Energieeinsparmöglichkeiten - Antriebstechnik

Motorisierte Systeme stellen eine der potentiellen Bereiche dar, wo Energie eingespart werden kann.

Wenn die passive Energieeffizienz verbessert werden soll, wird oft mit dem Austausch von Motoren begonnen.

Dieser Trend wird unterstützt durch den Beschluss führender industrieller Länder, den Vertrieb von nicht energieeffizienten Motoren in naher Zukunft zu verbieten.

Nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30) werden Motoren in 3 Effizienzklassen eingeteilt (IE1, IE2 und IE3). Viele Länder haben auch Pläne, damit die Systeme mit Motoren der Klasse IE1 und IE2 eine gleiche Effizienz wie mit Motoren der Klasse IE3 erreichen.

In der EU müssen beispielsweise Motoren mit einer Leistung < 375 kW der Klasse IE3 entsprechen (EC640/2009).

Dafür gibt es zwei Gründe:

• Die Vorteile von neuen Hochleistungsmotoren (siehe  Abb. K8).
• Die Korrektur von Überdimensionierung

Abb. K8: Definition der Energieeffizienzklassen für NS-Motoren nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30)

Motoren, die schon für eine längere Zeit im Einsatz sind, kommen ganz klar für den Austausch gegen Hochleistungsmotoren in Frage, besonders wenn diese bestehenden Motoren alt sind und neue Wicklungen benötigen.

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

Allerdings ist die Anschaffung eines neuen Hochleistungsmotors nicht kosteneffizient, wenn der bestehende, konventionelle Motor nur eingeschränkt bzw. selten eingesetzt wurde. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z.B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.

• Neben ihrer Ineffizienz sind überdimensionierte Motoren außerdem teurer in der Anschaffung als korrekt dimensionierte Motoren. Motoren erreichen ihre höchste Effizienz, wenn sie bei 60 % bis 100 % ihrer Nennlast betrieben werden. Bei einer Nennlast unter 50 % sinkt die Effizienz deutlich. In der Vergangenheit wurden oft übergroße Motoren eingesetzt, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten und um das Risiko von Ausfällen, sogar unter sehr unwahrscheinlichen Bedingungen, zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass mindestens ein Drittel der Motoren deutlich überdimensioniert ist und mit weniger als 50 % seiner Nennlast betrieben wird. Die durchschnittliche Last eines Motors beträgt ca. 60 %.

Größere Motoren haben oftmals auch einen geringeren Leistungsfaktor, was zu zusätzlichen Betriebskosten durch Blindleistung führen kann. Bei der Entscheidung einen Motor auszutauschen ist es wichtig, all diese Faktoren und die verbleibende Nutzungsdauer des Motors zu berücksichtigen. Es muss außerdem bedacht werden, dass die Kosten für den Austausch eines überdimensionierten Motors nicht gerechtfertigt sind, wenn seine Last sehr gering ist oder er ohnehin nur selten eingesetzt wird, da in diesem Fall die notwendigen Investitionskosten in keinem betriebswirtschaftlichen Verhältnis zu den Einsparmöglichkeiten an Energiekosten stehen (weniger als 800 Betriebsstunden im Jahr siehe Abb. K9).

Abb. K9: Reduktion der Betriebskosten von IE2- und IE3- Motoren im Vergleich zu IE1-Motoren bezogen auf die jährlichen Betriebsstunden

Zieht man alle diese Dinge in Betracht, müssen alle Parameter bedacht werden, bevor man die Entscheidung fällt, einen Motor auszutauschen.

Was Motoren anbelangt, sind auch andere Ansätze denkbar:

• Die Steigerung der aktiven Energieeffizienz, ganz einfach durch das Abschalten von Motoren, wenn sie nicht mehr gebraucht werden. Diese Maßnahme setzt unter Umständen eine Verbesserung der Automatisierungssysteme, Schulungen, Überwachung oder einen Anreiz für das Bedienpersonal voraus. Wenn eine Bedienperson für den Energieverbrauch nicht verantwortlich ist, dann vergisst er/sie schnell einmal, den Motor abzuschalten, wenn er nicht gebraucht wird.
• Überwachung und Korrektur aller Komponenten innerhalb der Kettentriebe, angefangen mit den 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.
• Achten Sie aus folgenden Gründen besonders auf Pumpen und Lüfter:
  • 63% der von Motoren verbrauchten Energie wird für Strömungsantriebe in Komponenten wie Pumpen und Lüfter eingesetzt.
  • Bei der Strömungskontrolle kommen oft Komponenten wie Ventile oder Drosselklappen zum Einsatz, die alle zum Verlust von Energie durch das mechanische Regulieren von Medien wie Luft oder Flüssigkeiten führen, während die Motoren bei maximaler Drehzahl arbeiten.
  • Durch eine effiziente Projektplanung können sich Investitionen oft nach weniger als 10 Monaten amortisieren.

