KEM Konstruktion: Ein großes Thema in der elektrischen Antriebstechnik ist die Energieeffizienz. Denn rund 70% des industriellen Strom-Gesamtverbrauch entfallen auf elektromotorisch angetriebene Systeme. Wie können Ihre aktiven Energiemanagementsysteme dazu beitragen, den Energieverbrauch in diesem Bereich zu senken?
Michael Koch: Immer dann, wenn es um Rekuperation geht, also immer dann, wenn Antriebe in einem Bremsmodus sind, dann sind unsere aktiven Energiemanagement-Geräte und -Systeme sehr hilfreich dabei, eben diese Energie zwischen zu speichern und dem System wieder zur Verfügung zu stellen. Insofern erhöhen sie die Energieeffizienz. Das ist auch das Thema, was die meisten potenziellen Kunden auch als erstes interessiert. Die hören da geht es in irgendeiner Form um Energiespeicherung und um Energieeffizienz-Erhöhung. Wenn man dann aber ins Detail geht, dann merkt man, dass es bei der Rekuperation häufig nur um einige tausend Watt-Sekunden geht, und wenn man bedenkt, zwischen einer Watt-Sekunde und einer Kilowattstunde ist ein Faktor von 3,6 Millionen, dann reduzieren sich die Applikationsfälle, die Energieeffizienz im Bereich der Rekuperation zu steigern, auf einige Wenige. Wir beschäftigen uns seit 10 Jahren mit diesem Thema und haben dadurch das Wissen erlangt, dass man, um Energieeffizienz steigern zu können, wiederholt Start-Stop-Prozesse haben muss, bei denen Bremsungen maximal vier Sekunden auseinanderliegen. Das heißt, wenn eine Bremsung nur einmal in der Minute oder alle zwei Minuten erfolgt, die jeweils einige wenige Sekunden dauert, dann wird über eine Betriebsstunde viel zu wenig Energie gesammelt, als dass es eine Amortisation-Berechnung rechtfertigen würde. Denn Maschinenbauer machen keine energetische Amortisation-Berechnung, wie sie beispielsweise bei einer Photovoltaikanlage gemacht wird und man mit einer Amortisation nach rund 10 Jahren zufrieden ist, sondern die rechnen mit Amortisationszeiten von unter 2 Jahren. Das ist der große Unterschied zu sonstigen energetischen Investitionen. Das bedeutet für uns, wir müssen in vielen Fällen über die Steigerung der Energieeffizienz hinaus andere, zugkräftige Argumente bringen, um dann die Kunden zu überzeugen, diese Geräte einzusetzen. Die Energieeffizienz-Steigerung kommt dann immer mit als Zubrot, aber Hauptgründe sind oftmals andere, wie zum Beispiel Überbrückung von Netzschwankungen, Überbrückung von Netzausfällen oder sicherer Halt nach Netzausfall oder die Reduzierung von Netzlastspitzen. Das sind Themen, die zusätzlich zur Effizienzsteigerung hinzukommen müssen, um den Einsatz von Energiemanagementsystemen zu rechtfertigen. Eine Kilowattstunde kostet auch heute noch für Großbetriebe viel zu wenig. Und auch die CO2-Abgabe pro Tonne von 25 € ist noch viel zu gering, als dass sie motivierend wäre, die Geräte über die geschilderten Fälle hinaus einzusetzen. Energie Effizienzsteigerung als Grund reicht hier nicht aus.
KEM Konstruktion: Glauben Sie, dass vor dem Hintergrund der Energiewende und dem Ausstieg aus fossilen Energien, Energieeffizienz ein wichtigeres Kriterium wird?
