Hilfsblätter zu "Energieeffiziente Antriebsplanung"

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1 Hilfsblätter zu "Energieeffiziente Antriebsplanung" Empfohlene Literatur: 1. Auswahl von Elektromotoren leicht gemacht von: Friedrich W. Garbrecht VDE-Verlag ISBN Praxis der Drehstromantriebe mit fester und variabler Drehzahl von: Peter F. Brosch Vogel Buchverlag ISBN Energieeffizienz von: Martin Pehnt Springer Verlag ISBN Elektrische Maschinen von: Rolf Fischer Carl Hanser Verlag ISBN Unternehmenserfolg durch Energieeffizienz 2009 Herausgeber: VDMA Boschen Offsetdruck ISBN Inhalt 1. Einführung 2 2. Energiewandler Elektrischer Antrieb Wirkungsgrad von Asynchronmaschine Wirkungsgrad von Synchronmaschine Sondermaschinen 8 3. Erhöhung der Energieeffizienz bei Antriebssystemen Intelligenter Einsatz von Elektrischer Energie Energiewandlung mit hohem Wirkungsgrad Nutzung der Bremsenergie Gesamtwirtschaftlichkeit 18 Emden im September 2014 Prof. Dr.-Ing. G. Schenke G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 1

2 1. Einführung In der derzeitigen EU mit 27 europäischen Staaten und rd. einer halben Milliarde Einwohner werden etwa 35% der gesamten Primärenergie zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt. Bei dieser Energiewandlung entsteht ein Beitrag von rd. 30% an der gesamten CO 2 -Emission. In den typischen europäischen Industrienationen werden dann rd. 60% der elektrischen Energie mit elektrischen Antrieben in mechanische Energie gewandelt. Der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe liegt dabei erheblich über dem der Verbrennungsmotoren. Daraus darf aber nicht abgeleitet werden, dass das Effizienzziel bei den elektrischen Antrieben erreicht ist. Wirkungsgradverbesserungen von nur wenigen Prozent bringen beachtliche Energieeinsparungen, wie Beispiele belegen. Bereits 1997 hat die EU-Kommission (15 Mitgliedsländer) in ihrem Weißbuch für erneuerbare Energien einen Anteil von 12% regenerative Energien eine Verdopplung des Deckungsbeitrags gegenüber 1997 bis 2010 zum Ziel erklärt. Diese Minimalanforderung konnte weitgehend erfüllt werden. Diese Entwicklung muss auch langfristig mit einer besonnenen Steigerung der regenerativen Energien weitergehen, um einen Anteil an der gesamten nutzbaren Energie von rd. 0,5% pro Jahr zu erreichen. Ohne Zweifel wird die Windenergie in der nahen Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung dieser Zielvorstellungen bei der Elektrischen Energie leisten. Damit ist der Entwicklung von energieeffizienten Generatoren für Windturbinen eine große Bedeutung beizumessen. Natürlich müssen auch für die konventionellen Kraftwerke, die zwangsweise noch einige Jahrzehnte eingesetzt werden müssen, energieeffiziente Generatoren eingesetzt werden. Anhand von zwei Tabellen soll gezeigt werden, wo die Einsparpotentiale liegen und welche Motorentypen in welchen Verbrauchssektoren überwiegend zum Einsatz kommen. Gruppe Anteil Maschinentypen im Einsatz Industrie 29 % Drehstrommaschinen (Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, Sondermaschinen) Verkehrswesen 27 % Drehstrommaschinen, Gleichstrommaschinen Haushalte 27 % Kondensatormotoren, Bürstenlose Gleichstrommotoren, Spaltpolmotoren Kleinverbraucher 17 % Drehstrom- und Einphasenmaschinen Tabelle 1.1: Energieeinsatz nach Verbrauchergruppen in Deutschland Im Rahmen eines Energiemanagement-Programms könnte das Ziel definiert werden, vornehmlich die elektrische Energieversorgung und -anwendung zu analysieren. Da es Unternehmen gibt, in denen Tausende von Elektromotoren arbeiten, sollte bei der Durchführung der Ist-Analyse der elektrische Energieeinsatz sorgfältig messtechnisch untersucht werden, um Schwachstellen zu identifizieren und Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen zu können. Es wird sich herausstellen, dass der Kaufpreis der elektromechanischen Energiewandler, gemessen an den Kosten für die anfallenden Verluste im Betrieb sehr klein ist. Darüber hinaus müssen aber auch verfahrenstechnische Maßnahmen in der Antriebstechnik hinsichtlich der Energieeffizienz näher untersucht werden. Bei dynamischen Antrieben kann beispielsweise die Bremsenergie mit geeigneten Stromrichtern in das elektrische Energienetz zurückgespeist werden. Häufig kann durch Anpassung der Drehzahl der elektrischen Maschine an die Arbeitsmaschine ein insgesamt verlustarmer Antrieb realisiert werden. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 2

3 Betrachtet man anstelle von Industriebetrieben den Haushaltssektor, so steht dort der Energieeinsatz für die Heizung im Vordergrund. Dieses zeigt die Tabelle 1.2. Einsatzgebiet Anteil Elektrische Antriebe Heizung 77 % Asynchronmaschinen für Ölpumpe und Umwälzpumpe Warmwasser 12 % Asynchronmaschinen für Zirkulationspumpe Hausgeräte 10 % Einphasenmotoren in Hausgeräten: Spaltpol-, Kondensatormotoren, Widerstandsläufer etc. Licht 1 % Tabelle 1.2: Aufteilung der Endenergie im Haushalt in Deutschland Betrachtet man die Tabelle 1.2, so sollte einer der Schwerpunkte der Energieforschung der Gebäudebereich sein, wobei wesentliche Faktoren für die Verbesserung der Situation in der Bedarfsreduktion im Wärmebereich eine konsequente Wärmedämmung sowie durchdachtes Planen der Lüftungs- und Heizsysteme sind. Der heutige Wärmeverbrauch eines guten Neubaus liegt bei 3lHeizöl/m²a, während Altbauten immer noch 15lHeizöl/m²a und mehr benötigen. Man könnte einen Zustand erreichen, wo das Heizungssystem überflüssig wird und die Temperierung der Wohnung allein durch die Wärmeverluste von Computern, Haushaltsgeräten und Glühlampen ohne Komforteinbuße erzielt wird. Hinzu kommen noch die Wärmeverluste durch die Hausbewohner. An die Stelle der klassischen Heizung tritt die Energiezentrale, ein innovatives Lüftungsgerät, das die Frischluft bedarfsabhängig mit der Wärme aus der Abluft vorheizt und auch das Brauchwasser vorwärmt. Auch bei diesem Konzept werden Lüfter und Pumpen von elektrischen Antrieben in Verbindung mit leistungselektronischen Stellgliedern angetrieben. Eine wichtige Aufgabe ist folglich die Energieeffizienz von elektrischen Antrieben zu steigern, um eine nachhaltige Energieversorgung langfristig zu ermöglichen. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 3

