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Effizienz durch Energieregeneration

Effizienz durch Energieregeneration

Für den sparsamen Umgang mit Energie müssen Industrieunternehmen vielfach Technologien anpassen. Der amerikanische Motorenhersteller Briggs & Stratton wandelt dazu die bei Langzeit-Tests entstehende Motorenabwärme in Strom um, welcher der Produktion zugeführt wird. Außerdem setzt der Betrieb ein Leitsystem ein, um kritische Echtzeitinformationen etwa zu Maschinenauslastung, Geschwindigkeit, Temperatur, Testzeitraum, Ölverbrauch über Industrierechner zu erfassen und zu visualisieren.

Bild: Briggs & Stratton

Das Unternehmen Briggs & Stratton gehört zu den größten Herstellern von Rasenmähern, Schneefräsen und motorbetriebenen Arbeitsgeräten in den USA. Am Hauptsitz in Milwaukee im Bundesstaat Wisconsin werden Prototypen und modifizierte Versionen von Verbrennungsmotoren einer genauen und langwierigen Qualitätsprüfung unterzogen: „Unsere Aufgabe ist es, Fehler im Labor auszumerzen sowie die Lebensdauer und Sicherheit der Konstruktion nachzuweisen, bevor sie an den Kunden verkauft wird“, erläutert Ray Matuszak, Leiter des Bereichs Prüftechnik bei Briggs & Stratton. „Um Aussagen über die Langzeit-Zuverlässigkeit eines Motors zu erhalten, kommt es auf die fortlaufende, einheitliche und präzise Messung der Prüfzeit und der Betriebsparameter an.“ Seit Februar 2011 erhalten Matuszak und sein Team diese kritischen Informationen aus voll automatisierten Testständen, die darüber hinaus einen weiteren Vorteil bieten: Energie für das Werk zurückzugewinnen. Das fortschrittliche Qualitätszentrum brachte dem Unternehmen schnell Auszeichnungen für ökologische Nachhaltigkeit ein. Dem gingen jedoch vier anstrengende Jahre für Briggs & Stratton voraus.

Auf dem Weg zu höherer Prozessautomatisierung

Die Kosten für die endlosen Dauerbelastungstests des Qualitätszentrums beim Kleinmotor-Hersteller schlugen jährlich mit fast einer Million US-Dollar zu Buche. Die Ingenieure von Briggs & Stratton hielten eine Senkung der Betriebskosten für möglich, wenn sie die in Form von Wärme an den Prüfständen anfallende Energie zurückgewinnen könnten. Aus dieser Energie sollte nach Möglichkeit Strom für den Betrieb der Fabrik erzeugt werden. Bis dato gab es diese spezielle Art von Rückgewinnungssystem nicht, weshalb die Ingenieure schnell ansteigende Kosten fürchteten. Daneben benötigte das Unternehmen ein automatisiertes Überwachungs- und Datenerfassungssystem mit maßgefertigten Funktionen zur Visualisierung und Nachverfolgung historischer Daten. Bisher wurden die Motoren auf den Prüfständen über den gesamten Prüfzeitraum hinweg stets von Technikern überwacht. Neben der Belastung trug das Personal verschiedene Betriebsparameter und weitere wichtige Kenndaten manuell in entsprechende Formulare ein. Die Daten auf diese Weise zu erfassen, war nicht nur arbeitsaufwändig, sondern auch anfällig für Unstimmigkeiten und menschliche Fehler.

Doppellösung für Regeneration und Netzbetrieb

Die Techniker des Unternehmens entwickelten daher in enger Zusammenarbeit mit dem Automatisierungsanbieter Rockwell Automation eine Doppellösung: Die gewonnene Elektrizität in der Fabrik sollte nutzbar gemacht und gleichzeitig eine reibungslose und sichere Anbindung an das öffentliche Stromnetz hergestellt werden. Die Ingenieure des Automatisierers arbeiteten hierzu mit dem örtlichen Energieversorger ‚We Energies‘ zusammen, um Anpassungen auszuarbeiten, die für einen sicheren Energiefluss in beiden Richtungen notwendig waren. Bei der Datenerfassung lag die Schwierigkeit in der genauen Festlegung, welche Informationen das Automatisierungssystem einholen sollte und welche Steuerungs- und Schutzfunktionen in das System einzubeziehen wären. Hinzu kamen Diskussionen über Steuerungsdetails sowie die Art und Weise, wie die Betriebsparameter der Motoren auf den Industriecomputern im Labor angezeigt werden sollten. „Da jeder, der von der Umstellung betroffen war, an der Planung mitwirken konnte, bekamen wir genau das, was wir wollten. Nicht zuletzt sorgte die Einbeziehung unserer Mitarbeiter in den Designprozess dafür, dass sich die spätere Umstellung im Labor reibungsloser gestaltete“, erklärt Richard Feustel, Corporate Energy Services Manager bei Briggs & Stratton.

