Forschungsergebnisse für effizientere, elektrische Antriebe in der Schweiz

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1 Forschungsergebnisse für effizientere, elektrische Antriebe in der Schweiz Oktober 2010 P:\001\007\Folien\Präsentation-2010\brf-Motor-summit-2010-a.ppt

2 Inhaltsverzeichnis Forschungsstrategie / Grundlagen - Grundlagen - Hemmnisse Forschungsergebnisse im Antriebsbereich - Grundlagenerkenntnisse / Wissen - Tools und Hilfsmittel - Beispiele aus der Industrie - Beispiele im Haushaltsgeräte-Bereich 2

3 Grundlage zur Energie-Effizienz Energie im motorischen Bereich Stromanteil der motorischen Antriebe - Elektrische Antriebe / Motoren brauchen in CH etwa 45% des gesamten CH-Stromverbrauchs, also ca GWh. Davon wird etwas mehr als GWh in der Industrie verwendet. -Das Einsparpotential wird übereinstimmend auf etwa 20% geschätzt, also etwa 5 000GWh/Jahr. Die Industrie könnte dabei wirtschaftliche Einsparungen von 2 000GWh/Jahr umsetzen. Gesamtlebenszyklus- Kosten (Basis EuP, Lot 11) 3

4 Potentialeinschätzung Elektr. Motoren / Antriebssysteme Massnahmengruppe Anpassung des Betriebs der Anlage an tatsächlichen Bedarf (Ein/Aus/drehzahlvariable Antriebe) Typisches relatives Sparpotential in [%] Energetische Optimierung des gesamten Prozesses Richtige Dimensionierung von Motoren und Antriebsmaschinen Wirkungsgradverbesserung bei Arbeitsmaschinen (Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, etc.) Minimierung der mechanischen Verluste im System Wirkungsgradverbesserung beim Motor Wirkungsgradverbesserung bei der Kraftübertragung (Riemen, Getriebe) Optimierung der Stromversorgung 1..5 Rückgewinnung der mechanischen Prozessenergie bei speziellen Antrieben

5 Hemmnisse für Umsetzung der Effizienzmassnahmen Opportunitäten (andersweitig Investitionen tätigen) Geringe Bedeutung der Energiekosten (kann sich rasch ändern) Restriktive Payback-Vorgaben (z.b. nur 4 Jahre) Überdimensionierung bringt Sicherheit Keine Störung / Beeinträchtigung des laufenden Prozesses Man kauft Anlagen, nicht Motoren Informationsmangel über Effizienz / Wirtschaftlichkeit Transaktionskosten (Evaluation, Offerteinforderung, etc.) Geteilte Verantwortlichkeiten (Investitionen entkoppelt von Betriebskosten) Unsichere Zukunftsaussichten (andere Probleme im Vordergrund) 5

6 Grundlagenkenntnisse: Wirtschaftliche Beschaffung Generelle Faustregel (Wirtschaftlichkeit) Grundsätzlich gilt (Faustregel): Bei einer jährlichen Betriebsdauer von bis Stunden ist der Einsatz eines effizienten Motors praktisch immer wirtschaftlich (ROI ca. 1-6 Jahren). (IE2-Motoren) (IE1-Motoren) Quelle: BFE-Bericht: Beschaffung Motoren unter der Vollkostenbetrachtung (2006) 6

7 Grundlagenkenntnisse: Oekologische Beschaffung Generelle Faustregel Grundsätzlich gilt: Diplomarbeit von Markus Ettlin Hochschule Luzern, Herbst 2007 Mit einer Diplomarbeit wurde eine Oekobilanz erstellt mit dem Ziel zu klären, ob sich der Einsatz eines effizienten Normmotors energetisch unter Einbezug der Grauen Energie rechtfertigt. Die monetären Aspekte (Mehrpreis) sind in dieser Arbeit nicht einbezogen worden. Der Vergleich erfolgte mit der Leistungsgrösse 7.5 kw. Die Arbeit bezieht nur AS- Motoren ein. Ergebnis: Die erforderliche Betriebsdauer liegt bei 300 h, bis der energetische Mehraufwand für die Herstellung eines effizienteren Motors zurück gewonnen wird. 7

8 Tools und Hilfsmittel Tool für Wirtschaftlichkeitsberechnungen Vollkostenbetrachtungen Die Investitionen bei Motoren machen meist im Rahmen der Lebenszykluskosten (LLC) den geringeren Anteil aus. Damit dies entsprechend beim Einkauf durch die Industrie berücksichtigt wird, wurden entsprechende Hilfsmittel geschaffen. Entstanden sind: - Schlussbericht - Merkblatt - Evaluationssoftware - Musterausschreibung für Motoren Unterlagen verfügbar unter: 8

9 Tools und Hilfsmittel Auslege-Tool OPAL OPAL besteht aus mehreren Berechnungsmodulen und einer Datenbank mit den Katalogdaten von derzeit mehr als Motoren der wichtigsten europäischen Hersteller. Für Pumpen- und Ventilatorantriebe berechnet OPAL anhand des vorgegebenen frei definierbaren Lastspiels, der Betriebsstunden und des Strompreises den jährlichen Energieverbrauch sowie die Energiekosten. Anschliessend können die Auswirkungen verschiedener Verbesserungsmassnahmen wie z.b. Komponentenersatz oder Frequenzumrichterbetrieb analysiert und miteinander verglichen werden. Web-Applikation unter: 9

