{"id":232,"date":"2017-11-07T15:36:46","date_gmt":"2017-11-07T14:36:46","guid":{"rendered":"https:\/\/linmot.com\/?page_id=232"},"modified":"2024-06-19T15:10:03","modified_gmt":"2024-06-19T13:10:03","slug":"ersatz-von-pneumatik-durch-industrielle-linearmotoren","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/linmot.com\/de\/branchen\/ersatz-von-pneumatik-durch-industrielle-linearmotoren\/","title":{"rendered":"Ersatz von Pneumatik durch Industrielle Linearmotoren"},"content":{"rendered":"

LinMot als Pneumatikersatz: Elektrische Linearantriebe verdr\u00e4ngen konventionelle Pneumatikzylinder aus immer mehr Anwendungsbereichen. Gr\u00fcnde sind der schlechte Wirkungsgrad, die hohen Inbetriebnahme-, Umr\u00fcst-, Service- und Wartungskosten sowie die eingeschr\u00e4nkte Regelbarkeit von pneumatischen Systemen. Ein aktueller Gesamtkostenvergleich belegt, dass sich elektrische Linearantriebe bei den aktuellen Komponenten- und Strompreisen selbst in einfachen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen mit zwei Endpositionen innerhalb weniger Monate amortisieren und dabei helfen, den C02-Fu\u00dfabdruck deutlich zu reduzieren. Zus\u00e4tzlich bieten sie eine h\u00f6here Flexibilit\u00e4t bei der Gestaltung von Produktionsabl\u00e4ufen und Produktions\u00fcberwachungssystemen.<\/strong><\/p>\n

Pneumatik: 2\/3 der Betriebskosten werden f\u00fcr Energie aufgebracht<\/p><\/blockquote>\n

Pneumatische Antriebe zeichnen sich durch niedrige Anschaffungskosten, Robustheit gegen\u00fcber \u00e4u\u00dferen Einfl\u00fcssen (z.B. Temperaturschwankungen und Staub) und hohe \u00dcberlastfestigkeit aus. Au\u00dferdem sind sie einfach zu handhaben und ben\u00f6tigen bei vertikaler Einbaulage keinen Haltestrom. Druckluft wird zudem in vielen Werkstatt- und Industrieumgebungen f\u00fcr Transport- und Reinigungsaufgaben eingesetzt, so dass Kompressoranlagen ohnehin vorgehalten werden m\u00fcssen. Kein Wunder also, dass Pneumatik eine breite Anwendung gefunden hat und in vielen Fabrikhallen anzutreffen ist.<\/p>\n

Druckluft geh\u00f6rt jedoch zu den teuersten Energietr\u00e4gern, weil Kompressoren die eingesetzte Energie nur zu einem geringen Teil in Nutzleistung umwandeln k\u00f6nnen \u2013 der wesentlich gr\u00f6\u00dfere Teil wird als Verlustw\u00e4rme abgegeben. Mit modernster Technik l\u00e4sst sich ein Wirkungsgrad von etwa 30 % erreichen. Eine weitere Steigerung ist wegen der fast erreichten physikalischen Grenzen kaum noch m\u00f6glich. Zu den ohnehin schon hohen Motor-, Kompressor-, Anlauf- und Nachlaufverlusten sowie Verlusten aus der Druckluftaufbereitung kommen in der Praxis dann noch Verluste durch Lecks in den Verteilungsanlagen dazu, so dass in der Realit\u00e4t (ohne Optimierungen) nach weiteren Umwandlungsverlusten im Aktor nur rund 5% der eingesetzten Energie als Nutzleistung zur Verf\u00fcgung steht (Bild, Folie 19). Durch eine optimale Auslegung des Rohrleitungssystems und der Aktoren, das konsequente Aufsp\u00fcren von Leckagen sowie durch eine W\u00e4rmer\u00fcckgewinnung l\u00e4sst sich die Effizienz steigern. Das deutsche Bundesumweltministerium beziffert das Energieeinsparpotential mit 20 bis 40 %, andere Experten rechnen mit einem deutlich h\u00f6heren Sparpotential.<\/p>\n

Selbst wenn aber alle diese Einsparungspotentiale genutzt werden k\u00f6nnen, gehen Druckluftanlagen mit einem erreichbaren Gesamtwirkungsgrad von max. 10 % weiterhin extrem ineffizient mit der eingesetzten Energie um. Dies schl\u00e4gt sich auch in der Gesamtkostenrechnung (TCO, Total Cost of Ownership) eines Kompressors nieder: W\u00e4hrend etwa 10 % der Gesamtkosten f\u00fcr die Anschaffung und nochmals ca. 10 % f\u00fcr die Wartung einer Anlage aufgebracht werden m\u00fcssen, entfallen \u00fcber die Lebensdauer des Kompressors auf die Energiekosten typischerweise 70 bis 80 % der Gesamtkosten!<\/p>\n

