Snižování energetické náročnosti obráběcích strojů – tentokrát trochu konkrétněji

Je pochopitelné, že všeobecná snaha snižovat negativní dopady na životní prostředí se nevyhnula ani oboru výrobních strojů. I na tento obor se vztahuje směrnice 2009/125/EC, týkající se mimo jiné také požadavků na vlastnosti produktů, obecně spojených se spotřebou elektrické energie. Aby požadavky této směrnice byly vymahatelné, musí se zpracovat prováděcí předpisy pro jednotlivé skupiny produktů a výrobků, kde na základě přípravné studie jsou formulovány minimální požadavky na omezení negativního vlivu jednotlivých oborů na životní prostředí. Za obor strojírenské výrobní techniky pracují na této studii vybrané ústavy Fraunhoferova institutu v Německu. Citovaná směrnice připouští dva odlišné regulační mechanismy – direktivní legislativní přístup a samoregulační iniciativu, formulovanou a vedenou příslušným průmyslovým odvětvím. Bohužel, navzdory stanovisku reprezentativní průmyslové organizace CECIMO, bylo pro obor strojírenské výrobní techniky v listopadu 2009 rozhodnuto konzultačním fórem EK, že samoregulační přístup se nepoužije a podmínky budou stanoveny direktivně na základě oborové studie. Přesto, že CECIMO na základě připomínek členských asociací může dávat podněty ke vznikající studii, leží na Fraunhoferově institutu odpovědnost za formulaci direktivně stanovovaných podmínek, které mohou zásadním způsobem ovlivnit další rozvoj a konkurenceschopnost oboru. INICIATIVA PRŮMYSLOVEHO ODVĚTVI Možnosti iniciativního přístupu samotného výrobního odvětví lze ilustrovat na výzkumném projektu „MAXIEM“ (Maximalizace energetické účinnosti obráběcích strojů), který je řešen na PTW - Institutu řízení výroby, technologie a obráběcích strojů Technické univerzity v Darmstadtu. Projekt je řešen za spoluúčasti celkem devíti subjektů z řad výrobců obráběcích strojů, systémových komponent a uživatelů a klade si za cíl zmapovat nikoliv nutné instalované příkony jednotlivých systémů obráběcího stroje, ale spotřebu energie, kterou tyto systémy spotřebují za rok provozu v simulovaném třísměnném provozu a možnosti jejího snížení. Výzkum probíhal na moderním tříosém horizontálním obráběcím centru MAG XS 211 (viz obr.), které je nasazováno do výrobních linek v automobilovém průmyslu. Stroj má vřeteno o příkonu 30 kW s upínacím rozhraním HSK63, plynule regulované otáčky 1 – 16 000 ot/min, přímočaré pohony ve třech osách, pojezdy 630 x 630 x 710 mm, zrychlení 6 m/s2 a 20 nástrojů v zásobníku. Dosažené poznatky se sice daly očekávat, nicméně jsou překvapující. Podíl roční spotřeby energie, připadající na jednotlivé komponenty stroje, je následující: Pohony .........................................7 % Odsávání ......................................2 % Stlačený vzduch ...........................6 % Chlazení stroje ...........................17 % Hydraulika ...................................6 % Klimatizace rozvaděčů ................3 % Dopravní pumpy médií ..............13 % Vysokotlaká pumpa chladicích a mazacích médií .......................18 % Vysokotlaký filtr ..........................9 % Oplachy, vyplachování ..............13 % Ostatní .........................................6 % Překvapivě nízký podíl pohonů stroje na spotřebované energii není dán jejich nízkým instalovaným příkonem, ale faktem, že jejich spotřeba špičkové energie je nárazová a časově velmi omezená. I za předpokladu, že takový diagram spotřeby mohl být výrazně ovlivněn rozvržením časového režimu stroje a spektrem vyráběných dílců, je zřejmé, že rozhodující spotřebu představují spotřebiče v trvalém provozu a výrazné úspory lze dosáhnout časově optimalizovanou regulací jejich činnosti, respektive zvyšováním jejich účinnosti. TECHNICKA ŘEŠENI Není věcí vzdálené budoucnosti technické řešení popisované