Energieeffizienz Stromsparpotentiale und die Auswirkung auf elektrische Antriebssysteme

Seit Jahren werden in verschiedenen Bereichen der Wirtschaft Ansätze zur Energieeffizienz und -einsparung diskutiert und technische Lösungsansätze entwickelt. Diese Ansätze beschäftigen sich zum einen mit Komponentenoptimierung, zum anderen mit der Systemanalyse komplexer Zusammenhänge und deren Optimierungskriterien. Der Beitrag zeigt eine Lösungsmöglichkeit aus der Industrie.

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FAULHABER Antriebssysteme

SMC Deutschland GmbH

HANNING ELEKTRO-WERKE GmbH & Co. KG

Auch die Politik hat das Thema Energieeffizienz aufgegriffen und Ziele für die Energieeinsparung national definiert und international formuliert, um eine globale Vorgehensweise zu erreichen. Die Mitgliedstaaten der EU haben das ehrgeizige Ziel beschlossen, bis 2020 durch mehr Energieeffizienz 20 Prozent des Energieverbrauchs einzusparen.

Für den Bereich „Steigerung der Energieeffizient“ sieht die Bundesregierung u.a. Energieeinsparungspotenziale bei elektrischen Antrieben in der Industrie. Die Umstellung dieser Komponenten auf elektronisch geregelte Antriebe würde beispielsweise Energiekosten um 1,2 Mrd. € senken.

Energiesparmaßnahmen – was ist möglich

Energieeffizienzbetrachtungen werden meist für Anwendungen mit hohen Betriebszeiten durchgeführt. Es gilt aber generell den Einsatz von optimierten Systemen zu prüfen, da mit ausgereiften Konzepten bei der Produktion und dem späteren Betrieb Kosten eingespart werden können.

Das Unternehmen HANNING ELEKTRO-WERKE hat sich auf die Entwicklung, Produktion und Vermarktung kundenspezifischer Antriebskomponenten und Antriebslösungen spezialisiert und verfügt über hohes technisches und branchenspezifisches Know-how in Bezug auf Antriebskomponenten, Elektronik, Pumpsystemen, Lüftertechnik sowie der Verstelltechnik. Darüber hinaus wird in enger Zusammenarbeit mit Kunden an Verbesserungen zur Prozess-, Kosten- und Energieeffizienz gearbeitet.

Maßnahmen zur Verbesserung der Antriebskomponenten

1. Technologiescreening (auch in nicht Antriebsbereichen)

2. Untersuchungen zur Verwendung neuer Materialien

3. Analyse und Berechnung mit hochwertigen Simulationstools

4. Optimierung von Fertigungsprozessen

5. Optimierung der Einbaubedingungen

Maßnahmen zur Verbesserung des Antriebssystems

1. Analyse der vorhandenen Systeme

2. Optimierung des Lastverhaltens (Drehzahl, Drehmoment, Beschleunigung)

3. Auswahl des geeigneten Antriebsystems

4. Substitution mechanischer Lösungen durch intelligente mechatronische Systeme

5. Kostenoptimierung durch gezieltes Maschinen- und Elektronikdesign

6. Integration kundenseitiger Logikbaugruppen in die Motorsteuerung

7. Ausarbeitung des Zusatznutzens für den Endanwender

Einsparpotenzial ausschöpfen

In der IEC 60034-30 werden die Wirkungsgrade für Asynchronmotoren ab einer Leistung von 0,75 kW festgelegt. Im Rahmen der Entwicklung von permanenterregten Synchronmotoren hat sich gezeigt, dass diese die Wirkungsgrade der Norm schon bei einer um den Faktor 10 kleineren Leistung erreichen (Bild 1).

Eine Ablösung von größeren Antrieben und die Reduzierung von verlustbehafteten mechanischen Antriebselementen durch mehrere kleinere Synchronmotoren sind in Betracht zu ziehen, da die mechanischen Abmessungen dieser Motoren im Vergleich zu Standardmotoren bei gleicher Leistung um eine Baugröße kleiner ausfallen. Folglich sind die Massenträgheiten entsprechend niedriger, der Materialeinsatz wird minimiert und in dynamischen Applikationen wird Beschleunigungsenergie eingespart.

Fazit

Im Leistungsbereich bis 10kW können beim Einsatz mit Synchrontechnologie 10% bis 30 % Energie gegenüber den heute meistens eingesetzten Standardmotoren erzielt werden.

