1 M o t o r C h e c k
2 Motor-Check Energieeffizienz bei elektrischen Antriebssystemen in der Industrie 12. November 2009, Congress Center Basel Conrad U. Brunner, S.A.F.E., Zürich
Schlagzeilen 3 1. 40% des Schweizer Stromverbrauchs sind elektrische Motoren 2. In der Industrie sind 70% des Stromverbrauchs elektrische Motoren 3. Strom wird teurer besonders für Grossverbraucher 4. Viele Antriebe sind überaltert, überdimensioniert und nicht lastgeregelt 5. Neue internationale Standards sind da: IE3 6. Zwingende Vorschriften sind im Anzug: Europa & Schweiz 7. Neue bessere Technologien sind vorhanden und erprobt 8. Motor Check: Schritt für Schritt effizienter
Globaler Stromverbrauch 4 Haushaltgeräte U- und Büroelektronik Wärme RH & WW Fahrzeuge (Schien) Elektrochemie Verschiedenes Licht 19% Motoren 40%
Industrie Stromverbrauch 5 Industry Electricity (global 2006) Light 8% Electronics 3% Electrolysis 8% Heat 12% Motors 67% Standby 2%
Topmotors Partner Netzwerk 6 energieschweiz EKZ BKW Awel Kanton Zürich EnAW ÖbU Swissmem Swiss Technology Network Proklima SEMA
7 Defekte Rotoren
Topmotors 8 Effizienzpotenzial 10% bis 30% Neue Technologien: Premium Effizienz Motoren Permanent Magnet Motoren Variable Drehzahl Frequenzumformer Neue Tools: ILI und Sotea Europa ist gegenüber USA im Rückstand
Roh-Ölpreis 9 VOLATIL
Strompreis SWEP 10 KLARE TENDENZ SWEP Mittelwert (2000-2008) 16 14 Mittelwert (nominal) + 17.7% Zunahme pro Jahr CHF Rp/kWh 12 10 8 6 Linear (Mittelwert (nominal)) y = 1,171x - 2338,3 R 2 = 0,8792 4 2 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Anwendungsgebiete für Motoren 11 Industrie: 70% des Stroms sind Motoren Transport, Verarbeiten, Maschinen, etc. Infrastrukturanlagen: 90% sind Motoren Wasser, Abwasser, Kehrichtverbrennung, Fernwärme und kälte, Pipelines Grosse Gebäude (öffentlich/privat): 40% sind Motoren Gebäudetechnik für Wasser, Heizung, Ventilation
12 Und läuft und läuft und läuft und läuft und läuft
Wo klemmt s? 13 1. Überdimensionierung: 2- bis 10-fach - früher Angst vor Brand 2. Wechselnde Lasten Motor ächzt und stöhnt! 3. Lecks es zischt und dampft (Leckagen)! 4. Unnötig grosse Volumenströme unklare Nutzeranforderung 5. Zu hohe Mediengeschwindigkeit (3. Potenz) Rohr/Kanal zu klein 6. Zu hohe Widerstände Luft und Wasser Schieber, WRG, Bögen 7. Betrieb ohne Nutzen (BoN) keiner da! 8. Uralte Antriebssysteme er läuft ja, wieso ändern! 9. Niemand im Betrieb interessiert/zuständig/kompetent Lebenszyklus Kosten ein Fremdwort
Was ist ein effizienter IE3 Motor? 7) Dickere Wicklungsdrähte im Stator reduzieren den ohmschen Widerstand und damit die Strom-Wärmeverluste. Dies ist die wichtigste Massnahme für hohe Effizienz 1) Dünnere Bleche reduzieren die Wirbelstromverluste 14 2) Längerer Stator ermöglicht eine geringe magnetische Flussdichte und somit geringe Wärmeverluste im Eisen. Zusätzlich kann mehr Wärme ans Gehäuse abgeführt werden 6) Dickere Rotorstäbe und Kurzschlussringe reduzieren den ohmschen Widerstand und damit die Stromwärmeverluste im Rotor 5) Optimierte Blechschnittgeometrie reduziert die magnetischen Streuverluste und bietet mehr Platz für die Stator- Wicklung 3) Optimierte Flügelform des Lüfterrades fördert mehr Kühlluft und braucht weniger Antriebsleistung 4) Hochwertiges Blechmaterial reduziert die Hysterese-Verluste Quelle: NYSERDA 2006, Übersetzung: R. Gloor
