Ganz ohne Elektroantrieb kommt auch eine sich verändernde Welt nicht aus. Der Motor von morgen arbeitet jedoch energiesparender als der von heute.

Ganz ohne Elektroantrieb kommt auch eine sich verändernde Welt nicht aus. Der Motor von morgen arbeitet jedoch energiesparender als der von heute. Danfoss

Das Dauerthema für die Zukunft, auch über das Jahr 2025 hinweg: Der installierte Motorbestand bietet enormes Einsparpotenzial für elektrische Energie. Von den allein in Deutschland installierten rund 35 Millionen Drehstrommotoren erfüllen die wenigsten die Wirkungsgradklassen IE2 oder IE3. Immerhin: Laut ZVEI sollen etwa 15 % der Bestandsmotoren bereits mit einer elektronischen Drehzahlregelung ausgerüstet sein. Insgesamt wäre eine Drehzahlregelung für 50 bis 75 % der Motoren technisch sinnvoll – idealerweise in Kombination mit energieeffizienten Konzepten. Schließlich sind in den letzten Jahren energieeffiziente Motortechnologien auf den Markt gekommen, die auch eingesetzt sein wollen. Die Festlegung der Energieeffizienzklassen IE2 bis IE4 ist als Meilenstein zu sehen; wie auch die entsprechenden Motoren, die bereits heute ‚off the shelf‘ verfügbar sind. Eine weitere Steigerung der Effizienz wäre wünschenswert allerdings muss sie ökonomisch und technologisch darstellbar sein.

Vorgefertigte Pakete zum Selberkonfigurieren

Was kann die Antriebstechnik, wo gehen die Trends hin? Vereinfacht dargestellt, gibt es zwei sehr unterschiedliche generelle Richtungen. Zum einen wird die ‚Intelligenz‘, die eine Maschine oder Anlage steuert, immer weiter zentralisiert. SPS oder Prozessleitsystem gelten hier nicht zwangsläufig als das Ende der Fahnenstange. So sind Lösungen denkbar, bei denen die Steuerung letztendlich in die Cloud wandert. Der Nutzen: Antriebslösungen als ‚vorgefertigte‘ Pakete oder als Komponenten, die der Anwender unkompliziert zu einem effizienten System konfigurieren kann. Dass das Zusammenstellen eines energieeffizienten Systems möglich ist, zeigen Unternehmen wie Danfoss schon heute. Dessen automatische Motoranpassung, kurz AMA, misst den angeschlossenen Motor aus und passt die internen Umrichter-Parameter an die Gegebenheiten an. So wird ein in jedem Lastbereich effizienter Betrieb sichergestellt.

Ein konträrer Ansatz dazu wird sein, die Intelligenz in den Antriebsregler zu verlagern. Der Regler arbeitet autonom seine Aufgaben ab, optimiert sich selbst und kommuniziert mit der übergeordneten Steuerung – einer SPS oder einer Cloud – aber nur dann, wenn dies technisch erforderlich sein sollte. All das funktioniert ähnlich wie zum Beispiel das ESP-System im Auto. Dieses arbeitet in vielen Implementierungen autonom und kommuniziert erst mit dem Steuergerät, wenn es die Situation erfordert.

Der Antrieb als Autodidakt

„Die Kernfrage wird sein, wo künftig die ‚Intelligenz‘ steckt, im Antrieb, in der Steuerung oder gar in der Cloud?“
Michael Burghardt, Danfoss

„Die Kernfrage wird sein, wo künftig die ‚Intelligenz‘ steckt, im Antrieb, in der Steuerung oder gar in der Cloud?“
Michael Burghardt, Danfoss Danfoss

Ein weiterer Trend: Die Intelligenz in den Antrieben wird künftig selbstlernend sein. Stichwort: künstliche Intelligenz. Systeme sind somit sehr dezentral strukturiert, wobei auch hier ein Teil der Verknüpfung in der Steuerung oder der Cloud stattfindet. Der Antrieb ist selbst Teil der verteilten Intelligenz. Die Konsequenz: Die heutige Struktur an Steuerungen, Aktoren usw. löst sich auf, zumal ein Teil der Lösung, nämlich die Steuerintelligenz und die Algorithmen, auch nicht mehr ortsgebunden installiert sein müssen. Die eigentliche Produktionsanlage mit ihren Antrieben bleibt weiter bestehen.

