Energieeffiziens Die Energierückspeisung „Efficient Infeed“ senkt die Betriebs- und Infrastrukturkosten elektrischer Antriebe – wirtschaftlich schon bei kleinen Leistungen

Autor / Redakteur: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Coy / Karl-Ullrich Höltkemeier

Beim Energiesparen, eines der großen weltpolitischen Themen, kann jedes Unternehmen seinen Beitrag leisten und dabei selbst gewinnen. Der Schlüssel sind effiziente elektrische Antriebe, die ihre Mehrkosten nachweislich, meist nach 9 bis 12 Monaten, amortisieren. Mit rückspeisefähigen Standardumrichtern gelingt das auch bei kleinen Leistungen. Ergänzend dazu sind sie sind einfach zu projektieren, schnell installiert und sparen außer Energie auch Platz, Kühlaggregate und zusätzliche Komponenten.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Ausgeprägtes Kostenbewusstsein gehört heute in jeder Branche zu den grundlegenden Erfolgs- und Überlebensstrategien. Für den Betreiber von Produktions- oder Versorgungseinrichtungen beginnt diese Sparsamkeit bei der Minimierung der Investitionskosten.

Doch über die Nutzungsdauer gesehen übertreffen die Betriebskosten häufig die Anfangsinvestition bei Weitem, und letztlich ist der kritische Blick auf Energiebedarf, Wartungsfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und Serviceeigenschaften von Maschinen und Anlagen erfolgsentscheidend.

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Umrichter gelten als „teure“ Antriebslösung

Die Antriebstechnik steht hierbei im Zentrum der Aufmerksamkeit: elektrische Antriebe verursachen den überwiegenden Teil des Energiebedarfs der Industrie. Sie beanspruchen einen großen Teil des Schaltschrankraumes und verlangen bei generatorischem Betrieb häufig gesonderte Maßnahmen zur Wärmeabfuhr.

Gerade im Bereich kleiner Leistungen von wenigen kW gelten Umrichter als „teure“ Antriebslösung und werden aus falscher Sparsamkeit oft nur dort eingesetzt, wo die Technologie drehzahlveränderbare Antriebe erfordert. Mittlerweile bietet der Markt aber Umrichter, die in der Gesamtbilanz bereits bei kleinen Leistungen wirtschaftlich interessant sind.

Sparplan mit Renditenachweis

Die Herausforderung ist, den Einkauf des Endanwenders vom Spareffekt einer Mehrausgabe zu überzeugen. Der Einkäufer rechnet üblicherweise nicht mit den Betriebs- oder Lebensdauerkosten, sondern lediglich mit den Investitionskosten.

Um dem Kunden die Auswirkungen energieeffizienter Antriebstechnik auf die Betriebs- und Lebensdauerkosten deutlich zu machen, hat die Universität Karlsruhe im Auftrag von Siemens ein Programm entwickelt, das den Vergleich zwischen einer konventionellen Lösung und einer Energiespar-Lösung zieht. Es macht dem Anwender oder Anlagenplaner deutlich unter welchen Voraussetzungen und nach welcher Zeit sich die höheren Anschaffungskosten amortisiert haben. In den meisten Fällen ist dies bei Frequenzumrichtern bereits nach einigen Monaten der Fall. Danach spart der Kunde bares Geld (Bild 1)

Sinasave erfasst die Einsatzbedingungen sehr genau

Mit dem Tool Sinasave können die Einsatzbedingungen sehr genau erfasst werden, um zu bestimmen nach welchem Zeitraum sich der Einsatz eines Frequenzumrichters und/oder eines Energiesparmotors lohnt und wie viel Energie damit gespart werden kann. Die Abbildung (Bild 1) zeigt die Eingabemaske des Tools für den Vergleich mit und ohne Frequenzumrichter an einer Pumpe.

Das Beispiel bezieht sich dabei auf einen Standard-Umrichter ohne Energierückspeisung. Wesentlich deutlicher werden die Kosteneinsparungen in Energie- und Betriebskosten wenn die zusätzlichen Effekte der Energierückspeisung in die Rechnung mit einbezogen werden.

Kosten- und Energieeinsparungen durch innovative Energierückspeisung

Im Prinzip sind rückspeisefähige Umrichter dann eine für Betreiber wie Maschinenbauer gleichermaßen attraktive Antriebslösung, sobald in einer Anwendung Bewegungen mit vielen Geschwindigkeitswechseln oder häufiger Richtungsumkehr auftreten oder wenn Massen elektrisch abgebremst werden müssen.

Dies ist zum Beispiel bei vielen Förderaufgaben der Fall: Riemen- oder Gurtförderer, Aufzüge, Krane, Förderfahrzeuge, Rolltreppen. Weitere Anwendungen rückspeisefähiger Umrichter sind Pump- oder Hebespeicher zur Energiepufferung oder Windkraftanlagen.

Die Rückspeisung kinetischer oder potentieller Energie in das Versorgungsnetz setzt den Einsatz einer aktiven Einspeisung oder von Matrix-Umrichtern voraus – was aus Kostengründen bei Standard-Antriebsaufgaben und/oder kleineren Leistungen nur selten zu rechtfertigen war.

Diese Einschränkung überwindet nun eine neue Art der Energierückspeisung, welche die Vorteile der teuren Technologien mit einem günstigeren Anschaffungspreis kombiniert – die Efficient-Infeed-Technologie.

Entscheidende Spareffekte – prinzipbedingt und aufgrund schaltungstechnischer Eleganz

Beim Einsatz rückspeisefähiger Umrichter beginnt das Sparen schon bei der Projektierung: Der E-Konstrukteur braucht sich nicht mehr um Dimensionierung, Verschaltung und Kühlung von Puls- bzw. Bremswiderständen zu kümmern – diese entfallen komplett. Im Schaltschrank wird der Platz für Bremswiderstand, Netzdrossel und die zugehörigen Anschlüsse eingespart.

