Energiescouts OWL 2017

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1 Energiescouts OWL 2017 Donnerstag, 23. Februar 2017 Detmold Elektrische Antriebe und Druckluft Dipl. Wirtsch.-Ing. Martin Flegler Energiedienstleistungen und Projektmanagement

2 Elektrische Antriebe Einleitung Relevanz des Themas Elektromotoren verbrauchen weltweit % des Stroms und sind damit die größten Umsetzer elektrischer Energie. In der Industrie der EU benötigen Antriebssysteme 69 % des Stroms (= 900 Milliarden kwh = 900 TWh). In Deutschland liegt der Anteil des Industriestromverbrauchs der elektrischen Antriebe etwa auf demselben Niveau

3 Elektrische Antriebe Einleitung Mögliche Vorgehensweise: 1. Übersicht über den Verbrauch verschaffen Energieverbrauch in Deutschland 2015 nach Anwendungsgebieten in TWh Beleuchtung; 78; 3% IKT; 59; 2% 2. Die Anwendungsgebiete mit hohem Verbrauch zuerst genauer unter die Lupe nehmen 3. Beispiel: Innerhalb des Verbrauchs durch mechanische Energie kann Druckluft einen hohen Anteil einnehmen mechanische Energie; 956; 39% Raumwärme; 669; 27% sonstige Prozesswärme; 533; 22% Warmwasser; 114; 5% sonstige Prozesskälte; 47; 2% Klimakälte; 10; 0%

4 Elektrische Antriebe Begriffe und Abgrenzung Beispiel produzierendes Unternehmen mit Anschluss an die Mittelspannung Antriebskomponenten Einkauf/Erzeugung bzw. Hauptzähler Transformation bzw. Verteilung Frequenzumrichter, Steuerung Motor Getriebe Anwendung, z.b. Förderband

5 Elektrische Antriebe Frequenzumrichter Ein Frequenzumrichter führt in vielen Anwendungsfällen zu einer deutlichen Energieeinsparung Vorteil in der Steuerbarkeit: Drehzahlregulierung, hohes Anlaufmoment, etc. ohne aufwändige Schaltungen Beispiel zur Drehzahl: Frequenz/Polpaarzahl=Drehzahl Durch die Veränderung der Frequenz kann der Motor auch im Teillastbetrieb (effizienter) betrieben werden Ermöglichen in der Regel einen Direktantrieb

6 Elektrische Antriebe Motortypen Drehstrommotoren werden hauptsächlich eingesetzt Gleichstrommotoren haben an Bedeutung verloren Selbst dort, wo die Energie als Gleichstrom gespeichert wird (Elektrofahrzeug) werden keine Gleichstrommotoren eingesetzt In der Industrie hat die Asynchronmaschine den höchsten Durchsetzungsgrad Permanenterregte Synchronmaschinen haben insbesondere im Teillastbereich einen höheren Wirkungsgrad

7 Elektrische Antriebe Motor Welche Leistung hat dieser Motor? Was schätzt ihr? Darstellung eines 3-Phasen- Asynchronmotors (IE2) 33 cm Beispiel: 5,5 kw Elektromotor 43 cm

8 Elektrische Antriebe Getriebe Getriebe sind kein spezielles Merkmal elektrischer Antriebe (siehe Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor) Frequenzumrichter reduzieren den Bedarf an Getrieben deutlich Dennoch können sie grundsätzlich eine Komponente jeglichen Antriebes sein Sie dienen der Veränderung von Drehzahl und Drehmoment

9 Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor 93,

10 Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor Technische Anforderung: 1 kw mechanische Leistung für eine Anwendung (z.b. Lüfter) Rahmenbedingungen: Zweischichtbetrieb (4000h/a); Strompreis von 16 ct/kwh Szenario 1: Bestandsmotor (IE1) 1 kw mech = 1/0,74 kw el = 1,35 kw el 1,35 kw el 4000 h = 5405 kwh a 5405 kwh 0,16 kwh = 865 Szenario 2: Effizienzmotor (IE4) 1 kw mech = 1/0,87 kw el = 1,15 kw el 1,15 kw el 4000 h = 4598 kwh a 4598 kwh 0,16 kwh = 736 Die Einsparung für 1 kw mechanische Antriebsleistung beträgt somit 129 /Jahr.

11 Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor Technische Anforderung: 10 kw mechanische Leistung für eine Anwendung (z.b. Lüfter) Rahmenbedingungen: Zweischichtbetrieb (4000h/a); Strompreis von 16 ct/kwh Szenario 1: Bestandsmotor (IE1) 10 kw mech = 10/0,87 kw el = 11,49 kw el 11,49 kw el 4000 h = kwh a kwh 0,16 kwh = 7356 Szenario 2: Effizienzmotor (IE4) 10 kw mech = 10/0,935 kw el = 10,69 kw el 10,69 kw el 4000 h = kwh a kwh 0,16 kwh = 6845 Die Einsparung für 10 kw mechanische Antriebsleistung beträgt somit 511 /Jahr. Welches Problem liegt hier vor? Wo liegen weitere Einsparpotenziale?