Koch: Ja, auf jeden Fall. Nur wenn wir den Schwerpunkt ausschließlich auf Energieeffizienz legen würden, bleiben die Amortisationsberechnungen der Kunden, die gegen die Energiemanagementsystemen sprechen, die gleichen. Mit Fokus auf Energieeffizienz würde unser Slogan “Energizing efficiency” lauten, aber er heißt “Energizing productivity”. Wir konzentrieren uns darauf, die Produktivität der Maschine und Anlage zu erhöhen, auch in Situationen, die durch Änderungen in der Energieversorgung entstehen. Schwankungen in der Energieversorgung gibt es durch die verteilte Energieerzeugung, schwache oder geschwächte Netze mittlerweile häufiger. Und das ist ein weltweites Phänomen. Da wir es mit der produzierenden Industrie zu tun haben, geht es beim Einsatz der Geräte letztendlich um die Erhaltung beziehungsweise die Steigerung der Produktivität. Das bedeutet, dass man auch bei Netzschwankungen oder -ausfällen die Maschine am Laufen hält oder zumindest eine Situation erreicht, aus der die Maschine dann ohne Weiteres wieder starten kann. Deshalb auch unser Slogan. Wir ermöglichen den Erhalt oder die Steigerung von Produktivität.
KEM Konstruktion: Die Michael Koch GmbH hat im letzten Jahr die Pxt-Serie vorgestellt. Die Geräte regeln den Energiehaushalt des Antriebssystems, erfüllen sie denn selbst die Forderungen des Gesetzgebers nach höherer Energieeffizienz und wie setzen Sie das in den Geräten um?
Koch: Wenn man über die Rekuperation von Bremsenergie spricht, dann geht man ja schon einen ganz großen Schritt in Richtung Energieeffizienz, indem wir die ansonsten über den Bremswiderstand in Wärme umgewandelte Energie einsammeln und sie wieder zur Verfügung stellen. Und das mit relativ geringen Verlusten, also einem relativ hohen Wirkungsgrad. Das ist ein großer Vorteil für die Applikationen, bei denen sich das auch wirtschaftlich lohnt. Und wie machen wir das? Indem wir bei der Hardware-Entwicklung versuchen, die Verluste so gering wie möglich zu halten. Das ist heutzutage state of the art im Entwicklungsprozess. Wobei wir immer noch IGBTs als Leistungsmodule einsetzen und noch keine SiC-Module. Mit dieser Technologie beschäftigen wir uns aber auch, denn dadurch lässt sich der Wirkungsgrad nochmal um einige Prozentpunkte verbessern. Und wir haben den großen Vorteil hier im nord- beziehungsweise mittelbadischen Raum, dass wir mit dem KIT in Karlsruhe oder mit dem Ilea, dem Institut für Leistungselektronik und elektrische Antriebe, in Stuttgart doch sehr potente Forschungseinrichtungen haben, mit denen wir gute Kontakte pflegen.
KEM Konstruktion: Die neue Gerätefamilie umfasst die Modelle PxtFX, PxtEX und PxtRX. Können Sie kurz erklären, wie die einzelnen Geräte funktionieren und wo die Unterschiede liegen?
Koch: Das Modell PxtFX ist ein Energiemanagementgerät, das insbesondere dafür konzipiert ist, in sehr kurzen Zyklen sehr schnell Energie aufzunehmen und abzugeben. Deshalb ist es mit Kondensatoren ausgerüstet, hat deswegen auch hardwareseitig eine sehr gute Entwärmungstopologie und kann in einem Baukastensystem um viele Kondensatoren erweitert werden. So von der Leistung her hat es 20 Ampere Dauer- und 40 Ampere Spitzenleistung und von der Energiemenge her geht es mit 2 Kilojoule los und kann in 2 Kilojoule-Schritten ergänzt werden. Beim Modell PxtEX handelt es sich um passive Energiespeicher-Erweiterungen, die mit dem PxtFX zusammen benutzt werden und das Gerät PxtRX ist quasi der größere Bruder dazu, ohne integrierten Speicher, und etwas leistungsstärker. Das Modell erreicht 30 Ampere Dauer- und 60 Ampere Spitzenleistung und ist konzipiert, insbesondere mit Doppelschicht-Kondensator-Modulen oder Super Caps zu arbeiten. Das heißt, die Geräte sind geeignet für etwas längere Energiemanagement-Zeiten, wenn es um mehrere Sekunden oder Minuten geht. Zudem sind die PxtRX-Geräte für größere Energiemengen ausgelegt.
KEM Konstruktion: Können Sie erläutern, für welche Anwendungen die einzelnen Gerätetypen eingesetzt werden?
