Gesamtenergiebilanz im Antriebsstrang - Die Applikation entscheidet

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1 Gesamtenergiebilanz im Antriebsstrang - Die Applikation entscheidet Carsten Krieger Siemens AG

2 Motivation Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten Wirkungsgradgesteigerte Motoren Variable Drehzahlen Feste Drehzahlen Applikationsbeispiel Wasserversorgung Energiemanagement Zusammenfassung und Ausblick

3 Motivation Energiekosten (Strom) für die Industrie Ressourcenverknappung (z.b. Öl) A Energie Effizienz Klasse B C D E F G H I gesetzliche Vorgaben Viele Gründe sprechen für Energieeffizienz Umweltschutz CO 2 -Trading Seite 3

4 Industrieller elektrischer Energieverbrauch Elektrischer Energiebedarf Industrie = 70% Elektromotoren Bedarf senken Produktivität steigern Herstellkosten senken Wettbewerbsvorteile schaffen + 30% Rest (Beleuchtung, IT ) In der Industrie entfallen ca. 70% des elektrischen Energiebedarfs auf elektromotorische Antriebe Seite 4

5 Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten Input 100 kw η A = 62% η B = 78% η C = 90% η D = 71% η E = 93% η F = 81% Output 23,3 kw Um den Gesamtwirkungsgrad nachhaltig zu steigern, ist eine Analyse des kompletten Prozesses notwendig. Einzelelementbetrachtungen sind tabu! Seite 5

6 Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten Nebenprozess 1 Nebenprozess 2 Input 5 kw Input 10 kw Input 100 kw η A = 62% η B = 78% η C = 90% η D = 71% η E = 93% η F = 81% η C = 93% Output 23,3 kw 24,1 kw η Gesamt = 23,3 kw (100 kw + 5 kw + 10 kw) = 20,3% 24,1 kw η Gesamt = (100 kw + 5 kw + 10 kw) = 21,0% Nebenprozesse gehören zu einer Gesamtenergiebetrachtung Seite 6

7 Antriebsstrang: Hauptantriebe Antriebsstrang Hauptantrieb Schutzgerät Motorsteuergerät Motor Kegelradgetriebe Variante 1: Beispielhafte, typische Wirkungsgrade η > 99,5% η > 99,5% η = % η = % Schneckengetriebe Variante 2: η = % Der Motor ist nur einer von vielen Hebeln im Antriebsstrang Seite 7

8 Antriebsstrang: Hilfsantriebe Antriebsstrang Schaltschrankklimatisierung (Hilfsantrieb: Kompressor) Kühlmittelkreislauf (Hilfsantrieb: Pumpe) Hauptantrieb Schutzgerät Motorsteuergerät Motor Kegelradgetriebe Variante 1: Hilfsantriebe finden sich in den Nebenprozessen. Diese sind notwendig, um einen reibungslosen Ablauf der Applikation sicher zu stellen. Oftmals steckt genau hier ein großes Energiesparpotential. Seite 8

9 Wirkungsgradgesteigerte Motoren Weltweit geltende Normen und gesetzliche Anforderungen heute und in naher Zukunft Gültigkeitsbereiche der neuen Wirkungsgradnormen IE2 und IE3 IE2 IE3 bzw. (NEMA Premium) Seite 9

10 Wirkungsgradgesteigerte Motoren 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Anschaffungskosten Instandhaltungskosten Energiekosten 1,1 kw Typische prozentuale Aufteilung von Motor- Lebenszykluskosten nach Bemessungsleistung Wirkungsgradklassifizierung von Asynchronmotoren nach IEC :2008 Motor & Betriebsbedingungen * 4000 h/a - 12 Jahre - IE3-1,1kW 4000 h/a - 12 Jahre - IE2-1,1kW 4000 h/a - 12 Jahre - IE1-1,1kW Energiekosten 6280 Euro Euro Euro Invest ca. +40 Euro ca. +20 Euro Basis Amortisationszeit ca. 7 Monate ca. 5 Monate Basis Empfehlung: Durchgängiger Einsatz von IE3-Motoren. Seite 10 * Strompreisannahme: 10 Cent / kwh

11 Wirkungsgradgesteigerte Motoren Der Wirkungsgrad von Motoren wird im Nennbereich angegeben. Dies entspricht dem Optimalbetrieb Überdimensioniert Richtig dimensioniert Im Teillastbetrieb werden bei weiterem schlechtere Wirkungsgrade erreicht. Ein Grund hierfür ist z.b. Überdimensionierung Motor-Wirkungsgrad bezogen auf Motorlast für einen Standard-IEC-Käfigläufermotor, dreiphasig, vierpolig, IE1,11 kw [Quelle: Studie EuP Lot 11 Motors ; University of Coimbra] Motoren müssen für Ihre Aufgabe richtig ausgelegt werden. Sicherheitsaufschläge in den Projektierungsstufen sollten so hoch wie nötig und so gering wie möglich gewählt werden. Seite 11

