Bis 2025 wird sich der weltweite Stromverbrauch gegenüber heute nahezu verdoppeln. Bei steigenden Preisen gerade für elektrische Energie heißt das aktuelle Schlagwort Energie-Effizienz, dem sich die diesjährige Hannover-Messe und die beteiligten Firmen verschrieben haben.
Bei Standardanwendungen in den betrieblichen Nebenfunktionen wie Pumpen, Ventilieren, Verdichten, Fördern, Bewegen, Klimatisieren und Kühlen finden sich gerade im installierten Bestand erhebliche Energie-Einsparpotenziale. „Die Modernisierung würde alleine durch den Austausch veralteter Antriebssysteme jährlich 27,5 Milliarden Kilowattstunden (KWh) Strom einsparen. Das sind elf Prozent des gesamten industriellen Stromverbrauchs oder 2,2 Milliarden Euro jährlich eingesparte Energiekosten. Der Return of Investment liegt bei weniger als einem bis zu drei Jahren“, rechnet Werner Blaß, Geschäftsführer des Fachbereichs Elektrische Antriebe im ZVEI, vor. „In Europa laufen rund acht Kraftwerke nur, um Ventilatoren und deren Antriebe mit Energie zu versorgen. Etwa vier davon ließen sich durch eine Umstellung auf die elektronisch geregelte EC-Technologie abschalten“, ergänzt Hans-Jochen Beilke, Vorsitzender der Geschäftsführung der ebm-papst Gruppe.
Pumpen gehören zu den größten industriellen Stromverbrauchern. Mehr als 30 % des Stromverbrauchs in Gewerbe und Industrie entfallen auf Pumpenmotoren. Daher steht dieses Thema in Sachen Energie-Effizienz bei vielen Herstellern gleich an erster Stelle. Bezogen auf den Lebenszyklus einer Pumpe, betragen die Energiekosten durchschnittlich rund 45 % der Gesamtkosten. Zusätzlich entstehen Kosten für Instandhaltung und Wartung. Da Pumpen nicht immer auf Hochtouren laufen müssen, können Industrie- und Gewerbebetriebe hier ansetzen, um zu sparen. Nach den Erfahrungen der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena) aus mehr als 70 Beratungen in verschiedenen Unternehmen lagen die Einsparpotenziale durch eine Optimierung von Pumpensystemen zwischen 2500 und 50 000 Euro. Durchschnittlich lag das Senkungspotenzial bei 30 %.
Mit einer mechatronischen Lösung der Bosch Rexroth AG (Halle 23, Stand C19) könnte man dies erreichen Bei drehzahlvariablen Pumpenantrieben wird die Pumpenregelung in einen intelligenten elektrischen Antrieb verlagert, der lediglich den jeweils benötigten Volumenstrom erzeugt. Die reduzierten Drehzahlen in Zykluspausen sowie im Teillastbetrieb senken den Energiebedarf, die Geräuschemission und hydraulische Verlustleistung deutlich. Sobald das Hydrauliksystem wieder mehr Leistung benötigt, erhöht der Pumpenantrieb bedarfsgerecht die Drehzahl der hochdynamischen Motoren. Das Ergebnis sind Energieeinsparungen bis zu 45 %, bis zu 60 % reduzierter Wärmeeintrag ins Hydrauliköl und erheblich verringerte Geräuschemission.
Auch in der chemischen Industrie liegen erhebliche Einsparpotenziale brach, wie Christian Lehrmann, Arbeitsgruppenleiter Explosionsgeschützte elektrische Antriebe bei der Braunschweiger Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) errechnet hat. Wichtig in der chemischen und petrochemischen Industrie sei eine genaue Dosierung und Regelung der im Prozess direkt oder indirekt erforderlichen Mengen an Medien wie Reaktionspartner oder Wärmetauscherdurchfluss zum Kühlen oder Beheizen der Reaktionsgefäße. „Hier werden in der Regel Strömungsmaschinen wie Pumpen oder Ventilatoren mit direkt am Netz betriebenem Antrieb eingesetzt. Die Fördermenge einer Pumpe wird entweder durch ein Verstellgetriebe durch Motor und Pumpe oder durch Bypass- bzw. Drosselventile eingestellt. Gerade bei den Ventilen können je nach Fördermenge hohe hydraulische Verlustleistungen auftreten, die den Systemwirkungsgrad stark reduzieren“. Die energetisch sehr viel bessere Methode zur Regelung der Fördermenge sei über die Drehzahlverstellung der Antriebsmaschine per Frequenzumrichter möglich, wobei Drossel- und Überstromventile entfallen sowie nur die aktuell benötigte Flüssigkeitsmenge gefördert wird.
