Der Anteil von Robotern am Energiebedarf der Industrie steigt. Doch der Stromverbrauch lässt sich senken – mittels Gleichstromnetzen, richtig dimensionierten Robotern, optimierten Bewegungsprofilen oder Leichtbau.
Die passende Dimensionierung von Industrierobotern ist eine Möglichkeit, den Energieverbrauch zu senken.
vm | Getty Images | iStock
Der größte Stromverbraucher in Deutschland ist die Industrie. Laut Umweltbundesamt (UBA) benötigt sie 45 % des gesamten Stroms in Deutschland. Dies, gekoppelt mit dem Umstand, dass Unternehmen in Deutschland vergleichsweise viel für Strom bezahlen, setzt der Industrie einen starken Anreiz zum Stromsparen. Ein Hebel sind dabei elektrische Antriebe, die laut UBA circa 80 % des Stromverbrauchs in der Industrie ausmachen. Damit rücken auch Industrieroboter in den Fokus, denn mit den immer stärker automatisierten Prozessabläufen steigt nicht nur die die Anzahl von Robotern in der Produktion, sondern auch ihr Anteil am Energieverbrauch in der Industrie. Der Stromverbrauch in der Robotik ist umso mehr Thema, als dass die Energiekosten über die Lebensdauer eines Roboters die Anschaffungskosten übersteigen.
Das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen hat nun eine Übersicht von Maßnahmen erstellt, mit der Roboter energieeffizienter gestaltet und betrieben werden können. Sie betreffen die Fabrik-, die Anlagen- und die Prozessebene sowie die konstruktive Gestaltung eines Roboters. Im Artikel Einfluss von Robotern auf die CO2-neutrale Produktion in der maschinenbau 3/23 gehen die Autoren um Michael Riesener im Einzelnen darauf ein.
Den größten Hebel zum sparsameren Energieeinsatz in der Robotik bietet die Einrichtung eines zentralen Gleichstromnetzes auf Fabrikebene. Derzeit transformiert üblicherweise noch jedes Gerät selbstständig Wechsel- in Gleichstrom um, was mit hohen Wandlungsverlusten einhergeht. In einem zentralen Gleichstromnetz ließ sich zudem Bremsenergie der Roboter leichter in rückspeisen und Pufferbatterien speichern.
Auch das Anlagenlayout bietet erhebliches Einsparpotenzial. Insbesondere sollten Robotergrößen auf die jeweilige Tätigkeit angepasst werden. „Durchschnittlich sind in bestehenden Karosseriebaulinien 40 % der eingesetzten Roboter zu groß dimensioniert,“ so die Autoren. „Allein durch die Verwendung einer kleineren Roboterklasse ließe sich der Energiebedarf um 8 % senken.“ Zudem sollten Aufstellorte so gewählt werden, dass Fahrwege kurz ausfallen und insbesondere auch vertikale Bewegungsoperationen vermieden werden, da sie vergleichsweise viel Energie verbrauchen.
Am wenigsten Investitionen erfordern Maßnahmen auf der Prozessebene. Beispielsweise lassen sich Bewegungsprofile des Roboters so optimieren, dass es seltener zu Drehmomentspitzen kommt. Dadurch verringern sich Verschleiß und Wartungsaufwand und die Lebensdauer eines Roboters steigt. Der größte Verbraucher bei Anlagenstillstand ist die Robotersteuerung. Energieeffizientere Steuerungen bieten deswegen ebenso Einsparpotenzial wie das Abschalten der Servomotoren oder – bei längeren Stillstanzeiten – das Herunterfahren der gesamten Anlage.
Eine Designmaßnahme zum stromsparenden Betrieb ist der Einsatz von Endeffektoren, zum Beispiel Greifsysteme, in Leichtbauweise. Laut der Autoren ist dieses Thema aktuell Inhalt verschiedener Forschungsprojekte.
Nach Angabe der Autoren lassen sich Roboter über ein optimal eingestelltes Bewegungsprofil 30 % effizienter betrieben, während sich über Designmaßnahmen wie leichterer Endeffektoren oder der Wahl kleinerer Roboterklassen 20 % einsparen lassen. 15 % effizienter würde der Roboterbetrieb mittels einer passender Maßnahmen in den Stillstandszeiten. Über Rekuperation und Pufferspeicher ließe sich der Energieverbrauch zum um circa 11 % senken.