Energieeinsatz in der Schweinehaltung

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1 Tipps für die Ferkelerzeugung Ahaus 11. Espelkamp 12. Uedem-Keppeln 13. Rheda-Wiedenbrück 14. Energieeinsatz in der Schweinehaltung - Strom und Wärme effizient einsetzen - Bernhard Feller Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen Anteil der Energiekosten an den Direktkosten in Euro je Mastschwein /MS 3 2,75 2,5 2,25 2 1,75 1,5 96/97 97/98 98/99 99/ /1 1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 7/8 8/9 3 % 2,5 2 1,5 Energie, Wasser 2,31 2,45 2,33 2,15 2,26 2,21 2,4 2,45 2,36 2,47 2,19 2,34 2,34 Direktkosten % Direktkosten 1,75 2, 2,65 2,13 1,88 1,89 2,33 2,33 2,1 2,24 1,94 1,92 1,73 Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen 21 1

2 Anteil der Energiekosten an den Direktkosten in Euro je Sau /Sau / /1 1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 7/8 8/9 9/1 % Energie, Wasser Direktkosten % Direktkosten 7,5 8 7,7 7,9 7,9 8,8 9,9 8,6 8,4 8,1 8,9 Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen 21 Heizölpreis im Jahresvergleich Quelle: fastenergy.de Stand: Dezember 21 2

3 Ansatzpunkte für den effizienteren Einsatz von Elektroenergie und zur Senkung der Stromkosten Änderung des Strombezuges Energieeffizienz tarifliche Einordnung Anbieterwechsel Fütterung Lüftung Heizung Beleuchtung Verringerung der Leistungsaufnahme (Lastmanagement) Strombedarf in der Schweinehaltung Sauenstall: Lüftung: Strom 5-55 kwh/platz Beleuchtung Strom kwh/platz Fütterung/Reinigung Strom 5 7 kwh/platz Infrarotlampe: Strom 7 11 kwh/wurf Ferkelaufzucht Schweinemast Strom Strom 1-4 kwh/ferkel 15-4 kwh/mastschwein 3

4 Vergleich kleiner Ventilator großer Ventilator Typ maximale Luftleistung Leistungsaufnahme im Regelbereich Luftleistung bei 3 min -1 spez. Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme bei 3 min -1 m³/h W/(1 m³/h) m³/h W W/(1 m³/h) FC 45-4IQ , ,5 15 FE 91-6DQ , DLG Prüfbericht Einflüsse auf den Stromverbrauch des Ventilators Motorentechnologie Drehzahl Flügelform, -anzahl, -anstellwinkel Stabilität der Lüfterflügel Bauform Regelung 23V/4V; Asynchron/EC-Technik Druckstabilität Luftleistung; Wirkungsgrad Wirkungsgrad, Luftleistung Spaltmaß; Rohreinbauventilator elektronisch; elektrisch; frequenz Ziehl Abegg Ziehl Abegg DeVrie DeVrie 4

5 Leistungsbremse Verschmutzung Möglichkeiten der Drehzahländerung Spannungsregelung: Elektrische (Tranformatorische) Veränderung der Eingangsspannung 5 bis 9 stufige Spannungsregelgeräte Elektronische Veränderung der Eingangsspannung Phasenanschnittsteuerung stufenlose Änderung der Spannung Frequenzregelung: Elektronische Änderung der Schwingungen je Sekunde (Hertz) Einzelumformer für 23 bzw, 4 V; Ventilatoren mit angebautem Umrichter EC-Technologie: Elektronische Kommutierung des Stromes nachrüstbare EC-Controller; Ventilatoren mit angebautem EC-Controller (ETAvent) 5

6 Spannungsveränderung durch Phasenanschnitt aus der sinusförmigen Wechselstromschwingung werden Teile herausgeschnitten, es entsteht eine unsaubere Welle Spannungsveränderung durch Frequenzregelung Wechselstrom wechselt seine Spannungsrichtung in regelmäßigen Wiederholungen. Die Anzahl der Schwingungen in einer bestimmten Zeit nennt man Frequenz (in Deutschland 5 Hertz). 6

