Was Energiemanagementsysteme leisten 24.04.2020, 09:38 Uhr

Energieeinsparung ist schön und gut – Produktivität essentiell

Alle reden vom Energiesparen, auch in der Antriebstechnik. Doch seien wir ehrlich: Was machen schon einige hundert eingesparte Kilowattstunden im Jahr für ein produzierendes Unternehmen aus? Für Maschinenbauer und -nutzer sind Faktoren wie störungsfreier Betrieb, hohe Taktzahlen oder Unabhängigkeit von Netzschwankungen die wichtigeren Faktoren. Genau das leisten die Energiemanagementsysteme der Michael Koch GmbH.

Michael Koch

Firmenchef Michael Koch zeigt das neueste Produkt der Michael Koch GmbH: Energiemanagement-System PxtFX.

Foto: Hövelmann

Angefangen hat die Michael Koch GmbH im Jahr 1997 mit der Fertigung von Bremswiderständen, also passiven Bauelementen, die die beim Bremsen anfallende Überschussenergie in Wärme umsetzen. Der Impuls, dies zu tun, kam mit der Entdeckung der Vorteile von PTCs in der Anwendung als Bremswiderstände. Hinsichtlich der Sicherheit sind PTC-basierte Bremswiderstände (PTC = Positive Temperature Coefficient) außerordentlich gut geeignet. Denn es handelt sich um Halbleiterwiderstände, die als sogenannte Kaltleiter einen positiven Temperaturkoeffizienten haben und bei ansteigenden Temperaturen ihren Widerstand stark erhöhen. Im Gegensatz zu den Drahtwiderständen müssen sie nach einer Überlast nicht ausgetauscht werden. Mit diesen Bremswiderständen war und ist die Michael Koch GmbH erfolgreich unterwegs.

Die Umsetzung sicherer Eigenschaften auf Drahtwiderstände war der nächste Schritt für Firmenchef Michael Koch (Bild 1). Er brachte diese als erster überhaupt serienmäßig in ein Alu-Profil ein, was heute fast Standard ist. Diese schmoren beim ca. 35-fachen Nennstrom durch, funktionieren also ähnlich einer Schmelzsicherung, die den Stromkreis schlagartig unterbricht. Wobei die Gefahren, die durch Überhitzung an dieser Schwachstelle drohen, immer auch berücksichtigt werden müssen. Insgesamt eine Lösung, die preiswert, aber nicht für alle Fälle ideal ist. Die sicheren Bremswiderstände verschiedenster Bauart sind nach wie vor das Brot- und Butter-Geschäft des Unternehmens und machen heute noch mehr als die Hälfte des Gesamtumsatzes aus.

Vom passiven Bremswiderstand hin zum aktiven Energiemanagementsystem

Doch die Entwicklung ging weiter, Michael Koch stieg im Jahr 2010 auch in die Elektronik ein. Der Kerngedanke war, dass man im Sinne der Energieeffizienz Bremsenergie nicht einfach „verbraten“, d.h. in Wärme umwandeln sollte, sondern für den Prozess wiederverwendbar machen also rekuperieren könnte. So entwickelte Koch den DES („Dynamischer Energie-Speicher“), ein Gerät, das – an den Gleichstromzwischenkreis von Umrichtern angeschlossen – überschüssige Bremsenergie speichern und anschließend im richtigen Moment wieder an den Umrichter bzw. den Prozess abgeben konnte. Bei allen Geräten der Michael Koch GmbH geht es auch heute noch letztlich um die intelligente Zwischenspeicherung von Energie. Das Prinzip ist in Bild 2 dargestellt. Unabhängig vom Hersteller der Antriebselektronik können die aktiven Energiemanagementsysteme einer Maschine oder Anlage hinzugefügt werden und erfüllen ihre Funktionen. Mit der „Zwischenspeicherung von Energie“ begann für die Firma Koch eine weitere Erfolgsgeschichte.

Bild 2 Funktionsprinzip: Die aktiven Energiemanagementsysteme der Michael Koch GmbH werden unkompliziert an den Gleichstromzwischenkreis des Umrichters angeschlossen.