Koch: Also ein PxtFX eignet sich insbesondere für Applikationen, bei denen es darum geht, in Sekunden kurze Energie-Stöße abzufangen oder auch schnell Energie zur Verfügung zu stellen, etwa im Fall einer kurzzeitigen Unterbrechung der Stromversorgung. Ein Beispiel hierzu wäre eine Textilmaschine, die man bei einer Spannungsschwankung stoppen muss, aber noch etwas Energie benötigt, damit der Faden nicht reißt. Der PxtRX findet sich in Anlagen, in denen beispielsweise ein elektro-hydraulischer Aufzug so einmal pro Minute oder alle zwei Minuten über einen Zeitraum von 20 bis 30 Sekunden Energie aufnehmen muss und über einen ähnlich langen Zeitraum auch wieder abgeben muss. Ein weiteres gutes Einsatzbeispiel für den RX sind Hochregalbediengeräte, da sich mehrere Geräte parallelschalten lassen und sich so viel höhere Leistungen erzielen lassen. Das ist dann interessant, wenn die Netzinfrastruktur hohe Leistungsanforderungen von zum Beispiel 300 Ampere für eine Minute nicht hergibt. In diesem Fall kann man 5 PxtRX-Geräte zusammenschalten mit entsprechend vielen Speichern und erhält so die benötigte Leistung.
KEM Konstruktion: Wie viele Geräte können Sie in Reihe schalten? Gibt es da Begrenzungen?
Koch: Theoretisch kann man unendlich viele Geräte in Reihe schalten. Bis dato haben wir realisiert ein Maximum an 9 Geräten parallel zu schalten – in einem Kunden-Projekt. Die Geräte sind so aufgebaut, egal ob PxtFX oder PxtRX, dass sie sich gegenseitig synchronisieren und das läuft perfekt. Also im Prinzip gibt es keine Begrenzungen. Letztendlich stellt sich aber die Frage, macht es wirtschaftlich Sinn mit einem einem Baukastensystem unendlich viele Geräte in Reihe zu schalten oder gibt es andere, bessere Lösungen, wenn größere Leistungen und größere Energien gefordert sind. Aber wir haben schon einige Applikationen im Bereich Hochregalbediengeräte bei denen wir unsere Geräte im 5er-Pack einsetzen. Und wir haben auch in anderen technischen Anlagen viele parallel geschaltete Geräte. Am Ende müssen aber viele Kriterien berücksichtigt werden: Wie sind die Platzverhältnisse? Welche Energiemenge wird benötigt? Muss man doch auf Batterie gehen, weil man keinen Platz hat für die vielen Kondensator-Module? Dann wiederum scheiden Batterien aus, weil die Zyklenzahl zu hoch ist, um sie einsetzen zu können. Im Umkehrschluss heißt das, unser Vertrieb hat die Aufgabe, die ideale Lösung für die jeweilige Applikation zu finden. Aber zurück zu der Frage von der Fähigkeit der Geräte parallel geschaltet zu werden. Insgesamt muss man aber sagen, dass wir uns von je her wissentlich auf Größenordnungen fokussieren, die den kleineren Leistungsbereich abdecken. Denn in diesem Bereich gibt es die meisten Applikationen. So haben unsere Bremswiderstandsmodule bis zu 400 Watt Dauerleistung, also 13 Kilowatt für eine Sekunde bei zwei Minuten Pause. Und das haben wir ja auch wissentlich getan, weil in diesem Bereich schlicht und einfach die Häufigkeit der Applikationen am Größten ist.
KEM Konstruktion: Welche Lasten (Energiedichte) können die Systeme bewältigen und wie sieht es mit der Lebensdauer aus?