Noch ein Beispiel: Die Energiekosten einer Werkzeugmaschine betragen etwa 20 % der Aufwendungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Davon können auch bis zu 30 % eingespart werden. Neben den direkten Möglichkeiten der Automatisierungstechnik Energieeinsparungen zu erzielen, untersuchen wir auch indirekte Beiträge und die gerätetechnische Umsetzung“, so Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Institutsleiter des Fraunhofer IPA und des ISW der Universität Stuttgart. „Neben der gesellschaftlichen Motivation, getrieben von Faktoren wie Klimawandel, Ressourcenendlichkeit oder unsere Abhängigkeit von bestimmten Ressourcen, spielt die wirtschaftliche Motivation mit Faktoren wie Energiekosten, Besteuerung, Kundenvorgaben oder Image, eine große Rolle“. Nicht zuletzt gebe es aber auch juristische Vorgaben, wie die Richtlinie zu „Energy using Products“ – (EuP, 2005/32/EG & 2008/28/EG) oder das Gesetz über die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte (EBPG). Zu den indirekten Beiträgen der Automatisierungstechnik in Sachen Energieeffizienz gehört laut Verl die Erhöhung des Nutzleistungsanteils bei gleicher Maschinen-Dimensionierung durch eine regelmäßige automatisierte Einstellung oder das Vermeiden von Stillständen. Werden temperaturbedingte Positionsabweichungen steuerungstechnisch kompensiert, entfallen energieintensive Warmlaufphasen. Außerdem können rekonfigurierbare Maschinenkonzepte – gemeinsam mit Methoden für die schnelle Inbetriebnahme – durch optimale Dimensionierung Energie einsparen.
Auch für ebm-papst (Halle 15, Stand F29) ist die kontinuierliche Verringerung des Stromverbrauchs zentrales Entwicklungsthema. Im Fokus stehen dabei einmal mehr die in Fachkreisen als EC-Ventilatoren bezeichneten Produkte. Sie erzielen eine Energieeinsparung im Regelbetrieb von bis zu 70 % gegenüber herkömmlichen Technologien. Unter dem Namen HyBlade zeigt das Unternehmen Axialventilatoren, bestehend aus Kunststoffflügeln mit eingebrachter Aluminiumverstärkung. Die Vorteile dieser Entwicklung: bis zu zwei Drittel weniger Stromverbrauch.
Auch bei Siemens (Halle 9, Stand A72) sind elektrische Antriebe in der Fertigungs- und Prozessindustrie eine dominante Größe für den Energieverbrauch. „Wir beziffern das globale Einsparpotential durch drehzahlveränderbare Antriebe und hoch-effiziente Motoren auf 120 Terrawattstunden pro Jahr“, unterstreicht auch Klaus Helmrich, Vorsitzender des Siemens-Bereiches Antriebe. Laut Helmrich verfügt Siemens bereits heute über energieeffiziente Antriebstechnik wie rückspeisefähige Umrichter und Energiesparmotoren der Nema- und IEC-Reihe. „Mit Blick auf die Nema-Reihe können wir von uns behaupten, dass wir mit unseren Motoren die Standards erfüllen, die erst künftig, ab dem Jahr 2010, gefordert sein werden und sie amortisieren sich in der Regel binnen 18 Monaten und oft auch weit darunter.“
Laut Karl-Heinz Wirsching, Entwicklungsleiter beim Nürnberger Antriebshersteller Baumüller (Halle 14, Stand H10) liegen bei einem 1,5-Kilowatt-Antrieb die Investionskosten für den Motor bei 2,3 %, für Installation und Wartung bei 0,9 sowie für die Energie bei 96,8 %. Bei einer Antriebsleistung von 110 kW verschieben sich die Anteile auf entsprechend 0,9, 0,1 und 99 %. Dieser Rechnung liegen 3000 Betriebsstunden im Jahr zugrunde. Das Fazit aus dieser Rechnung: „Je höher die Motorleistung, desto höher der Anteil der Energiekosten, bis hin zu 99 Prozent bei einem 110-kW-Antrieb“, so Wirsching.
Werner Möller werner.moeller@konradin.de
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