Energieeffizienz und moderne Antriebstechnik

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1 RD OST Stadtwerketag 2008 Energieeffizienz und moderne Antriebstechnik 08.Oktober.2008 I DT LD IM PM Eva-Maria Wagner Seite 1 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

2 Inhalt Motivation, Gesetzgebung Einsparpotentiale Moderne effiziente Antriebstechnik Betriebliches Energiemanagement Anwendungsbeispiele und Referenzen Seite 2 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

3 Motivation Gesetzgebung Schutzvermerk / Copyright-Vermerk

4 Drei Gründe für das wachsende Interesse am Energiesparen Steigende Energiekosten - negativer Einfluss auf Betriebskosten und Produktivität - Absicherung der Wettbewerbsfähigkeit Klimawandel - CO 2 Reduktion zum Umweltschutz - Green Image für Hersteller US-$/Barrel Entwicklung der Rohölpreise: August 2008: 114 USD/Barrel 2008 Gesetzgebung EuP-Richtlinie EBPG-Gesetz - Umweltschutz EuP Energy using Products EBPG Energiebetriebene-Produkte-Gesetz Quelle: Tecson, 18.August 2008 Seite 4 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

5 Unser Umweltportfolio enthält erneuerbare Energien, energieeffiziente Lösungen und Umwelttechnologien Fossile Energieerzeugung Erneuerbare Energieerzeugung Energieverteilung Energieübertragung Umwelttechnologien Gesundheitswesen Mobilität Lösungen für die Industrie Beleuchtung (Osram) Gebäudetechnik IT-Lösungen und -Dienstleistungen Seite 5 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

6 Einsparpotentiale Schutzvermerk / Copyright-Vermerk

7 Energieeffizienz in der Industrie Zu vermeiden.. CO 2 -Ausstoß, verminderte Produktivität und Effektivität Verluste Verluste Energie Energie Zufuhr Verluste Energiefluss eigene Energie Erzeugung Verluste Energie Verteilung Rohmaterial Produktions Prozesse produzierte Produkte Verluste Gebäude Darstellen und Erkennen aktuelle Situation, Energiebedarf und -flüsse, Veränderungen Auswerten, Bewerten Potenziale aufdecken, Entscheidung unterstützen Umsetzen Seite 7 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

8 Energiesparpotentiale in europäischen Industrieanlagen (EU25) Vollständige Antriebsoptimierung in Nebenprozessen von Bestandsanlagen und konsequenter Einsatz von Energiesparmotoren in Europa sparen: Optimierte Antriebe (DVA) in Bestandsanlagen p.a.: 15,8 Mio. tco 2 Energiesparmotoren in Neuanlagen p.a.: 3,0 Mio. tco 2 Summe p.a.: 18,8 Mio. tco 2 (Quelle: Siemens) Pay-back-Zeiten von < 2 Jahren, keine Fördermittel Energiekosten 0,08 EUR / kwh Einsatz optimierter Antriebstechnik spart p.a. entsprechend: 43 TWh Mio. EUR Stromkosten 3,4 Mio. PKW 19 fossile Kraftwerksblöcke DVA Drehzahlveränderbare Antriebe Seite 8 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

9 Antriebssysteme bieten Energieeinsparpotentiale Ca. 70% des gesamten Stromverbrauchs der Industrie in Deutschland werden durch elektrische Antriebe umgesetzt (70% ~ 150 TWh in 2004) Optimierter Betrieb von teillastbetriebenen Maschinen durch elektronische Drehzahlregelung spart bis zu 70% Energie pro Antrieb. In einem typischen Industrieland sind heute ca. 25% der Antriebe drehzahlveränderbar ausgeführt Pumpen 30 % Ventilatoren 14 % Kälte Kompressoren 14 % Applikationen und deren Anteile am industriellen Stromverbrauch Druckluft Kompressoren 10 % Andere Anwendungen: Mischen, Fördern, etc. 32% Seite 9 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

