Die Firma Mitschke Kunststoffwerk verarbeitet alle Arten thermoplastischer Kunststoffe. Das Familienunternehmen fertigt Teile von 1 g bis 30 kg mit Abmessungen von 10 mm bis 2200 mm. Auf 5000 m² Produktionsfläche arbeiten hierfür Spritzgussmaschinen mit bis zu 32.000 kN Schließkraft. Entsprechend hoch sind die Energiekosten.
Tobias Echtler, Leiter der Spritzerei bei Mitschke, nennt einige Eckdaten: »Wir haben einen Stromverbrauch von rund 4,7 Mio. kWh pro Jahr mit Spitzenlasten von bis zu 1350 kW. Diese Spitzenlasten kosten 93 Euro pro kW. Somit kommen wir auf Fixkosten von gut 125.000 Euro, alleinig für die Spitzenlast. Deshalb wollten wir diese dringend abbauen.« Eine gewisse Entlastung ließ sich durch den Antrag auf individuelles Netzentgelt erreichen, was bedeutet, dass Rückzahlungen angeboten werden, wenn der Abnehmer in einem vorgegebenen Zeitraum 80 % der Spitzenlast nicht überschreitet. Dies ist jedoch nicht immer mit den Anforderungen der Produktion in Einklang zu bringen. Zudem wird über die Abschaffung dieses Bonussystems verhandelt. Die Unternehmensleitung suchte deshalb nach zukunftsfähigen Lösungen.

Energieverbrauch genau analysiert

Eine Lastspitze ist definiert als der Mittelwert einer Messperiode von 900 s, der außerdem während der sogenannten Fangzeit von 10 s durchgehend anliegen muss. Gelingt es dem Abnehmer, diesen Wert schnell genug zu erfassen und einige Anlagenteile vor Ablauf der 10 s abzuschalten, wird die Lastspitze nicht berechnet.
Prädestiniert hierfür sind die Heizungen der Spritzgussmaschinen.

Bei Mitschke haben allein diese Heizungen bei den acht größten Maschinen Anschlussleistungen von 60 kW bis rund 180 kW. Problematisch sind die Erfassung und die Steuerung – »Wir kannten zwar die Spitzen, aber nicht den jeweiligen Verursacher«, beschreibt Tobias Echtler die Ausgangslage. Gemeinsam mit der Elektroabteilung wurde die gesamte Anlage analysiert: Welches waren die größten Einzelverbraucher? Wie lange konnten diese abgeschaltet werden, ohne dass die Fertigungsqualität darunter leidet? Bekannt war, dass die dickwandigen Zylinderrohre der großen Maschinen die Schmelze auch bei einem mehrere Minuten dauernden Ausfall der Heizung auf Temperatur halten würden. Die größten Verbraucher reagierten zugleich am unempfindlichsten auf eine Abschaltung. Damit war das Einsparpotenzial definiert. Nun galt es, eine passende Mess- und Steuertechnik zu finden.

Auf der Suche nach einem passenden Anbieter stieß die Firma Mitschke auf die Messgeräte und Software von Janitza. Die Wahl fiel auf deren Spannungs-qualitätsanalysator ‚UMG 605-Pro‘, der einerseits programmierbar ist und andererseits Schnittstellen für die Kommunikation mit Feldbus-Modulen aufweist. Die Spitzenlastoptimierung erledigt dabei die optional erhältliche Software-App ‚Emax‘, die direkt auf dem Messgerät installiert wird.

Messen und Steuern

Spritzguss-Maschinen mit bis zu 32.000 kN Schließkraft fertigen bei Mitschke Kunststoffteile bis 30 kg mit Abmessungen bis 2200 mm.

© Martin Witzsch

Da Mitschke über zwei Trafostationen und drei Unterverteilungen verfügt, wäre eine Messung mit Wandlerspulen relativ aufwendig gewesen. Es ging jedoch einfacher: Die Geräte wurden in unmittelbarer Nähe zum Zähler des EVU installiert. Ein Zusatzmodul am Zähler übermittelt die gemessene Wirkenergie und den Synchronisationsimpuls an das Messgerät. Der Impuls signalisiert den Beginn eines Messzeitraums. Da zunächst keine weiteren Informationen über die Spannungsqualität et cetera benötigt wurden, reicht diese Lösung völlig aus. Zudem ist so sichergestellt, dass Mitschke mit den gleichen Messwerten – vor allem den gleichen Messzeiträumen – arbeitet wie der Energieversorger.