7 Leistungsaufnahme eines Axialventilators FC 5 entlang der Anlagen-Kennlinie einer Stall-Lüftung 5 Leistungsaufnahme Watt Ziehl-Abegg, technische Unterlagen EC-Antrieb Asynchron-Antrieb Drehzahl % spez. Stromaufnahme verschiedener Ventilatoren W/(1. m³ * h) FC 63 4IQ ETAVent FC 63 6DQ Außenläufer Einsparpotential % Drehzahl U/min %

8 Kennlinie eines Ventilators Druckerhöhung DLG Prüfbericht 551 Luftvolumenstrom Kennlinie eines Ventilators Druckerhöhung Lüfter 1+2 geregelt 2x32 Wx1 m -3 xh -1 Lüfter 1 geregelt Lüfter 2 ungeregelt 22 Wx1 m -3 xh Wx1 m -3 xh -1 DLG Prüfbericht 551 Luftvolumenstrom 8

9 Bewertung der Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit eines Systems aus Ventilator und Elektronik hängt von folgenden Werten ab: Investitionskosten Leistungsaufnahme Betriebspunkt der Ventilatoren Auswahl des richtigen Ventilators Damit das wirtschaftlich beste Regelverfahren ausgewählt werden kann, muss das Lastprofil der Anlage berücksichtigt werden: Wieviel Betriebsstunden und in welchem Drehzahlbereich werden die Ventilatoren betrieben? Aufnahmeleistung in % ausgewählter Regelverfahren Phasenanschnitt Frequenzregelung ETAvent Quelle: Ziehl-Abegg im Regelbereich bis ca. 6% Drehzahl kann mit Einsparungen von 35% der EC-Technik gegenüber der Phasenanschnittsteuerung kalkuliert werden; gegenüber der Frequenztechnik mit 5% Einsparpotenzial; bei höheren Drehzahlen wird der Einspareffekt geringer 9

10 Berechnung der Jahreskosten Beispiel: 1 Ventilatoren mit einer Gesamtaufnahme von 1 kw Betriebspunkt der Anlage 3 bis 5 % der Ventilatordrehzahl: Regelung mit Phasenanschnitt: Regelung mit Frequenzumformer: Regelung mit ETAvent: Kosten pro Jahr: 5,5 kw x,185 /kwh = 1,2 /h 2,5 kw x,185 /kwh =,46 /h 2, kw x,185 /kwh =,37 /h Laufzeit h/a Phasenanschnitt Frequenz ETAvent Berechnung der Amortisationszeit Phasenanschnitt Zentraler Frequenzregler Frequenzregler je Ventilator ETAvent Mehrkosten Jahreskosten Stromkosten Kosten Strom und Mehrtechnik Einsparung Amortisation in 2 Jahren 1

11 Stromaufnahme und Einsparpotential verschiedener Regelungen Stromaufnahme Wh/1 m³ Wh/1 m³ % 37% 49% 63% 8% 89% 99% Trafo Triac Frequenz % Energiesparpotential Trafo = 1% 29% 37% 49% 63% 8% 89% 99% Trafo Triac Frequenz W 6 Leistungsaufnahme W % 12 Energiesparpotential Triac = 1% % 37% 49% 63% 8% 89% 99% 29% 37% 49% 63% 8% 89% 99% Lüfterleistung Trafo Triac Frequenz Trafo Triac Frequenz kwh/a 254 Stromverbrauch verschiedener Regelungen im Regelbereich kwh/a 45 Stromverbrauch verschiedener Regelungen bei Volllastbetrieb Stromverbrauch und Kosten 42 Trafo Triac Frequenz 41 4 Traforegler, W Triacregler,W Frequenzumformer, W Stromkosten verschiedener Regelungen Regelbereich Euro/Jahr Volllastbetrieb Trafo Triac Frequenz Kosten Nutzen Analyse 5er Lüfter Stromkosten Triacsteuerung: 432 /a Stromkosten Frequenzumformer: 136 /a Einsparpotential: 296 /a Invest Frequenzumformer: 3 5 feste Kosten Frequenzumformer: 62 /a Return of Invest 2 Jahre Feldmann, Feller 28 11