10 Moderne effiziente Antriebstechnik Schutzvermerk / Copyright-Vermerk

11 Beispiele für Energieverschwendung durch zeitweise oder ständigen Teillastbetrieb bei Strömungsmaschinen Ständige, erhebliche Verschwendung von elektrischer Energie Überdimensionierung vorsichtshalber (Planungssicherheit) unerwünschte Sekundäreffekte (Kavitation, Gasförderung, Druckbelastung) Pumpe Zusetzen von Filtern und Sieben Laufradverschleiß (Spaltverluste) Ablagerungen in Rohrleitungen Durchspülen von Leitungen, Sieben Wasserversorgung geplante Erweiterung des Netzes Zeitweise Verschwendung von elektrischer Energie Klimaanlage / Trockner unterschiedliche Menge Frischluft Druckluftversorgung Wasserversorgung unterschiedlicher Verbrauch Chemie, Prozesstechnik unterschiedlicher Rohstoff unterschiedliche Temperatur, Konzentration, Endprodukte p P N Wartung t P N P N P N t Spülen t Erweiterung t Seite 11 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

12 Vergleich mechanische Drossel zu drehzahlveränderbarer Antrieb Mechanische Drossel Drehzahlveränderbarer Antrieb e [kj/kg] Anlagenkennlinie e [kj/kg] Pumpenkennlinie η Q [l/s] n η η Q [l/s] n n Q η n n Bild: Frequenzumrichter SINAMICS G150 Es gibt nur einen optimalen Betriebspunkt Der Wirkungsgrad bleibt in einem weiten Stellbereich optimal. Seite 12 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

13 Drehzahlregelung für Pumpen mit optimierter Effizienz Wirkungsgradvergleich Mengensteuerung über Drossel Einspeiseleistung Mengenregelung über Drehzahl Einspeiseleistung 285% Wirkungsgrade: 160% Wirkungsgrade: M X 281% 265% 160% 100% Transformator η T = 99 % Motor η M = 94 % Pumpe η P = 60 % Drosselventil η V = 63 % η 0 = 93 % η 1 = 38 % ~ M ~ 158% 152% 142% 100% Transformator η T = 99 % Umrichter η FU = 96 % Motor η M = 94 % Pumpe η P = 70 % η 0 = 89 % η 1 = 70 % Nutzleistung mit η steuer = Π η ν = 35 % Nutzleistung mit η regel = Π η ν = 63 % Bei Umrichterbetrieb sind die Stromkosten um (1 - η steuer / η regel ) = 44% kleiner, obwohl die Drehzahlregelung selbst einen geringeren Wirkungsgrad h 0 = 89 % hat als der netzbetriebene Motor ohne Umrichter η 0 = 93 % Seite 13 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

14 Zusammenfassung Vorteile für drehzahlgeregelte Antriebe + einfache und genaue Regelung der Fördermenge + regelungstechnische Anpassung der Pumpenkennlinie bei ungenauen Planungsvorgaben möglich (schadlose Überdimensionierung) + bei Teillast und dynamischer Anlagenkennlinie sind große Einsparungen elektrischer Energie möglich + kein zusätzliches Drosselelement in der Rohrleitung + Motor läuft am Umrichter geführt an (Sanftanlauf) und aus. + Übermäßige Belastungen der - elektrischen Netze durch hohe Einschaltströme bzw. - hydraulischen Netze durch Druckstöße können vermieden werden. + Sekundäreffekte können vermieden werden und Baugruppen/Bauteile dadurch entlastet werden (Kavitation, Gasmitförderung) Seite 14 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

15 Energieeffiziente Komponenten der Antriebstechnik Frequenzumrichter Niederspannugsumrichter (MICROMASTER, SINAMICS G/S) Mittelspannungsumrichter (SINAMICS GM/SM, Perfect Harmony) ~ ~ Motoren Bis zu 60% Energiekosteneinsparung bei einer Armortisationszeit von < 2Jahren M LV Standard Asynchronmotoren Spezielle Energiesparmotoren LV Torquemotoren (PEM) HV Asynchronmotoren Energiesparmotoren mit bis zu 42% weniger Verlustleistung Seite 15 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes Wagner Katalog

16 Energiesparmotoren nach Voluntary Agreement (EU-Projekt) Einfache Produktauswahl durch einheitliche Wirkungsgradbezeichnung [%] 95 Trend EU-Wirkungsgradklassen: Hocheffizient Wirkungsgradverbessert Standard Internationale IEC Norm IEC für Motoren: IE opt. Bauvolumen opt. Wirkungsgrad IE2 IE [kw] Trend Seite 16 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