Drehzahlregelung von Motoren

Einsparungen können erzielt werden durch:

• Ersatz eines alten überdimensionierten Motors durch einen IE-klassifizierten Motor
• Optimierten Betrieb des Motors
• Einsatz einer Drehzahlregelung oder eines Sanftanlassers.

Es steht eine Anzahl an Technologien zur Verfügung, um die Strömung oder den Druck innerhalb eines Systems zu beeinflussen (siehe Abb. K10 auf der nächsten Seite). Welche Technologie am besten genutzt wird, hängt von der Konstruktion der Pumpe und des Lüfters ab. Die eingesetzte Pumpe könnte beispielsweise eine Verdränger- oder Zentrifugalpumpe sein, und der Lüfter ein Zentrifugal- oder Axialventilator.

Abb. K10: Theoretische Energieeinsparung durch die Reduzierung der Lüfterdrehzahl auf die Hälfte

Immer wenn ein Lüfter oder eine Pumpe installiert wird, um ein bestimmtes Strömungs- oder Druckniveau zu erreichen, hängt die Größe von den maximalen Anforderungen ab. Dies führt häufig zu Überdimensionierung, da das entsprechende Gerät bei anderen Drehzahlen ineffizient arbeitet. Im Allgemeinen führt die systematische Überdimensionierung in Verbindung mit den oben beschriebenen, ineffizienten Steuersystemen zu einem hohen Einsparpotential durch Steuersysteme zur Reduzierung der Stromversorgung einer Pumpe oder eines Lüfters, wenn diese im Teillastbereich arbeiten müssen.

In Systemen mit Lüftern und Pumpen bestehen bestimmte Zusammenhänge:

• Die Strömungsgeschwindigkeit ist proportional zur Drehzahl der Welle (siehe Abb. K11).
• Die Druckhöhe ist proportional zum Quadrat der Wellendrehzahl. Eine Halbierung der Wellendrehzahl führt zur Reduzierung des Drucks um ein Viertel.
• Die Energie ist proportional zur dritten Potenz der Wellendrehzahl.

Abb. K11: Beziehung zwischen Energie und Strömungsgeschwindigkeit für verschiedene Lüftersteuerungen (Klappen, Drallregler und Frequenzumrichter)

Die Halbierung der Wellendrehzahl reduziert den Energieverbrauch um ein Achtel, was impliziert, dass der Energieverbrauch bei einer Halbierung der Strömungsgeschwindigkeit um ein Achtel sinkt.

In Anbetracht dieser Tatsache kann der Energieverbrauch in Zeiten, wenn Lüfter oder Pumpe nicht bei voller Leistung arbeiten müssen, gesenkt werden. Die damit verbundenen Einsparungen sind signifikant, selbst wenn die Strömung nur geringfügig reduziert wird (siehe Abb. K12). Leider ist es in der Praxis nicht möglich, alle theoretisch möglichen Werte zu erzielen, da die Effizienz durch den Einsatz verschiedener Komponenten sinkt.

Technik	Nachteil
Steuerung durch Stoppen und Starten	Diese Methode ist nur effizient, wenn eine unterbrochene Strömung möglich ist.
Steuerventil: zur Steuerung der Strömung wird ein Ventil eingesetzt, das den Reibungswiderstand am Pumpenausgang erhöht.	Es geht Energie verloren, da die von der Pumpe erzeugte Strömung anschließend durch das Ventil reduziert wird. Außerdem besitzen Pumpen ein optimales Betriebsniveau. Eine Erhöhung des Widerstands kann dieses Betriebsniveau beeinflussen, wodurch Effizienz und Zuverlässigkeit der Pumpe beeinträchtigt werden (zusätzlicher Energieverlust).
Bypass: Bei dieser Methode arbeitet die Pumpe permanent mit voller Drehzahl, wobei übermäßige Strömung am Ausgang der Pumpe stromaufwärts umgeleitet wird, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit ohne das Risiko eines erhöhten Austrittsdrucks.	Dieses System ist sehr ineffizient, da die Energie für das Pumpen der überschüssigen Flüssigkeit komplett verloren geht.
Mehrere Pumpen oder Lüfter: Diese Konfigurationen unterstützt eine spontane Verstärkung durch die Aktivierung von zusätzlichen Pumpen oder Lüftern, wodurch die Steuerung schwierig wird.	Dies ist normalerweise mit einem Effizienzverlust verbunden, da der tatsächliche Bedarf oft im Bereich zwischen den verschiedenen, zur Verfügung stehenden Drehzahlen liegt.
Klappen: Diese Technologie ähnelt dem Einsatz von Steuerventilen in Pumpensystemen und reduziert die Strömung durch das teilweise verschließen eines Lüfterausgangs.	Es geht Energie verloren, da die vom Lüfter erzeugte Strömung anschließend durch die Klappe reduziert wird.
Überströmventil: Diese Technologie ähnelt dem Einsatz von Bypassventilen in Pumpensystemen. Der Lüfter dreht sich permanent bei maximaler Drehzahl und übermäßige Strömung wird abgeführt.	Dieses System ist sehr ineffizient, da die Energie für das Antreiben der Luft oder des Gases komplett verloren geht.
Lüfter mit verstellbaren Flügeln: Die Strömung kann durch das Verstellen der Flügel geregelt werden.	Es geht Energie verloren, da die vom Lüfter erzeugte Strömung anschließend durch die Flügel reduziert wird.
Leitflügel am Einlass: Zum Regeln des Gasflusses und der Effizienz werden im Inneren von Lüftern Lamellen angebracht.	Der Lüfter erzeugt keine übermäßige Strömung, arbeitet allerdings auch nicht bei maximaler Effizienz.

