Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Energieeffizienz – Herausforderung des 21. Jahrhunderts

1.2 Grecon Dimter Holzoptimierung Nord GmbH & Co. KG

2 Vorgehensweise

3 Grundlagen

3.1 Energieanwendungen

3.2 Energieformen

3.3 Effizienz und Effektivität

3.4 Energieeffizienz

3.5 Energiesparen

3.6 Energieverbrauch in der deutschen Volkswirtschaft

3.6.1 Energieverbrauch in Deutschland

3.6.2 Energiesparpotenzial in Deutschland

3.7 Energieverbrauch im deutschen Maschinen- und Anlagenbau

3.7.1 Status quo

3.7.2 Energiesparpotenziale

3.7.3 Handlungsfelder und Forschungsbedarfe

3.8 Handlungsansätze zur Energieeffizienzsteigerung von Produktionsmaschinen

3.9 Projekte aus der industriellen Praxis

3.10 Dynamische Amortisationsrechnung

3.11 Ausgewählte Einzelmaßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz

3.11.1 Blindstromkompensation

3.11.2 Energieeffiziente Motoren

3.11.3 Druckluftanwendungen

3.11.4 Bedarfsgerechte Leistungsanpassung von Ventilatoren

3.12 Hochgeschwindigkeitszerspanung

3.12.1 Definition

3.12.2 Spanungsgrößen

3.12.3 Energieeinsatz

3.12.4 Wärmeabfuhr

4 Aufnahme des bestehenden Anlagenzustands

4.1 Auswahl der Anlagenkonfiguration

4.2 Kurzbeschreibung der Keilzinkenanlage

4.3 Systemanalyse

4.3.1 Systemabgrenzung

4.3.2 Qualitative Analyse der Energieanwendungen

4.3.3 Quantitative Analyse der Energieanwendungen

4.3.3.1 Elektrische Energie

4.3.3.2 Druckluftenergie

4.3.3.3 Absaugung

4.3.3.4 Beleuchtung, Informations-, Kommunikations- und Steuerungstechnik

5 Energetische Einzelmaßnahmen für elektrische Antriebe

5.1 Blindleistungskompensation

5.2 Einsatz energieeffizienter Antriebe

5.3 Einsatz von Antrieben am Umrichter

5.4 Sternschaltung der Werkzeugantriebe im Leerlauf

5.5 Umrichterbetrieb der Werkzeugantriebe

5.5.1 Drehzahlreduzierung zwischen Bearbeitungsvorgängen

5.5.2 Drehzahlreduzierung während Wartezeiten

5.5.3 Umrichterbedingte Blindleistungskompensation

6 Energetische Einzelmaßnahmen für pneumatische Anwendungen

6.1 Korrekte Anforderungen an Druckluftanlage

6.1.1 Volumenstrom

6.1.2 Relativdruck

6.2 Integrierte Leckageerkennung

6.3 Trennung vom Druckluftnetz bei Nichtbetrieb

6.4 Senkung der Druckverluste

6.4.1 Ausreichende Dimensionierung des Leitungsnetzes

6.4.2 Anforderungsgerechte Konfiguration der Wartungseinheit

6.5 Verringerung vom Arbeitsdruck des nichtproduktiven Hubs

7 Energetische Einzelmaßnahmen für hydraulische Anwendungen

7.1 Einordnung des bestehenden Hydrauliksystems

7.2 Einsatz energieeffizienter Pumpe

7.3 Konstantpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb

8 Energetische Einzelmaßnahmen für Absaugungsanlagen

8.1 Senkung der Druckverluste im Leitungssystem

8.1.1 Absaugkasten

8.1.2 Leitungsnetz

8.2 Bedarfsgerechte Leistungsanpassung

9 Technologieübergreifende Maßnahmen

9.1 Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung

9.2 Substitution des Energieträgers Druckluft

10 Handlungsempfehlungen

10.1 Blindleistungskompensation

10.2 Einsatz energieeffizienter Antriebe

10.3 Sternschaltung der Werkzeugantriebe im Leerlauf

10.4 Umrichterbetrieb der Werkzeugantriebe

10.4.1 Drehzahlreduzierung zwischen Bearbeitungsvorgängen

10.4.2 Drehzahlreduzierung während Wartezeiten

10.5 Kompensation der Blindleistung

10.6 Senkung der Druckverluste

10.6.1 Ausreichende Dimensionierung des Leitungsnetzes

10.6.2 Anforderungsgerechte Konfiguration der Wartungseinheit

10.7 Verringerung vom Arbeitsdruck des nichtproduktiven Hubs

10.8 Konstantpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb

10.9 Senkung der Druckverluste im Leitungssystem und Bedarfsgerechte Leistungsanpassung

10.10 Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung

10.11 Substitution des Energieträgers Druckluft

11 Zusammenfassung

12 Anhang

Zielsetzung & Themen

Ziel der Masterarbeit ist die Entwicklung eines Maßnahmenkatalogs zur Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen. Auf Basis einer energetischen Systemanalyse einer repräsentativen Anlage werden systematisch Einsparpotenziale identifiziert, ökonomisch bewertet und konkrete Handlungsempfehlungen für die industrielle Praxis abgeleitet, ohne dabei die Produktionsleistung der Anlage zu beeinträchtigen.

• Systematische Erfassung und Analyse der Energieverbräuche (elektrisch, pneumatisch, Absaugung)
• Identifikation und Bewertung energetischer Optimierungsmaßnahmen
• Wirtschaftlichkeitsanalyse mittels dynamischer Amortisationsrechnung
• Substitution energieintensiver Technologien durch effiziente Alternativen
• Entwicklung technischer und organisatorischer Handlungsempfehlungen für den Anlagenbau

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung der Energieeffizienz als politische und wirtschaftliche Herausforderung und führt in das Unternehmen Grecon ein.

