Grote stappen door ‘ketenefficiëntie'

De huidige belangstelling voor elektrisch besturen en aandrijven op plekken die al jaren het domein van verbrandings- en hydromotoren zijn, heeft een hoog ‘back to the future'- gehalte. Eind negentiende eeuw had de elektromotor een veel hogere ontwikkelingsgraad en vermogenspotentieel dan de toen net opkomende inwendige verbrandingsmotor. Zo was tussen 1898 en 1902 het wereldsnelheidsrecord in handen van elektrische auto's, en in Amsterdam behoorden elektrische taxi's tussen 1909 en het midden van de jaren twintig (net zoals nu) tot het normale straatbeeld.

Back to the future- eind negentiende/begin twintigste eeuw was de elektrische auto's de norm.

1/1

Gerelateerd nieuws

‘Festo-zoo’ uitgebreid met BionicBee

Tweede generatie logistiek AGV-platform Siemens Nederland en VDL

Ga jij door cybersecurity-richtlijn NIS2 klanten en omzet verliezen?

Is 'het management' in de AI-hype getrapt?

Tegenwoordig is vooral het veel hogere besparingspotentieel van elektrische aandrijvingen de belangrijkste drijfveer achter de opmars van hybride en geavanceerde elektromechanische aandrijvingen. Veel van de regeneratie, aandrijf en besturingstechnieken die gebruikt worden in moderne elektrische auto's, waar energie- management en energieverbruik eigenlijk het centrale kunstje is, zien wij terugvloeien in grondverzet-en agromachines, maar vooral ook in de algemene machinebouw.

De "industrie" slokt 40% van de wereldwijd opgewekte elektrische energie op, en in Europa is dit zelfs 60%. Twee derde van dit percentage wordt gebruikt door elektromotoren dus bij het terug dringen van het industriële energiegebruik spelen elektromotoren (en alles wat daar aan vast zit) een belangrijke rol.

Op motorniveau

Alleen echte diehards twijfelen nog aan het nut van het terugdringen van de CO₂ -uitstoot en wereldwijd leggen overheden dwingende maatregelen op om dit te bereiken. Met de invoering van IE3 motoren werd een verdere stap gezet in het terugdringen van het industriële energiegebruik (tabel 1), waarvan in onderstaande tabel de effecten ten opzichte van de uitgangssituatie worden getoond. Elektromotoren hebben altijd al een goed rendement gehad, dus de mogelijkheid om op motorniveau het verbruik verder terug te dringen zijn beperkt, zoals te zien in tabel 2. De cursief vermelde percentages onder IE5 zijn afgeleid uit de annex A bij IEC/EN60034-30-1 die - informatief - stelt dat voor een IE5-classificatie de verliezen 20% lager moeten uitpakken dan voor een IE4-classificatie.

Bron: EU Comission staff working document SEC (2009)1013

Tabel 1 Geschatte vermindering van het toekomstig elektriciteitsverbruik bij inzet van IE3-motoren.

Tabel 2 Minimaal motorrendement volgens IEC/EN 60034-30-1. De IE5-rendementen zijn informatief en gebaseerd op Annex A met 20% lagere verliezen voor IE5 in vergelijking met IE5.

Hele aandrijflijn

Op het moment dat we naar de hele aandrijflijn kijken, is er een veel groter besparingspotentieel beschikbaar. Bijvoorbeeld het inzetten van frequentieregelaars in combinatie met IE3 motoren levert al een grotere besparing op dan het invoeren van de IE3 motoren zelf (tabel 3). Behalve het inzetten van regelaars, biedt het optimaliseren van de aandrijflijn waar de motor deel van uitmaakt veel mogelijkheden. Het vervangen van een wat onhandig gekozen wormkast door een goed gedimensioneerde tandwielreductor kan zo maar 40% rendementsverbetering opleveren. Bij een centrale aandrijving met veel aftakassen en haakse overbrengingen kan, door montage van individueel aangestuurde elektromotoren op ieder aandrijfpunt, niet alleen energie worden bespaard, maar ook een grotere procesflexibiliteit worden verkregen die op zichzelf al tot inverdien effecten kan leiden.

Bron: EU Comission staff working document SEC (2009)1013

Tabel 3 frequentieregelaars in combinatie met IE3 motoren

Energieterugwinning

Frequentieregelaars zorgen er niet alleen voor dat er minder energie wordt opgenomen, door het gecontroleerd starten en stoppen kan in veel gevallen niet alleen een kleinere motor, maar ook een kleinere reductor worden volstaan met alle voordelen van dien. Ook maken regelaars het mogelijk de uit het proces terugvloeiende kinetische energie relatief eenvoudig weer om te zetten in opnieuw bruikbare elektrische energie, die kan worden teruggevoerd in het openbare net, worden opgeslagen in super caps of accu's, maar ook direct hergebruik door andere machines in de keten is mogelijk. Afhankelijk van de in het proces aanwezige dynamiek zijn besparingen tot 40% mogelijk.

Niet alleen het besparen van energie is een belangrijk pluspunt van regelaar gestuurde aandrijvingen. Ook door het met CAN-bussystemen vernetten van regelaars, (servo) motoren, sensoren en slimme bedieningspanelen - zoals de Bonfiglioli Human Machine Interface - kunnen zowel de energieprestaties, de effectiviteit als de ergonomie van machines en installaties enorm worden verbeterd.

Serieuze besparing

Niet alleen in de machine- of installatiebouw zijn op deze manier serieuze besparingen te realiseren, ook voor grondverzet-, agromachines of vaartuigen bieden elektrisch aandrijven enorme voordelen. Zeker bij de veelgebruikte diesel-hydraulische aandrijvingen is het besparingspotentieel op verbruik en uitstoot indrukwekkend. Om die reden hebben alle belangrijke fabrikanten van grondverzetmachines tegenwoordig diesel/elektrische machines met energieterugwinning in het programma, enerzijds om de emissienormen te halen, maar zeker ook voor de achterliggende brandstofbesparingen.

In de onderstaande Sankey-diagrammen is boven te zien hoe en waar de energie verdwijnt, en onder hoe het er uit zou zien met een elektrische aandrijving met hydraulische componenten. Rond 30% energie kan al worden bespaard door eenvoudigweg de pomp niet vaker en niet harder dan nodig te laten draaien; voor de gemiddelde CV ketelbouwer is dit inmiddels de gewoonste zaak van de wereld. Door dit direct op de plek te doen waar de druk nodig is (bijvoorbeeld direct aan de hefcilinders) in plaats van centraal, kunnen ook de 10-12% leiding- en klepverliezen worden geïncasseerd.

Met het op de markt komen van compacte watergekoelde elektromotoren, wordt het nadeel van de vermogensdichtheid en de geschiktheid voor extreme omstandigheden ook aangepakt. De huidige generatie watergekoelde motoren heeft nog steeds een lagere vermogensdichtheid, maar zijn wel dermate klein geworden dat een praktisch gebruik op plaatsen die voor kort waren voorbehouden aan hydromotoren goed mogelijk is.

Conclusie

Efficiëntere (elektro)motoren helpen, maar echte stappen voorwaarts kunnen slechts gezet worden door de keten als geheel te bekijken inclusief de terugwinmogelijkheden. Elsto Drives en Controls is een ervaren totaalleverancier van aandrijvingen en besturingen en bij uitstek in staat om door optimale integratie van motoren, besturingen en transmissies geavanceerde aandrijfsystemen met een hoge ‘ketenefficiëntie' realiseren. Aandrijfsystemen die niet alleen zuinig omspringen met energie, maar ook geavanceerde gebruiksmogelijkheden bieden. Niet alleen voor machines of productielijnen, maar ook voor voer- en vaartuigen.

Bron: Energy efficiency of a diesel- electric mobile working machine, ir. Paula Immonen, 2013

Bron: Besparings potentieel vol-elektrische graafmachine, Elstoaandrijvingen, 2015

Vanwege het besparingspotentieel maken alle belangrijke fabrikanten van grondverzetmachines tegenwoordig ook diesel/elektrische machines met energieterugwinning

Rob Bosma & Ron Vink, Elsto Drives and Controls

http://www.elsto.eu/