Dynamischer Energiespeicher

Wer bremst, verliert

Bremsen bedeutete bisher fast immer Energieverlust. Für elektrische Antriebe hat die Michael Koch GmbH eine Lösung entwickelt, die Bremsenergie aufnehmen, bei Bedarf wieder abgeben und damit die Energieeffizienz einer Anlage um bis zu 50 Prozent steigern kann. Beim Besuch vor Ort erfuhr Chefredakteur Hajo Stotz, wie der Energiespeicher funktioniert, wo er bereits eingesetzt wird und welche Rolle dabei der badische Widerstand spielt.

„Wer bremst, verliert“, ist in Motorradfahrer-Kreisen oft zu hören. Bezüglich des Energieverlusts ist diese Aussage vollkommen korrekt. Denn wenn wie bei dieser BMW HP 4 die Bewegung abgebremst wird, verpufft die Bremsenergie in Wärme und bleibt damit ungenutzt. (Bild: BMW Group)

„Wer bremst, verliert …“, sagt ein Motorradfahrer-Sprichwort. Dass die Heizerfraktion damit den Verlust an Energie – bzw. die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme – meint, ist aber eher unwahrscheinlich. Doch milliardenfach täglich der Fall. Wenn eine Bewegung mechanisch oder elektrisch abgebremst wird, verpufft die gesamte Energie in Wärme. Und bleibt damit meist ungenutzt. Denn das Speichern dieser überschüssigen Energie ist nicht einfach.

Beziehungsweise war – denn zumindest für elektrische Antriebe, die über Bremswiderstände abgebremst wurden, hat die Michael Koch GmbH im badischen Ubstadt-Weiher eine überzeugende Lösung entwickelt.

„Es ist möglich, die Energie einer Anlage um bis zu 50 Prozent zu erhöhen.“ Michael Koch, Geschäftsführer des gleichnamigen Unternehmens.

Der Dynamische Energiespeicher (DES) ist in der Lage, Bremsenergie zu speichern und wieder abzugeben. Firmengründer und Geschäftsführer Michael Koch: „Dadurch ist es möglich, die Energieeffizienz einer Anlage um bis zu 50 Prozent zu erhöhen. Dies geschieht, wenn der Speicher die beim Bremsvorgang freiwerdende Energie aufnimmt, speichert und dem System bei Bedarf wieder zur Verfügung stellt.“

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Besonders effizient ist das System bei kurz aufeinanderfolgenden Bremszyklen. Koch: „Anwendungen, bei denen sich die Bremsvorgänge alle vier Sekunden oder öfter wiederholen, sind für unseren DES prädestiniert.“ Das ist zum Beispiel bei Verpackungsmaschinen, in der Lebensmittelindustrie (Koch: „Brot- und Wurstschneidemaschinen“) und bei Robotern oft der Fall.

Pressenhersteller Schuler setzt bei seinem Crossbar-Roboter den Dynamischen Energiespeicher ein. (Bild: Michael Koch GmbH)

So setzt etwa der Pressenhersteller Schuler die Dynamischen Energiespeicher beim Crossbar-Roboter ein. Die Roboter, basierend auf Kuka 6-Achs-Robotern, verketten die Pressen einer Linie und wurden durch den Einsatz der DES um gut 25 Prozent effektiver: Diese nehmen die kinetische Energie während des Bremsvorganges auf und geben sie wieder ab, wenn der Roboter sich weiter bewegt. Bremst der Antrieb, steigt die Zwischenkreisspannung. Wird ein vorher festgelegter Grenzwert überschritten, wird die überschüssige Energie gespeichert. Sie wird vom DES dann wieder abgegeben, wenn die Spannung den unteren Schwellenwert erreicht. Michael Koch: „Damit wird Energie gespart – bei jeder Bremsung zwar nur relativ wenig, aber in der Summe macht sich das bezahlt.“

Effizienzsteigerung um 25 Prozent

Diese 25 Prozent Effizienzsteigerung der Schuler-Roboter werden aber auch dadurch erzielt, dass der DES als Spannungsstabilisator im Gleichstromzwischenkreis wirkt. „Durch extrem hohe Spannungsspitzen waren die Umrichter am Limit“, erläutert Koch. „Nun fallen die Spitzen weg, und das wirkt sich schonend auf die Umrichter der Antriebe aus. “ Durch die geringere Belastung der Umrichter konnte die Anzahl der Hübe von 10 auf 15 pro Minute gesteigert werden.

Das Interesse der Industrie an dem Energiespeicher ist dementsprechend groß, wie Michael Koch erklärt: „Unter den Stichworten ‚Blue Competence‘ und ‚Nachhaltigkeit‘ ist er für jeden Maschinenbauer interessant. Und der Energiespeicher rechnet sich in jedem Fall, wenn sich die Bremszyklen in kurzen Abständen wiederholen, das Unternehmen eine nachhaltige Produktion anstrebt und bei der Amortisation in Zeitspannen von drei bis vier Jahren kalkuliert. Für den Einsatz des DES ist auch kein Umbau nötig, da er mit jedem Umrichter zusammenarbeiten kann.“

Gestartet ist Firmengründer Michael Koch bei Grundig, wo er an der Deckel-Steuerung Dialog 11 mitentwickelte. Doch viele seiner Ideen konnte er nicht realisieren, denn eine verkrustete hierarchische Organisationsform hinderte ihn und sein Team daran, gute Ideen schnell oder überhaupt umzusetzen. In der eigenen Firma sollte das mal anders laufen. 1996 machte er sich mit einem Beratungs-Unternehmen selbstständig. Durch den Kontakt mit der DBK Group entstand die Idee, zuverlässige und geschützte Bremswiderstände, die der Markt bis dato nicht kannte, zu bauen. Der Grundstein fürs „Fabrikle“, wie Koch seine Firma nennt, war gelegt.

