Sonderschau in Halle 26

Betriebswirtschaftlich gesehen ist Energieeffizienz die optimale Nutzenausbeute bei geringstmöglichem Energieeinsatz. Doch diese einfache Formel gilt spätestens seit der sich abzeichnenden Klimaveränderung nicht mehr – Energieeffizienz ist ein gesamtgesellschaftliches Thema geworden. Unternehmen stehen dabei genauso in der Verantwortung wie private Haushalte oder die Politik. Dennoch bleibt die technologische Komponente der Kern jeglicher Veränderung. Wer wissen will, welche Innovationen im Bereich der Energieeffizienz in den nächsten Monaten und Jahren unser Leben verändern, findet auf der Hannover Messe 2009 die richtigen Lösungsansätze. Die Sonderschau „Energieeffizienz in industriellen Prozessen“ unter Schirmherrschaft des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gibt einen guten Überblick über die wichtigsten Potenziale der Energieoptimierung. Angefangen bei praxisnahen Referenzmodellen aus verschiedenen Branchen und Technologiebereichen bis hin zu Live-Vorführungen energie-intelligenter Lösungen – in Halle 26 erleben die Besucher die verschiedensten Ansätze für konkrete Effizienzmodelle. Zu den Ausstellern zählen dabei Unternehmen aus den Bereichen Automation, Antriebstechnik und Maschinenbau. Gerade bei Standardanwendungen in den betrieblichen Nebenfunktionen wie Pumpen, Lüften, Verdichten, Fördern, Bewegen, Klimatisieren und Kühlen finden sich erhebliche Optimierungspotenziale. Allein der Austausch veralteter Antriebssysteme würde jährlich 27,5 Milliarden Kilowattstunden Strom einsparen. Das entspricht umgerechnet elf Prozent des gesamten industriellen Stromverbrauchs beziehungsweise 2,2 Milliarden Euro an Energiekosten. Dass entsprechende Lösungen dabei keineswegs aufwendig oder kostenintensiv sein müssen, zeigen bereits einfache Beispiele.

Neue Impulse für den Herzschlag der Industrie

Ohne Pumpen läuft in der Industrie, im Haushalt oder im Verkehr fast nichts. Beim Fördern von Wasser, Heizöl, Treibstoff oder Abwasser verschwenden ineffiziente Pumpen jedoch nach wie vor viel Energie, so dass Pumpen mit zu den größten industriellen Stromverbrauchern gezählt werden müssen. Bei der Betrachtung der Energiebilanz eines Pumpensystems stehen neben den Pumpen eine Reihe von Komponenten auf dem Prüfstand, die ihren Anteil am Energieverbrauch des Systems haben. Erste Anhaltspunkte gibt die Kontrolle des Zustands des Pumpensystems. Läuft das System ordnungsgemäß? Laufen alternierende Pumpen gleich lang? Starten sie häufiger als üblich? Liegen die Betriebszeiten in Regen- und Tauwetterperioden im Bereich des Erwarteten?

Reif für einen neuen Schrittmacher

Um die Energie effizient einzusetzen, ist eine genauere Betrachtung der Betriebsbedingungen unerlässlich, und Punkte wie Belastung, Gegendruck, Pumpen sowie Betriebsbedingungen zum Beispiel im Abwasserbereich sind abzuklären. Je mehr Wasser gepumpt werden muss, desto größer ist die Belastung der Pumpenstation. Sie lässt sich nur durch Minimierung von Fremdwasser und Änderung des Einzugsgebiets verringern. Der Gegendruck ist eine Größe, die sich u. a. durch regelmäßige Wartung positiv beeinflussen lässt. Er ergibt sich aus dem geodätischen Gegendruck (Förderhöhe) und dem dynamischen Gegendruck (Reibung). Die Förderhöhe kann man als unveränderliche Gegebenheit einstufen, auf die Reibung in dem Leitungssystem haben die Betreiber allerdings Einfluss. Je schneller das Abwasser durch die Rohre gepresst wird, desto größer sind der Gegendruck und der Energiebedarf. Desgleichen gilt: je größer der Leitungsdurchmesser, desto kleiner der Gegendruck.

Auf den Rhythmus kommt es an

Die Leistung der Pumpen wurde in den meisten Fällen bei der Planung des Pumpensystems festgelegt. Oft laufen nach einiger Zeit die Planungs- und die tatsächlichen Daten aber deutlich auseinander. Beispielhaft zeigt das eine Langzeitstudie, die ermittelt hat, dass an weniger als neun von zehn Tagen nur die halbe Pumpenkapazität benötigt wird. Anders gesagt, die volle Pumpenleistung wird lediglich an Tagen mit großem Zufluss benötigt. Um einen energiesparenden Betrieb der Pumpen zu gewährleisten, ist also die richtige Auslegung entscheidend. Wenn die Pumpen zu groß sind, laufen sie unnötig oft an und verbrauchen dabei viel Energie. Durch eine Regelung lassen sich die Fließgeschwindigkeit und damit der dynamische Gegendruck sowie die Anzahl der Starts reduzieren. In der Praxis findet man drei Varianten der Drehzahlregelung: über Polumschaltung, über Getriebe und über Frequenzumrichter. Die günstigste ist zumeist die Frequenzregelung. Damit lassen sich erhebliche Einsparungen durch reduzierten Energie- und Wartungsbedarf erzielen. Positiver Nebeneffekt: Der Frequenzumrichter senkt durch viele integrierte Funktionen und Baugruppen die Investitionskosten für zusätzliche externe Komponenten wie beispielsweise Netzdrosseln und verbessert den Anlagenschutz.

Jeder Pumpenstart kostet Geld

Im Schnitt benötigen Pumpensysteme fünf bis zehn Prozent der Energie für den Start, in ungünstig ausgelegten Anlagen kann der Energiebedarf für Starts bis zu 40 Prozent betragen. Durch neue Frequenzumrichter lässt sich die hier benötigte Energie stark verringern, da sie den Durchfluss in weiten Bereichen an den Bedarf anpassen können und nicht über Ein- und Ausschalten der Pumpe steuern müssen. Zudem erlaubt der sanfte Anlauf und die schnelle Beschleunigung auf die Mindestdrehzahl der Pumpe bei Start- und Stopp-Vorgängen einen schonenden Betrieb.

Kosten reduzieren mit Frequenzregelungen

Die Installation von Frequenzumrichtern führt in der Regel zu deutlichen Energieeinsparungen. Aber eine Investition in diesem Bereich muss – wie überall – in einem vernünftigen Verhältnis zur Einsparung stehen. Für Experten wie Danfoss liegt die Wirtschaftlichkeitsgrenze bei Pumpenstationen bei einem jährlichen Stromverbrauch von mehr als 10.000 Kilowattstunden. Über den Energieeinsparaspekt hinaus gibt es noch eine Reihe gewichtiger Gründe, über den Einbau von Frequenzregelungen nachzudenken. Denn wenn die Drehzahl sinkt, laufen die Pumpen langsamer und die für die Pumpen belastenden Starts und Stopps verringern sich. Zudem ermöglichen Frequenzumrichter einen sanften Pumpenanlauf und schädliche Druckstöße treten nicht auf. Durch einen kontinuierlicheren Zulauf können sich die Prozesssteuerungen vereinfachen. Frequenzumrichter erlauben einen übersynchronen Betrieb und schaffen dadurch kurzfristige Leistungssteigerungen. Um die möglichen Energieeinsparungen zu realisieren, ist die Wahl der richtigen Frequenzumrichter und Antriebe entscheidend. Pro Pumpe sollte ein Frequenzumrichter installiert werden, so dass nicht alle Pumpen von der gleichen Regeleinheit angetrieben werden. Dies erhöht zusätzlich auch die Betriebssicherheit. Bei der Auswahl reicht es nicht, lediglich nach Nennleistung und Nennstrom zu schauen. Für einen störungsfreien Betrieb mit langen Standzeiten ist es darüber hinaus entscheidend, dass das erreichbare Startmoment des Umrichters in allen Betriebssituationen größer ist als das Startmoment des Pumpenmotors.