Es muss daher nicht verwundern, dass immer mehr Unternehmen in Zeiten steigender Energiepreise und h\u00f6heren Umweltbewusstseins (Stichwort CO2-Emissionen) versuchen, die Druckluftnutzung aus ihren Betrieben zu verbannen bzw. auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.<\/p>\n

F\u00fcr druckluftgetriebene Antriebe stehen heute fast ausnahmslos Alternativen zur Verf\u00fcgung, die ohne Druckluft auskommen<\/p><\/blockquote>\n

F\u00fcr Linearbewegungen bieten sich in vielen Anwendungen die besonders effizienten und universell einsetzbaren elektrischen Linearmotoren in tubularer Bauweise als Ersatz an. Diese werden von LinMot in den unterschiedlichsten Ausf\u00fchrungen und Leistungsklassen angeboten.<\/p>\n

Kostenvergleich Pneumatikzylinder-Linearmotor am konkreten Praxisbeispiel<\/h2>\n

Zwar sind elektrische Antriebe zun\u00e4chst teurer in der Anschaffung als einfache Pneumatikzylinder, eine Analyse der Gesamtkosten \u00fcber einen Lebenszyklus zeigt aber, dass sich vor allem die industrielle Linearmotoren von LinMot selbst in einfachen Punkt-zu-Punkt-Bewegungen mit nur zwei anzufahrenden Positionen innerhalb weniger Monate oder sogar Wochen amortisieren, wie auch folgendes Beispiel einer horizontalen Punkt-zu-Punkt Bewegung mit 400 mm Hub und 15 kg bewegter Masse, die mit 30 Takten pro Minute und 50 % Einschaltdauer (=Zykluszeit von 2.000 ms) ausgef\u00fchrt wird, anschaulich belegt.<\/p>\n\"Pneumatikersatz-Takt-Rechnung\"\n

Energiekosten bei L\u00f6sung mit Linearmotor<\/h2>\n

Die geforderte Positionierzeit von 500 ms f\u00fcr diese Aufgabe wird mit einer Beschleunigung von 10 m\/s\u00b2 und einer Verfahrgeschwindigkeit von 1m\/s erreicht. Die Beschleunigungszeit, w\u00e4hrend der der Linearmotor effektiv Arbeit verrichtet, betr\u00e4gt dann 100 ms. Dies bedeutet, dass die effektive Leistungsaufnahme lediglich w\u00e4hrend einem F\u00fcnftel der Positionierzeit erfolgt. W\u00e4hrend des Stillstands und beim Verfahren mit konstanter Geschwindigkeit nimmt der Motor au\u00dfer f\u00fcr die Kompensation der Reibung keine Leistung auf. Die kinetische Energie, die beim Bremsen anf\u00e4llt, wird im Motor (Generatoreffekt) in elektrische Energie umgewandelt und in den Zwischenkreiskondensatoren des Servo-Controllers gespeichert, wo sie f\u00fcr den n\u00e4chsten Zyklus genutzt werden kann. Realisieren l\u00e4sst sich die Anwendung beispielsweise mit einem LinMot-Linearmotor der Baugr\u00f6\u00dfe P01-48x240F in Kombination mit einem LinMot-Servo-Controller vom Typ E1100-XC\/B1100-XC bei einer Dauerleistungsaufnahme unter 100 W.<\/p>\n

Mit einer angenommenen Jahresbetriebsdauer von 8.000 Stunden (Dreischichtbetrieb) und einem Strompreis von 0,12 EUR\/kWh (Preis f\u00fcr industrielle Gro\u00dfverbraucher inkl. Steuern gem\u00e4\u00df EUROSTAT) summieren sich die j\u00e4hrlichen Energiekosten auf 96 Euro. Eine pneumatische L\u00f6sung kommt dagegen wesentlich teurer.<\/p>\n

Energiekosten bei L\u00f6sung mit Pneumatikzylinder<\/h2>\n

Soll eine Lastmasse von 15 kg mit der (Maximal-) Geschwindigkeit von 1 m\/s wie im Anwendungsbeispiel gefordert pneumatisch verfahren werden, ergibt die Auswertung der entsprechenden Kennlinien zur Auslegung der Pneumatikzylinder eines renommierten Herstellers, dass ein Pneumatikzylinder mit 50 mm Kolbendurchmesser eingesetzt werden muss.<\/p>\n

