Energieeffiziente Elektroantriebe

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1 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

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3 Lebenszyklus-Kosten

4 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

5 Quelle: Deutsche Energie-Agentur

6 Leistungsgrößen Wirkleistung Nur die Wirkleistung überträgt Energie P = 3 U I cosϕ W = P t Scheinleistung Blindleistung Leistungsfaktor Maß für die Ausnutzung des Stromes S = 3 U I Q = 3 U I sinϕ λ = P S Ein schlechter Leistungsfaktor führt zu unnötig hohen Strömen und damit zu erhöhten Zusatzverlusten in der Energieverteilung / -versorgung. (Sekundäreffekt) Merke: Leistungsfaktor Wirkungsgrad (Der Wirkungsgrad kann größer oder kleiner sein)

7 Zeitverläufe bei ohmscher Last - die Wirkleistung entspricht dem Mittelwert der Augenblicksleistung Quelle:

8 Zeitverläufe bei ohmsch / induktiver Last - die Phasenverschiebung bewirkt einen reduzierten Mittelwert der Leistung - es wird weniger Energie übertragen Quelle:

9 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

10 Asynchronmotor, Arbeitspferd der Industrie Vorteile der Asynchronmaschine: Robust Wartungsarm Guter Wirkungsgrad bei hoher Auslastung Akzeptabler Leistungsfaktor bei hoher Auslastung Nachteile der Asynchronmaschine hoher Anlaufstrom schlechter Wirkungsgrad bei Teillast schlechter Leistungsfaktor bei Teillast

11 Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit der rel. Belastung η P / PN

12 Leistungsfaktor in Abhängigkeit der rel. Belastung 0.9 λ P / PN

13 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

14 Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Einsatz hocheffizienter Motore Einsatz drehzahlvariabler Antriebe Spannungsoptimierung bei Schwachlast Prozessoptimierung

15 Erhöhung des Wirkungsgrad bei Asynchronmotoren durch den Einsatz höherwertiger Einsatzmaterialien (Blech, Kupferläufer) Einsatzmenge (Kupfer, Blech) Minimierung der Reibung (Lager, Lüfter) Prüfen Sie bitte immer die veränderten Hüllmaße und das Gewicht je nach Anwendungsfall.

16 Quelle: Deutsche Energie-Agentur

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18 Bereits erstmalig in Betrieb genommene Motoren sind nach Instandsetzungsmaßnahmen, bzw. Reparaturen nicht von der Durchführungsverordnung betroffen. Sie können uneingeschränkt im Einsatz bleiben. Entscheidend für die Wirksamkeit der Durchführungsverordnung ist der Zeitpunkt der Erstinbetriebnahme.

19 Effizienzklassen gemäß DIN EN Quelle: EnergieAgentur.NRW

20 Gegenüberstellung der Wirkungsgradklassen Neben den Wirkungsgraden wurden auch die Messverfahren verschärft, so dass bei gleicher Wirkungsgradangabe der reale Wirkungsgrad nach IE über dem nach EFF liegt.

21 Energieeffiziente Motore erzielen speziell auch im Teillastbereich noch hohe Wirkungsgrade

22 Beispiel: Ersatz einer alten im Einsatz ist eine ältere Maschine (EFF3) mit einem 4-poligen Antriebsmotor von 30 kw Wellenleistung, der einen Wirkungsgrad von 85 Prozent aufweist. Sollte in der nächsten Zeit für die Maschine keine Ersatzinvestition erfolgen, kann der Einsatz eines effizienteren Motors zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Folgende Verbesserungen der Effizienz sind möglich: 6,4 % bei Einsatz eines Motors der Klasse IE1. 7,3 % bei Einsatz eines Motors der Klasse IE2. 8,6 % bei Einsatz eines Motors der Klasse IE3. Das bedeutet, dass bei Einsatz eines Motors der Klasse IE3 8,6 % ( kw=2,58 kw) weniger an Energie benötigt wird, was auch die Anschlussleistung reduziert. Quelle: EnergieAgentur.NRW

23 Quelle: EnergieAgentur.NRW

24 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

25 Drehzahlvariable Strömungsmaschinen Verzicht auf mechanische Stellglieder (Bypass, Drosselklappe) Entsprechende Volumenstromregelung (Q) über die Drehzahl (mittels Frequenzumrichter FU) sehr wirksam bei Strömungsmaschinen da M~Q² und P~Q³ i.d.r. Energieeinsparungen möglich im Bereich von 30-60%

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27 Frequenzumrichter sind energetisch besonders dann vorteilhaft, - wenn der Motor häufig im Teillastbereich betrieben wird - wenn aufgrund der Drehzahlregelung auf Drosselklappen und Bypassventile verzichtet werden kann Der Frequenzumrichter stellt darüber hinaus weitere Vorteile zur Verfügung: - sanfter Start ohne Überstrom - geringer Blindstrombedarf bei Teillast - Übernahme von Regel / Steuerfunktionen