17 Auswirkung des Voluntary Agreement auf den europäischen Markt Seite 17 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

18 Siemens Energiesparmotor 1LE1 mit Kupferläufer EFF1- Motoren bei 1LE1 mit Kupferdruckgussläufer Reduzierung der Verluste gegenüber EFF2 Verringerung des Bauvolumens gegenüber vergleichbaren anderen EFF1-Motoren - Siemens EFF1 im Gehäuse von EFF2! Ihr Vorteil: Reduktion der Betriebskosten und optimiertes Bauvolumen Gehäuse, Normabmessungen, Achshöhen-Leistungszuordnung bleiben nahezu unverändert Seite 18 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

19 Beispiel Energiesparmotoren Industrieanlage: Randbedingungen: Betriebsdauer: 4500 h/a(z.b.zwei-schichtbetrieb ), Energiekosten: 0,08 EUR/kWh Kosten der Verlustenergie /EUR Anzahl: Leistung P 2 EFF2 EFF1 spart 1930 EUR/a EFF1 EFF2 EFF1 spart 1304 EUR/a EFF1 EFF Motoren a` 1,5 kw (60 kw) 10 Motoren a` 15 kw (150 kw) EFF1 spart 1085 EUR/a EFF1 4 Motoren a` 75 kw (300 kw) Gesamte installierte Motor-Bemessungsleistung: 510 kw Jährlich Einsparung mit EFF1-Motoren: ca kwh (= ca. EUR 4300) Amortisationszeit des Motormehrpreises: ca. 1 Jahr Seite 19 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

20 Auf die Betriebskosten kommt es an! Lebenszykluskosten bei einer Nutzungsdauer von 3000h/a 12 Jahre 15 Jahre 20 Jahre (Motorlebensdauer) Der Energiekostenanteil an den Lebenszykluskosten ist typischerweise größer als 95%. Quelle: stat. Motorlebensdauer DKI-Informationsdruck 09/99, Seite 10 Seite 20 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

21 Zusammenfassung Vorteile von Energiesparmotoren + erleichterte Motorauswahl durch EFF- (künftig IE-) Wirkungsgradklassifizierung + Betriebskosten werden reduziert durch Wirkungsgradoptimierung + höhere Motorlebens- und Schmiermittelgebrauchsdauer durch niedrigere Motortemperatur bei EFF1-Motoren + 1LE1 Motoren haben identische Einbaumaße für EFF1 und EFF2 Energiesparmotoren EFF1 sind ab Betriebsstunden pro Jahr grundsätzlich die wirtschaftlichere Alternative. Im Reparaturfall oder bei Neuinvestition immer prüfen ob die Anschaffung von Energiesparmotoren wirtschaftlicher ist. Seite 21 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

22 Betriebliches Energiemanagement Schutzvermerk / Copyright-Vermerk

23 Transparenz der Energieflüsse und der Betriebskosten Von der Prozess und Fedebene bis zum Unternehmensmanagement Hardware SENTRON PAC3200 Elektrische Messwerte erfassen anzeigen übertragen überwachen Software SIMATIC PCS 7 powerrate (AddOn) SIMATIC WinCC powerrate (AddOn) archivieren verwalten auswerten überwachen weiterverarbeiten einfache Einbindung in jedes Leitsystem oder jede SIMATIC S7 Umgebung über Standard Profibus DP Schnittstelle Voll integrierbar in technische Energie Management Systeme, wie z.b. SIMATIC WinCC powerrate oder SIMATIC PCS 7 powerrate grafische Darstellung der Energiedaten Verbraucheranalyse verursachergerechte Kostenstellenzuordnung Lastenmanagement effizienter Energiebezug erhöhte Anlagenverfügbarkeit Dokumentierung und Archivierung Seite 23 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