Abb. K12: Beispiele von Technologien, die von Frequenzumrichtern profitieren können

Datei:Abb K13.svg

Abb. K13: Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric

• Für Anwendungen mit konstanter Drehzahl sind Motorstarter die kostengünstigste und Energie effizienteste Lösung. Es gibt je nach Anforderung drei Arten von Motorstartern:
  • 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 zu begrenzen. Beispiele für solche Anwendungen finden wir im Klima- und Lüftungsbereich, Druckwasserregelanlagen, Abwassertechnik usw.

Im Gegensatz zu den zuvor genannten Technologien, stellt der Einsatz eines Frequenzumrichters (siehe Abb. K14 auf der nächsten Seite) eine Methode zur Förderung der aktiven Energieeffizienz dar und bietet die Art an flexibler Effizienz, die für einen optimalen Betrieb von Pumpen oder Lüftern benötigt wird. Unter manchen Umständen werden einfache Lösungen bevorzugt:

Abb. K14: Frequenzumrichter Altivar von Schneider Electric für Motoren unterschiedlicher Leistungen

• Eine Größenänderung der Riemenscheiben ermöglicht es, dass Lüfter oder Pumpen mit optimaler Drehzahl arbeiten können. Diese Lösung erfordert nicht die Flexibilität in Verbindung mit Frequenzumrichtern, sondern kann einfach umgesetzt und über das Wartungsbudget ohne zusätzliche Investitionen finanziert werden.
• Im Falle, dass der Lüfter oder die Pumpe permanent bei voller Drehzahl arbeiten kann, ohne dass eines der oben genannten Steuersysteme installiert werden muss (z. B. bei vollständig geöffneten Klappen und Ventilen). Unter diesen Umständen arbeitet das Gerät mit optimaler oder nahe der optimalen Energieeffizienz.

Tatsächlich hängt das Einsparpotential vom Lüfter- bzw. Pumpentyp ab, dessen Wirkungsgrad, der Größe des Motors, der jährlichen Betriebsstunden und des örtlichen Stromtarifs. Diese Einsparungen können entweder über eine spezielle Software berechnet oder durch die Installation von temporären Messgeräten und eine Analyse der gewonnen Daten mit einer gewissen Genauigkeit geschätzt werden.

Motorsteuerungen

Drehzahlregelung: Die korrekte Anpassung des Energieverbrauchs gemäß dem Bedarf

Im vorherigen Abschnitt wurde beschrieben, wie Pumpen und Lüfter durch den Einsatz von Frequenzumrichtern profitieren. Weitere Vorteile bietet die Kombination dieser Frequenzumrichter mit Steuersystemen, die auf individuelle Anforderungen ausgelegt sind.

• Steuersysteme basierend auf einem festen Druck und einer variablen Strömung: Diese Art der Steuerung wird oft in der Wasserwirtschaft (Trinkwasser, Bewässerung) genutzt. Außerdem kommen sie bei der Zirkulation von Kühlflüssigkeiten zum Einsatz.
• Steuersysteme für Heizsysteme: In Heiz- und Kühlkreisläufen ist die Strömungsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig.
• Steuersysteme basierend auf einer festen Strömung und einem variablen Druck: Diese kommen hauptsächlich bei Pumpanwendungen (Druckdifferenz durch verschiedene Niveaus) wie Reinigungs-, Bewässerungs- und Kühlsystemen zum Einsatz. Sie benötigen eine gewisse Menge an Wasser, selbst wenn die Saug- und Druckverhältnisse variieren.

Die unmittelbaren Vorteile sind:

• Verbesserte Steuerung und Genauigkeit von Druck- und Strömungswerten
• Erhebliche Reduzierung von transienten Einflüssen im elektrischen Netz und von mechanischen Einschränkungen von Systemen
• Weniger Geräusche und Vibrationen, da die Antriebe eine Feinanpassung der Drehzahl ermöglichen, um zu verhindern, dass die Geräte mit der Resonanzfrequenz von Leitungen und Rohren arbeiten.
• Sanfter Start und Stopp

Diese führen zu weiteren Vorteilen:

• Höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer der Systeme
• Einfacherer Leitungs- und Rohrsysteme (durch den Verzicht auf Klappen, Steuerventile und Bypässe)
• Geringerer Wartungsaufwand

Das Endziel ist die Reduzierung des Energieverbrauchs und damit verbundener Kosten.

Abb. K15: Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und Frequenzumrichter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu realisieren