Gerade bei Werkzeugmaschinen zur spanenden Metallbearbeitung spielt die Kühlung eine wichtige Rolle. Nur wenn die Kühlung sehr genau arbeitet und eine möglichst konstante Temperatur liefert, lässt sich eine hohe Bearbeitungspräzision garantieren. Gerade in Zeiten beschränkter Ressourcen und steigender Energiepreise muss jedoch gleichzeitig oberste Prämisse sein, den Energieverbrauch dieser Maschinen zu senken. – Ein Ziel, an dem die Projektpartner des Forschungsvorhabens MAXIEM (Maximierung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen) mit Nachdruck arbeiten. Der Startschuss für das Projekt, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert wird und an dem neben Maschinenherstellern und Ausrüstern auch Anwender aus der Automobilindustrie sowie Forschungsinstitute beteiligt sind, fiel im Jahr 2008. Mit dem Abschluss ist im Herbst dieses Jahres zu rechnen.

Konkret untersuchte das Team um Prof. Eberhard Abele am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt im Rahmen von MAXIEM eine Demonstratormaschine vom Typ XS 211 des Herstellers MAG. Sie wurde in Standard-Ausführung an das PTW geliefert und während der Projektlaufzeit optimiert. Dazu analysierte das Team zunächst, welche Komponenten und Systeme wie viel der eingesetzten Energie verbrauchen. Die Kühlung der Werkzeugmaschine – so eines der Ergebnisse – hat mit etwa 15 % einen nennenswerten Anteil am gesamten Energieverbrauch. Dabei entfallen 3 % auf die Schaltschrank-Klimatisierung und 12 % auf die Maschinenkühlung.

Gerade der Kühlung der Spindel kommt eine große Bedeutung zu, da die Temperatur hier sehr präzise geregelt werden muss. Gefordert ist üblicherweise eine Hysterese von 0,5 K, um die notwendige Genauigkeit bei der Bearbeitung zu garantieren. Wenn die Temperatur stärker schwankt, führt dies aufgrund der Wärme-Aus­dehnung der Komponenten zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück.

Um die Werkzeugmaschine unabhängig von einer externen Kühlwasserversorgung betreiben zu können, wurde ein so genannter Chiller integriert, der das Kühlwasser zur Verfügung stellt. Dieser liefert das Kühlmedium für die Maschinenkühlung und kann über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher gleichzeitig die Schaltschrank-Klimatisierung übernehmen. Im Chiller erzeugt eine Kompressor-Kältemaschine die benötigte Kälteleistung und bringt damit das Kühlwasser auf die gewünschte Temperatur.

Diese Maschine von MAG diente als Basis für die Konfigurierung einer energieeffizienten Werkzeugmaschine im Rahmen des MAXIEM-Forschungsprojektes.

© Rittal, TU Darmstadt

Die übliche Regelung einer solchen Kältemaschine ist die Zwei-Punkt-Regelung. Dabei wird der Kompressor eingeschaltet, wenn eine eingestellte Maximaltemperatur des Kühlwassers überschritten wird. Beim Unterschreiten der Minimaltemperatur schaltet die Kältemaschine wieder aus. Mit dieser Regelungstechnik lässt sich die geforderte kleine Hysterese für die Maschinenkühlung allerdings nicht realisieren, da das häufige Ein- und Ausschalten die Lebensdauer der Komponenten negativ beeinflussen würde.

Als Alternative kommt in der Klimatechnik deswegen häufig die so genannte Heißgas-Bypass-Regelung zum Einsatz. Dabei läuft der Kältekompressor stets unter Volllast. Die gewünschte Temperatur wird dann dadurch geregelt, dass heißes Kältemittel aus dem Rücklauf über ein Regelventil dem Vorlauf zugeführt wird. Dieser Heißgas-Bypass ist gewissermaßen eine künstliche Wärmequelle, die sich sehr genau regeln lässt. Da hierbei ein Teil der Kälteleistung künstlich vernichtet wird, ist die Energie-Effizienz dieser Methode vergleichsweise unbefriedigend. Je weniger Kälteleistung benötigt wird, desto niedriger wird letztlich der Wirkungsgrad. Da die Klimatisierung aber immer auf den größten Bedarf – das Worst-Case-Szenario – ausgelegt sein muss, ist die Energie-Effizienz einer auf diese Weise geregelten Klimatisierung in Summe sehr schlecht.

Kälteleistung gezielt regeln

Eine andere Möglichkeit, die Temperatur mit der geforderten Genauigkeit ein­zustellen, ist der Einsatz von drehzahl­geregelten Kältekompressoren. Inverter-geregelte Chiller – wie sie Rittal derzeit entwickelt – verwenden dazu einen Kältekompressor, dessen Antrieb mit einem bürstenlosen DC-Motor arbeitet. Dieser dreiphasige permanenterregte DC-Synchronmotor, der bei gleicher Leistungsklasse in den meisten Betriebsbereichen einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche AC-Asynchronmotoren erreicht, wird durch einen Inverter angesteuert. Dieser wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um, die dann in Form von Pulsen an den Motor weitergegeben wird. Die Regelung der Drehzahl erfolgt je nach Leistungs­bedarf über eine Impulsbreitenmodula­tion oder – bei höheren Leistungen – über die Erhöhung der Impulsamplitude. Bei der Impulsbreitenmodulation beträgt die DC-Spannung konstant 325 V, während die Impulsbreite von 13 Hz bis 107 Hz variiert wird. Bei höherem Leistungs­bedarf erhöht der Inverter die Spannung auf 360 V.

