Weg zur energieautarken Fabrik

Jörg Paetzold (Bild links) will die Bremsenergie der Haupt- und Nebenantriebe einer Werkzeugmaschine direkt für neue Beschleunigungsvorgänge nutzen Bild : Autor Professor Reimund Neugebauer verfolgt mit dem Forschungsprojekt EniProd die Vision einer energieautarken Fabrik

Das Kaltwalzen von Laufverzahnungen für Pkw-Getriebe soll mindestens 15 % Energieeinsparung gegenüber einer spanenden Fertigung bringen Bilder Fraunhofer IWU

Werkzeugmaschinen nutzen nur einen kleinen Teil der eingesetzten Energie für die direkte Materialbearbeitung. In den Nebenprozessen lässt sich daher ein großes Energiespar-Potenzial erschließen. Chemnitzer Wissenschaftler verfolgen dabei ein neuartiges Kreislauf-Konzept.

Normalerweise werden in einem 3-Achs-Vertikal-Bearbeitungszentrum, wie es in der Versuchshalle des Instituts für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) steht, Gehäuse für Getriebe und Pumpen gefräst und gebohrt. Doch die Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz interessiert etwas anderes noch mehr.

Die Forscher haben der Werkzeugmaschine eine Glaswand eingebaut, um tiefe Einblicke in ihr Innenleben nehmen zu können. Um sie herum ist Messtechnik aufgebaut, die den Energieverbrauch der Maschine und ihrer einzelnen Komponenten möglichst genau in jeder Betriebsphase erkunden soll. Auf Personalcomputern arbeiten die Wissenschaftler mit spezieller Software an Methoden, die den Stromverbrauch für einzelne Bearbeitungsschritte und das Gesamtsystem senken.

Als eine dieser Methoden nennt Jörg Paetzold, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWP, die Rückspeisung von Bremsenergie, die beim Abbremsen der Haupt- und Nebenantriebe gewonnen und vom Mess-System erfasst wird. „Die gemessenen Anteile rückführbarer Energie lagen bei 30 bis 44 Prozent für die Vorschubantriebe und bei maximal 62 Prozent für die Motorspindel" , berichtete er kürzlich auf dem 1. Internationalen Kolloquium des Spitzentechnologie-Clusters EniProd in Chemnitz.

Bei den derzeit verfügbaren Werkzeugmaschinen wird diese Elektroenergie üblicherweise ins Stromnetz zurückgespeist. Paetzold und seine Kollegen halten es allerdings für effektiver, den Strom aus der Bremse gleich an der Maschine in Kondensatoren zwischen zu speichern und für den nächsten Beschleunigungsvorgang zu nutzen. Mit genauen Aussagen zum Energiespar-Potenzial des untersuchten Bearbeitungszentrums hält sich Paetzold zwar zurück, nennt aber eine Faustformel. „Es wird allgemein angenommen, dass 30 Prozent des Energieverbrauchs einer Werkzeugmaschine eingespart werden können."

Stephen T. Newman von der britischen University of Bath ist da sogar noch optimistischer. Er hat berechnet, wie viel Energie eine Werkzeugmaschine tatsächlich für die direkte Bearbeitung des Materials nutzt. Sein Ergebnis: Es sind nur 15 bis 25 Prozent der Energiemenge, die eine Maschine insgesamt für ihren Betrieb braucht. Den ganzen großen Rest konsumieren andere Maschinenteile wie Steuerung, Pumpen und Lüfter. Das liegt auch daran, dass die Maschine oft weiterläuft, wenn kein Material bearbeitet wird. „ Die Lücke zwischen dem Energieverbrauch der Werkzeugmaschine und der tatsächlich benötigten Energie für die Materialbearbeitung ist das gesamte Energiespar-Potenzial im CNC-Metallbearbeitungsprozess", sagte Newman. Um dieses Potenzial zu erschließen, hält er es für nötig, die heutigen CNC-Maschinen und ihre Steuerungen neu zu entwerfen. Außerdem sollte Energie als ein Kriterium in die Prozessplanung eingeführt werden. „Wir sind noch sehr früh im Paradigmen-Zyklus der Energieeffizienz", meinte der britische Wissenschaftler.

Analysen des Darmstädter Forschers Eberhard Abele haben gezeigt, dass die Energiekosten bei Werkzeugmaschinen bereits ähnlich hoch sind wie die Werkzeugkosten. Abele erinnerte daran, dass die Branche in den vergangenen 20 Jahren einen hohen Aufwand betrieben habe, um die Werkzeugkosten zu senken. „Daran sieht man, dass die Thematik der Energiekosten-Reduzierung bei weitem noch nicht ausgereizt ist." Er wies auch darauf hin, dass die Branche es derzeit noch in der Hand hat, die Regeln für Energieeffizienz selbst zu bestimmen. Ende 2011 entscheide sich, ob sie künftig durch eine Selbstverpflichtung des europäischen Werkzeugmaschinen-Verbandes Cecimo oder durch Vorgaben der Europäischen Union geregelt werde.

Die TU Chemnitz und das benachbarte Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gehen in ihrem gemeinsamen, bis 2015 laufenden Forschungsprojekt EniProd schon weit über die Energiespar-Potenziale einzelner Werkzeugmaschinen hinaus. Sie verfolgen hier die Vision einer energieautarken Fabrik mit einer nahezu emissionsfreien Produktion. Angesichts knapper werdender Rohstoff-Ressourcen, tendenziell weiter steigender Energiepreise und gesetzlich festgelegter Emissionsgrenzen plädierte EniProd-Sprecher Reimund Neugebauer für einen Paradigmenwechsel: „An die Stelle von maximalem Gewinn aus minimalem Kapital muss maximaler Gewinn aus minimalen Ressourcen treten." Der Geschäftserfolg von Unternehmen werde künftig auch davon abhängen, mit wie wenig Ressourceneinsatz sie ihre Produkte herstellen könnten, sagte Neugebauer.

Von der Nullfehler-Produktion, die er für nötig hält, ist die deutsche Industrie allerdings noch weit entfernt: So liege die Ausschussquote im Automobilbau aufgrund unvollkommener Prozesse bei 12 %. Auch den Materialeinsatz hält Neugebauer für unnötig hoch: „Wir müssen nicht durch Masse, sondern durch Klasse die gewünschten Bauteil-Eigenschaften erreichen." Ähnlich denken auch Industriemanager, die 2008 in einer Fraunhofer-Studie nach Möglichkeiten der Energieeinsparung befragt wurden. Danach könnte die deutsche Industrie innerhalb von fünf Jahren bis zu 30 % der eingesetzten Energie sparen, wenn sie die verfügbaren Effizienztechnologien konsequent anwenden würde. Die deutsche Industrie setzt jährlich insgesamt 5640 Petajoule Energie ein. Das sind 40 % des nationalen Primärenergie-Verbrauchs.

Mit EniProd wollen die Chemnitzer Wissenschaftler zeigen, wie das Einsparpotenzial in einer energieautarken Fabrik erschlossen werden kann. Hier sollen alle eingesetzten Fertigungsverfahren und -prozesse auf den besten verfügbaren Wirkungsgrad optimiert werden. Eines dieser Verfahren, an denen das IWU selbst forscht, ist das Kaltwalzen von Laufverzahnungen für Pkw-Getriebe. Hier rechnet das Institut mit Energieeinsparungen von mindestens 15 % gegenüber einer spanenden Fertigung. Noch deutlich größer soll der Energiespar-Effekt sein, wenn der gesamte Herstellungsprozess betrachtet wird.

In einem „Total Energy Management System" der energieautarken Fabrik sollen Verlustenergien aufgefangen und über Kreislauf-Systeme möglichst direkt wieder genutzt werden. „ Energetische Interaktion" nannte Neugebauer dieses Zusammenspiel, bei dem Energieüberschüsse aus Produktionsprozessen in einem Gebäude genutzt werden. Und bei dem das Gebäude und das Fabrikgelände ihrerseits Strom aus Windrädern und Fotovoltaik-Anlagen für die Maschinen liefern.

· Stefan Schroeter Journalist in Leipzig