4 2. Energiewandler Elektrischer Antrieb Anstelle der Betrachtung des kompletten Antriebssystems, wie z.b. eines drehzahlvariablen Pumpenantriebs, soll im Folgenden der Schwerpunkt nur auf die Energieeffizienz von Maschinen (Motoren bzw. Generatoren) gelegt werden. Das Potenzial der Leistungselektronik im Rahmen von energiesparenden Antrieben wird zunächst nicht behandelt. Von den drei Grund-Maschinenfamilien wie Gleichstrommaschinen Synchronmaschinen Asynchronmaschinen soll die Asynchronmaschine in den Vordergrund gestellt werden, da 90% der gesamten elektrischen Energie, die den elektrischen Maschinen zugeführt wird, mit Asynchronmaschinen im Leistungsbereich von 0,75 kw bis 750 kw in mechanische Energie gewandelt wird. Eine Übersicht vermittelt die Tabelle 2.1. Typ der Last Industriesektor Tertiärer Sektor Motoren 69 % 36 % Wachstum / Jahr 1,5 % 2,2 % Beleuchtung 6 % 30 % Bürogeräte 25 % 34 % Tabelle 2.1: Elektrischer End-Energieeinsatz Der Verbrauch an elektrischer Energie für beide Sektoren beträgt etwa 900 TWh, wobei Motoren in dem unteren Leistungsbereich stark beteiligt sind. Wirkungsgradverbesserungen sind ein komplexes Aufgabenfeld, da verschiedene Akteure beteiligt sind: Hersteller, Händler, Gerätehersteller und Endnutzer. Stehen schließlich energieeffiziente Motoren zur Verfügung, so sind weitere Hürden bei der Markteinführung zu überwinden, wie: Mangel an Informationen beim Endnutzer, Fehlende Investitionsmittel, Eigentümer des Motors zahlt nicht für die Betriebskosten, Wartungsmaßnahmen werden unter Termindruck durchgeführt und nicht an Energieeffizienzverbesserung gemessen, Mehrzahl der ausgefallenen Motoren wird nicht durch einen neuen ersetzt, sondern die Wicklung wird im Verlauf der Reparatur teilweise oder gar vollständig erneuert, was häufig zu einer Einbuße an Wirkungsgrad führt. Die Marktdurchdringung der energieeffizienten Motoren geht folglich langsam voran; sie liegt bei etwa 5 6 % pro Jahr, wenn man die mittlere Lebensdauer mit 15 Jahren ansetzt. 2.1 Wirkungsgrad von Asynchronmaschinen Bei der Reduzierung der einzelnen Verlustposten in den Elektromaschinen hat es große Fortschritte in den letzten Jahren gegeben. Diese Entwicklung ist durch neue Werkstoffe, Werkstoffverbesserungen und die Optimierung der Abmessungen ausgelöst worden. Am folgenden Beispiel wird das Einsparpotential aufgezeigt. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 4

5 Parameter Standard Asynchronmaschine Effiziente Asynchronmaschine Nennleistung 3,7 kw 3,7 kw Wirkungsgrad 83,1 % 87,0 % Betriebsdauer (16h/d 250d) 4000 h 4000 h Energiebedarf kwh kwh Energieeinsparung kwh Tabelle 2.2: Asynchronmaschinen im Vergleich Tabelle 2.2 verdeutlicht, wie die Mehrkosten beim Kauf einer energieeffizienten Asynchronmaschine bereits nach einem Jahr Betriebsdauer durch die Einsparung kompensiert werden. Die wirtschaftlichen Vorteile von energieeffizienten Maschinen sind offenkundig. Die CEMEP (European Commission of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics) hat auf Drängen der Kommission der EU 1998 beschlossen, eine Wirkungsgrad-Kennzeichnung basierend auf drei Klassen freiwillig einzuführen. Die Zuordnung basiert auf dem Wirkungsgrad bei 100 % Last. Die beste Klasse wird mit eff1, die schlechteste mit eff3 bezeichnet EFF 1 95 EFF 1 N / % EFF 2 EFF 3 N / % EFF 2 EFF P N / kw Abbildung 2.1: Wirkungsgradklassen für 2-polige (links) und 4-polige (rechts) Maschinen nach CEMEP Abbildung 2.1 zeigt die drei Wirkungsgrad-Klassen nach CEMEP über der abgegebenen Leistung. Es wurde vereinbart, auf den Typenschildern die Wirkungsgrad-Klasse anzugeben und in der Dokumentation wird zusätzlich der Wirkungsgrad für 75 % Last ausgewiesen. Diese Vereinbarungen gelten nur für zwei- und vierpolige, dreiphasige, 50 Hz, 400 V- Asynchronmaschinen, die in der Betriebsart S1 gefahren werden. Für die Einzelposten der Verluste bei Asynchronmaschinen kann man folgende Größenordnungen nennen: Verlustart 75 Größenordnung der Verluste P N / kw Ständerkupferverluste P Cu1 Eisenverluste P Fe Zusatzverluste P Z Läuferkupferverluste P Cu2 Reibungsverluste P Rbg 1 5 % P N 0,5 3 % P N 0,5 % P N 0,5 6 % P N 0,5 1,5 % P N Tabelle 2.3: Verluste der Asynchronmaschine G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 5