Der Kältekompressor läuft mit dieser Inverter-Regelung stets bei der optimalen Drehzahl. Zusammen mit der schon per se effizienteren Antriebs­lösung lassen sich so je nach Anwendung Einsparungen von rund 60 % erzielen. Dies ist nicht aus der Luft gegriffen ist, sondern konnte bei den Untersuch­ungen im Rahmen des MAXIEM-Projekts am PTW in Darmstadt anhand der besagten Werkzeugmaschine unter realistischen Bedingungen nachgewiesen werden – das heißt mit Parametern und unter Umgebungs­bedingungen, wie sie in der Industrie üblich sind!

Neben dem geringeren Energieverbrauch zeichnen sich die Inverter-Chiller durch weitere Vorteile aus. Da der Kompressor nur selten ein- und ausgeschaltet wird, ist die Lebenserwartung des Kompressors und der anderen Komponenten der Kühlung deutlich höher. Druckstöße im Kühlkreislauf treten bei dieser Art der Regelung ebenfalls nicht auf, was zu geringeren Vibrationen und Geräuschen führt.

Die Kombination macht‘s

Bei den Inverter-Chillern ist aber nicht nur der Antrieb des Kompressors optimiert, sondern gleichermaßen alle anderen Komponenten im Kältekreislauf wie zum Beispiel der luftgekühlte Verflüssiger, der Verdampfer als Plattenwärmetauscher, das elektronisch geregelte Expansionsventil als Regelorgan im Kältekreislauf der Maschine und nicht zuletzt der EC-Lüfter zur Abfuhr der Verflüssigerwärme. Erst das Zusammenspiel all dieser Komponenten führt letztendlich zu einem maximal energieeffizienten System.

Ein großer Vorteil der geschilderten Technologie liegt nicht zuletzt darin, dass der Chiller sich jeweils an die geforderte Kühlleistung anpasst und er dabei Kühlleistungen von 2 kW bis hin zu 8 kW bei einer gleichbleibend hohen Energie-Effizienz zur Verfügung stellt. Für die Schaltschrankklimatisierung bringt die Inverter-Technologie ebenfalls Vorteile mit sich. Beispielsweise lässt sich das Kühlsystem auf eine konstante Ausblas-Temperatur der kalten Luft im Schaltschrank regeln. Dadurch wird ein ständiger Wechsel der Temperatur im Schaltschrank durch Ein- und Ausschalten des Klimageräts vermieden, was für die Bauteile der Leistungselektronik eine längere Lebensdauer bedeutet. Darüber hinaus ist eine Kondensatbildung so vermeidbar.

Je höher die Leistung, desto größer die Einsparung

Vergleich der lastabhängig aufgenommenen elektrischen Leistungen von einem Rückkühler mit Heißgas-Bypass und einem mit Inverter-Technologie: Die große Steigerung der Lastkurve spiegelt die Anpassungsfähigkeit an die erforderliche Kühlleistung wider.

© Rittal, TU Darmstadt

Neben dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt hat sich das Research Center for Manufacturing Technology der CTU Prag intensiv mit der Chiller-Technologie beschäftigt. Das Fazit von Dr. Thomas Holkup, Leiter „Design and Simulation“: „Der Chiller arbeitet wesentlich effizienter als alles andere was wir bis dato untersucht haben.“ Konkret wurde die Kühlung der Spindel und der Torque-Motoren an einer Werkzeugmaschine von MAS Kovosit bei einer Umgebungstemperatur von +22 bis +25 °C untersucht. Der Volumenstrom des Wasserkreises betrug 25l/min und die Vorlauftemperatur des Wassers war +20 °C.

Der Inverter-Chiller erreichte selbst bei unterschiedlichen Kühlleistungsanforderungen der Maschine eine Temperaturgenauigkeit von ±0,2 K und einen extrem hohen COP (Coefficient of Performance) von jeweils 3,3 bei 4000 W und 5000 W Kühlleistung. Der COP beschreibt das Verhältnis von tatsächlicher Kühlleistung in Watt zu tatsächlicher aufgenommener elektrischer Leistung in Watt. Bei herkömmlichen Systemen mit Heißgas-Bypass-Regelung, die eine vergleichbare Temperaturgenauigkeit erreichen, liegt der COP bei 1,1. Kurzum: Durch Einsatz der neuen Kühltechnik konnte die Effizienz um den Faktor 3 erhöht werden, was einer Einsparung des elektrischen Energieverbrauchs von rund 66 % entspricht. Bei Rittal ist man überzeugt, dass diese Technologie auch in anderen Leistungsklassen – zum Beispiel 8 bis 20 kW und darüber hinaus – Einsatz finden wird. Denn bei höheren Leistungen sind die Einsparpotenziale im Vergleich zu den notwendigen Investitionen noch attraktiver, was letztendlich zu einer kürzeren Amortisationszeit führt. Weitere Anlagen befinden sich daher bereits im Aufbau.

Der Energieverbrauch einer Werkzeugmaschine

In einzelnen produzierenden Industrie-Unternehmen können Werkzeugmaschinen einen Anteil von bis zu 60 % am Strombedarf ausmachen. Untersuchungen des PTW haben ergeben, dass in der Nutzungsphase einer Werkzeugmaschine bis zu 21 % der Betriebskosten auf den Verbrauch elektrischer Energie entfallen können. Neben den hohen Kosten des Stromverbrauchs müssen vor dem Hintergrund der globalen Erderwärmung die verursachten Umweltbeeinträchtigungen mit einbezogen werden. Eine durchschnitt­liche Werkzeug­maschine emittiert indirekt über ihren Stromverbrauch pro Jahr so viel CO2 wie 70 Pkw.

Autoren: Ralf Schneider ist Abteilungsleiter Business Development Climatisation bei Rittal in Herborn.
Hakan Türe ist Mitarbeiter im Produktmanagement Klimatisierung bei Rittal in Herborn.