28 Beispiel: Hallenlüftung, 20kW, h/a Der Luftstrom ist überdimensioniert und kann auf 80% reduziert werden. Der Leistungsbedarf beträgt nur noch 0,8 0,8 0,8 20 kw = 0, kw = 10,24 kw Leistungsersparnis: 20 kw 10,24 kw = 9,76 kw während der Betriebsdauer Energieersparnis: 9,76 kw h = kwh Jährliche Kosteneinsparung: kwh 0,12 /kwh = /a

29 FU Umrichter haben auch negative Begleiterscheinungen: - erhöhte Isolationsbeanspruchung des Motors - erhöhte Lagerströme - erhöhte EMV-Störaussendung Der Einsatz von Frequenzumrichtern (FU) erfordert FU-taugliche Motore. Bei alten Motoren besteht die Gefahr von frühzeitigen Isolations- und Lagerschäden.

30 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

31 Drehzahlstarre Antriebe Nicht alle Prozesse sind drehzahlstellbar Einige Anwendungen fundieren auf der Massenträgheit, um Laststöße zu beherrschen, z.b. M ühlen, Schmutzwasserpumpen Bestandsmotore sind nur eingeschränkt FU-tauglich

32 Sanftanlaufgeräte reduzieren den Anlaufstrom durch Spannungsabsenkung während des Anlaufs Lösungsansatz: Erweiterung eines Sanftanlaufgerätes Lastabhängige Steuerung der Motorspannung, U opt =f(p) Adaptives autarkes Verfahren Lernzyklus während der ersten Betriebsminuten

33 Die Asynchronmaschine - benötigt zur Entwicklung des vollen Drehmoments die volle Spannung - benötigt Blindstrom zur Felderzeugung - besitzt lastunabh ängige und lastabh ängige Verluste - kann bei reduzierter Belastung mit reduzierter Spannung betrieben werden; dies reduziert die lastunabhängigen Verluste und erhöht die lastabhängigen - Besitzt für jede Belastung eine optimale Spannung, bei der Wirkungsgrad maximal ist

34 Der Motorkontroller (MK) ermittelt adaptiv die optimale Spannung in Abhängigkeit der Belastung spart Wirkleistung (Energie) und Blindleistung im Teillastbereich beherrscht plötzliche Lastzuschaltungen (Kompressoren, Pressen, Mühlen) benutzt zur Spannungsreduktion die Hardware eines Sanftanlaufgerätes vereinigt die Funktion eines Sanftanlaufgerätes mit der des Energiesparens

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36 auch bei festfrequenten Antrieben kann die Effizienz gesteigert werden, sofern in der Anwendung nennenswerte Schwachlastphasen auftreten.

37 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

38 Beispiele für Prozessoptimierungen - Nutzung von Abluftwärme (z.b. in den Wintermonaten durch Klappensteuerung im Abluftkanal oder Wärmetauscher) - Abschaltung des Kompressors zu produktionsfreien Zeiten - Absenkung des Druckluftniveaus - Beseitigung von Leckagen

39 Wärmerückgewinnung Es gibt zwei hauptsächliche Arten für Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren: - Verwendung des warmen Kühlluftstroms des Kompressors - Verwendung der Wärme des Ölkreislaufs des Kompressors Anlage mit Wärmerückgewinnung aus der Kühlluft

40 Druckluft-Leckage Leckage-Bestimmung durch Druckabfall im Stillstand p Q = V t Ultraschall Leckage-Messgerät Eine Druckreduzierung von 8 bar auf 6 bar in einem l Behälter über eine Zeit von 2 Minuten entspricht einem Volumenstrom der Leckage von l x (8-6) / 2 min = l/min. Die Kosten für diese Leckagen würden sich auf ca /Jahr belaufen.

41 Energieeffiziente Elektroantriebe Einleitung Grundbegriffe Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Elektroantrieben Energieeffizienzklassen bei Elektromotoren Drehzahlvariable Antriebe Drehzahlstarre Antriebe Prozessoptimierungen Bedarfsermittlung Fazit

42 Systematische Analyse des Energiebedarfs: - Motordaten (Nennleistung, Wirkungsgrad bei Volllast und Teillast, Leistungsfaktor) - Analyse des Prozesses (Durchflussmengen, Luftwechselraten, etc.) - Aufnahme des Tagesverlaufs (Betriebszeiten, Lastprofile) - Siehe auch Excel-Tool unter:

43 Ein Hinweis zum Schluss: Eines der größten Hemmnisse bei der Erschließung der Energieeinsparpotenziale bei elektrischen Antrieben sind fehlende Personalkapazitäten: Die fehlende Zeit verhindert dringend notwendiges Energiemanagement, das zu Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen führen würde. Deshalb sollte das Management Verantwortliche benennen und Personalkapazitäten schaffen.

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