Koch: Lebensdauer ist immer eine Anforderung, die gekoppelt ist mit der Lebensdauer eines Frequenzumrichters, weil wir unsere Geräte als Peripherie-Produkt eines Frequenzumrichters sehen. Und unser Anspruch ist, dass im Vergleich zum Frequenzumrichter die Lebensdauer unseres Geräts in der jeweiligen Applikation nicht kürzer sein darf. Und was die Energiedichte angeht, ist die Auswahl ebenfalls abhängig von der Applikation. Wenn sie in der Lebensdauer 100 Millionen Zyklen fahren müssen, dann kommt man um Kondensatoren nicht herum. Und wenn die Anwendung nur einige wenige Millionen Zyklen erfordert, dann können Sie einen Super-Kondensator einsetzen, mit einer Batterie kommt man hier auch nicht weit. Nur wenn es um unter 10.000 Zyklen geht, dann kommt eine Batterie infrage. Die Michael Koch GmbH ist im klassischen Maschinenbau unterwegs und da braucht es halt in der Regel sehr viele Zyklen, die schnell im sechsstelligen Bereich sind. Und dann spielen Batterien keine Rolle mehr. Hinsichtlich Energiedichte sind wir abhängig von der Entwicklung im Speicher-Bereich. Also wenn jemand einen Super-Kondensator entwickelt, der bei gleichem Energie-Inhalt nur noch halb so groß ist, dann nehmen wir den gerne und probieren ihn aus und versuchen ihn freizugeben, damit unser Kunde Platz spart. Und wir bauen auch nicht nur unsere aktiven Geräte, sondern gerade mit dem PxtRX bauen wir auch Systeme in dem Sinne, dass man Applikations-bezogen die Schaltschränke bestückt mit beispielsweise vier, fünf oder acht Geräten und der entsprechenden Menge an Doppelschicht-Kondensatoren, so dass die Kombination aus geforderter Leistung und geforderter Energie für die jeweilige Applikation anschlussfertig geliefert werden kann. Und der Kunde kann sich aussuchen, will er nur die aktiven Energiemanagementgeräte oder möchte er das gesamte System mit Absicherung, komplett verdrahtet, sicher abgenommen und das er einfach nur noch an seine Maschine anschließen muss. Letztendlich ist das eine Make-or-Buy-Entscheidung.
KEM Konstruktion: Heißt das, dass Koch neben Katalogware viele kundenspezifische Lösungen anbietet, in denen viel Engineering-Leistung steckt?
Koch: Es ist beides möglich. Die Geräte als solches sind standardisiert und Serien-Produkte, die wir hier serienmäßig bauen. Die Parametrisierung auf die Gegebenheiten, also auf Umrichter, Zwischenkreisspannung, etc. erfolgt teilweise automatisch, kann aber auch händisch gemacht werden. Dafür haben wir entsprechende Programme beziehungsweise Tools. Wenn allerdings der Kunde, der Antriebstechniker oder der Maschinenbauer, für seine spezifische Applikation sich unsicher ist oder über den Tellerrand hinaus diskutieren will, was man noch alles mit den Geräten machen kann, etwa in Sachen Rekuperation, Energievorhaltung oder um bei Spannungseinbruch oder im Netzunterbrechungsfall noch genügend Energie zu haben, um die Maschine in den sicheren Stillstand zu bekommen, dann ist es gut, wenn man sich darüber unterhält und nochmal einen Applikationsengineering-Lauf macht. Wenn ein Kunde seine Maschine gut kennt, die Verhältnisse gut kennt, dann kann er sich aus unserem Baukastensystem die Lösung selbst zusammenstellen. Wir haben aber die Erfahrung gemacht, dass es gut ist, wenn man die Dinge nochmal miteinander bespricht und diskutiert, um die optimale Lösung zu finden. Am Ende ist es ja doch ein gewisser Invest in die Elektronik. Beim sicheren Bremsenwiderstand, der von den Einkaufskosten her weit günstiger ist, gehen viele auf Nummer sicher und nehmen einen doppelt so starken Widerstand. Das finde ich bedauerlich, denn es ist einfach Ressourcenverschwendung. Um eine bessere Vorstellung zu bekommen: bei dem PxtFX beginnt es mit einem Listenpreis von 1.200 Euro. Und dann kommt es darauf an, was noch alles benötigt wird. Wir haben aber auch schon einige Systeme verkauft, die dem Preis eines Mittelklassewagens entsprechen. Schon allein ein Doppelschicht-KondensatorModul kann im Einkauf 1.000 Euro kosten. Und auch der Schaltschrankbau für das richtige Energiemanagementsystem hat seinen Preis.
KEM Konstruktion: Um Lastspitzen zu bewältigen, hat Koch das Aufsteckmodul PxtMX entwickelt. Können Sie uns hierzu einige Details verraten?