6 Betrachtet man vornehmlich die Summe der Verluste P V, so lässt sich der Wirkungsgrad schreiben als: P V P = 1- = 1- V (2.1) P P P auf ab V Die Gesamtverluste können aus der Summe der Einzelverluste ermittelt werden. PV = PCu1 PZ PCu2 PR (2.2) Bei dem weit verbreiteten Typ der Asynchronmaschine mit Käfigläufer wird die Ständerwicklung (Statorwicklung) aus Kupferdraht ausgeführt und für den Läuferkäfig (Rotorkäfig) wird Aluminium im Rahmen der Fertigung mit Druck- oder Schleuderguss gewählt. Technologische Weiterentwicklungen ermöglichen es nun auch Kupfer im Läufer einzusetzen, was zu einer Reduzierung der Gesamtverluste um 15 bis 20 % führt. Eine Verbesserung von 1 % im Wirkungsgrad würde allein in den USA pro Jahr 3,5 Millionen Barrel Öl einsparen. Messungen an Prototypen zeigen, dass bei effizienten Asynchronmaschinen gegenüber Standard-Asynchronmaschinen eine um rd. 5 K reduzierte Endtemperatur auftritt. Verbesserte Qualitäten von Dynamoblech werden ebenfalls eingesetzt, um die Eisenverluste zu reduzieren. Anstelle einer Verlustziffer von 3,5 W/kg bei 1,0 T sind seit einiger Zeit Blechqualitäten im Angebot mit 1,0 W/kg und darunter. Durch den Einsatz von magnetischen Nutkeilen und einem verbesserten Lüfter lassen sich die Zusatzverluste und die Reibungsverluste weiter senken. Aus dieser Palette von Möglichkeiten wählen die Hersteller eine Kombination aus, um Motoren mit verbessertem Wirkungsgrad auf den Markt zu bringen. Im September 2007 wurde die freiwillige europäische CEMEP-Klassifizierung durch die internationale Norm IEC/EN für energieeffiziente Motoren abgelöst. Diese Norm gilt für 2-, 4- und 6-polige Niederspannungs-Drehstromasynchronmotoren mit einer Nennleistung von 0,75 kw bis 375 kw und den Nennfrequenzen 50 Hz bzw. 60 Hz für die Betriebsklasse S1 (Dauerbetrieb). Sie gilt auch für Getriebemotoren und Motoren, die an einem Frequenzumrichter betrieben werden. Die energieeffizienten Motoren werden nach IEC/EN in die Effizienzklassen IE1 (entspricht eff2), IE2 (entspricht eff1) und IE3 eingeteilt. Die Effizienzklasse ist auf dem Motor auszuweisen. Der Wirkungsgrad darf nur nach dem neuen Bewertungsverfahren EN ermittelt werden. Diese Angaben sind geringfügig geringer als die bisherigen Nennwirkungsgrade. Der Nennwirkungsgrad N kann nach IEC/EN für 2-, 4- und 6-polige 50-Hz- Drehstrom-Asynchronmotoren mit Nennleistungen zwischen 0,75 kw und 200 kw nach Gl. 2.3 berechnet werden. Die Koeffizienten A bis D für die drei Effizienzklassen können der Tabelle 2.4 entnommen werden. 3 2 P P P = A lg N B lg N C lg N N D 1% (2.3) 1kW 1kW 1kW Für Nennleistungen zwischen 200 kw und 375 kw ist nach IEC/EN der Nennwirkungsgrad N für 50-Hz-Asynchronmotoren konstant. Bei 60-Hz-Asynchronmotoren ist der Nennwirkungsgrad nach IEC im Allgemeinen geringfügig höher festgelegt. Bei der Nennleistung 185 kw wird hier bereits der konst. maximale Wirkungsgrad erreicht. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 6

7 IE-Code Koeffizient IE1 IE2 IE3 f N = 50 Hz P N = 0,75 kw kw 2-pol. 4-pol. 6-pol. A 0,5234 0,5234 0,0786 B -5,0499-0, ,5838 C 17, , ,2918 D 74, , ,2383 A 0,2972 0,0278 0,0148 B -3,3454-1,9247-2,4978 C 13, , ,2470 D 79, , ,5603 A 0,3569 0,0773 1,1252 B -3,3076-1,8951-2,6130 C 11,6108 9, ,9963 D 82, , ,4769 Tabelle 2.4: Koeffizienten für die Effizienzklassen nach IEC/EN Nennwirkungsgrad in % IE1 4-pol. IE2 4-pol. IE3 4-pol. 70 0, Nennleistung in kw Abbildung 2.2: Nennwirkungsgrade für 4-polige Asynchronmaschinen mit f N = 50 Hz nach IEC/EN Seit Juni 2011 ist in der EU der Mindestwirkungsgrad IE2 für Asynchronmaschinen mit Nennleistungen 0,75 kw bis 375 kw für Neuanlagen vorgeschrieben. Ab Januar 2015 soll in der EU der Mindestwirkungsgrad IE3 für Asynchronmaschinen mit Nennleistungen 7,5 kw bis 375 kw für Neuanlagen oder eine Kombination aus Asynchronmaschine mit dem Mindestwirkungsgrad IE2 und Frequenzumrichter vorgeschrieben werden. Ab Januar 2017 soll in der EU der Mindestwirkungsgrad IE3 für Asynchronmaschinen mit Nennleistungen 0,75 kw bis 375 kw für Neuanlagen oder eine Kombination aus Asynchronmaschine mit dem Mindestwirkungsgrad IE2 und Frequenzumrichter vorgeschrieben werden. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 7

