Sleutelrol elektrische lineaire aandrijving in verduurzaming

Konden vroeger om puur pragmatische redenen specifieke lineaire aandrijfvraagstukken alleen hydraulisch of pneumatisch opgelost worden, tegenwoordig zijn daarvoor in meerdere opzichten veel aantrekkelijkere elektrische alternatieven. Zowel technisch, economisch als functioneel en daar komt met de energietransitie nog een extra drijfveer bij.

Elektrische lineaire aandrijvingen zijn er in aanzienlijk meer varianten dan pneumatische of hydraulische cilinders. Denk aan bijvoorbeeld actuatoren, spindelhefelementen en lineaire units met spindelaandrijving, maar ook aan lineaire units met tandriemaandrijving, duwkettingen en lineaire motoren. Dankzij die mogelijkheden kunnen nauwkeurigheid, snelheid en slaglengte, maar ook de kracht van de aandrijving precies worden afgestemd op de toepassing. Daar komt de keuze uit AC/DC, 12 V, 24 V, 48 V, 230 V of 400 V en die voor draaistroom-, servo- of stappenmotoren voor de elektrische aandrijving nog bij.

Nauwkeurige bewegingen

In combinatie met encoders en sensoren kunnen met elektromechanische lineaire componenten, naast snelle slagen over specifieke lengtes, ook nauwkeurige proportionele bewegingen worden gerealiseerd. De motor kan op elke gewenste positie worden gestopt met nauwkeurigheden tot ± 0,001 mm. Door een elektrische lineaire aandrijving via de interface-connector en een bussysteem aan te sluiten op een (centrale) PLC, kan het programma voor de bewegingscyclus eenvoudig op afstand worden gewijzigd. Dat kan ook met servo-pneumatiek, maar dat vergt een complexere configuratie en de nauwkeurigheid is lager. Ook een 100-procent inschakelduur is mogelijk met elektromechanische oplossingen.

Kracht en snelheid

Elektrische lineaire aandrijvingen hebben in het algemeen een hogere krachtdichtheid dan pneumatische aandrijvingen en zijn veelal compacter in verhouding tot de maximaal leverbare kracht. Conclusie: simpel, sterk, nauwkeuring, flexibel en duurzaam, maar nog niet overal toepasbaar.

Zijn elektrische lineaire aandrijvingen een goed alternatief voor hydraulische kracht en pneumatische snelheid? In 90 procent van de gevallen is het antwoord hierop een volmondig “ja”. Er zijn inmiddels spindel-aangedreven elektrische lineaire systemen die krachten tot 60 kN en snelheden tot 2 m/s binnen bereik brengen. Spindelhefelementen halen krachten tot 2000 kN en meer – zonder oliereservoirs, pompen, kleppen, complexe leiding- en slangenstelsels, compressorinstallaties en ventielblokken.

Meer dan een actuator

Bij de conversie naar een elektrisch aangedreven lineaire beweging, wordt vaak alleen gedacht aan een lineaire actuator ter vervanging van pneumatisch of hydraulische cilinders. De juiste componentenkeuze is sterk afhankelijk van de toepassing en daarom zijn er meerdere elektrische oplossingen voor technische vraagstukken. Eigenschappen die daarbij een rol spelen zijn onder meer: levensduur/onderhoud, slaglengte, synchroonloop, precisie, flexibiliteit/ positionering, montagetijd, kostprijs, inschakelduur, snelheid, kracht en energie- efficiëntie. Allemaal aspecten waarbij, met de juiste elektrische aandrijving, veel winst te behalen valt ten opzichte van pneumatiek of hydrauliek.

Total Cost of Ownership

Eindgebruikers letten bij de aanschaf van nieuwe productiemiddelen steeds meer op de Total Cost of Ownership (TCO). Daarbij worden de investerings-, montage-, onderhouds- en energiekosten, gerekend over de totale levensduur, bij elkaar opgeteld. Welke lineaire oplossing in het kader van de laagst mogelijke TCO het meest interessant is (pneumatisch, hydraulisch of elektrisch) hangt af van een aantal factoren:

– aan- of afwezigheid van perslucht;

– onderhoud en installatie;

– energieverbruik.

Is perslucht aanwezig, dan heeft een pneumatische oplossing het voordeel van initieel lagere investeringskosten. Maar de operationele bedrijfskosten van pneumatiek liggen veelal hoger dan die van (digitaal) gestuurde elektrische aandrijfsystemen. Bij complexe/nauwkeurige bewegingen vergt een pneumatische servo-oplossing acht systeemcomponenten (los van de compressor) tegen drie systeemcomponenten bij een elektromechanische oplossing.

Bij afwezigheid van perslucht ligt de keuze voor een volledig elektrische oplossing voor de hand. Een persluchtcompressor meeleveren kan, maar laat de totale investering fors oplopen en gebeurt daarom zelden. De compressor, inclusief filters en eventuele conditioneringsinstallatie vragen in het in zo’n geval extra onderhoud en dat brengt extra kosten met zich mee.

Datzelfde geldt voor hydraulische oplossingen. Denk aan bijvoorbeeld aan een aggregaat, filters, kleppenblokken en leidingwerk dat nodig is. Elektrische lineaire aandrijvingen zijn montage-klaar en nagenoeg onderhoudsvrij. Aansluiten van een voedingskabel en een veldbuskabel voor het controleren van de bewegingen, is voldoende om een operationele lineaire aandrijving te creëren.

Energieverbruik

Een ander en steeds belangrijker punt is dat elektromechanische lineaire actuatoren inmiddels een energetisch rendement hebben van rond 90 procent. Vooral bij toepassing van meerdere lineaire componenten en bij intensief gebruik, kan het verschil in energiekosten met het pneumatische alternatief fors oplopen in het voordeel van elektrische lineaire aandrijvingen. In tegenstelling tot persluchtcompressoren en hydraulische aggregaten die continu in bedrijf zijn, gebruiken elektrische oplossingen alleen energie wanneer ze worden ingeschakeld en als ze werken doen ze dat ook nog eens met een hoog rendement.

Total Cost of Production

Dat een machine ’future-proof’ en duurzaam is en tegelijkertijd een lagere TCO oplevert, is natuurlijk interessant voor de eindgebruiker, maar ook voor de machinebouwer is er veel winst te behalen. Elektrificatie heeft namelijk een grote invloed op de Total Cost of Production (TCP). Veel constructeurs kiezen voor bekende oplossingen, waarvan ze zeker weten dat deze goed werken. Op zich is daar niks mis mee, maar de grote vraag is natuurlijk of die oplossingen niet te zwaar (overgedimensioneerd) en/of te duur zijn. Zeker in deze veranderende tijd is het voor ontwerpers goed om zichzelf de volgende vraag te stellen: “Kan ik mijn machine goedkoper produceren zonder concessies te doen aan de kwaliteit, levensduur en prestaties?” Het antwoord is vaak ja, maar dan moet een ontwerper wel weten wat daar voor nodig is.

Praktijk

Zo maakt Nijl Aircraft Docking onder andere in hoogte verstelbare bordessen voor de vliegtuigindustrie. In samenwerking met AXIS & Stuifmeel is na een uitgebreide functionele en financiële analyse besloten de hydraulische aandrijvingen te vervangen door elektrische spindelhefelementen. Dit leverde op verschillende fronten voordelen op. Om te beginnen financiële. De Total Cost of Production (TCP) daalde bijvoorbeeld met 4,8 procent Bovendien waren er functionele en (milieu)technische voordelen, met als resultaat en lagere Total Cost of Ownership (TCO). De bordessen kunnen eenvoudig op elke gewenste hoogte worden gepositioneerd. Bovendien speelt de oplossing in op de steeds strengere eisen ten aanzien van onderhoud, veiligheid, arbo en milieu. De elektrische oplossing is minder complex, vergt aanzienlijk minder onderhoud, maakt minder geluid en mogelijke olielekkage behoort tot het verleden.

Energiekosten

De energiekosten vormen een steeds zwaarder wegend selectiecriterium bij de keuze van een lineaire aandrijving. Door het vaak forse verschil in energetisch rendement tussen elektrische en pneumatische systemen zijn vooral bij intensieve bewegingen elektrische oplossingen steeds vaker in het voordeel. Het rendement van pneumatische systemen komt gemiddeld nauwelijks boven de 10 procent uit, want bij de opwekking van perslucht gaat al 75 procent van de door een compressor opgenomen energie verloren als warmte. De verliezen in het netwerk –  de drukval over filters en drogers en lekkages – verlagen het totale rendement nog meer. Perslucht is daarmee een van de duurste energiedragers, terwijl pneumatische cilinders na verloop van tijd ook nog eens een stukje rendement (en kracht) inleveren door slijtage van afdichtingen.

Elektrische lineaire aandrijvingen hebben daarentegen een gemiddeld rendement van 80 procent, dat gedurende de gehele levensduur constant blijft. Dit geldt ook voor de functionele prestaties zoals kracht en snelheid. Daarbij vergt een persluchtsysteem geregeld onderhoud terwijl elektrische lineaire aandrijvingen nagenoeg onderhoudsvrij zijn.

Rekenvoorbeeld

Om een idee te geven van het verschil in operationele kosten tussen een pneumatische en elektrische lineaire oplossing, zetten we de energiekosten van drie in grootte variërende pneumatische cilinders tegenover die van functioneel gelijkwaardige elektrische oplossingen bij een inschakelduur van respectievelijk 50 procent en 80 procent.

Zoals bij elk apparaat dat elektrische stroom verbruikt, houdt het aantal keren dat het apparaat werkt cq. het aantal cycli waarvan sprake is, rechtstreeks verband met de hoeveelheid elektriciteit die wordt verbruikt. Daarom domineert de inschakelduur (werktijd ÷ [werktijd + rusttijd]) de berekeningen van de elektriciteitskosten voor alle elektrische lineaire aandrijvingen.

De resultaten van de berekeningen van de energiekosten van de drie in diameter verschillende pneumatische cilinders versus elektrische lineaire alternatieven staan in de tabel verwerkt. In dit voorbeeld vergelijken we de kosten voor elektriciteit van pneumatische cilinders met verschillende boringen (cilinder- diameters) van respectievelijk 25, 80 en 125 mm met een werkdruk van 6 bar. De bewegingssnelheid is circa 0,35 m/sec. Door de energiekosten van een voorbeeldtoepassing te vereenvoudigen tot een paar formules, krijgen we een goed beeld van de elektriciteitskosten van de pneumatische en elektrische oplossingen:

• Uitgaand vermogen (kW) = snelheid (m/sec) x kracht (kN)

• Ingaand vermogen (kW) = uitgaand vermogen (kW) / rendement (%)

• Elektriciteitskosten van toepassing = (Power-IN) x (uren/jaar) x (elektriciteitskosten per kW-uur), uitgaande van € 0,10 per kW

• Aantal bedrijfsuren per jaar: 8500

Let op!

Opgemerkt dient te worden dat de kosten tot stand zijn gekomen op basis van twee belangrijke ­aannames. Ten eerste dat de kWh-prijs € 0,10 bedraagt en ten tweede dat het rendement van de persluchtinstallatie rond de 20 procent ligt. Daarbij zijn in beide gevallen in de praktijk significante afwijkingen mogelijk. Denk alleen al maar aan de elektriciteitsprijzen die afhankelijk van leverancier en contract in 2024 tussen €0,22 en €0,31 per kWh lagen. De besparingen zijn dan navenant hoger. Een grootverbruiker kan wellicht ook een deel van de energie zelf opwekken met warmtekrachtkoppeling, geothermie, windmolens of zonnepanelen, en op een veel lagere kWh-prijs uitkomen. In dat geval zou 5 à 6 eurocent/kWh een reëlere rekenwaarde zijn. Maar dan nog blijft het verschil in energiekosten tussen de pneumatische en elektrische oplossingen significant aanwezig.

Dit verschil kan nog groter worden als de persluchtinstallatie een lager rendement heeft. Dat kan zeker als sprake is van uitgebreide conditioneringssystemen. Bij gebruik van adsorptiedrogers voor een zeer laag dauwpunt (zeer droge lucht), kan het rendement van het persluchtsysteem ver onder de 20 procent duiken. Dit gebeurt vooral als de adsorptiedrogers worden geregenereerd met perslucht. Maar is sprake van een optimaal warmte-terugwinsysteem dat compressorwarmte benut voor het opwarmen van processen en/of ruimteverwarming, dan kan het rendement van de persluchtinstallatie hoger dan 20 procent zijn. Daarom is het voor een exacte vergelijking van de energiekosten belangrijk om met actuele cijfers te werken.

Sleutel tot verduurzaming

In de praktijk blijkt dit echter lastig te verwezenlijken omdat bedrijven vaak niet precies weten wat de bijkomende kosten van energielevering zijn zoals netbeheerkosten, milieuheffingen en belastingen. Van de persluchtinstallatie kan ook zelden exact worden berekend wat er  verloren gaat als warmte, wat de regeneratie van drogers kost en hoeveel perslucht door lekkages in het leidingnet verloren gaat. Maar los van deze variabele factoren is het een vaststaand feit dat elektrische oplossingen slechts een kwart tot een derde aan energie gebruiken van wat een pneumatische cilinder voor dezelfde bewegingsfunctionaliteit nodig heeft. Conclusie: elektrische oplossingen zijn veel energievriendelijker. In de voorbeelden is het energiegebruik van de pneumatische oplossingen globaal gezien vier keer zo hoog als dat van de elektrische oplossingen. Niet voor niets is elektrificatie de sleutel voor verduurzaming van de industrie.

Tekst en afbeeldingen: AXIS & Stuifmeel

Dit is een redactionele bewerking van de white paper ‘­Elektrificatie: machines eenvoudiger, efficiënter, energiezuiniger en toekomst­bestendig maken’. Ga naar www.axis-stuifmeel.nl/elektrificatie om de complete versie te downloaden.