2 Vorgehensweise: Erläutert die methodische Herangehensweise der Arbeit von der Ist-Zustandsanalyse bis zur Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen.

3 Grundlagen: Vermittelt theoretische Kenntnisse zu Energieanwendungen, Energieeffizienz, Amortisationsrechnung und technologischen Ansätzen wie der Hochgeschwindigkeitszerspanung.

4 Aufnahme des bestehenden Anlagenzustands: Analysiert die ausgewählte Keilzinkenanlage des Typs Combipact hinsichtlich ihrer spezifischen Energieverbräuche und Subsysteme.

5 Energetische Einzelmaßnahmen für elektrische Antriebe: Untersucht technische Optimierungen wie Blindleistungskompensation, Motoreneffizienz und Frequenzumrichterbetrieb für die elektrischen Komponenten.

6 Energetische Einzelmaßnahmen für pneumatische Anwendungen: Behandelt Maßnahmen zur Reduzierung von Druckluftverlusten, Leckageerkennung und Effizienzsteigerung bei pneumatischen Antrieben.

7 Energetische Einzelmaßnahmen für hydraulische Anwendungen: Analysiert das bestehende Hydrauliksystem und bewertet den Einsatz drehzahlvariabler Antriebe zur Verlustminderung.

8 Energetische Einzelmaßnahmen für Absaugungsanlagen: Untersucht die Optimierung des Strömungsverhaltens in Absaugkästen und Leitungsnetzen zur effizienteren Späne- und Werkstückhandhabung.

9 Technologieübergreifende Maßnahmen: Diskutiert Ansätze wie Hochgeschwindigkeitszerspanung und die Substitution von Druckluft durch elektrische Antriebe.

10 Handlungsempfehlungen: Fasst alle untersuchten Maßnahmen zusammen und gibt fundierte Empfehlungen für die industrielle Anwendung basierend auf den erzielten Untersuchungsergebnissen.

11 Zusammenfassung: Resümiert die Arbeit und betont die Notwendigkeit, Energieeffizienz ganzheitlich und unter Berücksichtigung von Lebenslaufkosten zu betrachten.

Schlüsselwörter

Energieeffizienz, Keilzinkenanlage, industrielle Produktion, elektrische Antriebe, Druckluft, Absaugung, Hochgeschwindigkeitszerspanung, Amortisationsrechnung, Kapitalwertmethode, Energieverbrauch, Wirkungsgrad, Energieeinsparung, Maschinenbau.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Masterarbeit grundlegend?

Die Arbeit erstellt einen Maßnahmenkatalog, um die Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen, die typischerweise in der Massivholzverarbeitung eingesetzt werden, systematisch zu steigern.

Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?

Die Schwerpunkte liegen auf der Analyse und Optimierung elektrischer Antriebe, pneumatischer Systeme, hydraulischer Komponenten sowie der Absaugungstechnik in Holzbearbeitungsmaschinen.

Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?

Ziel ist es, den Energieverbrauch einer repräsentativen Keilzinkenanlage systematisch zu erfassen, Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz aufzudecken und daraus wirtschaftlich fundierte Handlungsempfehlungen abzuleiten, ohne die Produktionsleistung zu verringern.

Welche wissenschaftliche Methode wird in der Arbeit verwendet?

Der Autor nutzt eine "Top-Down"-Systemanalyse, die durch Leistungsmessungen an der Anlage und eine anschließende dynamische Investitionsrechnung nach der Kapitalwertmethode zur wirtschaftlichen Bewertung ergänzt wird.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die Bestandsaufnahme des Anlagenzustands, die detaillierte energetische Analyse der Teilfunktionen sowie die Untersuchung und ökonomische Bewertung spezifischer Optimierungsmaßnahmen für die verschiedenen Energiesysteme.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?

Die Arbeit zeichnet sich durch Begriffe wie Energieeffizienz, Keilzinkenanlage, industrielle Produktion, Amortisationsrechnung, Frequenzumrichter und Hochgeschwindigkeitszerspanung aus.

Warum ist die Wahl des Typs "Combipact" für die Untersuchung repräsentativ?

Dieser Anlagentyp bildet die gesamte Prozesskette ab, nutzt viele Standardmodule und ist stark nachgefragt, wodurch die Untersuchungsergebnisse auf einen Großteil der Produktpalette übertragbar sind.

Warum ist der Einsatz von Frequenzumrichtern an der Keilzinkenfräse wirtschaftlich kritisch zu betrachten?

Die Arbeit zeigt, dass sich die Investitionskosten durch Energieeinsparungen bei hohen Produktionsleistungen oder bei sehr langen Nutzungsdauern erst nach mehreren Jahren amortisieren, was bei den gegebenen Randbedingungen oft keine schnelle Rentabilität bietet.

Wie lässt sich die Energieeffizienz bei pneumatischen Antrieben laut der Untersuchung verbessern?

Durch die Minimierung von Leckagen, die korrekte Dimensionierung der Leitungsnetze und die gezielte Reduzierung des Arbeitsdrucks in nicht-produktiven Hüben, wobei Letzteres oft mit geringem Aufwand hohe Einsparungen ermöglicht.

Welches Fazit zieht der Autor zur Substitution von Druckluft?

Druckluft ist aufgrund des geringen Wirkungsgrades ein kostenintensiver Energieträger. Der Ersatz durch elektromotorische Antriebe, beispielsweise bei Querschublinealen, bietet ein hohes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz, muss aber im Einzelfall hinsichtlich der Investitionskosten geprüft werden.