Bremsstrom-Rückgewinnung bei zyklischen und spontanen Bremsvorgängen

Bei der Bremsstrom-Rückgewinnung handelt es sich um eine Technologie, mit deren Hilfe bislang ungenutzte Bremsenergie nutzbar gemacht werden kann. Hierbei wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und für spätere Verwendungen gespeichert oder zurück ins Netz gespeist. Neben der so rückgewonnenen Energie kann zusätzliche Energie eingespart werden, die sonst für die Kühlung der Bremswiderstände erforderlich ist.

Bei Elektromotoren ist die Bremsstrom-Rückgewinnung über einen nachträglich installierten Frequenzumrichter einfach umsetzbar. Bei Industriefahrzeugen können regenerative Bremssysteme dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Die Technologie ist dabei nicht auf Fahrzeuge beschränkt. Sie kann überall dort zum Einsatz kommen, wo in absehbaren zeitlichen Abständen Bremsvorgänge auftreten. Weitere Beispiele, bei denen regenerative Bremssysteme eingesetzt werden können, sind Förderbänder, Hochlager-Regale, Elektro-Hubwagen und Aufzüge, aber auch Roboter und Werkzeugmaschinen.

Für die erfolgreiche Implementierung müssen zunächst Kennzahlen erhoben werden, insbesondere müssen für alle Bremsvorgänge die Frequenz des Bremsvorganges und die Bremsstärke erfasst werden. Anhand dieser Informationen lässt sich das Potenzial zur Bremsstrom-Rückgewinnung für einzelne Anlagen beziehungsweise Geräte bestimmen. Um diese Kennzahlen zu ermitteln, können zum Beispiel die Energieverbrauchskurven von Werkzeugmaschinen oder Robotern ausgelesen werden. Die geplante verbleibende Nutzungsdauer der Anlage oder des Fahrzeuges im Betrieb ist ein weiteres Kriterium, das es zu berücksichtigen gilt.

Im nächsten Schritt müssen die Nutzungsoptionen für die rückgewonnene Energie definiert werden. Sie kann als elektrische Energie ins Netz eingespeist werden oder in einem Energiespeicher, zum Beispiel einem Schwungmassenspeicher, vorgehalten und für den nächsten anstehenden Beschleunigungsvorgang genutzt werden. Die Wahl des passenden Energiespeichers ist abhängig von den im Betrieb genutzten Prozessen. Schwungmassenspeicher bieten sich für Prozesse an, in denen kurze Zeitintervalle zwischen den Brems- und Beschleunigungsvorgängen vorliegen.

Ein Beispiel hierfür ist eine Werkzeugmaschine, die fest definierten Bewegungsvorgängen folgt. Die Speicherung (Bremsvorgang) und Entnahme (nachfolgender Beschleunigungsvorgang) sind durch den kontinuierlich periodischen Bewegungsablauf zeitlich planbar und erfolgen mit hoher Frequenz.

Die letzten Schritte umfassen die Beschaffung der benötigten Bauteile und die Installation. Bei der Installation ist auf einen fachkenntlichen Einbau aller Komponenten und den zur Verfügung stehenden Bauraum zu achten. Wird der ausgezeichnete Bauraum als zu klein für die geplante Maßnahme befunden, müssen andere Nutzungsoptionen erwogen werden.

Erste Schritte bei der Umsetzung

• Erhebung relevanter Kennzahlen
• Nutzungsoptionen der zurückgewonnenen Energie ermitteln
• geeignete Energiespeicherart festlegen
• Investitionen in die benötigten Komponenten tätigen
• Installation der benötigten Komponenten

Herausforderungen und Lösungsansätze

Ein möglicher Nachteil ist die erhöhte Komplexität des technischen Systems nach Durchführung der Maßnahme: Zur Regeneration der Bremsenergie, der anschließenden Speicherung oder Netzeinspeisung sowie gegebenenfalls der späteren Nutzung im Betrieb, werden zusätzliche Komponenten benötigt. Ein weiteres Hemmnis stellt eventuell der teilweise begrenzte Platz für das Nachrüsten der benötigten Komponenten dar.

Wird die Maßnahme sachgerecht vorbereitet und ausgeführt, überwiegen jedoch klar die wirtschaftlichen Vorteile der Energieeinsparung. Details zu der Wirtschaftlichkeit einer umgesetzten Maßnahme sind im Praxisbeispiel gegeben.

Co-Benefits

Je nach Prozess kann das Nachrüsten eines Rückgewinnungssystems zusätzliche Nutzen generieren. Durch die bessere Regelung des Drehmomentes können beim industriellen Auf- und Abwickeln Qualitätssteigerungen erzielt werden. Auch eine erhöhte Verfügbarkeit durch mehr Zuverlässigkeit, reduzierte Wartungskosten und verlängerter Lebensdauer der Bremsen durch geringere Belastungen der Bremswiderstände sind hier aufzuführen.

Nachrüstung eines Kranes mit rückspeisefähigem Frequenzumrichter

In einem Abfallentsorgungs-Unternehmen stellt sich ein Kran mit drei Elektromotoren als geeignet für die regenerative Bremsstrom-Rückgewinnung heraus. Die Bedingungen für die erfolgreiche Umsetzung der Maßnahme sind gegeben. Es liegen zyklisch auftretende Bremsprozesse sowie die Bewegung von hohen physischen Nennlasten vor.

Bei den drei Motoren handelt es sich um einen 55-kW-Hubmotor, einen 9-kW-Kranfahrmotor und einen 4,5-kW-Katzfahrmotor. Mithilfe eines nachgerüsteten Frequenzumrichters wird der rückgewonnene Strom in das Netz zurückgespeist.

Die erzielte Rückspeisung von 15.600 kWh entspricht einer Einsparung von etwa 30 Prozent gegenüber dem Referenzfall ohne Durchführung der Maßnahme.