8 2.2 Wirkungsgrad von Synchronmaschinen Neben dem Einsatz verbesserter Dynamoblechqualitäten und der Optimierung der Nut- Luftspalt-Geometrie kann man in vielen Anwendungen der Synchronmaschine die vom Erregerstrom durchflossene Feldwicklung, als Ort der Erregerverluste, ersetzen durch eine Anordnung von Permanentmagneten. Je nach Leistungsklasse und Anforderungsprofil können folgende Magnetklassen zum Einsatz kommen: Ferrite (Kleinmotoren, Industriemotoren) Samarium-Kobalt-Legierungen (Servoantriebe, Sondermotoren) NdFeB-Legierungen (Servoantriebe, Bürstenlose Gleichstrommotoren, Kleinstmotoren). Als junges Anwendungsfeld sind die permanenterregten Synchrongeneratoren zu nennen, die in modernen Windparks zu finden sind. Die 1,5 bis 1,8-MW-Synchron-Generatoren sind charakterisiert durch eine hohe Polpaarzahl (z.b. 2p = 36), um auf das Getriebe verzichten zu können. Die Rotordrehzahl liegt zwischen 8 und 22 min -1. Eine 4,5-MW-Windkraftanlage mit Permanentmagneterregung wurde im September 2002 in Deutschland errichtet. Das ist die zur Zeit größte Einheitsleistung mit Permanentmagneten als WEK. Eine weitere Entwicklung auf dem Gebiet der Synchrongeneratoren soll erwähnt werden, da sie auf der Erhöhung der Betriebsspannung infolge eines neuartigen Wicklungskonzepts beruht. Es handelt sich um den Powerformer der Fa. Alstom. Bei einem klassischen Synchrongenerator-Entwurf mit parallelflankigen Nuten und Standard- Isolierung ist die Betriebsspannung auf 30 kv begrenzt. Ein Neuentwurf der Nut ermöglicht, Hochspannungskabel für die Wicklung zu verwenden. Die Spannungsgrenze wird nun durch das Dielektrikum des Kabels vorgegeben. Der wesentliche Vorteil ist, dass der Generator nun direkt in das Netz einspeisen kann und die Verluste im Transformator wegfallen. Gleichzeitig führt die hohe Spannung zu einem geringeren Strom mit geringerer Statorerwärmung. Das Ergebnis sind hohe Wirkungsgrade und reduzierte Wartungskosten, da weniger Komponenten das Energieversorgungssystem bilden. Durch die Verbindung von Generator und Transformator in einem Gerät können die Verluste minimiert und dadurch der Gesamtwirkungsgrad um bis zu 1,5 % auf 99.0 % verbessert werden. Weiterhin zeichnet sich der Powerformer durch einen geringeren Platzbedarf aus; im Bereich der Wasserkraftnutzung ist dies sehr wichtig, da hier häufig beengte Raumverhältnisse anzutreffen sind. Der Wegfall von Trafo-Kühlmitteln stellt einen weiteren Vorteil des Powerformers dar. 2.3 Sondermaschinen Aufgrund der bisweilen komplizierten Geometrie von Sondermotoren, wie z.b. von hochpoligen bürstenlosen Gleichstrommotoren oder Transversalflussmotoren, bringen klassische Dynamoblechqualitäten hohe Eisenverluste. Durch die Verwendung von kunststoffgebundenen weichmagnetischen Werkstoffen (soft magnetic composites or bonded softmagnetic material) können fertigungstechnische Vorteile und Verlustreduktionen bewirkt werden. Besonders bei hochtourigen Antrieben machen sich die Vorteile dieser Werkstoffe bemerkbar. An die Stelle von Feldwicklungen zum Aufbau des magnetischen Feldes tritt der Einsatz von Hochenergie-Permanentmagneten. Samarium-Kobalt- oder NdFeB-Magnete liefern bei richtiger Dimensionierung Luftspaltinduktionen, wie man sie früher nur mit der klassischen aber verlustbehafteten Feldwicklung erreicht hat. Damit fallen die Erregerverluste weg, die G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 8

9 bis zu 5% betragen können, und eine signifikante Wirkungsgradverbesserung tritt ein. Probleme, die mit der Temperaturempfindlichkeit und der Korrosion des Permanentmagnetmaterials anfänglich auftraten, sind überwunden. Motoren mit gesinterten Permanentmagneten werden bei Umgebungstemperaturen von über 150 C mit Grenzanwendungen bei 250 C eingesetzt. Unlängst hat eine deutsche Firma einen neuen Meilenstein im Bereich von gesinterten NdFeB-Magneten gesetzt. Es wurden durch Optimierung von Legierungszusammensetzungen, Minimierung von Verunreinigungen und durch einen gesteuerten Sinterprozess anisotrope Magnete mit einer remanenten Polarisation von 1,519 T, einer Koerzitivfeldstärke von 780 ka/m und einer maximalen Energiedichte von 450 kj/m³ bei 20 C hergestellt. Aufgrund der Temperaturkoeffizienten RTCB = - 0,11 %/K und RTCH = - 0,8 %/K ist der Anwendungsbereich auf maximal 80 C begrenzt. Dieses Material wird im Bereich Bürogeräte und Haushaltgeräte zu weiteren Wirkungsgradverbesserungen von bürstenlosen Gleichstrommotoren beitragen. Langfristig werden auch Hochtemperatur-Supraleiter zur Reduzierung der Verluste eingesetzt werden. Mit diesen Materialien lässt sich die Motorleistung bei gleicher Baugröße verdoppeln, gleichzeitig halbieren sich die Verluste. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 9

