Mehrere Roboter von Kuka an einer Montagelinie in einer Halle

Auf den Lebenszyklus eines Roboters bezogen sind seine Energiekosten höher als die Anschaffungskosten. Demnach ist es lohnenswert, den Energieverbrauch in der Robotik zu senken. Dazu gibt es genauso bauliche Möglichkeiten wie auch Tricks bei Programmierung und Steuerung. Eine weitere Idee steht bereits in den Startlöchern. (Bild: Kuka)

Im Laufe eines kompletten Lebenszyklus sind die Energiekosten, die ein Roboter verursacht, höher als die Anschaffungskosten. Diese Erkenntnis ist nicht neu, doch durch die explodierenden Energiekosten ist die Notwendigkeit ungleich höher, den Energieverbrauch zu reduzieren. Das geht besonders gut bei Neuanlagen, doch auch im Brown Field gibt es Möglichkeiten. "Deshalb haben wir viel Aufwand betrieben, um die Energieeffizienz in der Robotik zu erhöhen", erklärt Christoph Steinherr, Developer Controls, R&D Systems Region EMEA bei der Kuka AG.

Sie haben wenig Zeit? Hier geht es direkt zu den 7 Energiespartipps von Kuka.

Projekt zur Effizienzsteigerung von Robotern

So gibt es laut Steinherr in der Planungs- und Projektierungsphase einer neuen Fertigungsanlage als Komponenten die Industrieroboter, die Robotersteuerung und auch die Programmierung. "In allen Bereichen kann man Einfluss auf den Energieverbrauch nehmen. Da denke ich an die Auswahl der Taktzeit und des energieoptimalen Aufstellortes sowie die simulative Optimierung der Taktzeiten. Denn wenn der Roboter optimal positioniert ist, hat er kurze Verfahrwege von der Aufnahme- zur Ablageposition", erläutert Steinherr.

Auch das Höhenprofil in der Bewegung sollte möglichst gering sein, um auch hier nicht unnötig Energie zu verschwenden. Eng daran gekoppelt sei natürlich, die Taktzeiten gering zu halten. "Beim Roboter selbst sind Einsparungen beim Energieverbrauch durch optimierte Getriebekomponenten, Gewichtseinsparungen sowie effizientere Motoren und einen kompakten mechanischen Aufbau möglich", unterstreicht Steinherr. Das habe Kuka bereits in den letzten Jahren für einen kleineren Footprint erreicht.

Robotersteuerung auf Energieeffizienz getrimmt

Als nächste Effizienzmaßnahme nennt Steinherr die Robotersteuerung KR C5, die im Vergleich zur Vorgängerversion von Anfang an auf Energieeffizienz getrimmt worden sei. "Dabei handelt es sich um ein vollständig integriertes Design, bei dem Kuka jede Komponente selbst zusammenbauen und die Synergieeffekte von Anfang an nutzen konnte. In diesem Rahmen konnten Motorströme optimiert werden und softwarebasierte Eco Mode-Funktionen sorgen dafür, dass der Roboter effizienter wird", freut sich Steinherr.

In der Programmierung biete Kuka einen Service an, der auch für Bestandsanlagen gelte, wobei es um die Analyse und Optimierung der Roboterpfade an Bestandsanlagen gehe. Dazu Steinherr: "Wir können somit nachträglich die Programmierung anpassen – unter Berücksichtigung der Taktzeiten – so dass weniger Energie pro Zyklus benötigt wird."

Durch die angesprochenen Maßnahmen habe der Roboterhersteller in den letzten zwölf Jahren den Energieverbrauch um mehr als 50 Prozent reduzieren können. Die Messungen basierten auf dem AIDA-Zertifikat – im Vergleich KR C1 bis KR C5. Dabei spare die KR C5 vor allem im Stand by-Betrieb viel ein.

Christoph Steinherr, Kuka, Developer Controls, R&D Systems Region EMEA
Christoph Steinherr, Kuka, Developer Controls, R&D Systems Region EMEA (Bild: Kuka)

"Ein Großteil der Energieeinsparung in einer Werkshalle mit DC-Netz kommt aus der Robotik, denn die ist jetzt erstmals in der Lage ist, Bremsenergie durch Rekuperation zurückzuspeisen", sagt Christoph Steinherr von Kuka.

Mehr Energieeinsparungen durch Gleichstrombetrieb möglich

Steinherr verweist zudem darauf, dass in Zukunft durch Gleichstrombetrieb noch ein ganz anderes Level an Energieeinsparungen möglich sein wird. "Denn die jetzigen Erwartungen sind, dass wir aufgrund von Gleichstromtechnik rund 20 Prozent Energie und bis zu 50 Prozent Kupfer einsparen können. Auch eine Verfügbarkeitssteigerung bei einem AC-Netzausfall, Entfall von Filtertechnik und eine intelligente, robuste Energieflusssteuerung sind möglich", erläutert Steinherr.

So komme ein Großteil der Energieeinsparung in einer Werkshalle mit DC-Netz aus der Robotik, "denn die ist jetzt erstmals in der Lage ist, Bremsenergie durch Rekuperation zurückzuspeisen. Dabei kann die Energie entweder direkt von anderen Komponenten gebraucht oder in einen Speicher geladen werden", führt Steinherr aus. Zudem gebe es auch eine Reduzierung verlustreicher AC/DC-Wandlungen, denn schon in der heutigen Fabrikhalle gebe es kaum Verbraucher, die wirklich Wechselspannung benötigten. Daher macht es laut Steinherr Sinn, direkt auf eine Gleichstrombasis umzusteigen.

