Formel zur Messung der Energieeffizienz = EEE

 Darstellung der EEE-Kennzahlensystematik
Darstellung der EEE-Kennzahlensystematik

(WK-news) – Die Equipment Energy Effectiveness (EEE) liefert eine aussagekräftige Steuergröße, mit der die Energieeffizienz der Produktion erfasst und optimiert werden kann.

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 der Energieverbräuche 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 übersichtlich die Energieeffizienz unterschiedlicher Produktionsmaschinen bewertet und optimiert werden kann. MAG ist der erste Werkzeugmaschinenhersteller, der dieses Kennwertsystem in seine Maschinensoftware übernimmt.

Einleitung
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 Kennwerte
Die Berechnung der Energieeffizienz-Kennwerte erfolgt automatisch über eine Energiemonitoring-Software auf der Maschinensteuerung bzw. auf einem separaten Energiemonitoring-Gerät. Der Algorithmus wird im Folgenden beschrieben.
Zunächst muss die von der Maschine aufgenommene Energie durch geeignete Sensorik gemessen werden. Hierfür kommen Elektroenergiezähler oder Druckluftmesssysteme zum Einsatz. Darüber hinaus werden die Leistungsaufnahmen der Hauptantriebe und zusätzliche Informationen zum Maschinenzustand aus der Maschinensteuerung gelesen. In einem dritten Schritt werden dann die Verlustleistungen aus der Gesamtenergieaufnahme herausgerechnet. Dazu werden Maschinen-, Sensor- und Prozessdaten herangezogen. Im letzten Schritt werden dann die Verluste durch Ausschuss und Taktzeitverluste herausgerechnet. Diese Daten werden entweder manuell oder durch Vernetzung mit Messeinrichtungen automatisiert erhoben.
Mit dieser Vorgehensweise erhält man drei Teilkennzahlen, die jeweils zwischen 0% und 100% liegen.

1. Der Energie-Nutzungsgrad
Dieser Kennwert beschreibt das Verhältnis mit dem die von der Maschine aufgenommene Gesamtenergie für die Produktion genutzt wird.

2. Der Energie-Leistungsgrad
Der Energie-Leistungsgrad spiegelt den Wirkungsgrad wider, mit dem die von der Maschine aufgenommene Energie für den eigentlichen Maschinenzweck genutzt wird. Bei einer Werkzeugmaschine beschreibt dieser Kennwert zum Beispiel den Energieanteil bezogen auf die Gesamtenergieaufnahme der Maschine, der während der Fertigung von den Hauptachsen, d.h. von der Bearbeitungsspindel und den Positionierachsen, aufgenommen wird.

3. Die Energie-Qualitätsrate
Die Energie-Qualitätsrate 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 (Abbildung 1).

EEE in der Praxis
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 Fa. 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 – bzgl. 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 eindrucksvoll 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 10 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 die Energieeffizienz der Produktion erfasst und optimiert werden kann. Im Projektverlauf hat sich gezeigt, dass durch die ausschließliche Messung der Energieverbräuche 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.

Energiemonitor von MAG
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 muss zusätzlich ein A/D-Wanderkarte und eine Zählerkarte installiert werden. Die Daten des Sensors (typischerweise aktueller Verbrauch und kumulierter Verbrauch) werden dann auf einem Datenbaustein gespeichert.
Eine Möglichkeit der Darstellung könnte mit Tachos realisiert werden wie in Abbildung 2 gezeigt. Dadurch ist ein schneller Überblick über die Gesamteffizienz möglich, sowie eine intuitive Identifikation von möglichen Problemstellen.

Dr.-Ing. Manfred Kleinjans, Manager Energy Efficiency Daimler Trucks, Daimler AG, Rastatt
Kai Kröhnert, Geschäftsführer, Kröhnert Infotecs GmbH, Karlsruhe
Dr.-Ing. Jan Kotschenreuther, VP Software & Controls, MAG IAS GmbH, Göppingen

Über die Kröhnert Infotecs GmbH

Die Kröhnert Infotecs GmbH, Karlsruhe, ist der technologisch führende Anbieter von Produkten und Dienstleistungen für Condition- und Energie-Monitoring. 2008 erhielt der PROFOXY® Analyser eine Auszeichnung im Rahmen des Innovationspreises der Initiative Mittelstand. Basierend auf einem neuartigen Online-FMEA-Verfahren liefert Kröhnert Infotecs Produkte mit dem Namen PROFOXY® für die Fehlerfrüherkennung und Energieeffizienz. Diese sind auf die Überwachung von Maschinen und technischer Gebäudeausrüstung optimiert. Anwender sind Betreiber und Hersteller dieser Maschinen und Anlagen. Die typische Amortisationszeit beträgt 0,5 bis 1 Jahr. Die Produkte können für praktisch beliebige Maschinentypen und Steuerungen konfiguriert werden. PROFOXY® nutzt die Infrastruktur der Maschinen effizient, sodass i.d.R. auf zusätzliche Messtechnik verzichtet werden kann.

PM: Kröhnert Infotecs GmbH

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