10 3. Erhöhung der Energieeffizienz bei Antriebssystemen Zur Steigerung der Energieeffizienz bei Antriebssystemen gibt es zahlreiche Ansatzpunkte. Nicht bei jeder Maßnahme stehen aber Aufwand und Ergebnis in einem ausgewogenen Verhältnis. Zunächst muss der mechanische Prozess und sein Energiebedarf analysiert werden. Die Analyse, bei der immer häufiger Simulationsprogramme angewendet werden, zeigt im konkreten Fall, welche Maßnahmen effektiv sind. Die Steigerung der Energieeffizienz von Antrieben folgt in drei Ansätzen: Elektrische Energie intelligent einsetzen. 2. Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln. 3. Rückgespeiste Bremsenergie nutzen. 75 % 15 % 10 % Abbildung 3.1: Einsparpotenziale zur Erhöhung der Energieeffizienz Elektrische Energie intelligent einsetzen: Bedarfsgerechte Dimensionierung, Überdimensionierung vermeiden. Geregelter Betrieb mit einem Frequenzumrichter. Energieeffiziente Bewegungsführung und Regelung. Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln: Komponenten (Motoren, Getriebe) mit hohem Wirkungsgrad einsetzen. Rückgespeiste Bremsenergie nutzen: Energieaustausch zwischen mehreren Antrieben. Zwischenspeichern der Bremsenergie. Rückspeisen der Bremsenergie. Einsatz eines Bremswiderstandes möglichst vermeiden. 3.1 Intelligenter Einsatz von Elektrischer Energie Elektrische Antriebe machen knapp 2/3 des industriellen Strombedarfs aus. Bei weiterhin steigenden Energiepreisen wird sich dieser Kostenfaktor immer negativer auf die Produktionskosten auswirken. Für nahezu jedes Unternehmen liegt hier ein enormes Sparpotential brach. Denn vor allem in energieintensiven Bereichen sind durch energieeffiziente Antriebe bis zu 70% Einsparung möglich. Um zu einer nachhaltigen Entwicklung auf dem Energiesektor zu kommen, muss die eingesetzte Energie effektiv genutzt werden. Dabei muss sich die vom elektrischen Antrieb abgegebene Leistung am tatsächlichen Bedarf der jeweiligen Anwendung orientieren. Es sind sowohl die maximal benötigte Leistung als auch Schwankungen im Betrieb zu berücksichtigen. Die kurzzeitige Überlastung von elektrischen Antrieben sollte dabei in die Auslegung der Komponenten mit einfließen. Eine intelligente, bedarfsorientierte Energiebereitstellung erfordert daher: die Auslegung der Antriebe gemäß der maximal benötigten mechanischen Leistung, die Anpassung der abgegebenen mechanischen Leistung an den momentanen Bedarf, der bei vielen Anwendungen deutlichen Schwankungen unterliegt. Typische Wirkungsgrade des Antriebsstrangs bei unterschiedlicher Teillast: bei 0,75 P N : = 75% bei 0,3 P N : = 45% G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 10

11 Die exakte Auslegung des Antriebsstrangs ist wichtig! Der optimale Wirkungsgrad von Antriebssystemen liegt meistens in einem engen Bereich um die Bemessungsleistung. Trotzdem werden viele Antriebe überdimensioniert, um auf der "sicheren Seite" zu sein. Die Folge ist, dass der Antrieb deutlich unterhalb der Bemessungsleistung betrieben wird und der Wirkungsgrad stark absinkt. Als erste Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz lohnt sich immer, die Antriebe exakt an der maximal erforderlichen mechanischen Leistung der Anwendung zu orientieren. Von vielen Antriebsherstellern werden PC-Programme angeboten, mit denen ein Antriebssystem so ausgewählt werden kann, dass es für eine Anwendung exakt zugeschnitten ist. Dies schlägt sich in niedrigeren Anschaffungskosten und einem geringeren Energieverbrauch nieder. Beispielhaft sind hier PC-Programme zur Antriebsauslegung unter dem Gesichtspunkt Energieeffizienz aufgeführt: Fa. Lenze Drive Solution Designer Fa. Siemens Energieeffizienz-Software SinaSave Geregelter Antrieb mit Umrichter: Bei fast jedem mechanischen Prozess variiert der Bedarf an Leistung. Besonders deutlich wird dies bei Kühl- und Heizanlagen, bei denen die Förderleistung von Pumpen und Ventilatoren von der momentanen Umgebungstemperatur abhängt. Auch in der Fördertechnik treten größere Schwankungen der benötigten Förderleistung auf, wenn der Durchsatz nicht konstant ist. Um eine Steigerung der Effizienz zu erreichen, muss die abgegebene Leistung des Motors an diesen unterschiedlichen Bedarf angepasst werden. Hierzu dient ein Umrichter, mit dem die Drehzahl des Motors und damit die abgegebene Leistung, das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment, verändert werden kann. Bei fast allen Anwendungsfällen kann mit Hilfe eines Umrichters die Energieeffizienz deutlich gesteigert werden. Bei Pumpen und Ventilatoren sind Einsparungen bis zu 60% mit der sog. Lüfterkennlinie (U ~ f 2 ) der Regelfall. Umrichter mit der Funktion Voltage-Frequency-Control-economic (VFC eco) passen den Magnetisierungsstrom automatisch den Betriebsbedingungen an. Bei niederdynamischen Antrieben kann so bei Teillast der Gesamtwirkungsgrad deutlich verbessert werden. Umrichter in geregelten Antrieben erfassen den Zustand des Antriebs. Dieses kann zur vorbeugenden Wartung genutzt werden, und der Konstrukteur kann die Sicherheitszuschläge bei der Auslegung reduzieren. Bei Kreiselpumpen und Ventilatoren wird die Motorleistung P W mit dem Produkt aus dem Volumenstrom V, auch Förderstrom Q genannt, und der Druckdifferenz p unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads des Antriebs berechnet. Der Volumenstrom V ist dabei vom Rohrquerschnitt A und von der Strömungsgeschwindigkeit v abhängig. V p P = mit V W Q A v (3.1) Dabei ist der Volumenstrom V proportional zur Drehzahl n ( V ~ n ), die Druckdifferenz p proportional zum Quadrat der Drehzahl n 2 (p ~ n 2 ), die Strömungsgeschwindigkeit v proportional zur Drehzahl n (v ~ n) und damit die Motorleistung P W ~ n 3. Typische Lüfterkennlinien sind drehzahlabhängig. Die Anfangsdruckdifferenz steigt zunächst mit dem Volumenstrom bis zur maximalen Druckdifferenz leicht an. Mit größer werdendem Volumenstrom nimmt die Druckdifferenz deutlich ab. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 11