Das sind die Vorteile bei Gleichstrom

Vorteile bei Nutzung industrieller Gleichstromnetze in der Fabrik

  • Woher kommt die Energieeinsparung?

- Rekuperation der Bremsenergie

- Reduzierung verlustreicher AC/DC-Wandlungen

- Verlustarme Einspeisung erneuerbarer Energie

  • Woher kommt die Kupfereinsparung?

- Spitzenlastreduktion

- Erhöhung der Spannungsebene

- Entfall von Blindleistung

  • Verfügbarkeitssteigerung bei AC-Netzausfall durch Speicher

  • Kennlinienbasierte Leistungsregelung der Versorger

    Quelle: Kuka

Erneuerbare Energien mit Gleichstrom besser kompatibel

Steinherr erinnert auch daran, dass sich erneuerbare Energien besonders verlustarm einspeisen lassen, da sowohl PV-Anlagen als auch Windkraftanlagen Gleichstrom produzieren. Die zuvor angesprochene Kupfereinsparung kommt laut Steinherr zum einen aus der Spitzenlastreduktion, da die Speicher nicht nur Energie aufnehmen, sondern auch abgeben können, wenn gerade die Roboter beschleunigen oder einen Schweißpunkt setzen.

"Auch durch die Erhöhung der Spannungsebene von 400 Volt AC auf 650 Volt DC lässt sich die gleiche Leistung mit weniger Kupfer übertragen. Zudem entfällt Blindleistung und bei AC-Netzausfall können wir die Verfügbarkeit durch die Speicher steigern", sagt Steinherr. Entweder könne man bis zum Zielflussende puffern, um den Ausschuss zu reduzieren oder bei einem größeren Speicher sogar die Anlage über Stunden versorgen. Last but not least gebe es eine kennlinienbasierte Leistungsregelung der Versorger.

Seit Oktober 2019 arbeitet Kuka mit 38 Partnern im Forschungsprojekt DC-Industrie2 zusammen. Dabei werden die Inhalte der Systemkonzepte in mehreren Versuchsanlagen verprobt. Nachfolgend nun die 7 Stromspartipps.

 

Stromspartipp 1: Planung/Projektierung

Simulation einer Roboterzelle
Schon in der Planungs- und Projektierungsphase kann im Rahmen von Simulationen der Grundstein für den energieeffizienten Einsatz von Robotern gelegt werden. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 2: Gewichtseinsparung

Modellpalette mit mehreren Kuka-Robotern
Auch die Gewichtseinsparung trägt natürlich zum verminderten Energieverbrauch bei, müssen doch weniger Massen bewegt werden. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 3: Programmierung

Mitarbeiter programmiert einen im Hintergrund stehenden Roboter mittels Handheld
Bei der Programmierung der Roboter geht es darum, die Taktzeiten gering zu halten und auch Verfahrwege möglichst kurz zu gestalten. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 4: Kompakter Aufbau

Eine kompakt aufgebaute Roboterzelle von Kuka
Auch ein kompakter mechanischer Aufbau trägt zu mehr Energieeffizienz bei. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 5: Getriebekomponenten

Roboter an einer Montagelinie
Durch die Verwendung optimierter Getriebekomponenten lässt sich ebenfalls der Energiebedarf reduzieren. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 6: Robotersteuerung

Person bedient die Robotersteuerung KR C5 an einem Display
Die Robotersteuerung KR C5 bietet durch ihr vollständig integriertes Design, jede Komponente selbst zusammenbauen zu können. Das hebt Synergieeffekte. (Bild: Kuka)

Stromspartipp 7: Gleichstrom

Versuchsanlage mit Kuka Robotern, die mittles Gleichstrom betrieben werden
Versuchsanlage mit Kuka Robotern, die mittles Gleichstrom betrieben werden - dadurch sind bis zu 20 Prozent reduzierter Energieaufwand im Vergleich zu Wechselstrom möglich. (Bild: Kuka)

Fachkonferenz: Die CO2-neutrale Fabrik

Weltkugel mit Elementen zur Erneuerbaren Energie
(Bild: lassedesignen - stock.adobe.com)

Am 11. und 12. Oktober 2022 trafen sich Experten aus Wissenschaft, Forschung und Industrie in Augsburg, um alle relevanten Themen zur Erreichung der Klimaziele für produzierende Unternehmen zu besprechen. Infos zum nächsten Kongress in dieser Reihe gibt es weiter unten.

 

Um diese Themen ging es unter anderem:

  • Energieversorger und ihr Beitrag zur CO2-Neutralität von Fabriken
  • Umsetzungsbeispiele zur CO2-Neutralität
  • Scope 3
  • Sektorkopplung

Basis des vorliegenden Beitrags war ein Vortrag des Redners auf dem Kongress.

 

Alle weiteren Informationen und die Anmeldung finden Sie hier: Fachkonferenz CO2-neutrale Fabrik

Alles Wissenswerte zum Thema CO2-neutrale Industrie

Sie wollen alles wissen zum Thema CO2-neutrale Industrie? Dann sind Sie hier richtig. Alles über den aktuellen Stand bei der klimaneutralen Industrie, welche technischen Innovationen es gibt, wie der Maschinenbau reagiert und wie die Rechtslage ist erfahren Sie in dem Beitrag "Der große Überblick zur CO2-neutralen Industrie".

Um die klimaneutrale Industrie auch  real werden zu lassen, benötigt es regenerative Energien. Welche Erneuerbaren Energien es gibt und wie deren Nutzen in der Industrie am höchsten ist, lesen Sie hier.

Oder interessieren Sie sich mehr für das Thema Wasserstoff? Viele Infos dazu gibt es hier.

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