12 Variable Drehzahlen Durchflussregelungen im Vergleich Hebevorgänge: Energierückspeisung Wenn in Applikationen auf variable Lasten mit einer Drehzahlregelung reagiert werden kann, lässt sich mit variablen Drehzahlen deutlich Energie sparen. Optional empfiehlt sich der Einsatz einer Energierückspeisung. Seite 12

13 Variable Drehzahlen Szenario 1: Eigenkonvektion > Wärmeentwicklung Wärmeabtransport 250W Szenario 2: Eigenkonvektion < Wärmeentwicklung Wärmeabtransport 300W Benötigt 300W-1200W! Wärmeentwicklung 250W η > 99,5% = % Elektromechanik η Leistungselektronik Schaltschrank 1 Eigenkonvektion max. 300W Wärmeentwicklung 700W η 99,5% = % E. m. > η Leistungselektronik Schaltschrank 2 Eigenkonvektion max. 300W Klimaanlage Wärmeabtransport 400W Falls in Wärme umgesetzte Verlustleistung über eine (zusätzliche) Klimatisierung abgeführt werden muss, erhöht sich der Energieverbrauch des Gesamtsystems erneut. Der Gesamtwirkungsgrad sinkt! Seite 13

14 Feste Drehzahlen Funktion Regeln: Im Betrieb Strom begrenzen Variable Drehzahl Frequenzumrichter η Leistungselektronik = % Steuern: Im An- und Auslauf Strom begrenzen Ein/Aus Stern-Dreieck-Starter Direktstarter Sanftstarter Konstante Drehzahl η Elektromechanik > 99,5% Anschaffungskosten Festdrehzahlantriebe werden energetisch am besten mit Schalt- und Schutzgeräten gestartet, welche sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Seite 14

15 Applikationsbeispiel Wasserversorgung Anforderungen: Kaskadenschaltung Hohe Zuverlässigkeit Schonender Betrieb (Vermeidung von Wasserschlag o.ä.) Niedriger Energieverbrauch Lösung: Variante 1 (1x FU, 3x Sanftstarter) spart im Vergleich zur Variante 2 (4x FU): Anschaffungskosten Energiekosten CO 2 -Ausstoß Variante 1 Regelbarer Durchfluss (ohne Drosseln) Variante 2 Die energetisch beste Lösung: Eine Kombination aus variabler und fester Drehzahl Seite 15

16 Applikationsbeispiel Wasserversorgung Beispiel: Kommunale Trinkwasserversorgung mittels Hochbehälter Tageskurve für Wasserbedarf Einschaltzeiten der Füllpumpe des Hochbehälters Prädestiniert: Festdrehzahlantriebe bei Befüllvorgängen (z.b. Zweipunktregelungen) Seite 16

17 Siemens Energiemanagement-Prozess Energieflüsse identifizieren Verborgenes Energiesparpotenzial erkennen Einsparpotenzial ermitteln Betrachtung der gesamten Lebenszykluskosten Konkrete Maßnahmen zur Realisierung der Energiesparpotenziale Seite 17

18 Energiemanagement-Architektur Energiemanagementsystem PC / Automation Messwerte Einspeisung Verteilung 3WL 3VL 3VL 3VL 3VL Strom Spannung cosphi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert Strom Spannung cosphi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert Abzweig 3RW 3RW 3RW 3RW 3RK 3RK 3RK 3RK 3RB 3RB 3RB 3RB 3UF 3UF 3UF 3UF Strom Spannung cosphi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert M M M M M M M M M M M M M M M M Sanftstarter Motorstarter Elektr. ÜLR SIMOCODE Verfügbare Messwerte abhängig von Gerät Seite 18

19 Energiemanagement Prinzip Aktor = Sensor In Feldgeräte integrierte Messfunktionalität für Energiemanagementsysteme nutzen Energiemanagement ist ein notwendiger, kontinuierlicher Prozess. Nur wer seine Energiebedarfe identifiziert und anschließend evaluiert, kann seine Einsparpotentiale realisieren. Seite 19

20 Zusammenfassung und Ausblick EE ist sowohl für die Industrie als auch für unseren Planeten überlebenswichtig (Wettbewerbsfähigkeit, Umweltschonend) Das energetische optimale Antriebssystem ist abhängig von Applikation und Lastprofil Die Betrachtung von Einzelprodukten im Antriebsstrang führt nur bedingt zum Erfolg Gesamtenergiebilanz-Betrachtung ist der Schlüssel zum Erfolg: Die Applikation entscheidet! Seite 20

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