Bevor man Energie einsparen kann, muss man wissen, wie viel und vor allem wo man sie verbraucht. Diese naheliegende Faustregel der Energieeffizienz ist die Grundlage für Smart Meter im Haushalt – digitale Stromzähler, die den Verbrauch im Viertelstundentakt aufdröseln und so die „Energiefresser“ identifizieren können. Dasselbe Prinzip lässt sich auch, in größerem Maßstab, auf Industriebetriebe umlegen. Auch dort finden sich energieintensive Prozesse, die oft unnötig viel an Strom oder Wärme verschlingen. Ein einzelner Smart Meter richtet dort aber nicht viel aus.
Daher braucht es viele unterschiedliche, individuelle Messpunkte, um ein detailliertes Bild des Energieverbrauchs zu zeichnen und daraus Schlüsse für Effizienzmaßnahmen zu ziehen. „Um das volle Potenzial auszuschöpfen, werden nicht nur Stromzähler eingesetzt, sondern eine ganze Reihe von physikalischen Sensoren, die beispielsweise Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit oder Magnetfelder messen können“, sagt Gernot Hofer vom Department für Automatisierungstechnik der FH Campus 02.
Vielfältigkeit der Energiemessung als Herausforderung
Dort läuft seit rund einem Jahr ein Forschungsprojekt, das sich der Entwicklung solcher Sensorsysteme widmet. Die Herausforderung besteht in der Vielseitigkeit, die eine umfassende Energiemessung im industriellen Umfeld erfordert: „Die Sensoren müssen energieautark, wartungsfrei und vor allem kabellos vernetzt sein. Sind sie einmal verbaut, müssen sie auch zuverlässig funktionieren“, sagt Hofer.
Als Beispiel führt er ein Windrad an, dessen Rotorblätter mit Sensoren überwacht werden sollen. In schwindelerregender Höhe zeichnen sie Daten zur Stabilität der Konstruktion auf, die Aufschluss darüber geben, ob das Windrad wie gewünscht funktioniert und wann es Zeit für eine Erneuerung des Materials ist.
Sensor muss rund um die Uhr Daten liefern
Zu diesem Zweck müssen die Sensoren verlässlich rund um die Uhr Daten liefern und dürfen nicht ausfallen – die Reparatur eines defekten Sensors würde teure Stehzeiten in der Windkraftproduktion bedeuten. Wichtig ist daher eine stabile Funkverbindung für die Datenübermittlung. Hofer setzt dafür auf eine Technologie, die mit dem bekannten W-Lan verwandt ist: LoRaWAN.
Die Abkürzung steht für „Long Range Wide Area Network“ und bezeichnet eine Methode der Funkübertragung von digitalen Daten über weite Strecken bis zu zehn Kilometern. Die Besonderheit dabei ist, dass auch für große Entfernungen nur wenig Energie für die Datenübertragung benötigt wird.
Sensoren brauchen kleine Menge an Energie für Betrieb
Das kommt einem Sensor, der auf der Spitze eines Rotorblatts montiert ist, zugute: Eine Verkabelung des Sensors wäre technisch zu aufwendig. Ein wenig Energie wird für den Betrieb des Sensors dennoch benötigt, weshalb das Entwicklungsteam rund um Hofer auf „Energy Harvesting“ setzt: „Unsere Sensoren gewinnen kleine Mengen an elektrischer Energie aus der Umgebung, sei es mit kleinen Photovoltaik-Zellen oder durch Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen.“ Die Eigenversorgung mit Energie erlaubt den vielseitigen Einsatz des Sensorsystems auch an unzugänglichen oder abgelegenen Orten.
Einfache Nachrüstung bestehender Messeinrichtungen
Die einfache Installation und Nachrüstung auf bestehenden Messeinrichtungen ist ein weiterer Vorteil des Systems. Einen ersten Testlauf konnte es in einem steirischen Lackier-Betrieb absolvieren: „Das Unternehmen wollte seine Energieeffizienz erhöhen und hat nach Einsparpotenzial gesucht. Unsere Sensoren überwachen dort jetzt die Druckluftanlage und schlagen Alarm, wenn es durch Leckagen zu erhöhtem Energieverbrauch kommt“, sagt Hofer.
Mittels Energiemessung lasse sich auch der Funktionszustand von Maschinen überwachen. Tauchen ungewöhnliche Muster im Stromverbrauch auf, meldet der Sensor, dass es Zeit für eine Wartung wäre – noch bevor es zu Schäden kommen kann.
Vorrausschauende Wartung als Möglichkeit
Für diese Möglichkeit der „vorausschauenden Wartung“ interessieren sich Unternehmen auch außerhalb der Steiermark: Hofer berichtet von einer Forschungskooperation mit einem tschechischen Industrieunternehmen. Für weitere Projekte mit der Industrie steht er offen.
