Toyota senkt Energiekosten mit neuem Luftkompressor-Steuerungssystem

Fuß auf die Bremse bei Emissionen

Sie haben sicherlich schon von emissionsfreien Fahrzeugen gehört. Aber was ist mit emissionsfreier Fahrzeugproduktion?

Das ist die Vision von Toyota, einem der größten Automobilhersteller der Welt. Im Rahmen der Toyota Environmental 2050 Challenge will das Unternehmen CO2-Emissionen in seinen weltweiten Produktionsstätten bis 2050 vollständig vermeiden.

Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, arbeitet Toyota daran, sowohl den Energieverbrauch zu reduzieren als auch auf erneuerbare Energien umzustellen. Und wie die Erfahrung im Werk Huntsville im US-Bundesstaat Alabama gezeigt hat, helfen diese Bemühungen Toyota nicht nur, seine Umweltbilanz zu verbessern – sie wirken sich auf positiv auf die Gewinne aus.

Überhöhte Energiekosten

Im Werk Huntsville werden Motoren für beliebte Toyota-Fahrzeugtypen wie Tacoma, Tundra und Highlander gefertigt. Die Werksmitarbeiter erhalten Motorenteile, die an anderen Standorten gegossen wurden, um sie zu bearbeiten und in die Motoren einzubauen, die dann wiederum an anderen Standorten in die Fahrzeuge montiert werden.

Das Luftkompressionssystem des Werks ist entscheidend für den Produktionsprozess. Es besteht im Wesentlichen aus fünf großen Radialkompressoren und versorgt das 112 000 m2 große Werk mit Luft für verschiedene Maschinenprozesse, die Automatisierung und die Trocknung von Motorkomponenten.

Druckluftsysteme sind von Natur aus energieintensiv. Das im Werk Huntsville eingesetzte System bildet da keine Ausnahme: 25 % der jährlichen Energiekosten des Werks fallen dort an.

Zusätzlich trieben die bisher genutzten Steuerungen den Energieverbrauch des Systems unnötig in die Höhe. Aufgrund ihrer veralteten Technik konnten die Steuerungen die Kompressoren nur langsam starten und boten keine Möglichkeiten, die Kompressoren als integriertes System zu betreiben. Außerdem war der Druckluftspeicher nicht ausreichend, um Bedarfsspitzen abzudecken.

Aufgrund dieser Beschränkungen mussten die Kompressoren unnötigerweise den größten Teil des Tages in Betrieb bleiben, um genug Druckluft für den gelegentlich erhöhten Luftbedarf im Werk bereitstellen zu können.

„Wir benötigen mindestens 81 psi, damit die Maschinen ohne Unterbrechung laufen können“, erklärt Eddy Kiggen, Anlagenspezialist bei Toyota. „Weil die Kompressoren aber so viel Zeit zum Anlaufen brauchten, mussten wir einen Druck von 91 psi sicherstellen, einfach nur um einen Ausfall bei einem niedrigen Luftdruck von 81 psi zu vermeiden.

Der Stromvertrag für das Werk stellte eine weitere Herausforderung dar. Strom, der während der Stoßzeiten verbraucht wird, ist teurer. Musste nun einer der großen Kompressoren in dieser Zeit gestartet werden, um eine optimale Auslastung des Werks zu gewährleisten, konnte schon ein einziger Maschinenstart die Stromrechnung für das Werk um die Stromkosten für einen gesamten Tag erhöhen.

Lokale und werksweite Upgrades

Um die Stromkosten im Sinne der Energieinitiative 2050 in den Griff zu bekommen, entschied sich Toyota Motor Manufacturing Alabama (TMMAL) für eine Modernisierung seiner Luftkompressor-Steuerungssysteme.

Dafür wandte man sich an IZ Systems und Case Engineering, einen Maschinenbauer, der dem PartnerNetwork-Programm von Rockwell Automation angehört. Das Unternehmen lieferte eine zweistufige Lösung, die lokale und werksweite Steuerungen umfasste.

Auf der lokalen Ebene migrierte Case die Steuerungen der fünf großen Kompressoren auf seine AirLogix-Steuerungslösung. Die Lösung basiert auf der CompactLogix-Steuerungsplattform und umfasst eine PanelView Plus 7-Bedienerschnittstelle, die Leistungs- und Diagnosedaten zu jedem Kompressor zur Verfügung stellt.

