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| Energiesparlösungen für elektrische Antriebssysteme schonen Atmosphäre und Geldbeutel | | Gewinn für Klima und Industrie | Durch KIimawandel, steigende Brennstoffpreise, die gesellschaftliche Verantwortung der Unternehmen und Richtlinien wie EuP der Europäischen Union rückt das Thema Energiesparen immer mehr in den Vordergrund. Ein besonderes Augenmerk muss dabei der Antriebstechnik gelten, ist sie doch zu etwa 70 Prozent am industriellen Stromverbrauch beteiligt. Auf der anderen Seite lassen sich gerade hier durch eine gezielte Kombination bestimmter Maßnahmen besonders hohe Einsparpotentiale erzielen. Dabei sind die einzelnen Komponenten zu betrachten, die größten Potentiale bergen aber die Systemwirkungsgrade.
Rapide steigende Energiepreise und die Folgen des globalen Klimawandels machen Energieeinsparung zu einem wichtigen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Faktor. Dies haben inzwischen auch die Staatengemeinschaften erkannt und werden aktiv. So hat die Europäische Union, um den Verpflichtungen gegenüber dem Kyoto-Abkommen nachzukommen die ?Energy-using Products" (EuP) - Richtlinie entwickelt, die sich für die elektrische Antriebstechnik gegenüber dem Referenzwert von 1990 eine Einsparung von 39 Mio. Tonnen CO2 bis 2010 zum Ziel gemacht hat.
Voraussichtlich Ende 2007 wird die EuP-Richtlinie nationales Gesetz in den EU-Mitgliedsstaaten. Bis dahin werden die so genannten ?Durchführungsmaßnahmen" von Fachspezialisten erarbeitet, welche die bisher verfügbare Rahmenrichtlinie mit technischem Leben und konkreten Handlungsempfehlungen ausfüllen sollen. Hier sind Maßnahmen vorgesehen, die sowohl die Hersteller als auch die Anlagenbetreiber in die Pflicht nehmen: Die Hersteller indem sie in den Begleitpapieren ?Ökoprofile"/ Environmental Product Declarations (EDP) für ihre Produkte mitliefern, die ökologische Informationen und dabei natürlich auch die Energiebilanz über den gesamten Produktlebenszyklus enthalten, .
Die Anlagenbetreiber haben eindeutig den größeren Energiesparhebel in der Hand, da erst der sachgerechte Einsatz der Antriebstechnik (Frequenzumrichter und Energiesparmotoren) den gewünschten Erfolg bringt.
Gerade dort scheint es aber derzeit besonders schwierig zu sein, den Arm des EuP-Gesetzes einzurenken, da der Verkauf von Energie verschwendenden Motoren über Kennzeichnungslabel leichter reglementiert werden könnte als analysierte und umgesetzte Energiesparpotentiale bei den Anlagenbetreibern.
Richtig eingesetzte Antriebstechnik ist der Schlüssel zum energieeffizienten Betrieb
Warum aber neben der Komponente auch das ganze System im Blickpunkt stehen muss, zeigt Abbildung 1. Hier wird deutlich, dass ein unsachgemäß eingesetzter Energiesparmotor mit einem unrealistisch hohen Wirkungsgrad von 100% (physikalisch derzeit unmöglich!) mehr Energie verschwendet, als innerhalb eines wirtschaftlichen Antriebskonzeptes ein Motor der schlechtesten der gängigen drei Effizienzklassen.
In diesem Beispiel, einem Pumpenantrieb, wird der Gesamtwirkungsgrad des Systems - hier drehzahlvariabel durch Frequenzumrichter - noch stärker beeinflusst als durch den Wirkungsgrad der einzelnen Antriebskomponenten. Der drehzahlvariable Betrieb spart bei Strömungsmaschinen wie Pumpen bis zu 50% Energie - ein Wert, der sich allein selbst durch ideal angenommene Komponenten nicht erreichen lässt. In diesem Beispiel ist das Einsparpotential das sich hinter der teuren Überdimensionierung der Komponenten (leider an der Tagesordnung) verbirgt, noch gar nicht eingerechnet.
Insgesamt lassen sich durch wirkungsgradoptimierte Motoren, so genannte Energiesparmotoren, ca. 10% des Energiesparpotentials heben, durch Optimierungen des Systemwirkungsgrades 90%.
Bei der notwendigen Betrachtung des Zusammenspiels der Komponenten und der Gesamtzusammenhänge in der Anlage wiederum schlagen Nebenprozesse mit Strömungsmaschinen wie Pumpen- Lüfter und Kompressorenantriebe am meisten zu Buche.
Leider zeigt sich, dass vor allem in den Nebenprozessen täglich in Europa (EU-25) hier etwa 7 Millionen Euro an Stromkosten in Bestandsanlagen unnötig verpulvert werden, weil diese Anlagen noch nicht mit drehzahlvariablen Antriebsystemen ausgerüstet sind. Durch konsequenten Einsatz von Energiesparmotoren kämen zusätzlich täglich 1,3 Millionen Euro Einsparung dazu.
18 bis 19 Millionen Tonnen CO2 weniger in der Atmosphäre
Insgesamt lassen sich durch sachgerechte Nachrüstung europäischer Industrieanlagen (EU-25) jährlich 18 bis 19 Millionen Tonnen CO2 einsparen. Dies entspricht den Emissionen von 19 fossilen Kraftwerksblöcken oder 3,5 Mio. PKW.
Von den 18 bis 19 Millionen Tonnen Einsparpotential entfallen 3 Millionen Tonnen CO2 auf den Einsatz von Energiesparmotoren und ca. 15 Millionen Tonnen CO2 auf Nachrüstung mit Frequenzumrichtern für drehzahlvariablen Betrieb.
Energiesparmotoren reduzieren die Verluste um über 40%
Bei Motoren lassen sich durch gezielte Optimierungen am technischen Design die Verluste erheblich reduzieren. Bei hocheffizienten Motoren - also Wirkungsgradklasse EFF1, der höchsten der dreistufigen Skala des europäischen CEMEP-Verbandes - von Siemens sind die Verluste gegenüber Standardmotoren um über 40% reduziert. Besonderes Gewicht bekommt eine solche Wirkungsgradverbesserung vor dem Hintergrund, dass über 95% der Lebenszykluskosten eines Elektromotors auf die Energiekosten entfallen und nur wenige Prozent auf die Anschaffung, Installation und Wartung. Die Mehrkosten für den besonders hohen Wirkungsgrad amortisieren sich bei Austausch von defekten Motoren oder Einsatz in Neuinstallationen meist schon nach einigen Monaten.
Maximale Wirkungsgrade erreichen die neuen Nema-Motoren von Siemens durch den Kupferdruckgussrotor, der die Verlustleistung bei geringer Baulänge reduziert. Damit liegen die Motoren sogar über den amerikanischen NEMA-Premium-Standards (NEMA = National Electrical Manufacturers Association) liegt. Durch die Steigerung des Wirkungsgrades sind bei den NEMA-Motoren Verlustreduzierungen größer 42% erreichbar.
Auch Kupplungen und Getriebe sparen Energie
Auch auf der mechanischen Seite des Antriebssystems - bei den Kupplungen und Getrieben - lassen sich durch Komponentenoptimierungen Energiesparpotentiale heben. Hier ergeben höchste Qualitätsansprüche bei entsprechendem Know-how im Engineering höchste Wirkungsgrade. Im Bereich der Getriebetechnologie von Flender bedeutet das: Erstklassige Fertigung auf modernsten Maschinen, die das Konvertieren von komplexen Berechnungen auf die Herstellung von Verzahnung zulassen. Diese Technologie ist die Grundlage für eine hohe Leistungsdichte.
Auf der anderen Seite steht das Know-how des Ingenieurs, der sowohl die Belastung als auch die Betriebsfaktoren beherrscht, um Getriebe zu berechnen, die den Anforderungen der Applikation optimal entsprechen.
Bis zu 50% Energieeinsparung durch drehzahlvariablen Betrieb
Noch höher als bei den Einzelkomponenten sind die Einsparpotentiale durch energieeffizienten Betrieb des kompletten Antriebssystems.
Der drehzahlvariable Betrieb mit Frequenzumrichter spart insbesondere bei Anwendungen mit quadratischem Drehmomentverlauf, also Strömungsmaschinen wie Pumpen, Lüfter und Kompressoren, Energie im zweistelligen Prozentbereich.
Der Grund: Im Gegensatz zu traditionellen Regelungsverfahren bei denen der Motor immer mit einer festen, auf die maximale Fördermenge ausgelegten Drehzahl läuft und die überschüssige Fördermenge mit mechanischen Stellgliedern wie Drosselklappen ?in Wärme vernichtet " wird, passen Antriebssysteme mit Frequenzumrichter die Drehzahl und damit die Energieaufnahme stets genau den aktuellen betrieblichen Erfordernissen an. Je nach Anlagenkennlinie kann die Energieersparnis insgesamt bis zu 50 % betragen, wobei bei steilen Anlagenkennlinien das Einsparpotential besonders hoch ist. Die Anschaffung eines Frequenzumrichters amortisiert sich deshalb oft schon nach wenigen Monaten. Besonders schnell geht dies bei Umrichtern die Anwendungen mit den größten Energiesparpotentialen also Pumpen, Lüfter oder Kompressoren zugeschnitten sind. Dies sind beispielsweise Sinamics G110, G120, G150, GM150 oder Robicon Perfect Harmony.