Sechs Schaltschränke dienen der Steuerung der Antriebe bei der Einrichtung. Die Daten, mit denen der Zustand der Prüflinge überwacht wird und mögliche Störungen diagnostiziert werden, werden über die Software Factorytalk auf Industrie-PC im Labor visualisiert. Bild: Briggs & Stratton

Pilotprojekt auf zwölf Prüfständen

Im Februar 2011 ging das Pilotprogramm mit zwölf Prüfständen, die für unterschiedliche Motortypen und Grenzlasten ausgelegt waren, in Betrieb. Jeder Prüfstand ist mit einem Wechselstrommotor und einem Frequenzumrichter des Typs Allen-Bradley Powerflex 700 ausgestattet. Die Antriebe laufen zunächst mit einer vorgegebenen Drehzahl, um den Verbrennungsmotor zu starten. Hat der Benzinmotor Drehzahl aufgenommen, belasten der Elektromotor und der Antrieb ihn mit einem definierten Drehmoment, das sich nach der Nennleistung des Prüflings richtet. Alternativ kann das System von den Bedienern vorgegebene, komplexe Betriebszyklen mit wechselnden Belastungen und Drehzahlen durchfahren. Das Energie-Rückgewinnungssystem erzeugt Elektrizität aus der von den Verbrennungsmotoren abgegebenen Leistung.

Die Elektromotoren und Antriebe der zwölf Prüfstände speisen ihre Energie dabei in einen gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis ein, aus dem wiederum eine netzsynchrone Wechselspannung zur Einspeisung in das werksinterne Netz generiert wird. Die Daten, mit denen der Zustand der Prüflinge überwacht wird und mögliche Störungen diagnostiziert werden, etwa Testdauer, verschiedene Temperaturwerte, Generatorspannung sowie Motordrehzahl und -drehmoment, werden per Ethernet an das programmierbare Automatisierungssystem des Typs Allen-Bradley Controllogix übertragen. Mithilfe der Factorytalk View Software haben Mitarbeiter die Möglichkeit, Echtzeit-Informationen etwa über Belastung, Drehzahl und Temperatur des Prüflings, Testdauer oder Ölverbrauch auf Industrie-PCs im Labor zu visualisieren. Die Factorytalk Historian Software erfasst dazu Echtzeitdaten, die dann beispielsweise über Microsoft Excel aufbereitet werden können.

Trendanalysen liefern Informationen für weitere Optimierungen. Der Kleinmotor-Hersteller investierte außerdem in die RS Energymetrix Software des Systemanbieters. Die webbasierte Applikation dient der Aufzeichnung und Analyse von Energieverbrauchsdaten. Das Energiemanagement-Team von Briggs & Stratton verwendet die Software zum Einholen von Informationen über den Elektrizitäts-, Gas und Dampfverbrauch an mehreren Stellen des Firmengeländes. Die zuständigen Energie-Manager können so Energieverbrauchs-Trends in Berichten dokumentieren, die dann an die Abteilungen des Werks weitergeleitet werden. Dadurch können wichtige Energieverbrauchs-Aspekte identifiziert werden. „Die Investitionen in die RS Energymetrix Software erwiesen sich als absolut sinnvoll, um unseren Energieverbrauch zu erfassen und unsere Einsparungen zu verfolgen“, erklärt Feustel.

Rekuperation von jährlich 556.000 Kilowattstunden

Wie geplant erzeugt das Qualitätszentrum von Briggs & Stratton Elektrizität im Umfang von jährlich 556.000 Kilowattstunden, womit 48 Haushalte versorgt werden können. Die gewonnene Elektrizität wird in das interne Netz des Werks eingespeist, woraus sich das Unternehmen eine jährliche Kostenersparnis von 50.000 US-Dollar erhofft. Die allein durch die zwölf Teststände erzeugte Energie reduziert den Treibhausgasausstoß um 442 Tonnen jährlich. Das Qualitätszentrum des Unternehmens wurde infolge des Projekts branchenweit für seine Nachhaltigkeit ausgezeichnet. So erhielt das Unternehmen unter anderem den Environmental Innovation Award des Verbandes Wisconsin Manufacturers and Commerce sowie einen finanziellen Zuschuss durch das Förderungsprogramm ‚Focus on Energy Programms‘ des Staates Wisconsin. Matuszak misst dabei auch den Datenerfassungs- und Steuerungsfunktionen hohe Bedeutung bei.

„Die Amortisation durch die Energie-Rückgewinnung war für das Projekt entscheidend, aber auch die automatisierten Datenerfassungs- und Steuerungsfunktionen bieten wichtige Vorteile. Durch die verbesserte Prüfgenauigkeit konnten wir die Datenerfassung gegenüber den traditionellen Methoden rationalisieren. Wir erkennen jetzt sofort, wenn ein Motor nicht korrekt arbeitet oder ein Test falsch konfiguriert wurde. Produktivität und Effizienz profitieren ebenfalls von dem neuen System, da sich die Techniker vermehrt anderen Aufgaben widmen können.“ Briggs & Stratton weitet die Nutzung der Software weiter aus: Das Unternehmen installierte im Werk Milwaukee ein Dutzend Power-Monitor-Einheiten, die ihre Daten an das Energiemanagement-System übergeben. Schon bald sollen fünf Monitor-Einheiten im Werk Murray, Kentucky, folgen.

Später sollen die zehn weiteren Fertigungsstätten auf der ganzen Welt entsprechend ausgerüstet werden. „Mit dem webbasierten System können wir unseren Energieverbrauch und unsere Ausgaben im gesamten Unternehmen verfolgen“, schildert Feustel. „Die Erweiterung dieses globalen Dashboards von Rockwell Automation ist denkbar unkompliziert und macht es uns einfacher, unsere Nachhaltigkeit weiter zu steigern.“