24 Segmentierung des mittleren elektrischen Energieverbrauches nach Haupt- Nebenprozess (Beispiele) Papierherstellung: 70% 30% Nahrungs- und Genussmittel: 70% 30% Brauerei: 35% 65% Kunststoffherstellung: 70% 30% Textilherstellung (Weben): 20% 80% Siemens: 60% 40% Mittlerer Anteil elektrischer Energie in Hauptprozessen (inklusive Beleuchtung) Mittlerer Anteil elektrischer Energie in Nebenprozessen Quelle: RD NRH I&S IS SCN, dena (Berlin) zu Binding Henninger Brauerei, Siemens Seite 24 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

25 Energieoptimierte industrielle Antriebstechnik Siemenslösung Technische Dienstleistung Produkte / Systeme + = Kundennutzen Energy Optimation of Drive Systems Identifizierung/ Bewertung von Einsparpotenzialen (kostenlos) Optimierungskonzept Realisierung Tool SinaSave Effiziente elektrische Antriebe in der Industrie Beispiele: Software-based power management durch Einsatz von Frequenzumrichter bis zu 60% geringere Energiekosten 42% geringere Verlustleistung durch Energiesparmotoren Geringerer Stromverbrauch Reduzierung der Betriebskosten Kleinere Umweltbelastung Einhaltung gesetzlicher Vorgaben Prozess- und Qualitätsverbesserung Seite 25 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

26 Tool zur Potenzialermittlung und Errechnung der Amortisationszeit Ermittlung der Energieeinsparung leicht gemacht mit S i n a S a v e Berechnung der Stromkosteneinsparung und Berechnung der Amortisationszeit Netz- Betrieb Wirkungsgradvergleich von Motoren Umrichter- Betrieb Auswahl des Umrichters Seite 26 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

27 Anwendungsbeispiele / Referenzen Schutzvermerk / Copyright-Vermerk

28 Reduzierung des Energieverbrauches von Antrieben- Ventilatoren und Pumpen Die Lösung Energietechnische Optimierung von Antriebssystemen Stufe 1: Stochastische Potentialanalyse aller installierten Pumpen, Ventilatoren mit einer Leistung von 5 KW oder mehr Stufe 2: Detail-Analyse vor Ort hinsichtlich Energiesparpotential von 22 Antrieben Stufe 3: Angebot zur Optimierung von 12 Antrieben Zusätzlich: Untersuchung des Subventionspotentials Das Ergebnis Die Aufgabe Reduzierung des Energieverbrauches von Pumpen, Ventilatoren für eine Lackieranlage von Automobilteilen in Belgien. kalk. Einsparpotential pro Jahr: Investition (Gesamt): Subventions-Potential: ROI < 1,5 Jahre (ohne Subventionspotential) Seite 28 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

29 Energietechnische Optimierung von Antriebs- Systemen bei SÜTAŞ / KARACABEY TURKEY Die Lösung Energietechnische Optimierung von Antriebssystemen Phase 1: Grobabschätzung des Energiespar- Potentials von 2 installierten Pumpen Phase 2: Analyse der Pumpen Charakteristik zur genauen Kalkulation der möglichen Energieeinsparungen, basierend auf den Empfehlungen des Maschinenbauers. Phase 3: Angebot, zur Optimierung eines 500kWund eines 630kW Antrieb zusammen mit einer S7-300PLC und einem Tele-Servicesystem Die Aufgabe Energietechnische Optimierung von 2 Antrieben in einer Molkerei Das Ergebnis Investition (Gesamt): ,- Einsparpotential/Jahr: ,- ( 0,06/KWh) ROI < 2 Jahre Seite 29 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes

30 Modernisierung von Antrieben bei den Wasserwerken Berlin Tegel Umrüstung einer Pumpe mit 3500 m³/h Nennförderstrom und 8,5 bar maximalem Druck bei Nenndrehzahl Die Aufnahmeleistung vom Netz beträgt 950kW. Die Pumpe ist 8000 Stunden im Jahr im Betrieb. Die Mengenregelung des Förderstroms zwischen 2000 und 3200 m³/h Beim einem Energiepreis von 0,08 /kwh amortisieren sich die Investitionskosten im Wert von ca für die Drehzahlregelung bereits im ersten Jahr. Betriebskosteneinsparung beträgt jährlich Seite 30 SIEMENS AG, I DT LD Dr. Jürgen Brandes