Auch die thermische Bilanz fällt für Schaltschrank und Betriebsraum bei Rückspeisung sehr viel günstiger aus als beim lokalen Verheizen von Bremsenergie. So kann in vielen Fällen auf eine kostenträchtige und platzraubende Klimatisierung verzichtet werden.

Dazu kommt ein weiteres Novum: Umrichter mit Efficient-Infeed-Technologie erzeugen kapazitive Blindleistung und kompensieren somit die induktive Blindleistung der meisten üblichen Verbraucher. Teure Anlagen zur Blindleistungskompensation können so entfallen oder kleiner dimensioniert werden.

Zusätzlich dazu sind die Energiepreise eines Industrieunternehmens meistens auch abhängig von der Blindleistung. Durch die Reduktion der Blindleistung können somit spürbar die Energiekosten gesenkt werden.

Kostendämpfende Nebenwirkung

Darüber hinaus erweist sich eine weitere „Nebenwirkung“ des verwendeten kapazitätsarmen Zwischenkreises als kostendämpfend: Die Stromaufnahme aus dem Netz kommt durch die vergleichsweise geringe Zwischenkreiskapazität einem idealen Rechteck relativ nahe, was das Entstehen unerwünschter energiereicher Oberwellen niedriger Ordnung weitgehend verhindert.

Der neue Antrieb kommt in seiner rückspeisefähigen Ausführung deshalb mit bis zu 20 Prozent weniger Netzstrom aus als konventionelle Antriebe der gleichen Nennleistung. Das bedeutet, dass die Umrichter bereits im motorischen Betrieb helfen, Energie zu sparen.

Und nicht nur das: Die Anschlussleitungen können in vielen Fällen mit einem bis zu 22% geringerem Querschnitt dimensioniert werden, was die Installation wieder etwas einfacher macht – und in weitläufigeren Anlagen die Kupferkosten spürbar senkt (Bild 2)

Sauberes Schaltverhalten – weniger Oberwellen

Umrichter mit Efficient-Infeed-Technologie haben einen wesentlich geringeren Oberwellenanteil als Standard-Umrichter. Bis zur 11. Oberwelle einschließlich sind die Harmonischen wesentlich geringer als vom Standard gefordert. Daher kommt der Umrichter ohne netzseitige Kommutierungsdrossel aus (Bild 3).

Auch über Spannungsspitzen oder Überschwinger, die im generatorischen Betrieb bei hoher dynamischer Beanspruchung im Zwischenkreis konventioneller Antriebe auftreten können, braucht sich der E-Konstrukteur bei Einsatz der rückspeisefähigen Ausführung des neuen Antriebs nicht mehr den Kopf zerbrechen.

Der Umrichter fängt diese Effekte selbsttätig auf, indem er die überschüssige Energie praktisch verzögerungsfrei an das Versorgungsnetz abgibt. Das führt zu einem angenehm robusten Verhalten der Antriebe auch in vielen ehedem kritischen Betriebssituationen. Diese Umrichter sind Realität (Bild 4) [möglichst hier Abbildung 4 platzieren]

Sparsam schon bei kleinen Leistungen

Durch ihre besondere Schaltungstechnik sparen die neuen rückspeisefähigen Umrichter gegenüber konventionellen Umrichtern vergleichbarer Leistung schon im motorischen Betrieb Energiekosten. Hinzu kommt das Einsparpotential durch die ins Netz zurückgespeiste Bremsenergie, die an anderer Stelle kostensenkend genutzt werden kann.

In Verbindung mit den Einsparungen bei Bremswiderstand, Platzbedarf, Engineering, Installation und der induktiven Blindleistungskompensation macht sich das sogar schon bei relativ kleinen Bemessungsleistungen bezahlt – für den Betreiber und für die Umwelt. Die Technologie bietet den Anlagenbetreibern eine wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit sich aktiv und gewinnbringend an Maßnahmen zum Energiesparen und zu Schonung der Umwelt zu beteiligen.

In allen Netzen zuhause

Die Anforderungen an das Betreibernetz sind nicht höher als die marktgängiger Standard-Frequenzumrichter. Erfahrungen haben gezeigt, dass die Technik weltweit einsetzbar ist. Einzige Ausnahme: Bei „Inselnetzen“ mit eigenem Generator (ohne Netzversorgeranschluss) muss zur Reduktion der Resonanzen ein externer Kondensator verwendet werden. Dieser ist in diesem Fall je nach Anlage auszulegen.

Energierückspeisung durch Efficient-Infeed-Technologie in kostengünstigen Standardantrieben

Die Efficient-Infeed-Technologie ist fester Bestandteil in allen Standard Frequenzumrichtern der neuen Generation von Siemens. Somit kann jede Art der Anlagen-/Antriebsphilosophie mit dem neuen Portfolio abgedeckt werden. Das können zum einen Umrichter für den Schaltschrank (IP20) oder für eine motornahe Aufbauart sein (IP65).

Auf der anderen Seite werden Umrichter entweder als Kompaktgerät (ein Gerät, geeignet für einen Motor) oder als Mehrachs-Gerät (modulares Gerät, geeignet für mehrere Motoren) benötigt, diese je nach Bedarf mit integrierter Steuerungs-Funktionalität und/oder variablen Ein- und Ausgängen. Diese unterschiedlichsten Anforderungen beantwortet Siemens mit seinem Portfolio für Standard Frequenzumrichter (Bild 5)

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Coy, Siemens AG, Drive and Technologies, Standard Drives

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