12 Leistungsaufnahme eines Mastabteils im Jahresverlauf Energieverbrauch (1 Lüfter) Triac : EC Leistung Triac W Leistung EC W Watt kwh 77 kwh Differenz 9 kwh in 32 Tagen; Einsparung ca. 17 Euro spez. Stromverbrauch in Abhängigkeit der Außentemperatur Wartestall 75 Sauen 6 5 Wh/1 m³ C spez. Stromverbrauch Lüfter t außen Durchschnitt: 116 m³/h je Sau; 19,15 Wh/1. m³ m³/h x 19,15 Wh/1. m³ x 876 h/a x,185 /kwh = /a m³/h x 45, Wh/1. m³ x 876 h/a x,185 /kwh = /a 12

13 Frequenzregelung oder EC-Technik Frequenzregler bei den meisten Ventilatoren nachrüstbar Einsatz von abgeschirmten Leitungen (hochfrequente Störungen) bei Einsatz eines Frequenzumformers je Lüfter kann der Motorschutzschalter entfallen Ersatzteilversorgung; Notlaufeigenschaften des Lüfters ETAvent Stromanschluß 23 V plus Steuerleitung 1 V plus Alarmkontakt Spannungsregelung direkt im Ventilator integriert und damit optimal abgestimmt kein Regelgerät notwendig, da integrierte Elektronik Einstellung über Bedienterminal oder PC LAN fähig Wärme in der Abferkelbucht Fläche:,6 m²je Ferkel Temperatur: 35 4 C Abdeckung:? Anzahl: ca. 6 Platten in Reihe Infrarotlampen gehören in den ersten Tagen zur Grundausstattung Warmwasserplatten haben Vorteile hinsichtlich der Energiekosten Elektroplatten sind einfacher und preiswerter zu verlegen 13

14 Energiebedarf Ferkelnestplatten Hersteller Typ Wärmeleistung kw/m² DLG-Test Reventa Thermo Plus Elektro,27 1/21 Reventa Thermo Plus WW,39 1/21 ACO Funki Piggy Star 8,24 3/21 Premium Floor WW Premium Therme,22 1/28 Quelle: DLG Testberichte für den Energieverbrauch entscheidend: Dämmung der Platten nach unten Dämmung der Rohrleitungen in den Abteilen Dämmung der Vor- und Rücklaufleitungen Anpassen der Vorlauftemperatur an den Bedarf Quelle: DLG Testbericht Planung hilft Energie sparen Querschnittsberechung der Vor- und Rückläufe Widerstandsberechnung Umwälzpumpen hydraulischer Abgleich hocheffiziente geregelte Pumpe elektronisch geregelte Pumpe ungeregelte Pumpe Werkstoffe in der Heizungstechnik Mainz-Bingen 14

15 Wärmehaushalt eines Stalles Lüftung: 75 bis 9 % Stalldecke: 15 bis 2 % Fenster: 3% Wärmeproduktion der Tiere plus eventuell Zusatzheizung Wand: 3 5 % Grundriss Ferkelaufzuchtstall 2. Ferkelaufzuchtplätze 42, m 21, m Deckenfläche: 882 m² Wandfläche, außen: 347 m² Wandfläche, innen: 162 m² Fensterfläche: 24 m² Raumvolumen: 4 x 536 m³; Oberfläche: 4 x 687 m² 15

16 Verbesserung der Wärmedämmung Fläche U-Wert Temperaturdifferenz Transmissionswärmestrom Außenwand, einschalig 347 m²,52 W/m²K 4 K W Außenwand, zweischalig 347 m²,32 W/m²K 4 K W Differenz W Mehrkosten: 1.5 ; 1,4% Festkosten; 1.92 /a; 6,5 Ct/kWh Wärme; zuheizen 6.51 h/a Stalldecke, 6 cm 882 m².38 W/m²K 4 K W Stalldecke, 8 cm 882 m².29 W/m²K 4 K W Differenz Mehrkosten: ; 1,4% Festkosten; 275 /a; 6,5 Ct/kWh Wärme; zuheizen W h/a Wärmeverluste durch falsche Planung Abteil C frostfrei Zentralgang Abteil 16