Im Unterschied zum Linearmotor muss die Energie (Pressluft) w\u00e4hrend der ganzen Bewegung zugef\u00fchrt werden<\/p><\/blockquote>\n

Zudem wird die kinetische Energie beim Bremsen von D\u00e4mpfern absorbiert und kann nicht f\u00fcr die n\u00e4chste Bewegung zwischengespeichert werden. Der gew\u00e4hlte Zylinder verbraucht nach Datenblatt bei einem Doppelhub pro Millimeter Verfahrstrecke 0,02529 dm\u00b3 Luft mit 6 Bar. Bei einem Hub von 400 mm ergibt sich pro Zyklus ein Verbrauch von 10,37 dm\u00b3. Bei 30 Takten pro Minute ben\u00f6tigt der Pneumatikzylinder im Dauerbetrieb (8\u2018000h\/Jahr) damit in Summe 150.000 Nm\u00b3 Pressluft pro Jahr. Unter Ber\u00fccksichtigung der Druck-, Reduzier- und Leckageverluste in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 25 % muss der Kompressor insgesamt etwa 190.000 Nm\u00b3 Luft komprimieren und ins Rohrnetz einspeisen. Ein normaler Kompressor (750 kW Motorleistung, 7\u2018500 Nm\u00b3\/h Luftleistung) kann einschlie\u00dflich der Verluste durch Anlauf und Nachlauf sowie Druckluftaufbereitung (zusammen ca. 25 %) mit 0,130 kWh elektrischer Energie 1 Nm\u00b3 Luft auf 6 Bar verdichten. Die Energiekosten summieren sich so pro Jahr auf rund 3.000.- Euro (0,12 Euro\/kWh*0,130kWh\/m\u00b3*190.000 m\u00b3) und damit auf das mehr als 30-fache des elektrischen Pendants. Bei h\u00f6herer Taktzahl w\u00fcrde sich das Verh\u00e4ltnis sogar noch weiter zu Ungunsten des Pneumatikzylinders verschieben.<\/p>\n

Vollkostenrechnung<\/h2>\n

Zu den reinen Energiekosten sind in einer Vollkostenrechnung die Investitions- und Wartungskosten hinzuzurechnen. Untersuchungen haben gezeigt, dass sie zusammen ca. 20 % der Gesamtbetriebskosten ausmachen. Im hier untersuchten Beispiel m\u00fcssen folglich pro Jahr daf\u00fcr rund 750 Euro aufgebracht werden, so dass sich die Gesamtbetriebskosten auf 3.750 aufsummieren. Hersteller von Pneumatikl\u00f6sungen beziffern die Vollkosten (nach Energieeffizienzma\u00dfnahmen!) mit 0,025 Euro pro Norm-Kubikmeter Druckluft. Dies ergibt f\u00fcr unser Beispiel j\u00e4hrliche Gesamtbetriebskosten von 3.750.- Euro f\u00fcr die von einem Zylinder ben\u00f6tigte Druckluftmenge von 150.000 Nm\u00b3 und untermauert das obenstehende Rechenbeispiel.<\/p>\n\"\"\n

Ein Linearantrieb kostet demgegen\u00fcber inklusive aller f\u00fcr den Betrieb notweniger Komponenten (Kabel, Umrichter etc.) zwar mehr als ein Pneumatikantrieb (inkl. Ventile, Schl\u00e4uche, etc.).<\/p>\n

Doch durch die wesentlich geringeren Energiekosten amortisiert sich der elektrische Antrieb in weniger als einem halben Jahr, danach kommt es zu sp\u00fcrbaren Entlastungen!<\/p><\/blockquote>\n

So \u00fcbersteigen die Energiekosten in unserem Beispiel die Investitionskosten f\u00fcr den Pneumatikzylinder bereits nach drei Wochen.<\/p>\n

Werden Investitions- und Energiekosten im Anwendungsbeispiel analysiert, ergeben sich beim Einsatz eines industriellen Linearmotors bereits nach 12 bzw. 24 Monaten Einsparungen von 2.300.- EUR bzw. 5.900.- EUR<\/strong> gegen\u00fcber dem Einsatz eines Pneumatikzylinders.<\/p>\n

Dies zeigt, dass Luft zwar kostenlos ist, Druckluft aber ganz sicher nicht!<\/p><\/blockquote>\n

