Effiziente Antriebe. Potenzialabschätzung

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1 Argumente für den Chef Effiziente Antriebe Elektromotoren verbrauchen in Industriebetrieben zwei Drittel des Stroms Motorstrom kostet 100-mal mehr als Motor Grobanalyse zeigt Schwachstellen Aus dem Stromverbrauch eines üblichen Elektromotors resultieren Kosten, die etwa um den Faktor 100 grösser sind als der Anschaffungspreis des Motors. Relevant für die ökonomische Bewertung eines Motors sind also dessen Energiekosten über die gesamte Lebensdauer. Die Anschaffungskosten bleiben marginal, selbst wenn der Motor in einem integriertem Gesamtsystems läuft. Ein erheblicher Teil des Stromverbrauchs ist unnötig: Vielen Motoren fehlt eine Ein-Aus-Steuerung. Dann sind sie während der ganzen Schicht in Betrieb, auch wenn ihr Einsatz nur sporadisch erfolgt. Über 90 % der Motoren in der Industrie laufen permanent mit Nenndrehzahl. Die entsprechende Nennleistung braucht es aber selten oder gar nie. Eine Grosszahl der Motoren ist überdimensioniert. Da der Wirkungsgrad bei Teillast geringer ist, resultiert eine schlechte Stromausnutzung. Viele Motoren sind alt und ineffizient. In typischen Industriebetrieben verbrauchen die Motoren etwa 70 % der Elektrizität. Potenzialabschätzung Mit dem auf Excel basierenden Tool SOTEA lässt sich anhand von wenigen Kenndaten zum Betrieb und zu den Stromkosten das Potenzial zur Energieeinsparung in einem Industrie- oder Gewerbebetrieb ermitteln. Diese Abschätzung bildet eine einfache und verlässliche Entscheidungsgrundlage bei der Frage, ob ein Motor-Check sinnvoll ist. Dieses stufenweise Vorgehen verhindert unnötigen Aufwand. Fazit: Motoren sind Kostenfaktoren ein gezielter Blick lohnt sich. Denn zumeist lassen sich mit wirtschaftlichen Massnahmen 20 % 30 % Energiekosten einsparen. Vorgehen Grobanalyse (Seite 2) Feinanalyse (Seite 3) Massnahmenplan (Seite 5) IE3 (Premium), 11 kw, 15 Jahre Elektrische Energie 96,7% Motor Anschaffung 2,3% Wartung & Unterhalt 1,0% Lebenszykluskosten eines neuen 11-kW-Premium-Motors (IE3), der 15 Jahre lang während 4000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist.

2 Grobanalyse elektrische Leistung (kw) 60 typischer Lastgang Mo Di Mi Do Fr Sa So Aufgrund weniger betrieblicher Daten zu den Motoren ergibt sich die Dringlichkeit von Verbesserungsmassnahmen. Ein Vergleich mit Anlagen ähnlicher Auslastung und Struktur erleichtert die Bewertung des Motorenparks (Benchmarks). Eine besonders einfache Analyse bietet der Test. Grobanalyse: Basisdaten für die Bewertung von Motoren Arbeitszeit, Arbeitsplätze Energieverbrauch Anzahl Schichten Anteil Büroarbeitsplätze Gesamtverbrauch: Jahr und Monat Tagesgang: Werktag und Feiertag Der Aufwand für eine Grobanalyse beträgt, je nach Grösse und Struktur des Maschinenparks, zwischen 2 und 4 Arbeitstagen. Intelligente Motorenliste (ILI) Alter des Motors (Typenschild) Anwendung: Pumpe, Ventilator, Kompressor, Förderanlage etc. Nennleistung (Typenschild) Laufzeiten (Schätzung) Mittlere Auslastung (Schätzung) Vereinfachte Bewertung Der Test dient einer groben Analyse eines Motors. Daraus lassen sich Massnahmen ableiten. Drei Kriterien stehen bei der Bewertung im Vordergrund: Das Alter, die Nennleistung und die Laufzeiten des Motors. Kriterium 1: Alter des Motors aus der Motorenliste oder vom Typenschild Kriterium 2: Nennleistung aus der Motorenliste oder vom Typenschild Kriterium 3: Laufzeiten Betriebsstundenzähler oder Schätzung des technischen Dienstes Test Alter (Jahre) Nennleistung (kw) Laufzeiten (h pro Jahr) über 20 über über 5000 Bewertungspunkte Summe Entscheidend ist die Summe der drei Werte. Über 10 Punkte: Motor rasch ersetzen 6 10 Punkte: Motor genauer überprüfen Bis 5 Punkte: keine Vorkehrungen nötig 2