Der Bremswiderstand ist ein Belastungswiderstand zum Beispiel beim Betrieb eines Frequenzumrichters. Dieser stellt im Betrieb des Motors eine Last dar, die den Motor belastet und diesen bremst. „Da der Frequenzumrichter mit der zusätzlichen Spannung nichts anfangen kann und damit die Bauteile geschont werden, wird ein Bremswiderstand benötigt, der die Bremsenergie in Wärme umwandelt“, erläutert Koch.

Die Zusammenarbeit mit der DBK besteht bis heute: Das Pfälzer Unternehmen liefert die Komponenten, das badische montiert sie kundenindividuell. Neben den üblichen Kriterien Bremsleistung und Widerstandswert liefert Koch auch nach Kundenwunsch in jeder Schutzart und mechanischen Verbauung. Die Individualisierung reicht bis hin zur kunden- oder maschinenspezifischen Lackierung des Umgehäuses des Bremswiderstands. Michael Koch: „Wir liefern bis Losgröße eins – mit kundenindividuellen Steckern, Kabeln, Farben und Beschriftungen. Wir übernehmen, wenn gewünscht, natürlich auch den Versand der Ware im Namen des Kunden.“

Zuverlässige Bremswiderstände

Hauptvorteile des badischen Widerstands sind die hohe Zuverlässigkeit und die kurzen Lieferzeiten, wie Koch beschreibt: „Wir bieten die zuverlässigsten Widerstände am Markt und garantieren beispielsweise die maximale Temperatur. Daher liefern wir trotz sehr starken dänischen Wettbewerbs etwa auch an Danfoss. Rund 50 Prozent unseres Umsatzes machen wir mit Antriebstechnikfirmen wie SEW, Siemens, Schneider oder B&R.“ Aber auch viele Maschinenbau-Firmen wie Arburg, Engel, Homag, Schuler oder Sumitomo zählen zu den Kunden. „Wir sind heute ein starker Partner für Antriebstechnikunternehmen und für den Maschinenbau – und auch für Anwender der Maschinen, die für ihre Belange eine ganz spezifische Lösung suchen.“

Durch die Energiespeicherthematik verändert sich das Unternehmen langsam, wie Michael Koch feststellt: „Seit wir den Energiespeicher vor drei Jahren auf den Markt gebracht haben, werden wir ganz anders wahrgenommen. Es ergeben sich Gespräche anderer Qualität. Während sich vorher die Anfragen um Stückzahl, Lieferzeit und Preise drehten, führen wir nun tiefgehende Konzeptgespräche“, resümiert Koch. „Das Marktpotential ist zwar noch überschaubar, entwickelt sich aber gut. Und auch wenn wir am Ende doch einen Widerstand verkaufen, hilft uns der Energiespeicher enorm bei der Außenwirkung.“

Aus der DES-Idee hat sich inzwischen eine ganze Produktreihe entwickelt: Der Energiespeicher spart Energie und ist ein aktives Puffermodul für Gleichstromzwischenkreise. Konstruiert für Umrichter mit Anschlussspannungen zwischen 400 und 460 VAC, die über einen direkten Zwischenkreisanschluss verfügen. Der DES ist mit jedem gängigen Umrichtertyp einsetzbar, gleich ob an Ein- oder Mehrachssystemen. Der Speicher regelt sich von Beginn an selbstständig ein. Das Spannungsniveau im Zwischenkreis und die geforderte Anfangsleistung ermittelt das Gerät selbstständig und stellt sich darauf ein.

Die Dynamische Energieversorgung DEV fungiert als kurzzeitunterbrechungsfreie Stromversorgung für alle gängigen Antriebsumrichter und Servoregler. Die aktive Kapazitätserweiterung des Gleichstromzwischenkreises der Umrichter hält eine entsprechend der technischen Auslegung festgelegte Energiemenge vor, die dazu dient, bei Netzausfall das Spannungsniveau des Gleichstromzwischenkreises auf einem Niveau zu halten, das die Ausfallzeit ohne Störung überbrückt und/oder die Maschine zum definierten Stillstand bringt.

Eine Kombination aus DEV und DES ist die Dynamische Energiespeicherkombination DEK. Sie kann sowohl Bremsenergie puffern wie auch Spannungsschwankungen bis hin zur Netzunterbrechung ausgleichen. Die NEV dient zur netzunabhängigen Versorgung eines 24-V-Gleichstromkreises mit elektrischer Spannung. Sie bedient sich dazu der Energie des DEV oder der DEK.

Diese Vielschichtigkeit wirkt sich stark auf die Unternehmens-entwicklung aus. Michael Koch: „Wir beschäftigen heute fast 40 Mitarbeiter und haben uns damit in den letzten fünf Jahren fast verdoppelt. Und wir suchen weiter gute und einsatzfreudige Mitarbeiter.“ Um als relativ kleines Unternehmen in der Technologieregion Karlsruhe als Arbeitgeber wahrgenommen zu werden, engagiert sich das Unternehmen und die Familie Koch in der Jugendarbeit, im Sport, an Schulen und Hochschulen und bietet mit Praktikumsplätzen Einblick in den Arbeitsalltag. Derzeit bildet die Firma vier Azubis und einen Studenten der Dualen Hochschule aus.

Trotz der vielen Widerstände sieht Michael Koch sein Unternehmen daher auf der richtigen Spur: „Wir sind auf einem sehr guten Weg und werden auch dieses Jahr wieder kräftig wachsen.“ Hajo Stotz

SPS IPC Drives Halle 4, Stand 218

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