Aufgrund steigender Strompreise lagen die j\u00e4hrlichen Betriebskosten pro Flasche in diesem Anwendungsbeispiel im Jahr 2010 bei 3’840 EUR<\/strong> (@12 EUR\/kWh), haben sich aber bis zum Jahr 2022 auf 7’400 EUR<\/strong> (@0,26 EUR\/kWh) fast verdoppelt.<\/p>\n\"\"\n

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CO2-Ausstoss<\/h2>\n

Der CO2-Aussto\u00df l\u00e4sst sich durch den Wechsel zu einem elektrischen Linearantrieb drastisch reduzieren. Die 24.000 kWh, die der Pneumatikzylinder in der Beispielrechnung zus\u00e4tzlich ben\u00f6tigt, entsprechen beim deutschen Energiemix von 500g CO2\/kWh einem j\u00e4hrlichen Ausstoss von 12\u2018000 kg CO2.<\/p>\n

Auch die C02 Bilanz spricht also deutlich f\u00fcr einen Wechsel zu elektrischen Direktantrieben.<\/p>\n\"\"\n

Ein 3 kg schwerer Pneumatikzylinder erzeugt 12’000 kg CO2!<\/p><\/blockquote>\n

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Mehr Zukunftssicherheit durch Innovation und Flexibilit\u00e4t<\/h2>\n

F\u00fcr die elektrische Variante sprechen neben den niedrigeren Energiebedarf auch die von ihr gebotene gr\u00f6\u00dfere Flexibilit\u00e4t bei der Gestaltung von Produktionsabl\u00e4ufen und Produktions\u00fcberwachungssystemen. So k\u00f6nnen elektrische Linearantriebe Bewegungsabl\u00e4ufe geregelt, wesentlich dynamischer und mit h\u00f6herer Wiederholgenauigkeit ausf\u00fchren. Da das Bewegungsprofil (frei) programmiert werden kann, lassen sich selbst komplexe Bewegungsabl\u00e4ufe schnell und problemlos implementieren und bei Bedarf an neue Anforderungen anpassen \u2013 sogar w\u00e4hrend des Betriebs. Linearantriebe sind wesentlich leiser und langlebiger. Sie sind unempfindlich gegen\u00fcber Lastschwankungen und k\u00f6nnen ruckfrei anfahren und anhalten. Die Auswertung der im Umrichter anfallenden Daten erlaubt zudem die \u00dcberwachung diverser Prozessgr\u00f6\u00dfen ohne zus\u00e4tzliche Sensorik, die ggf. auch f\u00fcr eine Ferndiagnose der Anlage genutzt werden k\u00f6nnen. Nicht zuletzt werden weniger Einzelkomponenten ben\u00f6tigt, die sich im Vergleich zur Pneumatik auch wesentlich leichter warten und auswechseln lassen, was sich wiederum in niedrigeren Installations-, Wartungs- und Logistikkosten niederschl\u00e4gt.<\/p>\n

Fazit<\/h2>\n

Wenn mehr als zwei Positionen ben\u00f6tigt werden, synchron zu einer K\u00f6nigswelle zu fahren ist oder die Dynamik bzw. die Lebensdauer eines Pneumatikzylinders nicht mehr ausreicht, greift der Konstrukteur seit Jahren gerne zu den linearen Direktantrieben von LinMot. Aufgrund der hohen Betriebskosten der Pneumatik zahlt sich der Einsatz von industriellen Linearmotoren<\/a> in zunehmendem Ma\u00dfe aber auch bei einfachen Punkt-zu-Punkt Bewegungen mit lediglich zwei Endpositionen aus. Dies vor allem dann, wenn die Bewegungen im zyklischen Betrieb regelm\u00e4\u00dfig ausgef\u00fchrt werden und Pneumatikzylinder aufgrund der Geschwindigkeits- und Lastverh\u00e4ltnisse gro\u00dfz\u00fcgig dimensioniert werden m\u00fcssen. In diesem Fall amortisiert sich der elektrische Linearantrieb innerhalb weniger Wochen.<\/p>\n

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Anwendungsberichte<\/h3>\n
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Die Zukunft der Versandverpackungen<\/h4>\n

Der Onlinehandel w\u00e4chst und w\u00e4chst. Mit jeder abgeschlossenen Bestellung wird dabei zeitgleich ein Versandauftrag ausgel\u00f6st. Um eine optimale L\u00f6sung bez\u00fcglich Nachhaltigkeit und Kartonagenverbrauch zu bieten, hat das Maschinenbauunternehmen KRAFT die \u201eKraft VPS100\u201c entwickelt. Mit dabei: Linearmotoren von LinMot.<\/p>\n

Zum Artikel<\/a>
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