Energieeinsparmöglichkeiten - Antriebstechnik

Aus Planungskompendium Energieverteilung

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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. K13)

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 eingebaut, 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. K13Definition 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. K14),
  • sicherzustellen, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z.B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.

Abb. K14Senkung 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. K15Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric)

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. K16Frequenzumrichter mit verschiedenen Leistungsgrößen (Baureihe Altivar, Schneider Electric

  • 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. K17, 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. K17Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und Frequenzum­richter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu realisieren