17 Lüftungswärmeverlust Ferkelaufzucht durch Lüftung Wärmeproduktion W/Tier Lüftungswärmeverlust (-1 C) W/Tier Differenz W/Tier 8 kg kg /- Berechnungsbeispiel: falsche Luftrate 4 Abteile zu je 5 Ferkelplätze Max.-Luftrate: Min.-Luftrate: Ventilator: 17.5 m³/h m³/h 91er mit m³/h bei 5 Pa Minimalluftrate ca m³/h Wärmeverlust Q & Annahme: überhöhte Abluftrate von 2. m³/h pro Abteil an 1 % der Jahresstunden Wärmeverlust durch die überhöhte Abluftrate: Q& = m& c p T = V& ρ c p T = 8. m³/h 1,27 kg/m³ 1,4 kj/(kg K) 25 K = 255 MJ/h = 71 kw Kosten = 71 kw 876 h,7 /kwh =

18 Einsatz von Luft-Luft-Wärmetauschern? Rimu Luft-Luft-Wärmetauscher Heizleistung abhängig von: Temperaturdifferenz, Luftfeuchte, Volumenstrom, Verschmutzungsgrad 4,5 bis 6,5 kw je 1. m³ Volumenstrom bei t 3 K und 8% rel. Feuchte Druckverlust: Abluftseite: 7 bis 85 Pa Zuluftseite: 8 bis 95 Pa Wirkungsgrad: 35 bis 69 %, bei Verschmutzung stark reduziert Hersteller: Schönhammer, Rimu, Möller, Reventa, hdt, u.a. Luft-Luft-Wärmetauscher häufig Zentralabsaugung in Kombination mit einem Wärmetauscher Wärme aus der Abluft wird auf die Zuluft übertragen In Schweineställen kann in Kombination mit einer Zentralabsaugung die Vorraumheizung entfallen Auf eine Zuheizung in den Abteilen kann nicht verzichtet werden! Zeichnung: Schönhammer 18

19 Erdwärmetauscher C Temperatur der Stallluft Temperatur unter der Bodenplatte Temperatur 5 cm unter dem Rohr Temperatur der Außenluft Temperatur nach dem Tauscher Temperaturverlauf zweier Erdwärmetauscher 25 Erdwärmetauscher Temperaturen in C Zuluft vor, Abferkelstall Zuluft nach, Abferkelstall Zuluft vor, Wartestall Zuluft nach, Wartestall Der Erdwärmetauscher im Abferkelstall hat einen rund 12 m³/h höheren Luftdurchsatz. Durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit kommt es zu einer deutlich geringeren Anwärmung der Zuluft um durchschn. 2,14 K 19

20 Wirtschaftlichkeit Erdwärmetauscher Festkosten: Baukosten Wärmetauscher: Abschreibung 2 Jahre 8,9 Verzinsung ½ v. 4% 3,56 Unterhaltung 1% 1,78 variable Kosten: 178 /Sau kalkulierter Druckverlust durch Tauscherrohr: 1 Pa erhöhter Strombedarf Lüfter: 2,5 W/1 m³ je 1 Pa 65 m³/h durchschnittliche Luftleistung je Sau 25 Ct/kWh Stromkosten + 1 Ferkel je Sau + Jahr ,24 /Sau,35 /Sau - 1% Ferkelverluste + Einmal Umrauschen +9-5 Gesamtkosten: 14,59 /Sau + 1 Tag Zwischenwurfzeit -6 Kleinklima im Ferkelstall Raumtemperatur 2-4 Grad unter Zonentemperatur Beim Absetzen 3 C 2

21 Energiekosten einsparen Energie effizient einsetzen Effizienter Energieeinsatz ist in den meisten Betrieben ohne teure Investitionen umsetzbar Investitionen in neue, bessere Lüftungstechnik ist rentabel 21