Ein Beispiel zum besseren Verständnis

In einer bestehenden Anlage wird ein 55 kW Standard Elektromotor mit Frequenzumrichter eingesetzt. Über eine zentrale Welle und Getriebe wird die mechanische Leistung auf 50 bis 100 verschiedene Einzelwellen verteilt.

Für diese Maschine wird eine Gesamtleistungsbilanz aufgestellt. Anschließend werden die Standardmotoren durch höherwertige Elektromotoren (EFF 2 und EFF 3) beziehungsweise durch elektrische Synchronantriebe ersetzt.

Für die mechanische Übertragung werden unterschiedliche Wirkungsgrade betrachtet.

Zur Berechnung der Gesamtkosten wird die Life Cycle Costs (LCC) Methode herangezogen. Dazu werden alle Kosten die über die Betriebszeit anfallen (marktübliche Anschaffungskosten, Energiekosten 7,5 ct/kWh, Wartung und übrige Kosten) kalkuliert und mit Verzinsungsfaktoren über die Nutzungsdauer (Umrechnung auf Present Value) bewertet. Die Betriebszeit der Anlage beträgt 5.500 Std/Jahr.

Die in Abbildung 1 gezeigten Motorwirkungsgrade werden zugrunde gelegt, für eingesetzte Frequenzumrichter werden 96 % angenommen. Die mechanischen Verluste bei dem bestehenden System ergeben einen Wirkungsgrad von 75 %.

Eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf 80 % ist durch Verbesserungsmaßnahmen und mit zusätzlich verbundenen Kosten möglich. Kosten entstehen immer dann, wenn bessere Materialien, höherwertige Komponenten oder zusätzliche Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Dies kann eine verbesserte Lagerung sein, Einsatz von Wirkungsgrad optimierten Getrieben anstelle von Riemenantrieben und die genaue Ausrichtung der zentralen Maschinenwelle bei der Inbetriebnahme und während der Laufzeit, um ggf. auftretende Setzungserscheinungen auszugleichen.

In Abbildung 2 und 3 werden die kumulierten Kosten für unterschiedliche Maschinenkonfigurationen während der Betriebszeit dargestellt.

An diesem Beispiel lassen sich mehrere Zusammenhänge verdeutlichen:

1. Die Anschaffungskosten spielen gegenüber dem Energieverbrauch eine untergeordnete Rolle.

2. Der schlechte Wirkungsgrad der Mechanik ist ausschlaggebend für das Gesamtsystem.

3. Die Wirkungsgradverbesserung der Mechanik wird mit im Verhältnis hohen Zusatzinvestitionen erkauft.

4. Der verbesserte Wirkungsgrad der High- und Premium Motoren wirkt sich nur geringfügig auf die Energieeinsparung aus.

5. Das größte Einsparpotential wird mit permanenterregten Motoren erzielt, wobei die Anfangsinvestitionen höher liegen.

Fazit: Energieeinsparungen sind möglich

Die von der Bundesregierung geforderte Energieeinsparung lässt sich nicht allein durch die Umstellung von Standard auf Premium Effizienzmotoren erreichen. Mit der Systemoptimierung und dem Einsatz von permanenterregten Motoren lassen sich Verbrauchs- und Kostenvorteile erzielen, die den Anforderungen gerecht werden können. Das Gesamteinsparpotential liegt in diesem Fall bei ca. 29 %.

Im globalen Wettbewerb entscheiden derzeit allein der Innovationsgrad und die Herstellkosten für einen bestimmten Antrieb; eindeutige Qualitätsmaßstäbe und Produktzuverlässigkeit, die zur Kundenzufriedenheit führen sowie der Energieverbrauch werden zukünftig eine zentrale Bedeutung und einen hohen Stellenwert einnehmen. Die traditionell starke Antriebstechnik in Deutschland kann an dieser Stelle ihre Vorreiterrolle weiter ausbauen und gegenüber Billiganbietern festigen.

Bei dieser Betrachtung ist nicht berücksichtigt, dass die Anzahl der Antriebe durch die fortschreitende Automation in der Wirtschaft und der Stromkonsum auch im privaten Bereich in Zukunft zunehmen werden. Aus wirtschaftlichen oder systemtechnischen Gründen werden zusätzlich noch Ablöseprozesse zwischen nicht elektrischen Antrieben zu elektrischen Antrieben hin stattfinden. Aus letztgenannten Gründen ist eine Senkung des Stromverbrauchs nicht im angestrebten Rahmen zu erwarten.

Dipl.-Ing. Ralf de la Haye, Leiter Entwicklung Geschäftsbereich Antriebstechnik

HANNING ELEKTRO-WERKE GmbH & Co. KG

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