisch über eine Energiemonitoring-Software auf der Maschinensteuerung beziehungsweise auf einem separaten Energiemonitoring-Gerät. Der Algorithmus wird im Folgenden beschrieben.

Zunächst gilt es, die von der Maschine aufgenommene Energie durch geeignete Sensorik zu messen. Hierfür kommen Elektroenergiezähler oder Druckluftmesssysteme zum Einsatz. Darüber hinaus geht es daran, die Leistungsaufnahmen der Hauptantriebe und zusätzliche Informationen zum Maschinenzustand aus der Maschinensteuerung zu lesen. In einem dritten Schritt werden dann die Verlustleistungen aus der Gesamtenergieaufnahme herausgerechnet. Dazu zieht die Software Maschinen-, Sensor- und Prozessdaten heran. Im letzten Schritt rechnet sie dann die Verluste durch Ausschuss und Taktzeitverluste heraus. Diese Daten werden entweder manuell oder durch Vernetzung mit Messeinrichtungen automatisiert erhoben. Mit dieser Vorgehensweise erhält man drei Teilkennzahlen, die jeweils zwischen null Prozent und 100 Prozent liegen.

Die erste Kennzahl ist der Energie-Nutzungsgrad. Dieser Kennwert beschreibt das Verhältnis, mit dem die von der Maschine aufgenommene Gesamtenergie für die Produktion genutzt wird. Die zweite Kennzahl stellt den Energie-Leistungsgrad dar. Dieser spiegelt den Wirkungsgrad wider, mit dem die von der Maschine aufgenommene Energie für den eigentlichen Maschinenzweck Verwendung findet. Bei einer Werkzeugmaschine beschreibt dieser Kennwert zum Beispiel den Energieanteil bezogen auf die Gesamtenergieaufnahme der Maschine, der während der Fertigung von den Hauptachsen, das heißt von der Bearbeitungsspindel und den Positionierachsen, aufgenommen wird. Der dritte Wert schließlich ist die Energie-Qualitätsrate. Sie berücksichtigt die Nutzenergie, die ausschließlich für die hochqualitative Fertigung von i.O.-Werkstücken in den definierten Taktzeiten aufgenommen wird. Diese Teilkennzahlen werden zu einer Kennzahl „Equipment Energy Effectiveness“ EEE zusammengefasst, die als Vergleichsgrundlage von unterschiedlichen Prozessen herangezogen werden kann (siehe Bild).

Die Energieverbrauchsmessung und die Kennwertsystematik wurden im Getriebewerk der Daimler AG in Rastatt in einem Pilotbereich zur Anwendung gebracht. In der Zusammenarbeit des Technologiemanagements der Daimler AG mit der Firma Kröhnert wurde das System von der Idee bis zur Anwendungstauglichkeit in der industriellen Serienfertigung gemeinsam entwickelt. Durch die Kennzahlensystematik werden die umfangreichen Rohdaten der Verbrauchsmessung zu adressierbaren Informationen verdichtet. So ist beispielweise der Energienutzungsgrad die Kennzahl, mit der der Produzent – also der Betreiber der Maschinen – bezüglich der Effizienz der Maschinennutzung im Schichtbetrieb informiert wird. So kann dieser durch gezieltes Herunterfahren der Anlagen in produktionsfreien Zeiten die energieeffiziente Nutzung der Anlagen sicherstellen. Der Energieleistungsgrad kommt der Produktionsplanung und der Instandhaltung zur Bewertung und Nachverfolgung der Energieeffizienz von Anlagen zu Nutze. Im dem Pilotprojekt konnte nachgewiesen werden, dass der Leistungsgrad nicht nur durch die gewählte Fertigungstechnologie beeinflusst wird, sondern auch in Abhängigkeit vom Maschinenhersteller und -typ signifikant variiert. Darüber hinaus wurden sogar für gleiche Anlagen in Abhängigkeit vom Parametersetup oder dem Verschleißzustand der Anlagenkomponenten Schwankung im Leistungsgrad von bis zu zehn Prozentpunkten zwischen nominell gleichen Anlagen nachgewiesen. Die Energiequalitätsrate gibt schließlich eindeutige Hinweise, wie durch unnötige oder unnötig lange Warmlaufzeiten der Anlagen sowie durch die Produktion von Ausschuss Energie ohne Wertschöpfung verschwendet wird.

Zusammengefasst in die EEE wurde auf der Basis der Einzelkennwerte eine aussagekräftige Steuergröße zur Verfügung gestellt mit der sich die Energieeffizienz der Produktion erfassen und optimieren lässt. Im Projektverlauf hat sich gezeigt, dass durch die ausschließliche Messung des Energieverbrauchs die notwendige Transparenz zur Optimierung der Energieeffizienz in der Produktion nicht erreicht werden kann. Erst durch die Kondensation der Informationen mittels der Kennwertsystematik wurde der Aufsatzpunkt zur Maßnahmengenerierung und -adressierung geschaffen.

Für die Realisierung des Energiemonitors wurde bei MAG auf die Software der Firma Kröhnert Infotecs zurückgegriffen. Die Software besteht aus einem Programmteil, welcher auf der PCU der Maschinensteuerung installiert ist und die Daten ausliest und bereitstellt. Die Auswertung kann dann per Webbrowser über das Netzwerk aufgerufen werden. Somit ist keine weitere Software auf den Clientrechnern notwendig.

Die meisten Daten für die Auswertung werden bereits durch die Maschinensteuerung 840D von Siemens bereitgestellt. Um alle elektrischen Verbraucher zu erfassen wurde ein zertifizierter Energiezähler direkt hinter dem Hauptschalter der Maschine installiert. Damit diese Daten der Maschinensteuerung und damit der Software zur Verfügung stehen, müssen zusätzlich ein A/D-Wanderkarte und eine Zählerkarte installiert werden. Das System sichert die Daten des Sensors (typischerweise aktueller Verbrauch und kumulierter Verbrauch) dann auf einem Datenbaustein. Eine Möglichkeit der Darstellung könnte mit Tachos realisiert werden. Dadurch ist ein schneller Überblick über die Gesamteffizienz möglich, sowie eine intuitive Identifikation von möglichen Problemstellen.

Weitere Informationen: www.ki-contact.de

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