EnEffWerk - Steigerung der Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit von spanenden Werkzeugmaschinen durch optimierte Kühlung mit ökoeffizienter und digitaler Kältetechnik

Um die Ziele des europäischen grünen Deals zu erreichen und die globale Erderwärmung zu stoppen, müssen die Netto-Treibhausgasemissionen laut EU-Kommission bis 2030 um mindestens 55 % gegenüber 1990 verringert werden [1]. Aus diesem Grund müssen in allen Energiesektoren CO2-Emissionen verringert und dazu die Energieeffizienzen erhöht werden. Ein erhebliches Einsparpotential bietet hierbei auch der Bereich der Kältetechnik. Im Jahr 2017 wurden 7,9 % (41,2 Mio. t) der deutschlandweiten CO2-Emissionen zur Energieerzeugung für den Betrieb kältetechnischer Anlagen verursacht, davon 0,9 % (4,9 Mio. t) für die Erzeugung von Industriekälte [2]. Da Werkzeugmaschinen in Deutschland signifikante Energieverbraucher im industriellen Bereich darstellen, müssen auch diese künftig einen Beitrag zur Reduktion des Energieverbrauches leisten. Dabei spielt die Kältetechnik ebenfalls eine wichtige Rolle.

Im Projekt EnEffWerk der Arbeitsgruppe für Dezentrale Energiewandlung und Speicherung (ENE) wird derzeit an der Entwicklung eines fortschrittlichen Kälteaggregats für Werkzeugmaschinen im Bereich der Prozesskühlung geforscht. Dabei soll im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik eine energieeffizientere Regelungsstrategie entwickelt und ein natürliches Kältemittel (R290) mit geringem GWP-Wert genutzt werden, wodurch sich der CO2-Fußabdruck schätzungsweise halbieren lässt.

Durch R290 (Propan) als Kältemittel mit einem GWP-Wert von 3 wird der negative Effekt auf die Umwelt bei Austritt des Kältemittels im Vergleich zu aktuell gängigen Sicherheitskältemitteln wie z.B. R410A, R407C oder R134a mit GWP-Werten zwischen 1430 und 2088 deutlich reduziert. Nachteilig ist jedoch die hohe Brennbarkeit von R290, welche durch die Erarbeitung eines angepassten Sicherheitskonzepts zusätzliche Kosten verursacht.

Aktuell gängige Regelungsverfahren für Kälteanlagen von Werkzeugmaschinen wie die 2-Punkt-Regelung oder die Heißgas-Bypass-Regelung zeigen erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Temperaturgenauigkeit bzw. deren Energieeffizienz. Zur Regelung des Kälteaggregates im Projekt soll eine modellprädiktive Regelung (MPC) auf Basis eines digitalen Zwillings des Kälteaggregates und des Bearbeitungsprozesses entwickelt werden. Damit wird die benötigte Kälteleistung im Vorhinein ermittelt und bedarfsgerecht angepasst, um die Temperatur der Präzisionsteile der Werkzeugmaschine konstant zu halten und den Energieverbrauch zu senken. Durch eine konstante Temperatur der Präzisionsteile wird auch die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine verbessert.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing Frank Opferkuch

Bearbeitung: Timon Stemmler, M. Sc.

Projektpartner:
FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl REP
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme
Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH 
BKW Kälte-Wärme-Versorgungstechnik GmbH
GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG                               

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Zeitraum: 01.10.2022 - 30.09.2025

Quellen:
[1] Europäischer Grüner Deal. Zugegriffen: 5. Juli 2023. [Online].
Verfügbar unter: Der europäische Grüne Deal - Europäische Kommission (europa.eu)

[2] G. Preuß, „Energiebedarf für Kaeltetechnik in Deutschland - Eine Abschätzung des Energiebedarfs von Kältetechnik in Deutschland nach Einsatzgebieten 2017“. VDMA. Zugegriffen:
5. Juli 2023. [Online]. Verfügbar unter:
Energiebedarf_fuer_Kaeltetechnik_in_Deutschland_Herausgeber_Forschungsrat_Kaeltetechnik_e.V._im_VDMA.pdf (fuchs.com)