3 Feinanalyse Die Feinalyse basiert auf der intelligenten Motorenliste (ILI) mit Angaben zur Dringlichkeit von Massnahmen, zum Beispiel: Motor rasch ersetzen Motor genauer überprüfen keine Vorkehrungen nötig An Motoren der Kategorie «genauer überprüfen» sollten mittels Diagnose-Tools oder Einzelmessungen detaillierte Daten erhoben werden (Tabelle). Die Auswertung der Daten erlaubt, insbesondere mit Blick auf die Anwendung und die Anforderung des Antriebes, eine zuverlässige Bewertung des Motors. Aus der Feinanalyse ergibt sich ein Investitionsplan, in dem Massnahmen mit Realisierungstermin und Kosten aufgelistet sind, sowie ein Pflichtenheft für den prä- ventiven Unterhalt. Beide Dokumente sind in der Regel Teil der Berichterstattung an die Geschäftsleitung des Unternehmens. Wirkungsgrad von Elektromotoren mit 4 Polen (%) Motorengrösse (Nennleistung in kw) IE IE IE Eff Feinanalyse: Erhebung von Daten Elektrische Messungen Spannung Strom Leistung Cosinus phi Drehzahl Frequenzanalyse Mechanische Messungen Geräusch Vibrationen Thermische Messungen Temperaturen Wärmebild Schmiermittel Verunreinigungen Ölstand Motoren-Effizienzklassen neu 2008 IEC Premium Effizienz IE3 Hohe Effizienz IE2 Eff1 Standard Effizienz IE1 Eff2 Unterhalb Standard Effizienz Eff3 Angabe auf Typenschild z. B. IE2 88,3% Eff1 Der Aufwand für die Feinanalyse beträgt zwischen 5 und 15 Arbeitstagen. alt 1999 CEMEP/EC Diagnose-Tools Strom Netzstrom-Analy satoren zeigen die Motorleistung, die Phasenbelastung, Wicklungsschäden, aber auch die Span nungsqualität im Netz. Unwucht Ausrichtung Lager Getriebe Vibration Geräuschanalysen lassen Lager- und Getriebeschäden, Unwucht, Fluchtungsfehler, streifende Lüfter, etc. erkennen. 3

4 Präventiver Unterhalt Die im Zuge des präventiven Unterhalts notwendigen Arbeiten sind in der Motorenliste dokumentiert, sinnvollerweise in Form von Prioritäten mit Codes: rasch ersetzen genauer prüfen keine Vorkehrungen Für jeden einzelnen (grösseren) Motor sind die notwendigen Unterhaltsmassnahmen sowie die Form der Intervention bei einem Ausfall vermerkt. Interventionen 1. Ersatzmotor bereithalten (eigenes Lager oder beim Hersteller) 2. Bei Ausfall Premium-Motor einbauen 3. Bei Ersatz auf 75 % der Leistung dimensionieren 4. Einbau von Frequenz-Umrichter vorsehen 5. Verbesserung von Pumpe/Ventilator/Kompressor vorsehen Der Umfang des präventiven Unterhalts ist weitgehend von der Qualität des Motors, seiner Grösse, seines Alters sowie dem Effizienzpotenzial beim Ersatz abhängig. Temperatur Thermobilder zeigen Heiss läufer (Lager, schlecht fluchtende Kupplungen) und auch asymmetrische Wicklungsüberlastungen. Schmiermittel Verschmutzung zeigt mechanische Schäden an Lagern respektive mangelhaften Unterhalt an. 4