Foto: Michael Koch

Dass diese Zwischenspeicher-Lösungen deutlich mehr Know-how in allen Bereichen des Unternehmens – von der Entwicklung bis zum Applikationsengineering – verlangten als vergleichsweise einfache „passive“ Bremswiderstände, leuchtet ein. Die Geräte wurden stetig weiterentwickelt und bald zeigte sich, dass die ursprüngliche Motivation – nämlich die Energieeinsparung – keineswegs der einzige Vorteil dieser „aktiven“ Geräte war. Denn weitere Features kristallisierten sich im Laufe der Zeit heraus. Heute nennt Koch seine Geräte „Energiemanagementsysteme“ oder auch „Aktive Energiemanagementsysteme“. Einige Vorteile dieser Lösungen sind, kurz zusammengefasst:

  • Sicherheit vor Netzschwankungen (Blackouts, Brownouts),
  • Verringerung von Ausfallzeiten, sichere Prozessabläufe,
  • Schutz von Netz und Elektronik,
  • – Beschleunigung von Produktionsprozessen, höhere Taktraten,
  • Weniger Wärmeentwicklung,
  • Verringerung des Energieverbrauchs.

Prozesssicherheit und Produktivität als A und O

Die Energieeinsparung ist nur einer von mehreren – und nicht einmal der größte – Vorteil. Firmenchef Michael Koch zeigt sich als Realist, wenn er auf die vergangenen Jahre zurückblickt: „Wir waren damals, das war so ab 2010, sehr euphorisch und uns wurden viele Türen geöffnet, weil gesagt wurde: ‚Eine tolle Sache, da kann man Energie sparen, das machen wir.‘ Bis man dann angefangen hat zu rechnen, sich angeschaut hat, was eine Kilowattstunde kostet und wieviel man investieren muss, um diese Kilowattstunden einzusparen. Und, das ist unsere Erfahrung aus diesen zehn Jahren: Allein aufgrund der Energieeffizienz kauft kaum jemand unsere Geräte. Die Energie ist einfach zu billig!“ Koch bringt ein Beispiel: „Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf dem Ergometer, und Sie treten und leisten dabei 100 Watt. Sie quälen sich zehn Stunden lang und haben dann eine Kilowattstunde zusammen. Das kriegen Sie – selbst als Ökostrom und mit allem drum und dran – für 33 Cent. Das ist schon sehr wenig für zehn Stunden harte Arbeit!“ Michael Kochs Fazit: „Es geht den Unternehmen immer nur um Produktivität.“

Namhafte Referenzkunden – interessante Anwendungen

Über mangelndes Kundeninteresse kann sich das Unternehmen heute nicht mehr beklagen. Bei den bekannten Antriebsherstellern stellt sich laut Michael Koch eher die Frage, wer nicht Kunde ist. Letztere lassen sich, zumindest was die deutschen Anbieter angeht, an den Fingern einer Hand abzählen. Michael Koch: „Einige Antriebshersteller haben verstanden, dass sie bei gewissem Kunden und Applikationen Vorteile bieten können, wenn sie unsere aktiven Energiemanagementsysteme mit ins Boot bringen. Die empfehlen uns bei bestimmten Applikationen sogar aktiv.“

Auch interessante Referenzanwendungen kann Koch vorweisen: Diese reichen von namhaften Automobilherstellern, wo in der Produktion eingesetzte Roboter mit Energiemanagementsystemen ausgerüstet sind, bis hin zu weltweit in Vergnügungsparks installierten Riesenrädern. Pressen-Hersteller Schuler verkettet seine Pressen schon seit geraumer Zeit mit dem sogenannten „Crossbar Roboter“ (Bilder 3, 4), der hochdynamisch das Teilehandling zwischen verschiedenen Produktionsschritten erledigt. Für die gesteigerte Dynamik und Energieeffizienz sorgen dabei die Energiemanagementsysteme von Koch. Denn bei den häufigen Bremsvorgängen des Crossbar Roboter fließt Energie in den Umrichter-Zwischenkreis und in die angeschlossenen Energiespeicher-Module – um beim nächsten Beschleunigungsvorgang im richtigen Moment wieder abgerufen zu werden. Zwei bis drei Hübe mehr pro Minute und Energie- einsparungen von bis zu 20 Prozent beim Handling der Werkstücke sind das Ergebnis.Wer setzt Energiemanagementsysteme ein?

Bild 3 Der „Crossbar Roboter 4.0“ von Schuler überzeugt nicht nur optisch, sondern auch technisch: u. a. durch seine Dynamik und Energieeffizienz.

Foto: Schuler

Bild 4 Die Energiemanagementsysteme der Michael Koch GmbH sind neben dem Crossbar Roboter im Schaltschrank platziert.