Das Abschalten der Heizungen ließ sich ähnlich einfach realisieren. Janitza bietet unter der Bezeichnung ‚FBM‘ Feldbus-Module mit digitalen Ein- und Ausgängen an. Diese werden über eine RS485-Schnittstelle mit Modbus-RTU-Protokoll als Slaves an die UMG-Messgeräte angeschlossen. Bei Mitschke steuern die Feldbus-Module Relais an, die den Heizungsschütz einer Maschine ziehen. Die Steuerung erfolgt direkt durch die ‚Emax‘-App auf dem Messgerät. Erkennt diese eine drohende Überschreitung des eingestellten Leistungs-sollwerts, werden die Heizungen der in Betrieb befindlichen Maschinen nacheinander priorisiert abgeschaltet. Für jede Maschine kann eine Mindestabschalt- oder Einschaltzeit hinterlegt werden. So können Spitzen zwar nicht ganz vermieden, aber geglättet werden. Dank der Trägheit der Maschinen lässt sich eine Zylinderheizung für drei Minuten abschalten. Danach muss wieder geheizt werden. Bis sich das am Zylinder in der Schmelze bemerkbar macht, läuft die Heizung wieder.
Auf diese Weise werden acht von 15 Maschinen betrieben. Für die Maschinensteuerung selbst ist das unproblematisch – sie generiert lediglich die Warnmeldung ‚Zylinderheizung aus‘. Solange die Heizung rechtzeitig zugeschaltet wird, kommt es nicht zu weitergehenden Störungen. 

Die Visualisierung läuft über die Homepage des im Messgerät integrierten Webservers auf einem Standardbrowser. Das System wird über zwei Webseiten gemanagt: eine zum Konfigurieren, eine zum Anzeigen. So hat der Anwender stets Zugriff auf die wichtigsten Daten: den Status der Maschinen, abgeschaltete Heizungen, den Leistungsverbrauch, den Sollwert, die Heatmap über die Woche, aktuelle Mittelwerte für die Leistung und den Trend. Über die Software ‚GridVis‘ werden die relevanten Prozessdaten aus dem Messgeräte-speicher regelmäßig ausgelesen, archiviert und zur Auswertung visualisiert. 

In 4,8 Monaten amortisiert

Das Messgerät ‚UMG 605-Pro‘ (mit Feldbus-Modulen) bezieht die gemessene Wirkenergie und den Synchronisationsimpuls direkt vom Stromzähler des Energieversorgers.

© Martin Witzsch

Die Steuerung wurde so einfach wie möglich gehalten, angefangen von der Beschränkung auf die acht größten Verbraucher bis zum Aufschalten auf den Zähler des Energieversorgers statt eigener Messtechnik. Der gesamte Aufwand einschließlich Installation und Zeitaufwand für den Betriebselektriker belief sich auf 9000 Euro. »Den Invest für die Steuerung hatten wir bereits nach 4,8 Monaten erwirtschaftet, obwohl wir mit den Spitzen zunächst noch etwas höher liegen, als geplant«, verdeutlicht Tobias Echtler. Anvisiert waren zunächst 900 kW, was jedoch zu viele Schaltzyklen verursachte und zu riskant erschien. Mit einer leichten Erhöhung auf 1050 kW ließ sich die nötige Prozesssicherheit erreichen und der Bereitstellungspreis um über 20.000 Euro pro Jahr senken.

Weitere Einsparpotenziale

Momentan werden bei Mitschke acht Anlagen geschaltet. Bereits die vor-handene Hard- und Software bietet Ausbaureserven für bis zu 20 Maschinen. An das UMG lassen sich zudem weitere Feldbus-Module anschließen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Anwendungsmöglichkeiten gibt es genug – beispielsweise eine Reihe von Trocknern mit je 20 bis 30 kW Leistungs-aufnahme.
Tobias Echtler ist weiteren Einsparmöglichkeiten auf der Spur: »Nach Betriebsschluss gehen acht Ladegeräte für Stapler in Betrieb. So eine Spitze wird gern unterschätzt und kann ganz einfach durch leichte Verzögerungen abgebaut werden.« Etwas komplexer, aber ebenfalls lösbar sind Probleme, die Energiesparer wie Eco-Drive-Antriebe verursachen. »Früher hatten wir Kostantmotoren, die durchgängig 70 bis 80 kW benötigten. Die modernen Antriebe sind viel sparsamer, aber fahren schnell in die Bewegung und erzeugen dabei Spitzen von 300 kW«, erläutert Tobias Echtler.

Martin Witzsch ist freier Journalist aus Nürnberg im Auftrag von Janitza electronics, Lahnau.

© Theben AG

Neben den Einsparungen bietet die neue Messtechnik weitere Perspektiven. So sind mittelfristig genauere Messungen von Verbrauchsdaten einzelner Maschinen geplant, mit denen sich die Kalkulation und Umlagen für einen Auftrag präzisieren lassen. Über weitere Schnittstellen lassen sich beispielsweise auch Verbrauchsdaten für Wärme, Druck-luft und Wasser erfassen.
Auch eigene Messungen mittels Rogoswski-Spulen in den firmeneigenen Trafostationen zieht das Unternehmen in Betracht. Durch den hohen Verbrauch der Anlagen sinkt die Spannung gerade im Einschaltzeitraum wegen der Netz-belastung von 235 V bis auf 216 V ab. Mit dem bereits eingesetzten ‚UMG605‘ ließe sich die Strom- und Spannungsqualität innerhalb der vorgegebenen Normen kontinuierlich überwachen. Auch dies wird durch die Messtechnik ohne Zutun des Anwenders erledigt. Im Falle einer Abweichung erfolgt ein Alarm mit detaillierter Angabe der Grenzwertüberschreitung.