Wirtschaftlichkeit, Bild: Fotolia - Dreaming Andy

Was ist wirtschaftlicher? Pneumatisch oder elektromechanisch anzutreiben? Bild: Fotolia - Dreaming Andy

Manchmal scheint die Diskussion einer Glaubensfrage zu gleichen: Immer wenn die Frage aufkommt, ob für eine Linearbewegung ein pneumatischer oder doch besser ein elektromechanischer Antrieb eingesetzt werden sollte, scheiden sich die Geister. Beide Systeme stehen vor allem in direkter Konkurrenz, wenn es um lineare Antriebstechnik kleiner Leistung geht, wie sie beispielsweise in der Fabrikautomation in großer Stückzahl eingesetzt wird. Die Pneumatik sei eine Sünde in Sachen Energieeffizienz, heißt es auf der einen Seite. Elektromechanische Komponenten seien viel teurer und wenn sie eine Last über einen längeren Zeitraum halten sollen, werden auch sie energieineffizient, sind die Gegenargumente. Es sei eine Frage der Anwendung ist der Kompromiss, auf den man sich häufig einigen kann.

Keine große Orientierungshilfe für einen Konstrukteur. Einen Anhaltspunkt könnte eine Wirtschaftlichkeitsanalyse beider Technologien liefern. Und genau das ist es, was ein Forschungsprojekt des Forschungsfonds Fluidtechnik anstrebt. Zusammen mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) schickt das Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) an der RWTH Aachen beide Systeme gegeneinander ins Rennen – oder besser auf den Prüfstand – um eine anschließende Betrachtung der Total Cost of Ownership (TCO) zu ermöglichen.

Diese setzt sich neben den zu ermittelnden Energiekosten aus den Anschaffungs-, Installations-, Wartungs-, Reparatur- und Entsorgungskosten zusammen. Ein aus den Forschungsergebnissen entstehender Leitfaden soll eine konkrete Entscheidungshilfe zur Auswahl der energetisch und ökonomisch sinnvollsten Antriebstechnologie für einen spezifischen Anwendungsfall bieten.

Bessere Vergleichbarkeit hergestellt

Zu Beginn des Projekts wurden Anwendungen ermittelt, in denen die beiden Technologien in starker Konkurrenz stehen. Anhand dieser Anwendungen wurden Bewegungsaufgaben definiert, für die die Energieaufnahme untersucht werden sollte. Für die Tests verwendet wurden pneumatische Linearantriebe mit Durchmessern zwischen 16 und 50 Millimetern und Hüben von zehn bis 800 Millimetern sowie entsprechend dimensionierte elektromechanische Linearantriebe. Die Auswahl der Zylinder erfolgte hauptsächlich anhand ihrer Verbreitung am Markt – ein Hinweis darauf, dass hier der für Industrieunternehmen wichtigste Anwenderbereich liegt. Die zwei Prüfstände für die Messungen wurden am IFAS aufgebaut: einer für horizontale und einer für vertikale Hübe von jeweils bis zu 1000 Millimetern.

Wichtig war es den Wissenschaftlern, Fehler zu vermeiden, die bei bisherigen Analysen häufig zu Verzerrungen geführt haben. Angewandt wurde daher zum Beispiel das Konzept der Exergieanalyse, da das thermodynamische Konzept der Exergie im Gegensatz zur klassischen Energiebetrachtung die gesamte Arbeitsfähigkeit der Druckluft erfasst und so eine bessere Vergleichbarkeit zu den elektrischen Antrieben ermöglicht. Auf der Seite der elektrischen Antriebe wird häufig mit der extrem hohen Effizienz der Motoren in ihrem Nennarbeitspunkt argumentiert. Diese Werte gelten jedoch nur im Betrieb bei kontinuierlicher Drehzahl und Last, der bei Handhabungsaufgaben kaum vorkommt. Variationen in der Haltedauer, die für die Effizienz elektromechanischer Antriebe entscheidend ist, wurden bisher kaum betrachtet.

Anschaffungs- und Energiekosten vergleichen

Einige Ergebnisse: Betrachtet man die Lastfälle bei vertikalem Hub, wurde im Rahmen des Projektes festgestellt, dass die Exergieaufnahme der pneumatischen Zylinder sowohl unabhängig von der Last als auch von der Haltedauer ist. Diese Unabhängigkeit vom Lastfall konnte bei den elektromechanischen Zylindern nicht beobachtet werden. So erhöhte sich beispielsweise für eine Last von 25 Kilogramm bei einem Hub von 800 Millimetern die notwendige Energiezufuhr auf das Doppelte. Als weiteres Beispiel dient eine senkrecht zu bewegenden Last von zehn Kilogramm bei einem Hub von 200 Millimetern.

Die Energiekosten des elektromechanischen Zylinders lagen in den Untersuchungen beim Einsatz ohne Haltedauer deutlich niedriger als beim pneumatischen Zylinder, während sie bei einer Haltedauer von zehn Sekunden bereits auf dem gleichen Niveau lagen. In diesem Fall wären also, laut den Forschern, sowohl die Anschaffungs- als auch die Energiekosten des pneumatischen Zylinders geringer oder gleich hoch. Der Leitfaden wird somit eine Hilfestellung bieten können, den applikationsspezifisch geeignetsten Antrieb auszuwählen.

 

Auf einen Blick: Das Forschungsprojekt

Das Projekt wird vom Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) an der RWTH Aachen bearbeitet. Damit soll sichergestellt sein, dass sowohl die Untersuchung der pneumatischen als auch der elektromechanischen Antriebe von einem Institut mit ausgewiesener Expertise im jeweiligen Fachbereich durchgeführt wird.

  • Thema: „Wirtschaftlichkeitsanalyse pneumatischer und elektromechanischer Antriebstechnik“
  • Ziel: Die Entwicklung eines Leitfadens, anhand dessen ein industrieller Anwender die für seine Applikation ökonomisch sinnvollste Antriebstechnologie auswählen kann.
  • Zeitraum: 1. September 2013 bis 31. August 2015
  • Finanzierung: Das Forschungsvorhaben wird vom Forschungsfonds Fluidtechnik des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA eigenfinanziert.