Sicher, zwischen diesen beiden Extremen gibt es Lösungen, die solche Konzepte mehr oder weniger stark aufgreifen und umsetzen werden. Jedoch, die Kernfrage bleibt: Wo steckt die ‚Intelligenz‘: im Antrieb, in der Steuerung oder in der Cloud? Und entspricht die klassische Fertigung im Jahr 2025 überhaupt noch den heute üblichen Abläufen? Trends hin zum 3D-Druck und der Kleinstfabrik vor Ort erlauben wahrscheinlich mehr dezentrale Fertigungsstrukturen ohne zentrale Produktionsstätten. Ein denkbares Szenario könnte sein, dass Heizungsventile nicht mehr in einer Massenfertigung vom Band laufen, sondern beim Großhandel als Bausatz aus dem Drucker kommen. Beim Kunden muss man dann nur noch die Teile zusammenbauen und den Ventilstift aus Metall montieren.

Hybridantrieben gehört die Zukunft

Steuerungszentrale 2025:  Die Koordination der Abläufe wandert in die Cloud, die Steuerung vor Ort in die Antriebe, deren Einsatzbandbreite durch immer ausgeklügeltere Regelalgorithmen und automatische Motoranpassung stetig steigt.

Steuerungszentrale 2025: Die Koordination der Abläufe wandert in die Cloud, die Steuerung vor Ort in die Antriebe, deren Einsatzbandbreite durch immer ausgeklügeltere Regelalgorithmen und automatische Motoranpassung stetig steigt. Danfoss

Was die elektrische Antriebstechnik sicherlich zusätzlich treiben wird, sind Applikationen in Bereichen, bei denen heute noch Verbrennungsmotoren oder Hydraulik arbeiten: Das gilt für Schiffe ebenso wie für Baumaschinen. Die Grundlast sichert ein Verbrennungsmotor, kontinuierlich im optimalen Drehzahlbereich betrieben, was den Verbrauch stark reduziert. Eventuelle Lastspitzen gleichen schnell ansprechende Elektroantriebe aus.

Praktisches Beispiel: Ein Schiff auf großer Fahrt mit einer Maschinenleistung von dauerhaft rund 10 MW kann nur schwerlich im optimalen Teillastbetrieb fahren. Diese Großmotoren sind einfach nicht dafür ausgelegt, in kurzen Zeitintervallen ihre Leistungsabgabe von zum Beispiel 89 auf 73 % und nach kurzer Zeit wieder hoch auf 91 % zu ändern. Läuft der Hauptdiesel aber im Regelbetrieb konstant mit seiner effizientesten Leistung bei zum Beispiel 80 %, kann das Gesamtsystem im Teillastbetrieb Schwankungen über einen Wellengenerator bedienen, der in diesem Fall die Elektromotoren der häufig wechselnden Lasten (Pumpen, Lüfter, Winden) speist. Mit solchen Maßnahmen lässt sich der Energieverbrauch des Gesamtsystems verringern. Der Zusatznutzen: Unter Umständen reicht ein kleinerer Schiffsdiesel. Dies ist bei 260 bis 370 Euro Anschaffungskosten je PS Leistung durchaus ein Kostenfaktor, immerhin hat ein Containerschiff eine Leistung von rund 100 000 PS.

In der Fabrik bleibt der elektrische Antrieb das Rückgrat der Produktion. Den Schmierstoff für seinen optimalen Betrieb bilden intelligente Funktionen, die im Antrieb realisiert werden. Energieeffiziente Technologien bei Frequenzumrichtern mit Leistungselektronik aus GaN (Galliumnitrid) oder SiC (Siliziumkarbid) tragen dazu bei, den ohnehin schon hohen Wirkungsgrad von typisch 96 bis 98 % graduell noch zu steigern. Der in der Zukunft bestimmende Faktor für die Unterscheidungsmerkmale der Antriebe ist aber der verwendete Algorithmus.