Antriebslösungen für mehr Energieeffizienz

Um sich darüber klar zu werden, wie sich im Bereich der Antriebstechnik Potenziale zum Energiesparen identifizieren und nutzen lassen, hilft ein Blick auf die generelle Funktion der Antriebe in industriellen Anwendungen: Zwar sind Antriebe die größten Umsetzer elektrischer Energie, doch sind sie keine Verbraucher im engeren Sinne – sie wandeln lediglich die elektrische in mechanische Energie um. Diese kann dann für die unterschiedlichsten Produktions-, Materialtransport- und Infrastrukturprozesse genutzt werden. Entscheidend ist also letztlich, dass die Antriebe die benötigte mechanische Leistung zur Verfügung stellen. Das lässt sich an einem einfachen Beispiel zeigen: Erreicht ein Antriebssystem einen Wirkungsgrad von 75 Prozent, dann müssen – bezogen auf die erforderliche mechanische Leistung – 133 Prozent elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden. Bei einer Verschlechterung des Wirkungsgrads auf 50 Prozent sind sogar 200 Prozent elektrische Leistung erforderlich. Gleichzeitig verdreifachen sich die Verluste. Ob Energie effizient eingesetzt wird, lässt sich also daran messen, wie weit oberhalb der benötigten mechanischen Energie für den gesamten Arbeitsbereich elektrischer Antriebssysteme die aufgebrachte elektrische Energie liegt.

Viel hilft viel?

Heute ist es noch gängige Praxis, Antriebe überzudimensionieren. Oft steht dahinter schlicht die Angst, Komponenten vielleicht doch zu klein ausgewählt zu haben. Für die Energieeffizienz der Anlage hat das gravierende Folgen: Im Teillastbereich arbeiten nämlich fast alle Antriebskomponenten mit einem schlechteren Wirkungsgrad – für den mechanischen Prozess muss also mehr elektrische Energie und damit auch mehr Verlustleistung aufgebracht werden. Nur durch eine exakte Analyse und Auslegung des Antriebs lässt sich das verhindern. In vielen Prozessen ist die erforderliche mechanische Leistung variabel. In solchen Situationen lässt sich die Energieeffizienz durch den Einsatz von Umrichtern zur Drehzahlsteuerung von Motoren steigern: Ein gesteuerter Antrieb kann sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment so verändern, dass genau die Leistung in den mechanischen Prozess geleitet wird, die dieser momentan benötigt. Da bei fast allen mechanischen Prozessen der Leistungsbedarf von vielen Parametern abhängt, also nicht konstant ist, lohnt sich letztlich bei fast jedem Antrieb aus funktionalen und energetischen Gründen der Einsatz eines Umrichters.

Wirkungsgrad gezielt verbessern

Nach der Auswahl eines optimal zur Anwendung passenden Antriebs ist der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der elektrischen Energie zu betrachten. Dabei müssen die Komponenten des Antriebsstrangs einzeln betrachtet werden. Beim Umrichter hängt der Wirkungsgrad im Wesentlichen von den Bauteilen der Leistungselektronik ab. Die hier fast ausschließlich verwendeten IGBTs haben sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verbessert, so dass sich der Wirkungsgrad der Umrichter von aktuell 94 bis 98 Prozent mit einfachen technischen Maßnahmen nicht weiter steigern lässt. Ein hohes Potenzial haben dagegen Elektromotoren. Der Standard-Drehstrommotor in Asynchrontechnik kann so gestaltet werden, dass sein Wirkungsgrad steigt. Unter allen geregelten Antrieben wiederum ist der Synchronmotor eine gute Alternative zum Asynchronmotor, weil er bei gleichem Drehmoment weniger Strom benötigt und damit natürlich auch weniger Verluste erzeugt. Und schließlich hat auch die Wahl des Getriebes Einfluss auf den Wirkungsgrad: Die Verzahnungen von Stirnrad- und Kegelradgetrieben zum Beispiel erreichen einen hohen Wirkungsgrad. Entscheidend ist dabei die Anzahl der Übersetzungsstufen. Es empfehlen sich Getriebe, die in einem großen Einsatzbereich mit zwei Übersetzungen auskommen. Schneckengetriebe dagegen haben schlechte Wirkungsgrade.

Bremsenergie nutzen

Der Blick darauf, für welche Prozesse in elektrischen Antriebsanwendungen Energie eingesetzt wird, zeigt noch einen dritten wichtigen Bereich zur Erhöhung der Energieeffizienz: Energie wird zu einem großen Prozentsatz nicht zur Veränderung von Werkstücken, sondern für das Beschleunigen und Heben von Materialien verwendet. Gerade bei Massenfertigungen, bei denen eine große Anzahl von Produkten hergestellt wird, gibt es vielfältige dynamische Positionier- und Hebevorgänge. Sie beschleunigen mit hohen Taktraten Materialien, entnehmen dabei dem elektrischen Netz kontinuierlich Energie und bremsen oder senken sie dann wieder ab. Auf diese Weise wird durch den generatorischen Effekt wieder Energie freigesetzt. Sie wird aber in den allermeisten Fällen nicht weiter genutzt, sondern über einen Bremswiderstand als Wärme „verheizt“. Gerade bei hohen Wiederholraten ist hier das Maß ineffizient eingesetzter Energie beachtlich. Bei hochgetakteten Anwendungen bieten sich deshalb als Alternative zum Bremstransistor Rückspeiseeinheiten an. Auch der Energieaustausch zwischen Umrichtern bietet interessante Möglichkeiten, Bremsenergie für den Prozess zu nutzen. In einigen Anwendungsfällen lässt sich außerdem die rückgespeiste Energie für den nächsten Beschleunigungsvorgang zwischenspeichern. Im Vergleich zur reinen Umsetzung in Wärme lässt sich also auf verschiedenen Wegen die Energieeffizienz deutlich erhöhen. Um dieses Potenzial zu erschließen, müssen bei der Konstruktion der Anlagen die Prozesse identifiziert werden, bei denen ein nennenswertes Maß an Bremsenergie anfällt. Zusammengefasst lässt sich durch eine genaue Analyse von Antriebsanwendungen der Energieverbrauch industrieller Prozesse deutlich senken. Hersteller wie die Lenze AG betonen, dass sich bei Einbezug des gesamten Werkzeugkastens der elektrischen Antriebstechnik wesentlich größere Energiesparpotenziale erschließen lassen, als durch die bloße Konzentration auf Energiesparmotoren.

Hannover Messe vereinigt technologische Leistungsfähigkeit einer ganzen Industrie

Ähnliche Potenziale wie bei den hier angeführten Beispielen des Pumpens und Förderns liegen auch in vielen anderen Bereichen industrieller Prozesse. Etwa beim Lüften, Verdichten und Klimatisieren. Sie alle können zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen und damit nicht nur den CO2-Ausstoß reduzieren, sondern auch zu einer nachhaltigen Senkung der Betriebskosten führen. So lassen sich beispielsweise durch intelligente Konzepte bei den Lüftungsanlagen Energieeinsparungen von 30 Prozent und mehr erzielen. Effiziente Steuerungs- und Überwachungstechnik zur Vermeidung von Leckagen bei der Druckluftnutzung können die anfallenden Kosten ebenfalls um rund ein Drittel reduzieren. Und auch bei der Prozesswärme und Prozesskälte lohnt es sich, über Energieeinsparpotenziale nachzudenken. Hocheffizienzmotoren, drehzahlgeregelte Kompressoren, Solaranlagen, Wärmerückgewinnung und Pumpen auf dem neuesten Stand der Technik ermöglichen Einsparpotenziale von bis zu 50 Prozent bei kurzfristigen Amortisationszeiten. All diese Anregungen und Lösungen sind in diesem Jahr wieder auf der Hannover Messe zu finden. Außer auf die Sonderschau „Energieeffizienz in industriellen Prozessen“ richten auch viele Aussteller ihren Fokus auf die Optimierung des Energieverbrauchs. Ein eigener Shuttle-Service wird die Sonderschau deswegen an die einzelnen Leitmessen anbinden. So werden Besucher direkt zu den Ausstellern, die sich auf das Schwerpunktthema Energieeffizienz konzentrieren, gebracht. Die Industrie setzt damit auf der Hannover Messe auch im schwierigen Wirtschaftsumfeld des Jahres 2009 neue technologische Standards. Sie müssen aber nicht nur von den produzierenden Unternehmen, sondern in vielen Fällen auch von den Verbrauchern und vor allem von der Politik aufgegriffen und gefördert werden.

Autoren:

Andreas Schreitmüller, Danfoss GmbH

Dr. Edwin Kiel, Lenze AG

Marc de Bruyn Ouboter, EnQ-Magazin

Download:

EnQ Magazin 01/2009