5 Investitionsplan Der Investitionsplan vermittelt den Verantwortlichen einen Überblick über die folgenden 5 10 Jahre und schafft Planungssicherheit in der Budgetierung des Unterhaltes. Die einzelnen Massnahmen sind im Investitionsplan nach ihrer Wirtschaftlichkeit (Payback- Fristen) geordnet: Sofortmassnahmen, kurzfristige Massnahmen und langfristige Massnahmen. Der Investitionsplan basiert auf einer Kosten- und Nutzenanalyse für die Nutzungsdauer der Anlagen (Lebenszyklus-Analyse). Berücksichtigt werden, neben den Stromkosten, Investitions-, Montage- und Unterhaltskosten. Resultat ist der Payback der wertvermehrenden Investition ohne Kapitalverzinsung. Payback für Motorenersatz: Beispiel 11 kw Motor 3200 h Vollbetrieb pro Jahr 15 Jahre im Betrieb 0,15 Fr./kWh alter Motor wird durch einen neuen Premium-Motor (IE3) ersetzt alter Motor Eff3 alter Motor Eff2 (IE1) alter Motor Eff1 (IE2) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Payback (Jahre) Sofortmassnahmen sind zumeist einfache Massnahmen ohne Eingriffe in den Produktionsprozess, z. B. Vermeiden von Leerlauf. Kurzfristige Massnahmen: Ersatz oder Nachrüstung von Motoren z. B. mit Frequenzumrichtern, in der Regel in Kombination mit anderen Optimierungsmassnahmen wie Verbesserungen der Prozesssteuerung. Langfristige Massnahmen sind erst in Verbindung mit einem Umbau, Ausbau oder Ersatz einer Produktionsanlage angezeigt und umfassen das gesamte Antriebssystem. Es ist zu berücksichtigen, dass der Ersatzmotor meist kleiner dimensioniert werden kann und damit entsprechend kostengünstiger ist. Diese Einsparung kann in eine höhere Qualität des Ersatzmotors investiert werden. grosse Einsparung erhebliche Einsparung Netz gesamtes Antriebssystem mit Übertragung, Getriebe, Motor Kern- Motorensystem Elektro-Motor Motor +Pumpe +Umrichter Ganzes Heizungssystem mit Leitungen, Pumpe, Motor, Umrichter geringe Einsparung 5

6 InfoPlus Zum Programm Programmleitung: S.A.F.E. Sponsoren: EnergieSchweiz Partner: EnAW, ÖBU, AWEL Kanton Zürich, EKZ, Swissmem, Swiss Technology Network, ProKlima Kontakt: oder Telefon Aktuelle Infos: Vorgehen In der Pilotphase werden geeignete Objekte aus der Industrie, Infrastrukturanlagen oder grosse Dienstleistungsanlagen untersucht. Die Eckdaten: über 2 GWh pro Jahr Elektrizitätsverbrauch über 500 kw elektrische Spitzenleistung über Fr. pro Jahr Kosten für Elektrizität Unterlagen und Tools Merkblatt Motor-Check (pdf) Intelligente Motorenliste (ILI) für Bestandesaufnahme (Excel) Potenzialabschätzung (SOTEA) für Initialberatung (Excel) Investitionsplan (Muster Word) Test (pdf) Lebenszyklus-Analyse (Excel) Wirkungsgrade von Motoren (Excel) Kostenlos herunterladen auf Impressum Text: Topmotors Grafik und Lektorat: Oerlikon Journalisten Links Auflage Juni