f+h fördern und heben 11/2017

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON
INDUSTRIEMASCHINEN AUF BASIS VON
ENERGY-HARVESTING-TECHNOLOGIEN
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DER PROJEKTINHALT
Wartung und Instandhaltung sind im industriellen Umfeld
nicht immer leicht zu planen. Vor allem akute Ausfälle aufgrund
verschleißbedingter Materialermüdung können zu erheblichen
Stillstandskosten führen. Deshalb kann es entscheidend
sein, mit einer Vielzahl von Sensoren nahezu permanent
den Zustand von Bauteilen zu überwachen, um entstehenden
Verschleiß genau beobachten und eine Wartung rechtzeitig
ansetzen zu können.
Eine große Herausforderung besteht in diesem Zusammenhang
in der Energieversorgung dieser Sensoren, denn vor allem
in verschleißanfälligen Umgebungen kommen kabelgebundene
Sensoren kaum in Frage; so führen z. B. dauerhafte
Vibrationen zu Kabelbrüchen bis hin zu verfrühten Ermüdungserscheinungen
in der Sensorelektronik. Sensorknoten
mit einer Batterie zu versorgen ist eine gängige Variante, die
jedoch aufgrund des regelmäßig erforderlichen Tauschs der
Batterie vergleichsweise kostenintensiv ist.
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DAS PROJEKTZIEL
Im Rahmen der aktuellen Diskussion und
Entwicklungen rund um das Thema Industrie 4.0
spielt auch eine vorausschauende Wartung und
Instandhaltung („Predictive Maintenance“) eine
immer größere Rolle. Das IDH des VVL untersucht
in diesem Zusammenhang im Projekt „Autosens“
Möglichkeiten zum technisch und wirtschaftlich
sinnvollen Einsatz von
Energy-Harvesting-Technologien.
Im Projekt „Entwicklung energieautarker, multisensorischer
Systeme zur Zustandsüberwachung von Industriemaschinen
auf Basis robuster, vernetzter Funksensoren“ (Autosens) untersucht
das Dortmunder Institut für Distributions- und Handelslogistik
(IDH) des VVL e. V. daher Möglichkeiten, durch den
Einsatz von Vibrationsgeneratoren ausreichend Energie aus
den Vibrationen von Maschinen in elektrisch nutzbaren Strom
zur Versorgung von Sensorknoten zu gewinnen.
Das Prinzip des Energy Harvesting umfasst mehrere Möglichkeiten
zur Umwandlung von Umgebungs- in elektrische
Energie. Am bekanntesten sind wahrscheinlich die Solarzelle
zur Nutzung von Licht- und das Windrad zur Nutzung von
Windenergie – weitere Varianten bestehen z. B. in der Umwandlung
von Temperaturdifferenzen sowie Bewegungen (vor
allem genutzt bei Automatikuhren) und von Vibrationen.
Die Schwierigkeit bei allen Energieumwandlungen besteht
darin, eine ausreichende Effizienz zu erzeugen. Während
Windräder und Solarkraftwerke nahezu keinen Baugrößenbeschränkungen
unterliegen, lassen sich Harvester in industriellen
Umgebungen regelmäßig nur in begrenztem Bauraum einsetzen.
Die dadurch vorgegebene Maximalgröße limitiert ihre
potenzielle Energieausbeute bereits insgesamt, sodass ein hoher
Wirkungsgrad erforderlich ist, d. h. die wenige zur Verfügung
stehende Energie muss idealerweise verlustfrei umgewandelt
werden. Tatsächlich kommen z. B. die verbreitet eingesetzten
Solarzellen aktuell nur auf einen Wirkungsgrad von
bis zu 15 Prozent, und das auch nur unter Laborbedingungen.
Dr. Jochen Schneider ist stellvertretender Leiter des Instituts für
Distributions- und Handelslogistik (IDH) des VVL e. V., Dortmund
34 f+h 2017/11 www.foerdern-und-heben.de