12 Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor Weitere Einsparpotenziale des Beispiels: 1) Das Diagramm zeigt lediglich die Effizienz im Nennbetrieb, d.h. bei häufigem Teillastbetrieb kann die Einsparung zwischen einem Bestandsmotor und einem neuen mit Frequenzumrichter ein vielfaches der Beispiele betragen. Dabei spielen auch Art des Motors und Dimensionierung eine große Rolle. 2) Läuft der Motor tatsächlich durchgängig im Nennbetrieb (z.b. konstante ungeregelte Lüftung) kann durch eine bedarfsorientierte Regelung der Verbrauch reduziert werden. Fazit: Das größere Einsparpotenzial liegt in der Regel in der Betrachtung des gesamten Antriebes inklusive der Nutzung.

13 Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor Um diese Effizienzvorteile stärker zu nutzen, hat die EU für den europäischen Markt Verpflichtungen geschaffen: - Seit 16. Juni 2011 müssen Motoren mit 0,75 bis 375 kw mindestens Effizienzniveau IE2 besitzen - Seit 1. Januar 2015 müssen Motoren mit 7,5 bis 375 kw 1) entweder mindestens Effizienzniveau IE3 oder 2) mindestens Effizienzniveau IE2 mit Frequenzumrichter - Seit 1. Januar 2017 müssen Motoren mit 0,75 bis 375 kw 1) entweder mindestens Effizienzniveau IE3 oder 2) mindestens Effizienzniveau IE2 mit Frequenzumrichter Praxishinweise: Das Spektrum von 0,75 bis 375 kw ist zu groß um es nicht differenzierter zu betrachten! Die Wahl der höheren Effizienzklasse amortisiert sich in der Regel zeitnah.

14 Anteil in Prozent Elektrische Antriebe Energieeffizienz - Motor Kostenverteilung über die ersten drei Jahre bei einem IE3-Motor kw 2000 h 10 kw 2000 h 100 kw 2000 h 1 kw 8000 h 10 kw 8000 h 100 kw 8000 h Investition Planung Montage Wartung Energie

15 Druckluft 4 Phasen der Druckluft Erzeugung Aufbereitung Verteilung Anwendung

16 Druckluft Kompressoren Eigenschaften eines Hubkolbenkompressors - Für gelegentlichen bis zu regelmäßigen Einsatz geeignet - Preiswerter, leichter und lauter im Vergleich zum Schraubenkompressor - Typisches Anwendungsgebiet: Anwendungen ohne Vollauslastung bzw. 100% kontinuierlichen Bedarf (z.b. in Krankenhäusern)

17 Druckluft Kompressoren Eigenschaften eines Schraubenkompressor - Pulsationsfreie Luftverdichtung - Schwerer, teurer und leiser als ein Kolbenkompressor - Für Dauerbetrieb geeignet - Typisches Anwendungsgebiet sind Produktionsprozesse aufgrund des kontinuierlichen Bedarfs

18 Druckluft Untersuchungsaspekte Mögliche Untersuchungspriorität 1. Leckagen 2. Wartung 3. Druckniveau 4. Wärmerückgewinnung 5. Erzeugungseffizienz Prioritäten sind auch von der Situation abhängig!

19 Druckluft 1. Leckagen-Ermittlung Ermittlung von Leckage-Verlusten: Beobachtung des Druckverlustes über das Gesamtsystem - Näherungsweise über Anzeige an Druckluftbehälter nach Abschaltung des Kompressors - Bestätigung durch Messung der Füll- und Entladezeiten

20 Druckluft 1. Leckagekosten Weshalb Leckage schnell behoben werden sollten: Zusatzkosten durch Druckluftleckagen Ø Leckage [mm] Luftverlust bei 6 bar [l/s] Energieverlust pro Jahr bei h in kwh Energieverlust pro Jahr bei h und 16 ct/kwh in 1 1, , , , , ,20 Keine Zeit ist in diesem Fall keine Ausrede, da auch die Beseitigung durch Externe sehr wirtschaftlich ist.

21 Druckluft 2. Wartung Ausbleibende Wartung wirkt sich negativ aus durch: - Erhöhtes Ausfallrisiko der Anlagen - Erhöhte Reparaturkosten/Neuanschaffungen aufgrund regelmäßigerer Defekte - Verminderung der Anlageneffizienz führt zu erhöhtem Energiebedarf für gleichen Nutzen - Es besteht das Risiko, dass sich die Produktqualität verschlechtert

22 Druckluft 3. Druckniveau Problematik: 1) Je höher das Druckniveau, desto höher sind die Verluste (sowohl unvermeidbare als auch vermeidbare) 2) Das Druckniveau sollte somit so niedrig wie möglich sein (ohne Prozesse zu verschlechtern) 3) Die Informationen darüber, welcher Prozess welches Mindestdruckniveau erfordert ist häufig nicht vorhanden Grundsätzliche Ansätze: 1) Recherche von Informationen über vorhandene Anlagendaten oder Hersteller 2) Das Druckniveau marginal reduzieren und dabei die kritischen Prozesse beobachten. 3) Einzelne Anwendungen mit höchsten Druckniveau mit sogenannten Boostern versorgen oder Druckluft in diesen Fällen substituieren

23 Druckluft 4. Wärmerückgewinnung Problematik: 1) Bei der Erzeugung von Druckluft wird der Großteil der Energie in Wärme umgewandelt 2) Zur Nutzung dieser Wärme können Kompressoren mit Wärmetauschern ausgerüstet werden 3) So kann diese Wärme beispielsweise für Prozesse oder die Hallenheizung genutzt werden Prüfungsschema: 1) Findet bereits eine Wärmerückgewinnung statt? 2) Falls nein: Besteht ein geeigneter Wärmebedarf in der Umgebung? 3) Falls ja: Umsetzung planen (Wärmemengen kalkulieren!) bzw. prüfen, ob etwas dagegen spricht.

24 Druckluft 5. Erzeugungseffizienz Untersuchungsaspekte: 1) Effizienz eines Kompressors (siehe Teil 1: d.h. Motoreneffizienz und Frequenzumrichter) 2) Betriebsverhalten bei mehreren Kompressoren 3) Effizienz der Druckluftaufbereitung (z.b. Drucklufttrockner) Grundsätzliche Ansätze: 1) Wechselnden Bedarf nicht durch einen Kompressor ohne Frequenzumrichter bedienen 2) Durch eine übergeordnete Steuerung die Schalthäufigkeiten reduzieren und Kompressoren ohne Frequenzumrichter für konstante Grundlast einsetzen 3) Die Druckluftaufbereitung muss auf die Anforderungen abgestimmt sein. (z.b. Aktivkohlestufe für technisch ölfreie Druckluft)

25 PDCA-Zyklus mit Beispiel (Plan-Do-Check-Act) Verbrauchskurve Schritt 1 Problemauswahl zeigt: Schritt Stromverbrauch 1 auch Nachts und am Wochenende wird Energie auffällig verschwendet? hoch Schritt 8 Schritt 9 Schritt 9 Übertragen Verantwortlicher Schritt 8 Mitarbeiter- Standardisieren sensibilisierung als durchgängige Betriebspraxis Möglichkeit zur Einrichtung eines zentralen Versorgungsschalters prüfen Schritt 3 Spezifisch Verbesserungsziel Messbar Zielvorgabe: Keine Schritt Drucklufterzeugung 3 außerhalb der SMARTe Ziele zur verbesserten Angemessen Produktionszeiträume Energieeffizienz Realistisch Terminiert Schritt 2 Problembeschreibung Grund für erhöhten Verbrauch: Kompressoren Schritt laufen 2auch außerhalb der Produktionszeiträume Verstehen der Situation Schritt 7 Lösungsüberprüfung Messplan: Kontinuierliche Überprüfung der Wochenend- und Nachtverbräuche Erfolg der Maßnahme überprüfbar machen Schritt 4 Problemanalyse Ursachen: Unpassende Einstellung der Schritt Steuerung 4 mangelnde Wahrnehmung des Verbrauchs Mögliche Ursachen durch die Identifizieren Mitarbeiter # Pr ob le m Schritt 6 Maßnahmenplan Maßnahmen: Maßnahme T er m in Anpassung der Steuerung Schritt 7 Schritt 6 Mitarbeitersensibilisierung durch die Teamleiter Gesamtkosten: 205 Werkzeugkasten Hilfsmittel zur Darstellung Analyse Lösung Bewertung Überprüfung Messung am Kompressor zeigt: Schritt 5 Problemauswirkungen kwh pro Jahr Schritt Verbrauch für 5 unnötigen Kompressor-leerlauf => Verschwendungs-potentiale erkennen

26 Druckluft Maßnahmenplan

27 o Druckluftleckage Nr. Beschreibung: Festgestellt durch: am: o Wartungsmangel Nr. Beschreibung: Festgestellt durch: am: o Einsparpotential Nr. Beschreibung: Festgestellt durch: am:

28 Energieeffizienz Allgemein Stichwortartige Hinweise zum effizienten Umgang mit Energie zu 12 Themenfelder Beispielsweise: Beleuchtung, elektrische Antriebe, Kühlung, Druckluft, Eigenerzeugung, usw. Vorlage mit Anleitung zum selber basteln auf:

29 Fragen und Diskussion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung.