Energieeinsparmöglichkeiten

Zur Einsparung von Energie kann eine Vielzahl an verschiedenen Maßnahmen ergriffen werden (siehe Abb. K16).

• Reduzieren des Energieverbrauchs

Mit diesen Maßnahmen werden durch einen niedrigeren Verbrauch (z. B. durch Installation von hochenergieeffizienten Leuchtmittel mit gleicher Qualität bei geringerem Energieverbrauch) oder eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch Optimierung des Energieverbrauchs (z. B. durch automatische Beleuchtungssteuerung an die Umgebungssituation) dieselben Ziele verfolgt.

• Energiesparen

Diese Maßnahmen reduzieren die Kosten pro Einheit anstatt den Gesamtenergieverbrauch. Aktivitäten könnten beispielsweise vom Tag in die Nacht verlegt werden, um günstigere Tarife zu nutzen. Auch können Arbeiten so geplant werden, dass Spitzenzeiten und bedarfsgerechte Versorgungsmaßnahmen vermieden werden.

• Versorgungssicherheit

Neben dem Beitrag zur betrieblichen Effizienz durch das Vermeiden von Produktionsausfällen, den diese Maßnahmen leisten, vermeiden sie außerdem Verluste durch wiederholten Neustart und Extraarbeit, die anfällt, wenn ganze Chargen vernichtet werden müssen.

Abb. K16 – Allgemeine Strategie für das Energiemanagement

Jedem kommen sofort Systeme zur Umwandlung von Energie in den Sinn (Motoren, Leuchtmittel, Heizgeräte), wenn sie an Bereiche denken, in denen Einsparungen vorgenommen werden können. Vielleicht weniger offensichtlich sind die Einspar­möglichkeiten, die verschiedene Steuergeräte und Programme in Verbindung mit dieser Art von Systemen bieten.

Energieeinsparmöglichkeiten - Antriebstechnik

In industriellen Anwendungen entfallen 80 % des Energieverbrauchs auf Motoren.

Die Antriebstechnik stellt einen der potentiellen Bereiche dar, in dem Energie eingespart werden kann.

Es gibt viele Lösungen, mit denen man die Energieeffizienz bei Antrieben wie unten beschrieben, verbessern kann. Außerdem sind entsprechende Informa­tionen im Whitepaper „Energy efficiency of machines: the choice of motorization (Energieeffizienz bei Maschinen: Wahl der Motorisierung)“ zu finden.

Auswahl/Austausch des Motors

Wenn die passive Energieeffizienz verbessert werden soll, wird oft mit dem Austausch von Motoren begonnen, insbesondere wenn bestehende Motoren alt sind und neu gewickelt werden müssen.

Dieser Trend wird noch verstärkt durch den Beschluss führender industrieeller Länder, den Vertrieb von nicht energieeffizienten Motoren in naher Zukunft zu verbieten. Viele Länder haben auf Grundlage der in der Norm IEC 60034-30 (VDE0530-30) definierten Effizienzklassen (IE1, IE2, IE3) einen Plan aufgestellt, mit dem der Verkauf von Motoren der Klasse IE1 und IE2 schrittweise umgestellt wird auf Motoren, die IE3-Anforderungen erfüllen.

In der EU müssen Motoren von 0,75 bis 375 kW beispielsweise bis Januar 2017 umgestellt werden, um die IE3-Anforderungen zu erfüllen oder die IE2- Anforderungen in Kombination mit einem Frequenzumrichter, entsprechend Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22 Juli 2009.

Für den Austausch eines alten Motors gibt es zwei Gründe:

• Ausnutzen der Vorteile von neuen Hochleistungsmotoren (siehe Abb. K17)

Abhängig von ihrer Bemessungsleistung können Hochleistungsmotoren die betriebliche Effizienz im Vergleich zu konventionellen Motoren um bis zu 10 % steigern. Im Vergleich zu Originalmotoren sinkt dagegen die Effizienz von Motoren nach der Neuwicklung um 3 % bis 4 %.

• Vermeiden von Überdimensionierungen

In der Vergangenheit haben Planer oft übergroße Motoren berücksichtigt, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten und das Risiko von Defekten, sogar unter sehr unwahrscheinlichen Bedingungen, zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass mindestens ein Drittel der Motoren klar überdimensioniert sind und mit weniger als 50 % ihrer Bemessungslast arbeiten.

Abb. K17 – Definition der Energieeffizienzklassen für NS-Motoren nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30)

Aber:

• Überdimensionierte Motoren sind teurer.
• Überdimensionierte Motoren sind unter Umständen weniger effizient als korrekt dimensionierte Motoren. Motoren erreichen ihren effektivste Arbeitspunkt, wenn sie zwischen 60 % und 100 % ihrer Bemessungslast in Betrieb sind und so gebaut sind, dass sie kurzzeitg 120 % ihrer Bemessungslast aufrechterhalten können.

Die Effizienz sinkt rapide bei Lasten unter 30 %.

• Arbeitet der Motor nicht bei Volllast, fällt der Leistungsfaktor drastisch ab, was durch eine erhöhte Blindleistungsaufnahme zu Kosten führen kann.

Wenn man weiß, dass Energiekosten über 97 % der Lebenszykluskosten eines Motors ausmachen, kann eine Investition in einen zwar teureren, aber effizienteren Motor schnell sehr gewinnbringend sein. Vor der Entscheidung, einen Motor auszutauschen, ist es jedoch wichtig:

• den restlichen Lebenszyklus des Motors zu berücksichtigen,
• daran zu denken, dass die Kosten für den Austausch eines Motors, auch wenn dieser klar überdimensioniert ist, nicht gerechtfertigt sind, wenn seine Last sehr gering ist oder er ohnehin nur selten eingesetzt wird (z. B. unter 800 Stunden pro Jahr, siehe Abb. K18),
• sicherzustellen, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z. B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.

Abb. K18 – Senkung der Lebenszykluskosten für Motoren der Klasse IE2 und IE3 im Vergleich zu Motoren der Klasse IE1, abhängig von der Anzahl der Betriebsstunden pro Jahr

Betrieb des Motors

Einsparungen sind möglich durch:

• Austausch eines überdimensionierten alten Motors durch einen entsprechenden Hochleistungsmotor
• Optimierten Betrieb des Motors
• Einsatz einer Drehzahlregelung oder eines Sanftanlassers.

Die Energieeffizienz von Motoren kann auch noch auf andere Weisen verbessert werden:

• Steigern der aktiven Energieeffizienz durch einfaches Abschalten der Motoren, sobald sie nicht mehr gebraucht werden. Für diese Maßnahme müssen möglicherweise Automatisierungssysteme, Schulungen oder Überwachungen verbessert oder Anreize für das Bedienpersonal geboten werden.

Bedienpersonen, die nicht für den Energieverbrauch verantwortlich sind, vergessen eventuell schnell einmal, den Motor abzuschalten, wenn er nicht gebraucht wird.

• Überwachung und Korrektur aller Komponenten innerhalb der Kettentriebe, angefangen mit denen der größeren Motoren, welche die Gesamteffizienz beeinträchtigen können. Dabei könnte beispielsweise die Justierung von Wellen oder Kupplungen notwendig sein. Ein Winkelversatz von 0,6 mm in einer Kupplung kann zu einem Leistungsverlust von bis zu 8 % führen.

Steuerung des Motors

Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen.

Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z. B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.

Um die bestmögliche Gesamtenergieeffizienz zu gewährleisten, ist bei der Auswahl des Steuerungssystems für den Motor je nach dessen Anwendung mit größter Sorgfalt vorzugehen:

• Für Anwendungen mit konstanter Drehzahl bieten Motorstarter preisgünstige Lösungen mit niedrigem Energieverbrauch. Abhängig von den Bedingungen, denen das System unterliegt, sind drei Arten von Startern möglich:
• Direktstartkombination (Schütz)
• Stern / Dreieck Kombination: begrenzt den Anlaufstrom, stellt sicher, dass der Hochlauf nur mit einem Drehmoment nicht höher als ein Drittel des Nenndrehmomentes stattfindet
• Sanftanlasser: Wenn die Stern-Dreieck-Kombination nicht sicherstellt, den Anlaufstrom ausreichend zu begrenzen. Beispiele für solche Anwendungen finden wir im Klima- und Lüftungsbereich, Druckwasserregelanlagen, Abwassertechnik usw.
• Muss bei der Anwendung die Drehzahl verändert werden, bietet ein Frequenzumrichter (FU) eine höchst effiziente aktive Lösung an, da er die Motordrehzahl zur Einschränkung des Energieverbrauchs anpasst.

Abb. K19 – Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric)

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  LC1 D65A••

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  LC3 D32A••

• 

  ATS48••

Diese Lösung kann sich gut mit herkömmlichen mechanischen Lösungen (Ventile, Drosselklappen usw.) messen, die speziell in Pumpen und Lüftern eingesetzt werden, wo sie durch ihr Arbeitsprinzip durch das Blockieren von Leitungen zu einem Energieverlust führt während die Motoren bei maximaler Drehzahl laufen.

Außerdem bieten Frequenzumrichter eine bessere Steuerung, sind geräuscharm und mit weniger transienten Einflüssen und Erschütterungen verbunden. Weitere Vorteile bietet die Kombination dieser Frequenzumrichter mit Steuersystemen, die auf individuelle Anforderungen ausgelegt sind.

Da Frequenzumrichter kostenintensive Geräte sind, die zusätzliche Energieverluste verursachen und eine Quelle elektrischer Störgrößen sind, sollten sie nur für solche Anwendungen eingesetzt werden, die grundsätzlich Funktionen für variable Drehzahlen oder Feinregelung benötigen.

Beispiele für Anwendungen mit variabler Drehzahl: Hebeanwendungen, Platzierung in Werkzeugmaschinen, geschlossene Regelkreise, Kreiselpumpen oder Belüftung (ohne Drosselklappe) bzw. Boosterpumpen usw.

Abb. K20 – Frequenzumrichter mit verschiedenen Leistungsgrößen (Baureihe Altivar, Schneider Electric

• 

  Altivar 12
  (≤ 4 kW )

• 

  Altivar 212
  (≤ 75 kW)

• 

  Altivar 900 Prozess
  (≤ 2600 kW)

• Für die Handhabung von Lasten, die sich je nach den Anforderungen der Anwendung ändern, sollten Starter, Frequenzumrichter oder eine Kombination aus den beiden Geräten mit angemessener Regelstrategie (siehe Abb. K21, kaskadierende Pumpen) in Betracht gezogen werden, um die effizienteste und einträglichste Gesamtlösung zu erlangen.

Anwendungsbeispiele: HLK für Gebäude, Warentransport, Wasserversorgungsanlagen usw.

Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen. Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z. B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.

Abb. K21 – Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und Frequenzum­richter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu realisieren

Energieeinsparmöglichkeiten - Beleuchtungstechnik

Die Beleuchtung kann mehr als 35 % des Energieverbrauchs von Gebäuden ausmachen, je nachdem, welche Aktivitäten darin stattfinden. Beleuchtungssteuerung stellt eine der einfachsten Möglichkeiten dar, erhebliche Energieeinsparungen mit sehr geringen Investitionen zu erzielen, und ist eine der meistgenutzten Arten, um Energie zu sparen.

Beleuchtungssysteme für gewerbliche Gebäude unterliegen Normen, Verordnungen und Bauvorschriften. Diese Systeme müssen nicht nur funktionieren, sondern auch den Arbeitsschutzanforderungen entsprechen und zweckmäßig sein.

Oft findet sich in Büros eine überdimensionierte Beleuchtung, so dass es viele Möglichkeiten für passive Energieeinsparungen gibt. Diese können durch einen Austausch der ineffizienten Leuchtmittel oder alten Lampen gegen Alternativen mit hoher Leistung/niedrigem Energieverbrauch und durch die Installation von elektronischen Vorschaltgeräten erzielt werden. Diese Ansätze eignen sich besonders in Bereichen, in denen eine permanente bzw. langandauernde Beleuchtung benötigt wird und Einsparungen nicht einfach durch das Ausschalten der Lampen möglich sind. Die Amortisationszeit von Investitionen ist von Fall zu Fall unterschiedlich, beträgt meistens aber weniger als zwei Jahre.

Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten

Je nach Anforderungen, Typ und Alter des Beleuchtungssystems könnten effizientere Lampen installiert werden. Beispielsweise waren in den letzten Jahren modernere Leuchtstoffröhren der Standard, wobei bei einem Austausch der Beleuchtungsmittel auch die Vorschaltgeräte ausgetauscht wurden. Es standen auch neue Arten von Vorschaltgeräten zur Verfügung, die im Vergleich zu früheren elektromagnetischen Vorschaltgeräten eine erheblich höhere Energieeinsparung erzielen. T8-Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten verbrauchen beispielswiese 32 % bis 40 % weniger Strom als T12-Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten.

Vor diesem Hintergrund haben elektronische Vorschaltgeräte im Vergleich zu magnetischen Vorschaltgeräten jedoch einige Nachteile:

• Ihre Betriebsfrequenz (zwischen 20 und 60 kHz) kann zu harmonischen Störungen oder Verzerrungen im elektrischen Netzwerk führen. Geeignete Filter müssen eingebaut werden.
• Der Speisestrom der Standardgeräte weist eine hohe Verzerrung auf, so dass die typischen mit Oberschwingungen verbundenen Störungen vorhanden sind, wie z. B. eine Überlast des Neutralleiterstroms (siehe auch Kapitel M). Heute sind Geräte mit niedriger Oberschwingungsemission erhältlich, welche die Oberschwingungsverzerrung auf unter 20 Prozent des Grundschwingungsstroms oder sogar auf 5 % bei empfindlicheren Anlagen (Krankenhäuser, empfindliche Produktionsumgebungen usw.) senken können.

Leuchten mit LED Technik

Die LED-Technologie ist wesentlich fortschrittlicher, insbesondere für intelligente Steuerungen. LEDs sind die Alternativlösung für Energieeinsparungen im Beleuchtungssektor. und haben sich mittlerweile zum Standard etabliert.

Es handelt sich dabei um die erste Beleuchtungstechnologie, die sich für alle Bereiche eignet (Wohngebäude, Zweckbauten, Infrastruktur usw.), eine hohe Energieeffizienz bietet und über intelligente Steuerungsmöglichkeiten verfügt.

Abhängig von den jeweiligen Bedingungen können andere Arten von Beleuchtungssystemen besser geeignet sein. Im Rahmen einer Bewertung der Beleuchtungsanforderungen werden die durchgeführten Aktivitäten und die benötigte Beleuchtungsstärke und Farbwiedergabe untersucht. Viele bestehende Beleuchtungssysteme liefern mehr Licht als notwendig ist. Die Planung eines neuen Systems nach den Anforderungen an die Beleuchtung ermöglicht eine einfachere Berechnung und letztendliche Erreichung von Einsparungen.

Neben den Einsparungen und ohne die Bedeutung der Einhaltung relevanter Normen und Vorschriften außer Acht zu lassen, bieten neue Beleuchtungssysteme eine Reihe weiterer Vorteile. Diese umfassen geringere Wartungskosten, die Möglichkeit, bedarfsgerechte Anpassungen vorzunehmen (Büroflächen, Durchgangsbereiche usw.), einen höheren Sehkomfort (durch die Vermeidung von Frequenzschwankungen und Flackern, das oft zu Kopfschmerzen und Augenbelastung führt) und verbesserte Farbwiedergabe.

Reflektoren

Reflektoren spielen in der LED Technik nur eine untergeordnete Rolle da LED Lampen gegenüber den herkömmlichen Lampen bereits über fest definierte Abstrahlwinkel verfügen und nicht über 360° abstrahlen, wie übliche Leuchtmittel.

Bei herkömmlichen Leuchtstoffleuchten kann jedoch durch den Austausch zu einem modernen Hochleistungsreflektor der über eine spektrale Effizienz von über 90% verfügt, (siehe Abb. K22) in Kombination mit einem elektronischen Vorschaltgerät die passive Energieeffizienz um mehr als 50% gesteigert werden.

• Bestehende Leuchtmittel können mit Spiegelreflektoren nachgerüstet werden, ohne dass der Abstand zwischen den Leuchtmitteln angepasst werden muss. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass der Nachrüstvorgang einfach durchgeführt werden kann, weniger Arbeitsschritte nötig sind und das bestehende Deckendesign nur minimal verändert werden muss.

Abb. K22 – Darstellung des allgemeinen Funktionsweise von Hochleistungsreflektoren

Beleuchtungssteuerung

Die oben genannten Maßnahmen für passive Energieeinsparungen schaffen Raum für weitere Einsparungen. Der Nutzen einer Beleuchtungssteuerung liegt darin, Benutzern den gewünschten Komfort und Flexibilität zu bieten und gleichzeitig aktive Energieeinsparungen zu unterstützen und Kosten zu reduzieren, indem die Beleuchtung abgeschaltet wird, sobald sie nicht mehr benötigt wird. Es stehen unterschiedlich fortschrittliche Technologien zur Verfügung. Die Amortisationszeit ist normalerweise sehr gering und liegt zwischen sechs und zwölf Monaten. Außerdem ist eine Vielzahl an unterschiedlichen Geräten erhältlich (siehe Abb. K23).

Abb. K23 – Eine Auswahl von Geräten zur Beleuchtungssteuerung: Zeitschaltuhren, Lichtsensoren, Bewegungsmelder

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• Zeitschaltuhren zum Abschalten der Beleuchtung nach Ablauf einer bestimmten

Zeit. Diese kommen am besten in Bereichen zum Einsatz, in denen die Aufenthaltsdauer bzw. Dauer der Aktivität zeitlich klar definiert ist (wie in Gängen).

• Anwesenheits-/Bewegungsmelder zum Abschalten der Beleuchtung, wenn für eine bestimmte Zeit keine Bewegungen erkannt wurden. Diese eignen sich besonders für Bereiche, in denen die Aufenthaltszeit nicht klar bestimmt werden kann (Lagerräume, Treppen usw.).
• Photoelektrische Zellen/Tageslichtsensoren zur Steuerung der Beleuchtung in der Nähe von Fenstern. Ist genügend Tageslicht vorhanden, wird die Beleuchtung ab- oder auf Nachtbetrieb umgeschaltet.
• Programmierbare Zeitschaltuhren zum An- und Abschalten der Beleuchtung zu festen Zeiten (Ladenfassaden, Bürobeleuchtung bei Nacht und an Wochenenden).
• Dimmbare Lampen für ein geringes Beleuchtungsniveau (Nachtbetrieb) in Schwachlastzeiten (z. B. auf einem Parkplatz, der bis Mitternacht vollständig beleuchtet werden muss, auf dem aber die Beleuchtung zwischen Mitternacht und Sonnenaufgang reduziert werden kann).
• Spannungsregler, Vorschaltgeräte oder spezielle elektronische Geräte zur Optimierung des Energieverbrauchs der Beleuchtung (Leuchtstoffröhren, Natriumhochdrucklampen usw.).
• Drahtlose Fernbedienungen zur unkomplizierten und wirtschaftlichen Nachrüstung bestehender Anwendungen.

Diese verschiedenen Technologien können kombiniert und genutzt werden, um Spezialeffekte oder eine besondere Atmosphäre zu schaffen. Programmierbare Beleuchtungstafeln in Versammlungsräumen (für Vorstandstreffen, Präsentationen, Konferenzen usw.) bieten eine Anzahl verschiedener Beleuchtungseinstellungen, die auf Knopfdruck gewechselt werden können.

Zentrales Beleuchtungsmanagement

Einige der derzeit verfügbaren Beleuchtungssteuerungssysteme, wie die auf Basis des KNX-Standards, bieten zusätzlich den Vorteil, dass sie in das Gebäudemanagementsystem integriert werden können (siehe Abb. K24).

Abb. K24 – Beispielverbindungen über ein KNX-System von Schneider Electric

Sie bieten eine höhere Flexibilität beim Management und eine zentrale Überwachung und ermöglichen weitere Einsparungen durch die Integration der Beleuchtungssteuerung in andere Systeme (z. B. Klimaanlagen). Manche Systeme ermöglichen eine Energieeinsparung von 30 %, obwohl die Effizienz von der Anwendung abhängt, die sorgfältig gewählt werden muss.

Damit diese Art von System Ergebnisse erzielt, müssen am Anfang der Planung und Umsetzung eine Bewertung des Energieverbrauchs, eine Untersuchung des Beleuchtungssystems mit Schwerpunkt auf der Ausarbeitung der besten Beleuchtungslösung sowie die Ermittlung potentieller Einsparungen bei Kosten und Energieverbrauch stehen. Was diese Art der Technologie anbelangt, bietet Schneider Electric Lösungen für Büros, Außenbeleuchtung, Parkplätze, Parks und Grünanlagen.

Energieeinsparmöglichkeiten - Blindleistungskompensation und Oberschwingungsfilterung

• Wenn Energieversorger Strafgebühren für die Blindleistungsaufnahme verlangen, dann stellt die Blindleistungskompensation eine typische Maßnahme zur Steigerung passiver Energieeffizienz dar, da in diesem Fall von einer Festkompensation am Trafo oder an einzelnen Grossverbrauchern mit hohem Blindleistungsanteil ausgegangen wird. Diese Maßnahme greift sofort nach der Umsetzung und erfordert keine Änderungen bei Vorgehensweisen oder beim Verhalten des Personals. Die Amortisationszeit der Investition beträgt weniger als ein Jahr.

Weitere detaillierte Informationen zu Kompensation an Transformatoren sind in Kapitel L zu finden.

• Viele Geräte (Frequenzumrichter, elektronische Vorschaltgeräte usw.) und Computer erzeugen Oberschwingungen in ihren Versorgungsleitungen.

Der erzeugte Effekt kann erheblich sein (Wärme und Vibrationen können den Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Geräten wie Kondensatorbatterien, die zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden, reduzieren). Die Filterung von Oberschwingungen ist eine weitere typische Methode zur aktiven Einsparung von Energie, die berücksichtigt werden sollte.

Weitere detaillierte Informationen sind in Kapitel M Oberschwingungserfassung und - filterung zu finden.

Energieeinsparmöglichkeiten - Lastmanagement

• Der Prozess ist, die Erzeugung und die Entnahme im Energieverteilnetz in Einklang zu bringen
• Die Steuerung der Last vermeidet die Notwendigkeit die Kraftwerksleistung zu verändern
• Die Vermeidung vom Spitzenbedarf wird erreicht durch:
  • direkten Zugriff durch das EVU
  • frequenzabhängige Lastregelung
  • Lastplanung
  • Zusätzliche Energieerzeugung vor Ort
  • Veränderung des Entnahmeverhaltens der Kunden durch spezielle Tarife.
• Das Lastmanagement ermöglicht es den Versorgungsunternehmen, die Nachfrage während der Spitzenzeiten und damit auch die Kosten zu senken, indem die Zuschaltung der Spitzenkraftwerke vermieden wird.
• Darüber hinaus benötigen einige Spitzenkraftwerke mehr als eine Stunde um in Betrieb zu gehen. Das macht das Lastmanagement noch kritischer, wenn z. B. eine größere Last unerwartet vom Netz genommen wird.
• Lastmanagement kann auch dazu beitragen, schädliche Emissionen zu reduzieren, da Spitzenkraftwerke oder Backup- Generatoren oft umweltbelastender und weniger effizient sind als Grundlastkraftwerke.

Arten des Lastmanagement

Spitzenlastmanagement

siehe Abb. K25 Diese Maßnahme umfasst die Begrenzung von Lastspitzen, durch Überwachung des Energieverbrauches in 1/4h Werten, und stellt durch Abschaltung und/oder Regelung vorgegebener Lasten sicher, dass die mit dem EVU vereinbarte höchste maximale Leistungsabnahme je 1/4h nicht überschritten wird. Ziel ist es, eine Erhöhung der Bereitstellungskosten durch das EVU zu vermeiden.

Abb. K25 – Beispielstrategie zum Spitzen-Lastmanagement

Lastmanagement durch Energieeffizienz

Abb. K26 Ausführung der gleichen Prozesse mit reduziertem Energieeinsatz

Hierbei handelt es sich um eine permanente Lastminderung durch effizientere energieintensive Anlagen, Geräte und Systeme

Abb. K26 – Permanente Lastminderung durch effizientere Technik

Lastmanagement durch Demand Response

Abb. K27 Jede reaktive oder präventive Methode um die Entnahme zu reduzieren, zu glätten oder zu verschieben, als Hilfsmittel zur Lastplanung. In der Vergangenheit konzentrierten sich Demand Response Programme auf die Reduktion der Lastspitzen, um hohe Investitionen in den Ausbau der Erzeugungskapazität zu vermeiden. Inzwischen haben die Maßnahmen das Netto Lastprofil (Entnahme minus Erzeugung aus alternativen Quellen) im Fokus, um die Nutzung regenerativer Energien zu optimieren. Demand Response umfasst alle gezielten Änderungen des Entnahmeverhaltens der Endkunden, die das Timing, das Niveau der momentanen Last oder den gesamten Verbrauch beeinflussen sollen.

Das beinhaltet eine breite Palette von Maßnahmen, die auf der Entnahmeseite, in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen im Netz (z. B. Spitzenzeiten, Engpässe oder hohe Preise), getroffen werden können.

Abb. K27 – Spektralanalyse zur Beurteilung atypischer Netznutzung

Lastmanagement durch Dynamische Lastregelung

Abb. K28 Das Konzept besteht darin, dass durch die Überwachung der Netzfrequenz, Lasten im richtigen Moment ein- oder ausgeschaltet, bzw. dynamisch herauf- oder heruntergefahren werden, um die Gesamtsystembelastung mit der Erzeugung auszugleichen und kritische Differenzen zu reduzieren.

Abb. K28 – Zeitfenster der dynamischen Lastregelung

Einschränkung des Bedarfs

Energieversorger können diese Lösungen in Versorgungsverträgen mit optionalen bzw. eingeschränkten Klauseln für den Notfall (einschließlich fester Grenzwerte) nutzen, deren Anwendung durch den Verbraucher bestimmt wird (basierend auf besonderen Tarifen). Diese Managementpolitik kommt typischerweise in den wärmsten und kältesten Monaten des Jahres zum Einsatz, wenn Unternehmen und Privatleute einen hohen Bedarf an Belüftung, Klimatisierung und Heizung haben, und wenn der Stromverbrauch weit über dem Normalniveau liegt.

Die Reduzierung des Verbrauchs auf diese Art und Weise kann sich im Wohn- und Servicebereich als problematisch erweisen, da Bewohner dadurch erheblich belastet werden können. Kunden in der Industrie sind an dieser Art Planung möglicherweise interessierter und können von Verträgen profitieren, die ihre Einheitspreise um bis zu 30 % reduzieren, falls sie über eine hohe Anzahl an unwesentlichen Verbrauchern verfügen.

Vermeidung von Spitzenbedarf

Diese Maßnahme umfasst die Verlagerung von Spitzenverbrauchszeiten nach den verschiedenen verfügbaren Tarifen. Ziel ist es, die Kosten bei gleichem Gesamtverbrauch zu senken.

Lastplanung

Diese Managementstrategie ist eine Option für Unternehmen, die von geringeren Tarifen profitieren können, indem sie den Verbrauch für ihre Prozesse, bei denen Zeit weder ein wichtiger noch ein kritischer Faktor ist, planen.

Zusätzliche Energieerzeugung vor Ort

Der Einsatz von Generatoren zur Energieerzeugung steigert die betriebliche Flexibilität, indem die zur Aufrechterhaltung des normalen Betriebs notwendige Energie in Spitzenzeiten oder Zeiten mit eingeschränktem Bedarf geliefert wird.

Ein automatisiertes Steuersystem kann so konfiguriert werden, dass es diese Energieerzeugung gemäß dem Bedarf und den gültigen Tarifen zu jeder beliebigen Zeit regelt. Überschreitet der Preis der extern bezogenen Energie die Kosten der internen Energieerzeugung, schaltet das Steuersystem automatisch um.

Planung und Ausführung eines Lastmanagements im Überblick

Abb. K29 – Aspekte zur Planung und Ausführung eines Lastmanagements

Weitere Aspekte zum Betrieb und zur Nutzung eines Lastmanagements

Abb. K30 – Weitere Aspekte zur Nutzung vom Lastmanagement

Energieeinsparmöglichkeiten - Kommunikations- und Informationssysteme

Informationssysteme

Energieeffizienz ohne Kommunikation ist nicht möglich.

Aber unabhängig davon, ob sich Rohdaten auf Messungen, Betriebszustände oder Tarife beziehen, können sie nur dann sinnvoll genutzt werden, wenn man sie in nützliche Informationen umwandelt und je nach Bedarf an alle am Energieeffizienzprozess beteiligten Parteien weiterleitet, um allen Mitgliedern des Energiemanagementprozesses wertvolle Informationen zu liefern. Die Daten müssen außerdem erläutert werden, da Management- und Interventionsfähigkeiten für eine effiziente Energieeinsparpolitik nur entwickelt werden können, wenn die damit zusammenhängende Problematik vollständig verstanden wird. Die Verteilung von Daten muss zu Aktionen führen und diese Aktionen müssen fortlaufend durchgeführt werden, um eine nachhaltige Energieeffizienz zu erzielen (siehe Abb. K31).

Allerdings wird für diesen Betriebskreislauf ein effizientes Kommunikationsnetz benötigt.

Das Informationssystem kann dann täglich an den verschiedenen Standorten, an denen Strom verbraucht wird, genutzt werden (für industrielle Vorgänge, Beleuchtung, Klimatisierung usw.), um die durch das Unternehmensmanagement vorgegebenen Energieeffizienzziele zu erreichen. Außerdem kann gewährleistet werden, dass diese Standorte einen positiven Beitrag für den Geschäftsbetrieb leisten (in Bezug auf Produktionsvolumen, Bedingungen für Einkäufer, Temperaturen in Kühlräumen usw.).

Abb. K31 – Betriebskreislauf von für die Energieeffizienz entscheidenden Daten

Überwachungssysteme

• Für Schnellaudits, die fortlaufend durchgeführt werden können.

Das Fördern der Vertrautheit mit Daten und deren Verteilung kann dabei helfen, alles auf dem neusten Stand zu halten. Allerdings erfolgt die Entwicklung von elektrischen Netzen sehr schnell, so dass immer wieder gefragt werden muss, ob sie mit derartigen neuen Entwicklungen Schritt halten können.

In Anbetracht dieser Tatsache kann ein System zur Überwachung der Energieübertragung und des Energieverbrauchs alle Informationen liefern, die benötigt werden, um vor Ort ein umfassendes Audit durchzuführen. Neben Strom würde dieses Audit Wasser, Luft, Gas und Dampf abdecken. Messungen, vergleichende Analysen und standardisierte Energieverbrauchsdaten können genutzt werden, um die Effizienz von Prozessen und Industrieanlagen zu ermitteln.

• Zur schnellen und fundierten Entscheidungsfindung können angemessene Maßnahmen umgesetzt werden.

Diese umfassen Steuerungs- und Automatisierungssysteme für Beleuchtung und Gebäude, Frequenzumrichter, Prozessautomatisierung usw.

Das Aufzeichnen von Informationen über den effizienten Einsatz von Geräten ermöglicht die genaue Ermittlung der in einem Netzwerk oder einem Transformator verfügbaren Kapazität und wie und wann Wartungsarbeiten durchgeführt werden sollten (damit Maßnahmen weder zu früh noch zu spät ergriffen werden).

Kommunikationsnetze

Informations- und Überwachungssysteme sind gleich strukturiert und aufgebaut wie Kommuni­kationsnetze für das Intranet und das Internet, der Datenaustausch findet in einer Computerarchitektur statt, die auf einer benutzerspezifischen Basis beruht.

Intranet

Größtenteils findet der Datenaustausch im industriellen Sektor über fest im Kommunikationsnetzwerk des Unternehmens installierte Web-Technologien statt, typischerweise über ein Intranet, das nur durch den Betreiber genutzt wird.

Was den industriellen Datenaustausch zwischen physikalisch verbundenen Systemen, zum Beispiel über RS485 oder Modem (GSM, Funk etc.) angeht, ist das Modbus-Protokoll bei Messgeräten und Schutzeinrichtungen für elektrische Verteilnetze sehr weit verbreitet. Es wurde ursprünglich von Schneider Electric entwickelt, ist aber heute ebenso im Gebäudesektor verbreitet und gilt als Standardprotokoll.

Für die Übertragung großer Mengen von Daten zwischen elektrischen Energieverteilsystemen ist Ethernet inzwischen Standard. Ethernet wird wegen seiner Einfachheit und seines Leistungsvermögens sehr stark gefördert.

Es ist das geeignetste Medium sowohl für lokale Anzeigen als auch für verteilte Server.

In der Praxis werden elektrische Daten von einem in einem Schaltschrank installierten, industriellen Webserver aufgezeichnet. Bei der Übertragung dieser Daten kommt das weit verbreitete TCP/IP-Standardprotokoll zum Einsatz, um die laufenden Wartungskosten jedes Computernetzwerks zu reduzieren. Dieses Prinzip eignet sich sehr gut für den Austausch von Daten, die in Zusammenhang mit einer Steigerung der Energieeffizienz stehen. Neben einem PC mit einem Internetbrowser wird keine zusätzliche Software benötigt. Alle Energieeffizienzdaten werden aufgezeichnet und können auf konventionellem Weg über ein Intranet, GSM/GPRS, Wifi usw. übertragen werden.

Aus Gründen der Einfachheit und der Konsistenz ist es von Vorteil, wenn die Messgeräte und Kommunikationsschnittstellen in den Verteilungsschaltfeldern integriert sind. Siehe Intelligente Schaltanlagen (Smart Panels).

Internet

Mit einer Fernüberwachung und -steuerung sind Daten leichter verfügbar und zugänglich. Außerdem ermöglicht eine solche Steuerung eine bessere Flexibilität bei der Wartung. Abb. K32 zeigt einen schematischen Aufbau einer solchen Anlage. Über eine Verbindung mit einem Server und einem Webbrowser können Daten sehr viel einfacher genutzt und in Form einer Tabelle nach Microsoft Excel™ exportiert werden, um die Leistungskurve in Echtzeit zu überwachen.

Mit der Ethernet-Technologie können Schaltfelder heute sehr leicht mit dem Internet verbunden werden. Die Kompatibilität mit den sich schnell entwickelnden Smart Grid-Anlagen bleibt dabei erhalten.

Abb. K32 – Beispiel eines durch einen Panel Server (Schneider Electric) geschützten Intranet-Informationsnetzwerks, das über das Internetnetzwerk überwacht wird

Architekturen

In der Vergangenheit wurden Überwachungs- und Steuerungssysteme für viele Jahre zentral gesteuert und basierten auf SCADA-Automatisierungssystemen (Supervisory Control And Data Acquisition).

Heute wird zwischen drei Architekturen unterschieden (siehe Abb. K33 auf der nächsten Seite).

Abb. K33 – Aufbau eines Überwachungssystems

Architektur Level 1

Dank der Möglichkeiten der Webtechnologie ist ein Konzept intelligenter Geräte entwickelt worden. Diese Geräte können in einer Reihe von Standard-Überwachungssystemen eingesetzt werden und bieten Zugang zu Informationen über das Stromnetz des kompletten Standorts.

Für Dienste außerhalb des Standorts kann ein Internetzugang eingerichtet werden.

Architektur Level 2

Dieses System wurde speziell für Elektrotechniker und für die Anforderungen von elektrischen Netzen ausgelegt.

Diese Architektur basiert auf einem zentralen Überwachungssystem zur Erfüllung aller Anforderungen an die Überwachung von elektrischen Netzen. Naturgemäß ist zur Installation und Wartung dieser Systeme weniger Fachwissen erforderlich als für Architekturen des Levels 3, da alle Geräte der elektrischen Verteilungen bereits in einer speziellen Bibliothek enthalten sind. Außerdem können die Anschaffungskosten minimal gehalten werden, da es in Bezug auf die Systemintegration nur sehr wenige Anforderungen gibt.

Architektur Level 3

Die Investition in diese Art von System ist oft hochwertigen Einrichtungen vorbehalten, die einen hohen Energieverbrauch haben oder die mit Betriebsmitteln ausgestattet sind, die auf Schwankungen des Versorgungsnetzes sehr empfindlich reagieren und hohe Ansprüche an die Versorgungssicherheit stellen. Um zu gewährleisten, dass diese hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit erfüllt werden, hat oftmals schon der ersten Fehler Konsequenzen für die installierten Betriebsmittel. Die Durchführung dieser Maßnahmen sollte transparent erfolgen (jeder Einfluss sollte klar sein). Angesichts der erheblichen Vorlaufkosten, des für die korrekte Implementierung des Systems erforderlichen Fachwissens und die mit der Entwicklung des Netzwerks verbundenen Aktualisierungskosten, können potenzielle Investoren abgeschreckt werden. Sie erfordern möglicherweise sehr detaillierte vorherige Analysen, die durchgeführt werden müssen.

An manchen Standorten können Level 2 und Level 3 parallel eingesetzt werden.