Foto: Schuler / Koch

Wer setzt die Koch‘schen Energiemanagementsysteme ein? Drei Gruppen sind es, und zwar die Antriebshersteller, die Maschinenbauer und auch die Maschinen-Endnutzer. Bei letzteren sind es vor allem diejenigen, die gravierende Nachteile erleiden, falls es zu Netzschwankungen oder gar zu einem Blackout kommt. So kann es beispielsweise in einer Getränkeabfüllanlage Glasbruch geben, weil die Synchronisierung der Sternenräder nicht mehr funktioniert. Michael Koch: „Wenn es dann die Flaschen zusammenhaut, ist es ein Riesenaufwand das alles wieder sauberzumachen. Ähnlich ist es bei Textil- oder Spinnmaschinen, wo es bei Blackouts oder Brownouts zu einem Fadenriss kommen kann und es dann eine oder zwei Stunden dauert bis das Ganz wieder läuft.“ Koch: „Diejenigen Maschinenanwender nutzen unsere Energiemanagement-Lösungen, die sich gewissermaßen von ihrem Maschinenlieferanten alleingelassen fühlen was Netzstörungen angeht. Und Netzschwankungen oder -ausfälle gibt es keineswegs nur in Entwicklungsländern.“ In den genannten Fällen kommt es dann in aller Regel zu einer Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer, Maschinennutzer und der Firma Koch, bei der gemeinsam eine Lösung erarbeitet wird.

Auch den Maschinenbauern kommt die Technologie aus dem Hause Koch zugute. Der Firmenchef: „Der Maschinenbauer ist ebenfalls häufig mit dem Problem konfrontiert, dass er in Länder exportiert, in denen die Energieversorgung nicht stabil ist oder wo es eine Infrastruktur gibt, wo man nur 20 kW als Maximalleistung aus dem Netz rauskriegt. Dann kommt er zu uns und bekommt auch dazu eine Lösung. Die Situationen, wo wir ins Spiel kommen, sind oft sehr speziell und auf die jeweilige Anwendung bezogen.“ Michael Koch: „Es gibt Maschinenbauer, die unsere Systeme als Option anbieten. Dann achten wir immer darauf, dass das in sehr enger Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer, Antriebstechniker und uns abläuft.“ Koch fügt hinzu: „Unser Ziel ist natürlich immer – bei den Antriebstechnikern genauso wie bei den Maschinenbauern – in die Serie zu kommen.“

Nur wenig Konkurrenz zu Antriebstechnikherstellern

Auf ein gutes Verhältnis zu den Antriebstechnik-Anbietern legt der Firmenchef Wert, nicht nur weil sie zum großen Teil seine Kunden sind: „Das Verhältnis zu den Antriebstechnik-Unternehmen war auch die Ursache dafür, dass wir uns für diese Zwischenspeicher-Lösung entschieden haben. Wir haben extra gesagt, wir gehen nicht in die Netzrückspeisung rein, weil das die Antriebstechniker selber haben. Um denen nicht auf der Maschinenbauer-Ebene Konkurrenz zu machen, wollten wir eine andere Lösung anbieten. Eine Lösung, die es noch nicht gab – und das sind eben unsere Gleichstrom- Zwischenkreis-Systeme.“ Damit tritt das Unternehmen nur sehr begrenzt in Konkurrenz zu den Antriebstechnikherstellern. Michael Koch: „Dass jetzt der ein oder andere Antriebstechniker auch in diesen Bereich einsteigt – das ist einfach so und zeigt, dass wir da schon länger auf dem richtigen Weg sind.“

Neue Gerätefamilie für das Energiemanagement von Antrieben

Die neuen Geräte der Michael Koch GmbH tragen den Namen „Pxt“, abgeleitet von der Formel „P x t = E (Leistung mal Zeit gleich Energie). Denn immer geht es bei der Zwischenspeicherung von Energie im Kern genau darum. Die Gerätefamilie, die in unterschiedlichen Varianten mit Bezeichnungen wie PxtFX, PxtEX und PxtRX nun auf dem Markt ist, bietet weiter verbesserte Möglichkeiten für das aktive Management von Antriebsenergie. Allen Varianten gemeinsam ist, dass sie die überschüssige oder notwendige elektrische Energie weitgehend netzunabhängig zwischenspeichern, um sie dann zeitnah wieder abzugeben. Als Speichermedium werden – je nach Anwendung – Aluminium-Elektrolytkondensatoren (bei kurzen und häufigen Zyklen) oder Doppelschicht-Kondensatoren (bei höheren Energien und weniger häufigen Zyklen) oder andere Energiespeicher eingesetzt. Die neue Produktfamilie zeichnet sich durch deutlich erweiterte Funktionalitäten gegenüber den Vorgängerversion aus.