12 Bei der Anlagenkennlinie steigt die Druckdifferenz ungefähr mit dem Quadrat des Volumenstroms. Durch den Einbau einer Drossel kann die Druckdifferenz der Anlage beliebig vergrößert werden. Der Arbeitspunkt eines Lüfters ist immer der Schnittpunkt der drehzahlabhängigen Lüfterkennlinie (üblich wird die Frequenz der antreibenden Asynchronmaschine angegeben) mit der Anlagenkennlinie. Der Anwender kann zur Volumenstromsteuerung die Anlagenkennlinie mit einer Drosselklappe kontinuierlich verstellen. Diese einfache Maßnahme zur Volumenstromsteuerung führt zu großen Verlusten. Der Anwender kann aber auch mit einem Frequenzumrichter die Ständerfrequenz der Asynchronmaschine und damit die Drehzahl des Lüfters verstellen. Diese Art der Steuerung ist sehr effizient. Druckerhöhung in Pa Abbildung 3.2: Kennlinienfeld eines Mitteldrucklüfters Energiebedarf in % Volumenstrom in m 3 /min 50 Hz 40 Hz 30 Hz 20 Hz Anlagenkennlinie Durchflusssteuerung mit Drosselklappe seltener Arbeitsbereich Energieeinsparung Anlage mit Drossel Durchflusssteuerung mit Frequenzumrichter Durchflussmenge in % Bei der nebenstehenden Beispielanlage beträgt die Lüfterleistung bei 10m 3 /min etwa 130 W (ohne Verluste im Antrieb). Mit Drosselklappe beträgt bei 6m 3 /min die Lüfterleistung etwa 170 W. Mit Umrichter beträgt bei 6m 3 /min die Lüfterleistung nur noch 30 W. In der Abbildung 3.3 ist das Einsparpotential durch Umrichterbetrieb gegenüber der Drosselklappensteuerung bei Lüftern und Kreiselpumpen dargestellt. Abbildung 3.2: Relativer Energiebedarf von Lüftern und Kreiselpumpen in Abhängigkeit der Durchflussmenge bei Lüftern und Pumpen 11 G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 12

13 Energieeffiziente Antriebsregelung und Bewegungsführung: Bei eher statischen Prozessen kann eine Anpassung des Motorarbeitspunkts an die tatsächliche Belastung die Verluste minimieren. Besonders im Teillastbetrieb von Drehstrom- Standardmotoren führt eine Anpassung der Motorspannung durch den Frequenzumrichter zu einem besseren Wirkungsgrad. Dynamische Bewegungsabläufe können so gestaltet werden, dass die Energieeffizienz möglichst hoch ist. So benötigen viele Positioniervorgänge nicht immer die minimalen Beschleunigungs- und Bremszeiten. Eine Anpassung an die tatsächlich erforderliche Dynamik reduziert die Verluste im Motor deutlich. a v s a v s 100% a max 50% a max Abbildung 3.4: Reduzierung der Verlustleistung um rd. 25% durch Reduzierung der maximalen Beschleunigung bei Positionieranwendungen 3.2 Energiewandlung mit hohem Wirkungsgrad Um einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei der Energiewandlung zu erzielen, müssen alle Antriebskomponenten berücksichtigt werden, da das Produkt aus allen Einzelwirkungsgraden den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs ergibt. An = FU M G Ü (3.2) An Gesamtwirkungsgrad des Antriebs FU Wirkungsgrad des Frequenzumrichters (Servo-Umrichter) M Wirkungsgrad des Motors G Wirkungsgrad des Getriebes Wirkungsgrad der Übertragungselemente (Kupplungen, Lager, Führungen) Ü Frequenzumrichter erreichen heute einen sehr hohen Wirkungsgrad von 94 bis 97%. Die am häufigsten verwendeten Standard-Drehstrommotoren werden in unterschiedlichen Wirkungsgradklassen angeboten. Ab 2011 dürfen in der EU nur noch Motoren ab der Wirkungsgradklasse le2 eingesetzt werden. Die heute noch am meisten verwendeten Motoren der Klasse le1 dürfen dann für Neuinstallationen nicht mehr benutzt werden. Motoren der Wirkungsgradklasse le3 sind bei gleicher Leistung deutlich teurer und größer als die der Klasse IE2. Daher ist ihr Einsatz nur in Anwendungen sinnvoll, die dauernd bei Nenndrehzahl und hoher Last betrieben werden. In den meisten Anwendungsfällen ist der G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 13

14 Einsatz eines Frequenzumrichters, der die Ausgangsleistung des Antriebs an die Anwendung anpassen kann, die bessere Lösung für eine höhere Energieeffizienz. Geregelte Antriebe mit Asynchronmotoren können grundsätzlich auch mit Synchron- Servomotoren realisiert werden. Da bei einem permanenterregten Synchronmotor die Magnetisierung des Motors nicht durch den eingespeisten Blindstrom, sondern durch Dauermagnete erzeugt wird, fallen die Motorströme niedriger aus. Dies führt zu besseren Wirkungsgraden als bei entsprechenden Asynchronmotoren. Insgesamt sinkt der Energiebedarf bei typischen Positionieranwendungen um 25 %. Niedrigere Motorströme bedeuten aber auch, dass im Frequenzumrichter weniger Verlustleistung anfällt und gegebenenfalls ein kleinerer Frequenzumrichter gewählt werden kann - der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs erhöht sich dadurch. Es lohnt sich daher, alle Anwendungen mit geregelten Antrieben daraufhin zu prüfen, ob nicht der Einsatz eines Synchron-Servomotors mit der verbesserten Energieeffizienz die bessere Lösung ist. Getriebe passen die hohe Drehzahl des Motors an den mechanischen Prozess an. Am häufigsten wird dabei eine Übersetzung von etwa 20 verwendet. Diese kann mit zweistufigen Stirnradgetrieben oder Planetengetrieben mit sehr hohen Wirkungsgraden realisiert werden. Als Winkelgetriebe werden Schnecken und Kegelradverzahnungen verwendet. Während Schneckengetriebe generell hohe Verluste erzeugen, lassen sich Kegelradgetriebe mit guten Wirkungsgraden realisieren. Zusätzliche Effizienzsteigerungen werden erreicht, wenn dank eines höheren Getriebewirkungsgrads gegebenenfalls ein Frequenzumrichter bzw. Motor niedrigerer Leistung verwendet werden kann. Ein Antriebsstrang enthält in der Regel passive Antriebselemente wie Kupplungen, Lager, Zugmittelgetriebe, Führungen sowie lineare und nicht-lineare Übertragungselemente. Auch hier stehen häufig mehrere Alternativen mit unterschiedlichen Wirkungsgraden zur Verfügung. Wichtig ist insbesondere eine möglichst niedrige Reibung. Bei der Montage vermeiden optimal eingestellte Vorspannungen erhöhte Belastungen und schlechte Wirkungsgrade. Pneumatische und hydraulische Antriebe sind für ihre vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrade bekannt. Darüber hinaus ist Druckluft teuer und Hydrauliköl umweltgefährdend. Dank der Fortschritte der elektrischen Antriebstechnik können diese Probleme in vielen Fällen durch den Ersatz der Fluidantriebe durch elektrische Antriebe vermieden werden und dabei gleichzeitig Energie eingespart werden. 3.3 Nutzung der Bremsenergie In vielen Anwendungen mit elektrischen Antrieben ist ein häufiges Beschleunigen bzw. Abbremsen erforderlich. Beim Beschleunigen bzw. Heben wird elektrische Energie in kinetische oder potenzielle Energie umgewandelt, die beim Abbremsen bzw. Absenken zum P R, Brems P mech P V, WR P V, Mot Netz 3~ M 3~ Abbildung 3.5: Generatorischer Betrieb mit Bremswiderstand G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 14