Auf der Werksebene setzte Case seine AirMaster-Lastverteilungslösung ein, um ein zentrales Luftsteuerungssystem zu schaffen. Diese Lösung basiert auf der ControlLogix-Plattform und nutzt die Software FactoryTalk View SE zur Datenerfassung und Visualisierung. Der von Case hinzugezogene Partner IZ Systems installierte zusätzlich einen knapp 19 000 Liter umfassenden Speichertank für stärker komprimierte Druckluft mit 500 psi, um eine störungsfreie Wiederherstellung des Systems zu ermöglichen.

Ein Modulierventil liefert Luft in Zeiten mit hohem Luftbedarf. Die gespeicherte Luft gewährleistet einen reibungslosen Übergang, wenn eine zusätzliche Zentrifugalmaschine zur Deckung des Luftbedarfs im Werk erforderlich ist.

Beachtliche Einsparungen

Mit den neuen, effizienteren Luftkompressor-Steuerungen konnte im Werk Huntsville der jährliche Energieverbrauch um fast 1 Million Kilowattstunden gesenkt werden. Noch nicht berücksichtigt sind dabei Einsparungen, die durch die Vermeidung von Anläufen in Stoßzeiten erzielt wurden.

Damit hat sich die Investition in neue Steuerungen schneller amortisiert als geplant. Anvisiert waren zwei Jahre.

„Wir konnten unseren Sollwert für das System von 91 auf 85 psi reduzieren“, berichtet Kiggen. „Hier waren die größten Einsparungen bei diesem Projekt möglich.“

Die aktualisierten lokalen Steuerungen sorgen für einen effizienteren Betrieb der Kompressoren, indem sie die Drosselklappenleistung jeder Maschine erhöhen. Die neue Master-Steuerung überwacht den Druck und der Luftstrom startet oder stoppt die Kompressoren je nach Bedarf. Die Steuerung zieht Druckluft aus dem Hochdruckspeicher, während ein Kompressor den Betrieb aufnimmt geht, fängt Bedarfsspitzen ab und schützt vor möglichen Problemen.

„Alles ist jetzt so eingerichtet, dass wir immer genug Druck im Speichertank haben, um eventuelle Einbrüche oder Kompressorausfälle abzufangen“, so Kiggen. „Wenn der nächste Kompressor, den wir starten wollen, ausfällt, starten wir einfach einen anderen, und im Werk wird niemand bemerken, dass es ein Problem gab.“

Das neue System liefert den Mitarbeitern Trendinformationen zur Überwachung von Luftdruck und -fluss, Energieverbrauch und kritischen Daten an jeder Maschine, z. B. Vibration. Und da diese Informationen nahezu in Echtzeit verfügbar sind, was bisher nicht der Fall war, tragen sie zur Analyse des Druckluftsystems und zur Fehlerbehebung bei.

Die Informationen können im Rahmen der routinemäßigen Betriebsüberwachung lokal an jeder Maschine angezeigt werden. Für Toyota und Case Engineering sind sie per Fernzugriff abrufbar.

„Neben dem Strom ist die Luft der wichtigste Energieträger, den wir haben, also wollen wir sie genau im Auge behalten“, erklärt Kiggen. „Ich schaue mir täglich die Daten an, um mir einen Überblick über die Leistung und Effizienz des Systems zu verschaffen. Ich erhalte eine Textnachricht, wenn es ein Problem gibt, z. B. einen Druckabfall oder ein Absinken der Druckluft im Speichertank unter ein bestimmtes Niveau. Es ist beruhigend, dass wir einen „direkten Draht“ zu Case haben, sodass wir Probleme direkt melden können und per Online-Zugriff schnelle Lösungen erhalten.“

Toyota beabsichtigt, dieses Projekt an anderer Stelle zu wiederholen, um ähnliche Energieeinsparungen zu erzielen und dabei dem Ziel „Null CO2-Emissionen“ näher zu kommen.

„Die Vermeidung von CO2-Emissionen bei der Produktion eines Fahrzeugs ist eine sehr große Aufgabe“, betont Kiggen. „Im Moment versuchen wir, so viel Energie wie möglich zu sparen, bevor wir mit den erneuerbaren Energien weitermachen. Für unser Werk gehören die Steuerungs-Upgrades zu den erfolgreichsten Energieprojekten seit langem.“

Die oben genannten Ergebnisse beziehen sich speziell auf den Einsatz von Produkten und Dienstleistungen von Rockwell Automation in Verbindung mit anderen Produkten durch Toyota. Die Ergebnisse können bei anderen Kunden anders ausfallen.