Bild 5 Elektrische Antriebe profitieren von dem dargestellten Energiemanagementsystem PxtFX. Hier ein Gerät mit zwei Kilowattsekunden Speichervolumen.

Foto: Michael Koch

Der PxtFX kann dabei in seiner kleinsten Ausbaustufe in Ein-Sekunden-Zyklen pro Betriebsstunde bis zu 1,2 kWh an Energie einsparen. Je nach Applikation sind mit dem aktiven Energiemanagementsystem Einsparungen bis zu 40 Prozent möglich. Andere Vorteile sind jedoch, wie bereits geschildert, oft weit höher einzuschätzen: der Ausgleich von Brownouts, der sichere und definierte Stillstand bei Blackouts, die Beschleunigung von Produktionsprozessen, die Reduktion von Netzlastspitzen oder sogar der Betrieb des elektrischen Antriebs unabhängig vom Stromnetz.

Mit seiner Stromlastfähigkeit von 20 A Dauer und 40 A Spitze für ca. eine Minute (maximale Speicherspannung von 450  Volt DC) kann der PxtFX bis 18 kW Leistung bereitstellen. Er kann ab Werk mit einem Speichervolumen von 2 oder 4 kWs versehen sein. Die automatische Erkennung der Bremstransistor-Einschalt-Spannungsschwelle ist serienmäßig vorhanden; so kann das Gerät mit allen handelsüblichen Umrichtern per Plug and Play zusammenarbeiten. Die umfangreichen Sicherheitsfeatures schützen u. a. gegen die Verpolung der Zwischenkreisanschlüsse, das Zuschalten geladener Speicher und die Überlastung des Systems. Das PxtFX ist ausgestattet mit einer SD-Speicherkarte, einer externen 24-Volt-Versorgung, Zustandsanzeigen per LEDs, Bootloading- und Resetmöglichkeiten sowie sechs digitalen I/Os.

Wenn größeres Speichervolumen oder höhere Lasten gefragt sind

Reicht das Speichervolumen des PxtFX nicht aus, kommt der PxtEX zum Zug. 2, 4 oder 6 kWs Energie kann ein einzelnes PxtEX mit seinem speziell für das An-wendungsspektrum der aktiven Energiemanagementsysteme entwickelten Aluminium-Elektrolytkondensator speichern. Übrigens ist auch ein sicherer Entladewiderstand integriert, der das System auf ein für den Menschen ungefährliches Spannungsniveau bringt.

Während das PxtFX für Anwendungen mit Wiederholungszyklen von Millisekunden bis wenigen Sekunden konzipiert ist, ist sein größerer Bruder PxtRX für Einsätze mit Speichern höherer Energiedichte gedacht; dies können Doppelschichtkondensatoren oder auch Batterien sein. Die Stromlastfähigkeit liegt bei 30 A Dauer und 60 A Spitze für ca. 1 min. Bei einer hohen Speicherspannung von bis zu 800 VDC können knapp 50 kW generiert werden. Ist diese Leistung für die Applikation nicht ausreichend, können mehrere Geräte parallel geschaltet werden. So können aktive Energiemanagementsysteme entstehen, die große Schaltschränke füllen. Koch bietet übrigens auch – unter der Typenbezeichnung KTS –anschlussfertige Komplettsysteme in Schaltschränken an. Hier sind aktive Energiemanagementsysteme der Pxt-Familie, applikationsspezifische Speicher, passende Sicherungen und die Verkabelung enthalten.

Stabiler Energiehaushalt für Maschinen und Anlagen

Geliefert wird die neue Gerätegeneration fertig parametrisiert ab Werk, bereit für den Betrieb direkt nach Anschluss an den Gleichstromzwischenkreis des Umrichters. Über die SD-Speicherkarte können die PxtFX- und PxtRX-Geräte stets auf dem neusten Firmwarestand gehalten werden und sind damit zukunftssicher. Insgesamt also eine neue Familie von Energiemanagementsystemen, die einen wertvollen Beitrag für einen stabilen Energiehaushalt einer Maschine oder Anlage liefert. Anwender und Maschinenbauer wissen das zu schätzen.

Von Hans Hövelmann

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