Koch: Wie so oft bei Hard- und Software steckt insbesondere in der Software viel Neues und viele Personen-Jahre Entwicklungsarbeit drin. Der Clou bei der Geschichte ist, wir nehmen 3 Stromesswandler, die man direkt über die drei Phasen klemmt. Das sind Klapp-Sensoren, die man ins PxtMX-Gerät steckt und damit wird diese Platine zu einem sehr guten Messmittel. Das PxtMX wertet aus, welcher Strom aus dem Netz kommt, gleichzeitig ist ein Maximalwert eingestellt, zum Beispiel 30 Ampere. Den Rest – das ist dann wieder Applikations-Engineering – nehmen wir aus dem Pxt-System. Also jedes Mal, wenn die 30 Ampere aus dem Netz erreicht werden und mehr benötigt wird, schießen wir hier entsprechend viel Energie aus unserem System in den Zwischenkreis, so dass die 30 Ampere aus dem Netz stabil bleiben. Natürlich muss man vorher wissen, wie viel Energie die Maschine insgesamt braucht. Man muss auch wissen, ob die Zeit ausreicht, die Speicher wieder zu füllen zwischen den Zeiten, in denen Energie zugeführt wird. Aber es gibt ja viele Anwendungen, die als Spitzenlast mal 80 oder 70 Ampere brauchen aus dem Netz, die müssen dann entsprechend abgesichert werden. Da reichen auch die 63 Ampere nicht mehr, die man aus normalen Drehstromsteckdosen kriegt, sondern es muss dann etwas Hochwertigeres sein, weil es einmal die Minute oder alle zwei Minuten wesentlich mehr braucht und dann die Sicherungen fallen würden. Jetzt kann man sagen, okay, wenn der Rest der Zeit dafür genügt, unsere Speicher zu füllen, dann können wir sagen gut, 30 oder 29 oder 25 Ampere können wir genau einstellen und füllen in den Pausenzeiten den Speicher und wenn Lasten benötigt werden, dann schießen wir die Energie zu. Im Prinzip eine sehr einfache Überlegung, in der Umsetzung beliebig komplex. Wir haben also Systeme bis zu 100 Ampere und wenn es vom Applikations-Engineering und vom Sizing gut gemacht ist, kann man mit dem Aufsteckmodul und den Strommesswandlern das per Plug and Play in Betrieb nehmen. Das heißt, Sie können mit einer 32-Ampere-Steckdose, wenn die Applikation das hergibt, auch eine Maschine nutzen, die in der Spitze immer mal wieder um die 100 Ampere braucht, wenn sie über die Zeit im Durchschnitt im Effektiv-Strom unter 32 Ampere bleibt. Und das finden wir schon eine besondere Leistung, denn damit können unsere aktiven Energiemanagementsysteme gerade in kleineren Industrie- oder Gewerbegebieten die Energieversorgung auch ohne umfangreiche Infrastrukturmaßnahmen sicherstellen. Hier sehen wir ein großes Potenzial auch im Hinblick auf die Zielgruppe der Versorger, die dann den Unternehmen in diesen Gebieten sagen können, wir können dich zwar erst später mit entsprechender Leistung versorgen, aber du kannst deine Maschine jetzt schon betreiben, indem du aktive Energiemanagementsysteme nutzt. Und es bedeutet auch für die Maschine selbst, ich kann sie möglicherweise auch mit 32 Ampere absichern, es braucht keine teueren Schütze, ich kann andere Verkabelung einsetzen, kann andere Klemmen einsetzen. Von der Investition ist man mit einer aktiven Energiemanagementlösung, die sich auf einige tausend Euro beläuft, in einer anderen Dimension als bei Infrastrukturmaßnahmen, die sich schnell auf einige zehntausend Euro belaufen.
KEM Konstruktion: Welche Kommunikationsmöglichkeiten bietet das Aufsteckmodul PxtMX?
Koch: Das Aufsteckmodul kann eine Feldbusschnittstelle integrieren. Das ist eine Neuheit mit der wir das Modul an Ethercat-Feldbusse anschließen können. Ethercat ist im Bereich der elektrischen Antriebstechnik weit verbreitet. Wir haben uns immer zurückgenommen im Sinne von „wir sind nur ein Peripherie-Teil von Frequenzumrichtern“. Umrichter sind mittlerweile Computer im Schaltschrank und kommunizieren mit der ganzen Welt. Aber Kunden haben uns immer wieder aufgefordert das zu ändern, damit unsere aktiven Energiemanagement-Geräte ebenfalls direkt Statusmeldungen weiterreichen können. Und zwar nicht nur in Richtung Frequenzumrichter, sondern auch an eine übergeordnete Steuerung. Damit sind wir dann wieder beim Thema Industrie 4.0 und Predictive Maintenance.
