Optimierung der Kraftübertragung durch den Austausch von Keilriemen

Durch die Optimierung der Kraftübertragung in Maschinen und Anlagen kann deren Energiebedarf gesenkt werden. Alternativen zu Keilriemen sind im wesentlichen Zahnriemen, Ketten und Direktantriebe. Die unterschiedlichen Möglichkeiten sind mit dem entsprechenden Wirkungsgrad im Folgenden dargestellt.

Keilriemen besitzen technisch bedingt immer einen Schlupf, so dass bei der Dimensionierung der Riemenscheiben ein Zuschlag von 2 bis 3 Prozent auf die Solldrehzahl als Verlustausgleich addiert wird. Bei der Verwendung von Zahnriemen entfällt dieser Schlupf. Dementsprechend wird bei der Umstellung von Keil- auf Zahnriemen die Größe der Riemenscheiben angepasst, sodass in Kombination mit einer lasergestützten Ausrichtungsüberprüfung insgesamt bis zu 5 Prozent Energieeinsparung möglich sind. Weitere Vorteile bestehen darin, dass Zahnriemen im Vergleich zu Keilriemen weniger wartungsintensiv sind (zum Beispiel geringere Häufigkeit des Nachspannens) und eine deutlich längere Lebensdauer besitzen. Der Wirkungsgrad steigt weiter beim Einsatz eines Direktantriebs. Hier liegt der technische Wirkungsgrad bei 100 Prozent, da die gesamte Kraft übertragen werden kann.

Um die Kraftübertragung zu optimieren, sollten zu Beginn alle Keilriemen aufgelistet werden und die dazugehörigen Übertragungsvoraussetzungen bekannt sein. Jede Art der Kraftübertragung hat spezifische Vor- und Nachteile. Während Keilriemen günstig in Anschaffung und Wartung sind, können Direktantriebe große Drehmomente übertragen, Ketten sind robust und langlebig und Zahnriemen präzise bei der Kraftübertragung.

Gegenüber Keilriemen sind alle anderen Kraftübertragungsmechanismen effizienter, haben aber ebenfalls spezifische Nachteile: Der Direktantrieb ist mit den im Vergleich höchsten Anschaffungskosten verbunden. Bei Ketten besteht immer die Gefahr des Reißens oder Überspringens bei falscher Ausrichtung oder Spannung. Hier helfen unter Umständen verstellbare Kettenglieder, um die Spannung anzupassen. Zahnriemen hingegen sind sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen.

Um zu analysieren, welcher Kraftübertragungsmechanismus umsetzbar ist und wie dieser dimensioniert sein muss, sollte zuerst der Platzbedarf des Übertragungsmechanismus mit dem vorhandenen Platzangebot verglichen werden. Um die Dimensionierung auszurechnen, muss die benötigte Leistung des angetriebenen Gerätes bekannt sein. Unter Einbeziehung des Wirkungsgrades kann dann die Dimensionierung des Übertragungsmechanismus erfolgen.

Die Wahl der Kraftübertragungsart ist abhängig von Drehmoment, Drehzahl, Leistung, Umgebungsbedingungen, Kosten, Wartungsanforderungen, Lebensdauer und Effizienz. Je nach Beurteilung dieser Prioritäten kann ein Mechanismus ausgewählt, geplant und eingebaut werden. Zudem kann der Einsatz von Frequenzumrichtern (FU) helfen, die Geschwindigkeit der Kraftübertragung zu steuern und die Effizienz zu verbessern. Jedoch ist vorher zu prüfen, ob dies sinnvoll realisiert werden kann.

Erste Schritte bei der Umsetzung

• Auflistung aller Antriebe mit Keilriemen
• Analyse der Anlagen hinsichtlich Umsetzbarkeit und entsprechender Dimensionierung
• Auswahl neuer Kraftübertragungsmechanismen, sofern möglich
•  Planung und Installation

Herausforderungen und Lösungsansätze

Die Umstellung des Kraftübertragungsmechanismus kann zu Änderungen am gesamten Antriebssystem führen, wodurch weitere Kosten entstehen können. Die detaillierte Planung durch eine Fachkraft schützt hier vor Überraschungen. Bei der Planung sollte zudem geprüft werden, ob der Wechsel zu einer neuen Technologie zu einer höheren Geräuschentwicklung führen kann. Auch können sich Aufwand und Intervalle der Wartung ändern.

Ein möglicher zusätzlicher Kostenfaktor bei Direktantrieben sind Zwischengetriebe. Hier sollte technisch geprüft werden, ob ein Zwischengetriebe erforderlich ist, beziehungsweise ob der dadurch bedingte Wirkungsgradverlust sogar überwiegt. Damit all diese Aspekte vor dem Installieren eines neuen Übertragungsmechanismus berücksichtigt werden, ist zu empfehlen, die optimale Antriebsart detailliert zu planen und gegebenenfalls mit dem Hersteller abzusprechen.

Fördermöglichkeiten

Der Austausch von einem Antrieb im Prozess wird über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) im Programm Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft – Modul 1 gefördert: Die maximale Förderung liegt bei 15 Millionen Euro pro Investitionsvorhaben, die Förderquote beträgt bis zu 50 Prozent der förderfähigen Investitionskosten.

Im Bereich Lüftung und Heizung können Energieeffizienzmaßnahmen auch über die Bundesförderung für effiziente Gebäude als Einzelmaßnahme bezuschusst werden. Hier beträgt die maximale Förderung 15 Millionen Euro pro Jahr und Gebäude, aber maximal 1.000 €/ m². Die Förderquote liegt je nach Fördergegenstand für diesen Bereich zwischen 15 Prozent und 25 Prozent.

Co-Benefits

Beim Austausch von Keilriemen an Antrieben im Produktionsprozess kann durch eine effizientere Kraftübertragung die Kapazität erhöht werden, denn die Leistungsfähigkeit wird gesteigert. Ein neuer zuverlässiger Kraftübertragungsmechanismus führt meist zur Reduzierung von wartungsbedingten Stillstandzeiten.

Ersatz eines Keilriemens an einer RLT-Anlage durch einen Zahnriemen

Im Zuge eines Energieaudits in einem mittelständischen Unternehmen wird empfohlen, den Keilriemen am Ventilator in einer RLT-Anlage zu tauschen. Die RLT-Anlage läuft das gesamte Jahr über und hat somit eine Betriebsdauer von 8.760 h. Insbesondere deshalb wird der Austausch als wirtschaftlich bewertet.

Der Motor, der den Ventilator antreibt, hat eine Wellenleistung von 3,7 kW. Aktuell werden daher 32.412 kWh Strom pro Jahr benötigt. Durch die Verbesserung des Wirkungsgrads von 92 auf 97 Prozent können 5 Prozent der eingesetzten Energie eingespart werden. Somit reduziert sich der jährliche Stromverbrauch um 1.621 kWh. Der komplette Austausch kostet circa 3.000 €.