15 Teil wieder zurückgespeist wird. Oft wird diese rückgespeiste Energie heute über einen Bremswiderstand in Wärme umgewandelt und geht damit ungenutzt verloren. In bestimmten Anwendungen lohnt es sich aber, diese Bremsenergie einer weiteren Nutzung zuzuführen. Dies führt zu einer Steigerung der Energieeffizienz. Antriebslösungen Typische Rückspeiseszenarien Förderantriebe Fahrantriebe Hubantriebe Koordinierte Antriebe Wickelantriebe Taktantriebe Antriebe für elektronische Kurvenscheibe Antriebe für Umformprozesse Haupt- und Werkzeugantriebe Antriebe für Pumpen und Ventilatoren Bremsenergie wird im Motor verbraucht regelmäßiges aber seltenes Rückspeisen beim Bremsen Rückspeisung über längere Zeit beim Senken dynamisches Rückspeisen mit hohen Taktraten gleichzeitige Auftreten von motorischem und generatorischem Betrieb sporadisches Rückspeisen beim Bremsen, teilweise kontinuierlicher Bremsbetrieb durchgängiger Bremsbetrieb bei Abwicklern dynamischer Wechsel von motorischem und generatorischem Betrieb mit hohen Taktraten dynamischer Wechsel von motorischem und generatorischem Betrieb mit hohen Taktraten bei getakteten Prozessen: dynamischer Wechsel von motorischem und generatorischem Betrieb kontinuierlicher Betrieb, sporadisches Bremsen Bremsenergie wird im Motor verbraucht Antrieb kann austrudeln sehr gering gering hoch mittel mittel gering, mittel hoch mittel bis hoch mittel bis hoch mittel bis hoch gering sehr gering Maßnahmen keine Bremswiderstand, ggf. DC Verbund Netzrückspeisung, ggf. DC Verbund DC-Verbund, ggf. Netzrückspeisung DC-Verbund Bremswiderstand, DC-Verbund DC-Verbund, Netzrückspeisung Rückspeiseenergie Positionierantriebe Gleichlaufantriebe Kondensatorspeicherung, DC- Verbund, ggf. Netzrückspeisung Kondensatorspeicherung, DC- Verbund ggf. Netzrückspeisung Bremswiderstand, ggf. Netzrückspeisung keine Tabelle 3.1: Steigerung der Energieeffizienz durch sinnvolle Maßnahmen bei verschiedenen Antriebslösungen G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 15

16 Nutzung der Bremsenergie durch Rückspeisung ins Netz: Die meisten Frequenzumrichter können keine Energie in das elektrische Netz zurückspeisen, da dieses zusätzliche Kosten bedeutet und in vielen Fällen nicht benötigt wird. Wenn die Rückspeisung in das Netz sinnvoll ist, muss ein rückspeisefähiger Netzgleichrichter oder eine zusätzliche Rückspeiseeinheit an den Spannungszwischenkreis eines oder mehrerer Frequenzumrichter angeschlossen werden. Der Einsatz einer Rückspeiseeinheit kann wirtschaftlich sinnvoll sein, wenn die Antriebsleistung 3 kw übersteigt. P el, Netz P V, GR P V, WR P V, Mot P mech Netz 3~ rückspeisefähig M 3~ Abbildung 3.6: Generatorischer Betrieb mit Rückspeisung ins elektrische Netz Nutzung der Bremsenergie durch Energieaustausch zwischen Antrieben: In vielen Applikationen mit nennenswerter Bremsleistung arbeiten weitere Antriebe zur gleichen Zeit motorisch. Beispiele hierfür sind Gleichlaufantriebe und Abwickler in kontinuierlich arbeitenden Produktionslinien. Hier ist es sinnvoll, die Spannungszwischenkreise der Frequenzumrichter miteinander zu verbinden (DC-Verbund), um damit den direkten Energieaustausch zu ermöglichen. Ein DC-Verbund kann auch dazu genutzt werden, um eine zentrale Rückspeiseeinheit mit mehreren Antrieben gemeinsam zu nutzen und so Kosten zu sparen. P R, Brems P V, WR P V, Mot P mech generatorisch Netz 3~ M 3~ P V, WR P V, Mot P mech motorisch M 3~ Abbildung 3.7: Generatorischer Betrieb mit Energiesaustausch zwischen 2 Achsen G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 16

