Bis 2030 sollen die klimaschädlichen Emissionen deutscher Industrieunternehmen gemäß dem Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung auf 49 % bis 51 % des Wertes von 1990 sinken. Bislang kommt dieser Sektor auf eine Einsparung von 35 %. Damit zeichnet sich eine Lücke ab, die 53 bis 56 Mio. t CO2 im Jahr entspricht und die es konsequent zu schließen gilt. Das BMWI hat deshalb Anfang 2019 das umfangreiche „Investitionsprogramm – Energieeffizienz und Prozesswärme aus erneuerbaren Energien“ gestartet. Das technologieoffene Förderpaket gilt für Unternehmen, unabhängig von ihrer Größe, und bündelt mehrere Förderinstrumente in einem Programm. Sie können von der Nutzung hocheffizienter Standardtechnologien bis hin zu passgenauen Systemlösungen und -optimierungen reichen. Die Höhe der Förderung beträgt 30 %. Kleine und mittlere Unternehmen erhalten zusätzlich einen Bonus in Höhe von 10 % auf die förderfähigen Kosten. Die Förderung ist bei Querschnittstechnologien (beispielsweise Antriebstechnik [Motor, Getriebe, Umrichter], Pumpen, Druckluftanlagen etc.) auf 200 000 Euro pro Vorhaben begrenzt. Das Programm verfolgt das Ziel, in der Wirtschaft Investitionen in Energieeffizienz anzureizen und den Anteil der erneuerbaren Energien zur Bereitstellung von Prozesswärme auszubauen.

Hohes Einsparpotenzial bei der Querschnittstechnologie Antriebstechnik

Der Trend in der Antriebstechnik war in den letzten dreißig Jahren (Industrie 3.0 Ära) geprägt von der Substitution aufwändiger mechanischer Antriebssträngen (wie Königswellen, drehzahlveränderbarer CVT-Getrieben oder manuellen Schaltgetrieben) hin zu elektronischen Bewegungskoordinierungen mit dezentraler Antriebs- und Steuerungstechnik. Mehrere Faktoren waren für diesen Trend ausschlaggebend: Modular aufgebaute Maschinen erlauben größere Flexibilität, kürzere Inbetriebnahmezeiten und sind an die räumlichen Gegebenheiten des Maschinenbetreibers besser anpassbar. Der Verzicht auf eine starre mechanische Kopplung der Maschinenteile bedeutete auch, dass bisherige Zentralantriebe durch Einzelantriebe abgelöst wurden. Die Aufgaben der mechanischen Koordination von Bewegungen wurde durch Antriebe mit einer übergeordneten Steuerung ersetzt.

Wenn eine Anwendung stets/kontinuierlich (kein Teillastbetrieb vorhanden, niedriges Losbrechmoment beim Starten der Anwendung) im optimalen Wirkungsgradbereich des Motors (1,00 ± 0,33 x Nenndrehzahl und 0,80 ± 0,20 x Nennmoment) betrieben werden kann, so ist eine „Ein-Motor-Ein-Getriebestrang-Ein-Umrichter“-Aufbau die optimale Lösung. Gleiches gilt für Anwendungen, wo die Motoren nur gelegentlich/sporadisch mit Varianz zum Einsatz kommen.

Bei „Anwendungen mit einer hohen Varianz“, die stets/kontinuierlich betrieben werden – also eine hohe Betriebsstundenzahl pro Jahr aufweisen – ist das anders. Hier herrscht ein stetes Betreiben der Anwendung im Teillastbereich. Das liegt daran, dass jeder Getriebestrang einer der Anwendung spezifischen Lastmoment-/Drehzahlkennlinie (Konstantleistungskurve, linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie) unter Dauerlastbedingungen (statisch, schwellend, wechselnd) unterliegt und auf maximale Betriebszustände (Fmax, vmax, amax, Tmax, nmax, αmax, mmax, Jmax) ausgelegt werden muss. Zudem müssen Leistungsreserven berücksichtigt werden, um die Lastmaschine und den gesamten Antriebsstrang beim Start zu beschleunigen – insbesondere zum Überwinden des Losbrech-/Anlaufmoments – und in Notsituationen sicher abbremsen zu können.

Basistechnologien Schub/Zug, Fördern, Ziehen, Verlitzen/Verseilen, Extrudieren, Wickeln

Die Hauptantriebe der in Draht- und Kabelwerken eingesetzten Basistechnologien Schub/Zug, Fördern, Ziehen, Verlitzen/Verseilen, Extrudieren und Wickeln sind - nach dem Stand der Technik (Industrie-3.0-Ära) - mit definierten Ausbringungen und Geschwindigkeiten auf maximale Betriebszustände ausgelegt. Die dynamischen Reserven eines Umrichters reichen in den meisten Fällen aus, den Antrieb auch in Notsituationen abzubremsen. Bei sehr hohen Drehmomenten und sehr kurzen Bremszeiten kann es allerdings auch erforderlich sein, dass das Bremsmoment die relevante Größe für die Auslegung wird. Bei Anwendungen mit intermittierenden Betriebsarten bestimmt das dynamische Antriebsdrehmoment die Dimensionierung. Bei winkelsynchron betriebenen Gleichlaufanwendungen ist das Trägheitsmomentverhältnis zu berücksichtigen.

Sogenannte mechanische Continuously Variable Transmissions sind in den letzten 30 Jahren (Industrie-3.0-Ära) aufgrund einer (systemimmanenten) unzureichenden Drehzahlgenauigkeit - und insbesondere des nur im Betrieb möglichen Schaltens - gänzlich aus den Antriebssträngen von Produktionsmaschinen verschwunden. Einzig in der Automobilindustrie ist diese Technik noch häufig vorzufinden, beispielsweise in einem Audi mit Multitronic-System (mechanisches CVT, um das Auto geräusch- und ruckfrei zu beschleunigen). Die in den letzten Jahren neu geschaffenen Möglichkeiten – durch Digitalisierung und energetisches Vernetzen – werden diese Antriebsart aufgrund der hohen Energieeffizienz in den Antriebsstrang von Maschinen zurückbringen.

Intelligente Lösungen, Produkte und Dienstleistungen mit Mehrwert

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