problematiky; cesty, kudy se lze ubírat, jsou v podstatě již známy a mnohé byly k vidění na veletrhu AMB Stuttgart 2010. Bosch-Rexroth nabízí softwarovou funkci „Stand-by Manager“, která automaticky přepíná stroj do maximálně úsporného režimu, pokud nastane některá z předpověditelných událostí (konec směny, dlouhodobá nečinnost stroje, nedostatek dílců, čekání na provedení předchozí operace, porucha apod .). Takto lze údajně dosáhnout úspor až 20 – 25 MWh/rok na jednom stroji. Spotřebu chladicích a temperačních systémů vřetena, lože a rozvodných skříní stroje ovlivňuje správná volba hysterezní křivky – jinak řečeno, volba okamžiku, kdy systém zapíná či vypíná. Pro běžné obráběcí stroje postačuje interval ± 1,5 °C, pro velmi přesné ± 0,5 °C. Protože časté zapínání a vypínání temperovacích systémů jim může škodit, je žádoucí optimalizovat velikost nádrží chladicího média či volit možnost tzv. By-pass režimu. V roce 2011 zahájí dodávky temperovacích systémů „TopThermChilles“, vybavených frekvenčně řízenými kompresory, firma Rittal z Herbornu. Těmito systémy lze uspořit až 70 % elektrické energie a při stávající ceně 0,1 euro za 1 kWh dosáhnout návratnosti do dvou let. Jiné řešení nabízí digitálně řízené šroubové kompresory, užívané firmou Hydac v jejích chladicích a klimatizačních systémech. Řízením výkonu pomocí magnetického ventilu a vypínáním jednotlivých sekcí kompresoru lze docílit až 30% úspor energie. Současné technologie třískového obrábění vyžadují mnohdy přívod chladicího a mazacího média tělem nástroje pod tlakem až 70 barů, k čemuž se používají vysokotlaké pumpy s konstantními otáčkami a pevně nastavený škrticí ventil. Potřeba vysokotlakého chlazení a mazání však není pro všechny operace, resp. nástroje stálá; vzniká zde výrazný rozdíl mezi instalovaným výkonem vysokotlakého systému a jeho aktuální potřebou. Potenciál úspor tkví v nasazení vysokotlakých pump s regulovatelnými otáčkami a vybavenými tlakovým senzorem. Praktická realizace je podmíněna možností softwarově generovaného signálu ke změně otáček, resp. tlaku na potřebnou úroveň. Firma Knoll, účastník popisovaného projektu, nabízí kontrolní program, kterým lze zjistit potenciál úspor zavedením frekvenčně řízeného systému na konkrétním stroji. Na stroji MAG XS 211, vybaveném vysokotlakou pumpu s příkonem 7,5 kW se dosáhlo návratnosti zavedení frekvenční regulace vysokotlaké pumpy ve výši 1,5 roku a snížení roční spotřeby elektrické energie z 15,3 MWh na 6,7 MWh. Režim spotřeby byl dán třísměnným provozem a následným rozdělením potřeby tlaku mazacího a chladicího média: 50 % času tlak 20 barů a množství10 l za minutu, 30 % tlak 30 barů při 40 l za minutu, 10 % tlak 40 barů při 60 l za minutu a konečně10 % času tlak 60 barů při množství 15 l za minutu. I volba koncepce mazání pohyblivých součástí stroje – s trvalou tukovou náplní nebo s obíhajícím mazacím médiem – má vliv nejen na zatěžování životního prostředí unikajícím mazivem, ale významně se podílí také na spotřebě elektrické energie. Odstranění ztrát rozvodu stlačeného vzduchu, ztrát způsobených nevhodně navrženými vstupy odsávání v sobě také skrývá nemalé možnosti úspor. Zde je však nutné řešit sytém individuálně v návaznosti na koncepci rozvodu stlačeného vzduchu, velikost pracovního prostoru stroje, řešení odvodu třísek apod. ZÁVĚR Jak ze stručného popisu navrhovaných opatření vyplývá, není snižování spotřeby elektrické energie něčím, co nelze zajistit postupně realizovanými konkrétními opatřeními. Navíc, všechna jsou charakterizována i střízlivým a reálným ekonomickým přínosem, vyjádřeným nám tak důvěrně známým pojmem jako je doba nákladové návratnosti. Jedině hledisko ekonomické výhodnosti totiž zaručí uvedení každého opatření do života a zajistí, že se vyhneme byrokraticky formulovaným a vynucovaným projektům. ING. PETR BOROVAN