10 Tools und Hilfsmittel Pumpencheck (kurz vor Abschluss) Nutzung durch Wasserversorgungen (WW), weil diese zu grösstem Stromverbraucher einer Gemeinde gehört. Davon entfallen über 90% auf Pumpen. Pumpengrobcheck Ermöglicht einfache Beurteilung der zu untersuchenden Pumpe anhand weniger Ablesedaten (Datenschild Motor und Pumpe) und Messungen. Pumpenfeincheck Beim Feincheck wird das ganze System angeschaut und ein Vergleich zwischen Betriebspunkt und ursprünglichem Auslegungspunkt vollzogen. Die Analyse ergibtoptimalen Betriebspunkt. 10

11 Beispiele Gebäudebereich Aufzüge (Analyse, bereits vor 2 Jahren präsentiert) Energieeffizienz von Aufzügen Lifte brauchen in der Schweiz etwa 300 GWh/a. Die Energieeffizienz von 33 Aufzügen wurde mit Messungen analysiert. - Standby-Anteil beträgt bis 75% (siehe folgende Folie) - Einspeisung der Ergebnisse in Normierung Projekteckpunkte Schindler, Ing. Büro, weitere Partner Entwicklung des Stand-by-Anteils zum Fahrten-Energieverbrauch typischer Wohnhaus-Aufzüge (Quelle: U. Lindegger) 11

12 Beispiele Gebäudebereich Aufzüge (Auswirkungen aufgrund Analyse) EU hat ebenfalls Studie gemacht und daraus eine Broschüre für die Optimierung von Aufzügen erstellt. Diese ist in Deutsch verfügbar Weitere Infos unter: Bei Beschaffung neuer Aufzüge: VDI-Gesellschaft hat Richtlinie ausgearbeitet mit dem Titel: Aufzüge Energieeffizienz VDI

13 Beispiele Gebäudebereich Aufzüge (neues Projekt aufgrund Analyse) Projektauswirkungen Folgeprojekt mit dem Titel Standby-Optimierung bestehender Aufzugsanlagen (Schindler) Ziel des Projektes war der Bau eines Funktionsmusters, welches unter Berücksichtigung bestimmter Kriterien die Aufzugsanlage aus- und wieder einschaltet, um die Energie für den Standby-Verbrauch zu minimieren. Basierend auf diesen Erkenntnissen soll ein Standby-Reduktions-Gerät entwickelt werden, welches einen geringen Eigenverbrauch aufweist und als Modernisierungs-Kit eingesetzt werden könnte. Einsparpotential etwa 60 GWh/Jahr 13

14 Beispiele Haushaltsgerätebereich Effizienzsteigerung eines A++-Kühlschranks Effizienzsteigerung eines A++-Kühlschranks durch Optimierung Kompressor Effizienzsteigerung um 27% mit besserem Kompressor und Kompressor-Steuerung (langsam und länger laufend, Optimierung der Kühlflüssigkeitsmenge) 14

15 Beispiele Magnetstromreduktion / Frequenzantriebe Grundlagenarbeiten (am Laufen) Effizienter Betrieb von Asynchronmotoren - Mit der optimalen Reduktion des Magnetisierungsstromes (Feldschwächung) ist bei Teillast mit Nutzung eines Frequenzumrichters eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich. - Ein laufendes Projekt klärt ab, wie viel Energie sich bei optimalem Wirkungsgrad einsparen lässt (theoretisch und messtechnisch). - Theoretische Abklärungen zeigen, dass gegenüber einer Ansteuerung mit Konstantfluss etwa 4,5% Einsparungen erreicht werden können. Verluste von Frequenzumformern im Motorenbereich - Frequenzumrichter (FU) bestehen aus Anschnittsteuerungen, die Quellen von Oberschwingungen darstellen. Sofern diese nicht gefiltert werden, bewirken diese im elektrischen Verteilnetz Verluste. - Projektziel ist die Bestimmung des Potentials durch Blindleistungsreduktion und eine Quantifizierung der Zusatzverluste, hervorgerufen durch die durch FU erzeugten Oberwellen. 15

16 Beispiele neuartiger Frequenzantrieb Grundlagenarbeiten (am Laufen) Advanced 3-Phase Multipulse Rectifiers and Inverters - Die geeignete Kopplung von Interphasen-Stromtransformatoren erlaubt eine starke Reduzierung des magnetischen Volumens und den Ersatz komplexer Schaltungen durch eine einzige Komponente. - Nach Grundlagenarbeiten wird eine effiziente, kompakte und kostengünstige Umrichter-Rückspeisungs-Anordnung mittels passivem Multipuls-Strom- Splitter/-Merger als Funktionsmuster mit 20kW Leistung entwickelt und aufgebaut. Beispiel einer Schaltungsanordnung mit vollsymmetrischem induktivem Strom-Splitter (Schaffner AG) 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit