SIEMENS

Der Wettbewerb ist hart in der Autoindustrie – weltweite Überkapazitäten erzeugen einen Preisdruck, der besonders jene Hersteller bedroht, die Kosten und Produktivität nicht voll im Griff haben. Weil aber moderne Autofabriken bereits stark optimiert sind, richtet sich der Blick auf bisher ungenutzte Reserven wie das Energiesparen. Zwar entfallen nur drei bis fünf Prozent der Produktionskosten eines Autos auf die eingesetzte Energie – zum Vergleich: Bei der Papiererzeugung sind es bis zu 15 Prozent. Aber steigende Energiepreise zwingen zum Handeln. So kündigte etwa der Volkswagen-Konzern in seinem Nachhaltigkeitsbericht 2011 an, bis 2018 ein Viertel der Energie, also Strom, Gas und Wärme, weniger verbrauchen zu wollen.

Ein Autowerk mit einer Tagesproduktion von 1.000 Fahrzeugen kommt leicht auf einige Hunderttausend Megawattstunden (MWh) Energieverbrauch im Jahr – so viel wie eine mittelgroße Stadt. Die Energieflüsse in einer Autofabrik sind kompliziert wie ein Blutkreislauf. Da sind die großen Presswerke, die Blech in Form biegen. Dann fügen Hunderte von Robotern die Karosserie mit einigen tausend Schweiß- und Klebepunkten zusammen. Auf die Lackierstation entfallen sogar 45 bis 60 Prozent des Energieverbrauchs des Werks, denn dort wird tonnenweise Lack auf Temperatur gehalten, rotieren große Lüfter und werkeln die Lackierroboter. Am Montageband liefern Förderbänder die Türen an, Motor und Antriebsstrang werden montiert, und die Innenausstattung wird eingebaut. Autos und Autoteile legen kilometerlange Wege auf den Förderbändern zurück. Dem Energiemanager der Fabrik geht es nicht anders als Privatverbrauchern – solange er nicht weiß, wo wann wie viel Strom, Gas oder Wärme verbraucht wird, tut er sich mit dem Sparen schwer.

Die neue Energiemanagement-Software „SIMATIC B.Data“ von Siemens könnte hier Licht ins Dunkel bringen. Der digitale Energiedetektiv erfasst den Verbrauch einzelner Fertigungsmaschinen oder Anlagen und bereitet die Daten für detaillierte Analysen auf. So erkannte man bei einem deutschen Automobilwerk hohe Grundlastverbräuche am Wochenende und fand heraus, dass die Karosserien von den Fertigungsrobotern in Arbeitshöhe gehalten wurden – unnötigerweise: Obwohl nicht produziert wurde, arbeiteten die Druckluftkompressoren zur Versorgung der Roboter unermüdlich. „Einer der Hauptansatzpunkte ist, die Grundlast eines Werks zu senken“, sagt Rudolf Traxler, bei Siemens Industry in Linz verantwortlich für Energiemanagementsysteme. „Obwohl in Schwachlastzeiten wenig oder nichts produziert wird, beträgt hier der Energieverbrauch im Schnitt oft noch 30 Prozent eines Arbeitstags”. Abschalten, was nicht gebraucht wird, ist das Fazit – wie im BMW Motoren-Werk im österreichischen Steyr. Dort konnte mithilfe von SIMATIC B.Data und einer Reihe von Maßnahmen die Grundlast des Werks in Zeiten, in denen nicht produziert wird, von acht auf fünf Megawatt gesenkt werden.

Wichtig bei der Installation des Systems ist die Frage, wo und wie fein gemessen werden soll und wie viel Messtechnik nachgerüstet werden muss. Bei BMW in Steyr, wo rund 700.000 Motoren im Jahr entstehen, registrieren 700 Messpunkte alle 15 Minuten den Energieverbrauch. Transparenz sei der Schlüssel zum Energiesparen, meint Traxler: „Erst die Zuordnung des Energieverbrauchs zum Verursacher schafft den Anreiz zum Sparen.“ In Regensburg erzeugt BMW mithilfe von SIMATIC B.Data automatisch tägliche und monatliche Energiebilanzen, die Verbesserungspotenziale sichtbar machen. 2012 verlieh die Stadt dem Werk einen Umweltpreis, weil es trotz Produktionssteigerungen und Gebäudeerweiterungen seit 2004 seinen Energieverbrauch um 30 Prozent oder 168.000 MWh pro Jahr gesenkt hatte.

Dank des digitalen Energiedetektivs können Firmen ihre Fertigung effizienter gestalten, etwa indem sie die Steuerungssoftware für Maschinen anpassen. Einer der wichtigsten Hebel sind die Antriebe. Etwa zwei Drittel des Stromverbrauchs einer Fabrik entfallen auf große und kleine Elektromotoren, die Montagebänder am Laufen halten, Maschinen bewegen oder in den Gelenken der Roboter Dienst tun. Viel lässt sich durch moderne Motortechnik einsparen. So installierte Siemens im Seat-Stammwerk im spanischen Martorell an den großen Lüftern der Lackiererei Frequenzumrichter, die die Geschwindigkeit der Motoren an den Bedarf anpassen. Dies senkte den Stromverbrauch um bis zu 40 Prozent.

Mit modernen Antrieben steigt auch die Effizienz des Presswerks. Dort heben und senken sich fast im Sekundentakt riesige Werkzeuge und pressen mit einer Kraft von einigen tausend Tonnen Blech zu Türen, Dächern oder Motorhauben. Sobald sich das Werkzeug nach oben bewegt, greifen Roboter-arme, sogenannte Transfers, das Blech und bringen es zur Nachbarpresse. Oft treibt eine Hauptantriebswelle, die aus einem metergroßen Schwungrad gespeist wird, alle Bewegungen an. Vor einiger Zeit hat Volkswagen mithilfe von Siemens drei 15 Jahre alte Pressenlinien in Wolfsburg modernisiert. „Die Transfers wurden von der Hauptantriebswelle entkoppelt und bewegen sich nun über elektronische Servomotoren”, erklärt Bernd Dietz von Siemens Industry. So lassen sich die Transfers präziser und effizienter steuern.

Die optimale Einstellung aller Bewegungen erfolgt über die Pressenlinien-Simulation (PLS), ein Siemens-Computermodell für sämtliche Abläufe. PLS sichert auch ab, dass das wertvolle Werkzeug und die Transfers nicht zusammenstoßen, aber trotzdem so eng getaktet wie möglich arbeiten. Die Produktivität der VW-Presse stieg von 14 auf 16 Stück pro Minute. Werkzeugwechsel gehen mithilfe von PLS ebenfalls schneller, denn die simulierten Bewegungsabläufe werden direkt auf die Steuerung der Presse übertragen. Durch die verbesserte Verfügbarkeit kann die Zahl der Pressenlinien bei VW langfristig von 17 auf acht sinken. Weil außerdem die Motoren Energie austauschen, also die beim Abbremsen freigesetzte Energie für die Beschleunigung anderer Antriebe verwerten, arbeiten die Pressenlinien nun 30 bis 40 Prozent energieeffizienter.

Pressen aus dem Takt. Wird eine Presse neu konzipiert, entscheiden sich heute viele Fabriken für eine Servopresse, bei der Servomotoren die Bewegungen antreiben. Weil kein fester Takt mehr vorgegeben ist – wie es bei einem Schwungrad der Fall ist –, können die Auf- und Abbewegungen der Presse individuell eingestellt werden: schön langsam am Blech, um das Werkzeug zu schonen und eine hohe Qualität zu erzielen, und voll beschleunigt zum oberen Umkehrpunkt, um schnell wieder an einem neuen Werkstück zu sein. Eine Servopresse schafft unter Umständen in derselben Zeit doppelt so viele Teile und holt so den höheren Anschaffungspreis schnell wieder herein.

Allerdings brauchen die Antriebe einer Servopresse mehr Energie als bei einem Schwungrad, erklärt Dietzs Kollege Dr. Gerald Reichl. „Eine Presse, die wir für ein polnisches Autowerk konzipiert haben, hätte als Schwungradpresse 500 kW Anschlussleistung gehabt. Für die gleiche Presse als Servopresse mit sechs Hauptmotoren aber hätte man für den Extremfall, wenn alle Motoren gleichzeitig voll laufen, drei MW Spitzenleistung bereitstellen müssen.” Dass die Presse trotzdem mit einem 500-Kilowatt-Anschluss arbeitet, verdankt sie einem intelligenten Energiemanagement: Kondensatoren oder Schwungmassen nehmen die beim Abbremsen frei werdende Energie auf und geben sie bei Bedarf wieder ab.

Für Pressenhersteller sind Servopressen eine Herausforderung, denn es gibt unzählige Möglichkeiten, die vorgegebene Press- kraft durch verschiedene Motoren und Drehmomente zu realisieren. Gerade kleinere und mittlere Maschinenbauer bräuchten Unterstützung, sagt der Mechatroniker Reichl. „Wir haben ein Berechnungsprogramm entwickelt, das aus der geforderten Geschwindigkeit und Kraft die Dimensionierung der Presse, optimale Bewegungsprofile und das passende Energiemanagement liefert.“ Darin stecke viele Jahre Arbeit, ergänzt Vertriebsleiter Alexandre Bonay: „Wir hatten das Know-how für Antriebe und Steuerungen, aber in die Pressentechnologie mussten wir uns erst einarbeiten.” Die Zeit war gut investiert. „Das Ergebnis ist ein umfassendes Lösungspaket für Servopressen: Von der Konzeption über Antriebe und Steuerungen bis zur Simulation kommt alles von uns.“ Der Pressenhersteller gewinnt so an Sicherheit: Weil die Simulation ein präzises 1:1 Abbild der realen Presse verwendet, könne er dem Auftraggeber schon vor Baubeginn nachweisen, welche Stückzahl sich bei sicherem Betrieb erreichen lässt, meint Bonay. Und die Autobauer können mit der Simulation ihre neuen Linien schon einmal virtuell aufs Äußerste ausreizen, damit sie im weltweiten Wettbewerb um Produktivität und Effizienz auch morgen die Nase vorn haben.