17 Nutzung der Bremsenergie durch Energiespeicherung in einem Kondensator: Eine weitere Möglichkeit zur Nutzung von Bremsenergie ist deren Speicherung in einem Kondensator, der sie beim nächsten Beschleunigungs- oder Hebevorgang wieder zur Verfügung stellt. Im Vergleich zu einer Rückspeiseeinheit sind die Kosten niedriger, allerdings ist das Speichervermögen des Kondensators begrenzt. Derzeit ist die Energiespeicherung bei sehr schnell getakteten Antrieben wirtschaftlich. Dies sind beispielsweise Taktantriebe für Querschneider. Diese müssen bis zu zehnmal pro Sekunde die Walze mit dem Messer beschleunigen und bremsen. Dabei kann die Energie bei jedem Schneidevorgang zwischen dem rotierenden Messer (kinetische Energie) und dem Kondensator (elektrische Ladung) hin- und herpendeln. Die vom Netz aufgenommene Leistung reduziert sich um rd. 50%. P C P V, WR P V, Mot P mech Netz 3~ M 3~ Abbildung 3.7: Generatorischer Betrieb mit Energiespeicherung im Kondensator G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 17

18 4. Gesamtwirtschaftlichkeit Die Investition amortisiert sich in kürzester Zeit. Je nach Anwendung bereits nach weniger als zwei Jahren. Wichtig für die Wahl der richtigen Antriebstechnik ist vor allem eines: die Betrachtung der Lebenszykluskosten. In der Antriebstechnik sind die Folgekosten im Vergleich zum Anschaffungspreis besonders hoch. Ein Beispiel: 97 % der Lebenszykluskosten eines Motors entfallen auf den Betrieb. Dabei sind die Energiekosten häufig der weitaus höchste Kostenfaktor. Hier liegt ein enormes Einsparpotential brach. Einsparpotential schlummert in nahezu jedem Unternehmen. Ob eine komplette Neukonzeption Sinn macht oder eine Modernisierung ausreicht, ist von Fall zu Fall zu entscheiden. Steigende Strompreise und ein erhöhtes Umweltbewusstsein rücken das Thema energieeffiziente Antriebstechnik zunehmend in den Fokus des Interesses der Industrie. Schon lange vor der offiziellen Einteilung von Motoren in Energieeffizienzklassen (EFF) durch die Europäische Kommission betrachtete man bei vielen Herstellern von Antriebskomponenten bereits die Energiebilanz als wichtigen Bestandteil zur Errechnung der gesamten Lebenszykluskosten des Antriebs. Wo liegen die größten Einsparpotentiale? Der Umstieg auf energieeffiziente Antriebstechnik zahlt sich unmittelbar aus, besonders: in energieintensiven Branchen, bei mechanisch geregelten Strömungsmaschinen wie Kompressoren, Lüftern oder, Pumpen, bei Antrieben mit hoher Betriebsstundenzahl, Antriebe, die häufig im Teillastbetrieb laufen, Antriebe, bei denen Lasten oft abgebremst werden müssen. Um die Energiebilanz einer Maschine zu errechnen, muss das gesamte Antriebssystem betrachtet werden. In Deutschland ergeben sich durch energieeffiziente Antriebssysteme Einsparpotenziale in Milliardenhöhe: Der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v.) ermittelte für das Jahr 2004 einen Energieverbrauch von 165 TWh durch elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme. Rund 27,5 TWh und damit 16,9 Mio. Tonnen CO 2 könnten durch den Einsatz energieeffizienter elektrischer Antriebstechnik eingespart werden. Die Europäische Kommission hat 2005 eine Rahmenrichtlinie (EuP) erlassen, um zu einem effizienteren Umgang mit Energie und dadurch zur Reduzierung der Umweltbelastungen beizutragen. Hierbei geht es in erster Linie darum, den CO 2 -Ausstoß zu verringern und damit den Treibhauseffekt zu reduzieren. Vor allem in Industriezweigen, in denen die Maschinen rund um die Uhr in Betrieb sind, entwickelt sich zudem eine verstärkte Sensibilisierung für den Energieverbrauch der Anlagen. Lebenszykluskosten (LCC, Life-Cycle-Costs) Bei Antriebssystemen erreichen die Energiekosten häufig nach vier Jahren bereits die Anschaffungskosten. Energieeffiziente Antriebssysteme sind in der Anschaffung häufig teurer als konventionelle Antriebe. Die Mehrkosten amortisieren sich aber aufgrund der erreichten Energieeinsparungen meist innerhalb von wenigen Jahren. Die Gesamtwirtschaftlichkeit des Antriebssystems kann also nur im Rahmen einer Lebenszykluskosten-Betrachtung (LCC-Betrachtung) bewertet werden. Dies ist nichts Ungewöhnliches und gehört in der Betriebswirtschaft seit langem zum Handwerkszeug. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 18

19 Dennoch werden LCC-Betrachtungen bei Antrieben nur selten angestellt. Der Grund liegt darin, dass es dem Maschinenbau im harten Wettbewerb häufig schwer fällt, eine energieeffiziente, aber in der Anschaffung teurere Maschine, an den Mann zu bringen. Zukünftig werden aber die Betreiber von Maschinen angesichts steigender Energiekosten vermehrt die Betriebskosten in ihre Kaufentscheidung einfließen lassen und entsprechende Angaben des Lieferanten erwarten. Entsorgungskosten LCC Instandhaltungskosten Lebenszykluskosten Anschaffungskosten Kosten der Antriebskomponenten Betriebskosten laufende Energiekosten Abbildung 4.1: Lebenszykluskosten von Antriebssystemen Die meisten Hersteller von elektrischen Antriebskomponenten können den Maschinenbau bei der Wahl der eingesetzten Antriebe unterstützen, die zu einem wesentlichen Teil den Energieverbrauch der Maschinen beeinflussen. Diese Art der Zusammenarbeit von Betreiber, Maschinenbauer und Antriebslieferant bildet die Grundlage für die Umsetzung von Konzepten zur Optimierung der Lebenszykluskosten und damit auch der Energieeffizienz. G. Schenke, Energieeffiziente Antriebsplanung FB Technik, Abt. E+I 19