KEM Konstruktion: In Zeiten von Industrie 4.0 spielt die digitale Transformation eine wichtige Rolle. Wie viel Digitalisierung steckt in den Geräten der Pxt-Familie?
Koch: Das Buzzword Digitalisierung strengt uns schon ziemlich an. Aus vielerlei Gründen, weil es nicht so genau definiert ist, wie zum Beispiel Industrie 4.0 mit dem Rahmen- und Schichten-Modell. Wir haben alle Geräte der neuen Generation mit dem digitalen Typenschild Pxt-Typeplate ausgerüstet. Das heißt, dass man über einen QR-Code auf dem Gerät alle geräte-spezifischen Daten abrufen kann. Das ist insbesondere dann interessant, wenn das Gerät eine Individualisierung erfahren hat. Im Typenschild sind alle Daten hinterlegt, man kann alle Prüfprotokolle oder den Schaltplan sowie Zusatzinformationen und auch individualisierte Montage- oder Betriebshandbücher abrufen. Darüber hinaus stellen wir Schnittstellen bereit, um die Daten, die so ein Gerät jede Sekunde abspeichert, auslesen zu können und für Analysen zur Verfügung zu stellen. Dafür haben wir das Tool PxtTerminal entwickelt, mit dem man visualisieren kann, was gerade im Antriebssystem beziehungsweise im aktiven Energiemanagementsystem passiert. Es geht aber noch viel weiter, denn auch die Auslegung des Applikations-Engineering muss berücksichtigt werden. Da geht es nicht nur um Sizing, sondern wir machen in jedem Fall eine Simulation, also einen elektrisch-energetischen digitalen Zwilling, bei dem wir beispielsweise auch die Schicht-Temperaturen der eingebauten Leistungshalbleiter simulieren. Also wenn jemand bei uns ein aktives Energiemanagementsystem anfragt, dann bekommt er auch eine Lösung, die nach den Anforderungen komplett simuliert wurde und mit einer entsprechenden Lebensdauergarantie.
KEM Konstruktion: In der Antriebstechnik finden heute viele Innovationen nicht mehr in Hardware statt, sondern die Software macht den Unterschied. Wie ist die Michael Koch GmbH diesbezüglich aufgestellt?
Koch: Also ich möchte dem widersprechen, denn es tut sich in beiden Bereichen viel. Gut, die Innovationszyklen in der Software sind kürzer und man hat in Software je nach Paket, vor allem wenn es um Werkzeuge geht, die ums eigentliche Produkt herum entwickelt werden, wie Visualisierung, wie Parlamentarisierung, wie die Darstellungsform von Prozessen, relativ schnell ein Ergebnis. Bei der Hardware spielen sich auch viele Innovationen ab, die aber einen längeren Lebenszyklus haben. Wenn ich an die Kondensatoren mit zwei Kilojoule Energie denke, die wir einsetzen, war das ein langer und schwieriger Prozess, zusammen mit verschiedenen Herstellern eben einen solchen Kondensator zu bekommen, der nicht nur kleine Ausgleiche über lange Zeit bestens durchführt, sondern den man über lange Zeit und weit über 100 Millionen Zyklen voll laden und voll entladen kann. Wenn jemand sich für unsere aktiven Energiemanagementsysteme mit den kurzen Zyklus-Zeiten entscheidet, dann sind da ganz besondere Kondensatoren drin. Das kriegt man so nicht mit, weil die Kondensatoren im Gerät verborgen sind. Aber da steckt auch einiges an Innovation drin. Und ich denke, dass wir bei der Hardware noch einiges vor uns haben. Wir sehen ja auch, dass es insbesondere bei den Speichern und der Energiedichte der Speicher in den letzten Jahren massive Schritte nach vorne gab und auch weiterhin geben wird.
Details zu den aktiven Energiemanagementsystemen der Pxt-Serie von Koch:
hier.pro/Zt3yZ
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