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Wichtige Faktoren, die beim Vergleich von elektrischen und hydraulischen Antrieben zu berücksichtigen sind

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Datenerhebung / Effizienz und Kosten / Leckagen und Umweltbedenken

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Hydraulikantriebe sind in der Branche dafür bekannt, hohe Kräfte zu erzeugen. Hydrauliksysteme sind aus Sicht der Anschaffungskosten in der Regel kostengünstiger zu realisieren als elektrische Servosysteme. Zu ihren Nachteilen zählen ein größerer Platzbedarf, regelmäßige Wartung sowie manuelle Systemanpassungen zur Gewährleistung einer optimalen Systemleistung. Hydrauliksysteme sind anfällig für Temperaturschwankungen, neigen zu Leckagen und arbeiten in einer offenen Regelungsschleife, was die Datenerfassung erschwert. Zwar lassen sich einige dieser Probleme durch den Einsatz von Servohydraulik mindern, doch diese erfordert einen größeren Platzbedarf und ist sehr kostspielig im Betrieb. Hydrauliksysteme bieten zwar eine lange Lebensdauer, sind jedoch nicht so effizient wie elektrische Systeme.

Elektrische Systeme benötigen insgesamt weniger Platz als hydraulische Systeme. Außerdem ermöglichen sie eine präzise Steuerung von Position, Geschwindigkeit und Drehzahl bei effizienterem Betrieb. Sie arbeiten in einem geschlossenen Regelkreis, was die Datenerfassung erleichtert, und sind praktisch wartungsfrei. Elektrische Servosysteme werden aufgrund ihrer höheren Präzision bevorzugt, können jedoch bei der Erstimplementierung kostspieliger sein als hydraulische Systeme. Die gesteigerte Betriebseffizienz bei geringem oder gar keinem Wartungsaufwand über die gesamte Lebensdauer des Systems senkt jedoch die Gesamtbetriebskosten über die Lebensdauer der Anlage und macht sie zu einer attraktiven Alternative zur Hydraulik.

1. Datenerfassung

Im ständigen Bestreben, Fertigungsprozesse zu verbessern, gewinnt die Datenerfassung in kritischen Bereichen in der heutigen Fertigungsumgebung zunehmend an Bedeutung. Hydraulikzylinder erfordern teure, komplexe servohydraulische Systeme mit zusätzlichen Sensoren, um Position, Geschwindigkeit, Kraft und andere am Arbeitspunkt auftretende Faktoren zu erfassen und zu überwachen. All diese Faktoren sind bereits in das Servosystem eines elektrischen Antriebs integriert. Durch die Überwachung des Motorstroms lassen sich Kraft und Wiederholgenauigkeit leicht erfassen. Das Rückmeldesystem am Motor erfasst Position und Geschwindigkeit präzise.

2. Wirkungsgrad und Kosten

Elektrische Antriebssysteme arbeiten bei der Ausführung ihrer Aufgaben typischerweise mit einem Wirkungsgrad von 75–80 %; hydraulische Antriebssysteme erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad von 40–55 %. Ein weiterer Faktor bei der Berechnung der Stromkosten ist, dass elektrische Antriebe nur dann Strom für den Motor benötigen, wenn dieser tatsächlich benötigt wird. Befinden sich elektrische Antriebe im Ruhezustand, benötigen sie keinen oder nur sehr wenig Strom, um ihre Position zu halten. Bei hydraulischen Systemen muss das Aggregat das Hydrauliksystem während der gesamten Betriebszeit unter Druck halten – was zu einer ineffizienten Energienutzung führt.

Durch Division der Wirkungsgrade der beiden Technologien zueinander lässt sich ein ungefährer Faktor für die Stromkosten ermitteln, der davon abhängt, wann sich die Antriebe bzw. Zylinder tatsächlich bewegen.

Beispiel: 80 % (elektrisch) / 40 % (hydraulisch) = 2. Daraus folgt, dass die elektrische Technologie doppelt so effizient ist oder dass die hydraulische Technologie doppelt so viel Leistung benötigt, um die gleiche Arbeit zu verrichten. Dies ist zwar eine Annäherung, liegt aber nicht weit von der Realität entfernt. Tatsächlich kann der Gesamtwirkungsgrad eines Hydrauliksystems, sofern es nicht ordnungsgemäß gewartet wird, auf 20 % sinken, wodurch die elektrische Technologie bis zu viermal so effizient ist (bzw. die Betriebskosten der Hydraulik bis zu viermal höher ausfallen).

Obwohl elektrische Antriebssysteme doppelt so effizient sind wie Hydraulikzylindersysteme, kann die Einführung einer elektrischen Servolösung anfangs teurer sein. Die Kosten über die gesamte Lebensdauer des Systems können jedoch erheblich geringer ausfallen, wenn man die gesteigerte Leistung, die Flexibilität des Systems und die Senkung der Betriebskosten berücksichtigt.

3. Leckagen und Umweltbedenken

Viele Fachleute aus der Hydraulikbranche sagen: „Es ist nicht die Frage, OB Hydrauliksysteme lecken, sondern die Frage, wann und in welchem Ausmaß.“ Leckagen verursachen Verschmutzungen in der Produktionsumgebung und stellen zudem ein Sicherheitsrisiko dar, wenn jemand auf der ausgelaufenen Flüssigkeit ausrutscht. Noch besorgniserregender ist, dass Leckagen zu einer schwerwiegenden Kontamination wichtiger Prozesse und Produkte führen können – beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung, der Pharmaindustrie, bei Medizinprodukten und anderen Bereichen. Ein Kontaminationsvorfall kann sowohl hinsichtlich der Reinigung als auch durch Produktverluste kostspielig sein – und noch kostspieliger, wenn das kontaminierte Produkt die Verbraucher erreicht und anschließend zurückgerufen werden muss. Zudem werden viele Hydrauliksysteme im Freien sowie in der Nähe von Wohngebieten und Trinkwasserquellen eingesetzt. Das Austreten von Öl in die Umgebung kann für Gemeinden ein großes Problem darstellen.

Die Technologie elektrischer Stellantriebe ist eine der saubersten Linearantriebstechnologien, die aktiv und einfach eingesetzt werden kann. Fett auf der Leitspindel ist der einzige potenzielle Verunreinigungsfaktor; bei Bedarf können Spezialfette (lebensmitteltauglich, für Reinräume usw.) verwendet werden. Die hochwertigen Dichtungen an der Kolbenstange des elektrischen Stellantriebs halten das Fett im Inneren des Stellantriebs und verhindern so praktisch jegliche Verunreinigungsprobleme.