Zusätzliche Energie lässt sich bei Anwendungen mit häufigen Bremszyklen also zeitweise generatorischem Betrieb der Motoren mit rückspeisefähigen Umrichtern sparen. Solche Anwendungen sind zum Beispiel Hebezeuge, Zentrifugen, Förderbänder, Prüfstände, Scherenantriebe in der Stahlerzeugung oder Walzen von Papiermaschinen. Anstatt die beim Bremsen freiwerdende Energie zu verheizen speisen hier die Umrichter diese zurück ins Netz. Die zurückgespeiste Energie kann von anderen Verbrauchern genutzt werden, was der Anlage je nach Anwendungsfall noch einmal eine Ersparnis von 2 bis 4 Prozent bringt.
Anlagenweiter Blickwinkel schöpft Energiesparpotentiale voll aus
Alles in allem kann die sachgemäße Nachrüstung von Antriebskomponenten und -systemen den CO2-Ausstoß in der Europäischen Union (EU-25) um 18 bis 19 Millionen Tonnen pro Jahr reduzieren. Damit diese Einsparpotentiale auch vollständig gehoben werden, ist eine anlagenweite und lebenszyklusweite Betrachtungsweise notwendig. Hierzu bietet Siemens ein umfangreiches Dienstleistungspaket an: Dieses beginnt mit der Potentialanalyse, bei der die gesamte Antriebslandschaft einer Anlage - also die Produkte und Systeme sowie deren Zusammenwirken - auf ihre Energieeffizienz hin untersucht werden. Ein Hilfsmittel hierzu ist beispielsweise das PC-Programm SinaSave. Für jede Antriebsaufgabe lässt sich dabei anhand der anlagen- und applikationsspezifischen Daten durchrechnen, ob sich hier der Einsatz eines Energiesparmotors oder eines Frequenzumrichters lohnt und nach welcher Zeit sich eine solche Anschaffung amortisiert. Ist das Potential ermittelt, wird ein detaillierter Maßnahmenplan erstellt, dann werden die Kosten kalkuliert und geeignete Komponenten ausgewählt. Dann folgen Umsetzung: Installation, Integration und Inbetriebnahme. Abschließend gibt es noch einen Nachweis der tatsächlichen Einsparung - mit dem sich beispielsweise das Erfüllen bzw. Übererfüllen der EuP-Richtlinie belegen ließe.
?Win-win"-Situation
Mit den zum Erfüllen der EuP-Richtlinie notwendigen Energieeinsparungen ergäben sich klassische ?Win-Win"-Situationen. Das Klima und damit die Weltbevölkerung profitieren von dem drastisch reduzierten CO2-Ausstoß. Die Anlagenbetreiber profitieren von dem geringeren Stromverbrauch und den dadurch sinkenden Betriebskosten. Nachdem sich die Anschaffung energiesparender Komponenten und Systemen oft schon nach einigen Monaten amortisiert, stehen dem Betreiber die Einsparungen bald als reiner Gewinn zur Verfügung.
So reduzierte in einer Papierfabrik die Nachrüstung eines bislang mit fester Drehzahl betriebenen Pulperantriebs mit einem Frequenzumrichter Sinamics G150 den Stromverbrauch um 40%. Die Maßnahme amortisierte sich nach weniger als eineinhalb Jahren und bringt dem Betreiber jetzt jedes Jahr eine Ersparnis von 50.000 ?. Bei einem belgischen Sojamilchhersteller amortisierten sich die Kosten für ein Energiesparkonzept von 151.000 ? nach etwa 14 Monaten. Er spart jetzt jährlich 131.000 Euro.
Um in solchem Umfang Klima und Geldbeutel zu schonen lohnen sich Lebenszykluskosten-Analysen, die die komplette Anlage mit ihren Haupt- und Nebenprozessen im Fokus hat und alle Investitionsmöglichkeiten aufzeigt, die ein Payback von weniger als zwei Jahren haben. Die Motivation, solche sinnvollen Energiesparinvestitionen tatsächlich umzusetzen, könnte der Gesetzgeber - in diesem Falle die EU - weiter erhöhen, beispielsweise durch Steuererleichterungen oder niedrige Kreditzinsen.
erschienen in: Elektronik Sonderausgabe "ecodesign" September 2006 |
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