Energiekosten: Anteil von LCC 15 Energy cost of total life cycle cost 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% LCC = Life Cycle Cost 96,6% 63,6% 23,0% 8,7% 1,7% 3,9% Handy Notebook TV LCD Refrigerator CFL 21 W Motor 11 kw
Lebenszykluskosten Kauf / Montage + Betrieb / Energie + Demontage / Entsorgung 16 50'000 11 kw Motor Lebenszykluskosten (CHF) 49'000 48'000 47'000 46'000 45'000 44'000 43'000 42'000 41'000 40'000 CHF 2124 IE 1 / Eff 2 IE 2 / Eff1 IE 3 / Premium Basis EuP Lot 11
17 Alte Motoren im Betrieb
Neue IEC Effizienz Klassen 18 IEC 60034-30 (publiziert: Oktober 2008) Premium Effizienz IE3 - NEMA Premium High Effizienz IE2 Eff 1 EPAct Standard Effizienz IE1 Eff 2 - Unterhalb Standard Effizienz - Eff 3 - Typenschild neu! IE3 93.4% Messmethode neu! Geringe Unsicherheit
2009: IE3 Premium Effizienz 19
IEC Energie Effizienzklassen 20 Electric motors 4-pole 50 Hz 100 0.75 kw to 375 kw 95 2% Nominal efficiency (%) 90 85 80 IE3 IE2 IE1 75 10% IEC 60034-30 (Ed. 1.0) 2008 70 0,1 1 10 100 1000 Motor output (kw)
Ecodesign Direktive EUROPA 21 Mindestvorschriften für Motoren Motoren (0.75 375 kw m ) 2011 IE2 2015 IE3 (ab 7.5 kw 375 kw) oder IE2+FU 2017 IE3 (ab 0.75) oder IE2+FU Umwälzpumpen (1-2500 W hyd ) 2013 EEI 0.27 2015 EEI 0.23 Schweizer Gesetz ab 2010: IE1; ab Mitte 2011: IE2
Pumpensystem 22
Antriebssystem 23
Gesamt-Wirkungsgrad 24 elektrisch mechanisch Elt.- Netz Trafo Cos Phi USV FU Motor Kupplung Getriebe Transmission Pumpe Drossel Nutzer Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Wirkungsgrade jeder einzelnen Komponente. KEIN QUICK FIX!
Motor-Check 25 Zielgruppe: industrielle Motorenanwender Ziel: rascher Überblick, fundierte Empfehlung Ablauf 1. Zuerst zum Chef 2. Dann zum Technikleiter 3. Dann in den Betrieb Resultat Investitionsplan Präventiver Unterhalt
Ablauf Motor-Check 26 1. Vorbereitung: Lastgang und Gesamtverbrauch vom EW: Grobe Verbrauchsanteile 2. Top Down: Potenzialschätzung: SOTEA im Dialog 3. Bottom-up: Grobanalyse mit intelligenter Motorenliste: ILI 4. Plausibilitäts-Check: Alles drin? Gesamtlast OK? Ersatz Motor/System? Potenzial? 5. Feinanalyse: Messung der wichtigen Antriebe 6. Investitionsplan: Vorschlag Ersatz mit Dringlichkeit, Payback 7. Präventiver Unterhalt: Vorbereiten für künftigen Ersatz
Motor-Check Tools 27 SOTEA Software Tool zur Potenzialabschätzung ILI Intelligente Motorenliste Fachlicher Dialog mit Betriebleitung Input: Gesamtverbrauch Elektrizität Betriebskenndaten: Schichten, Alter Liste aller (wichtiger) elektrischer Motoren Input: Alter, Leistung, Funktion, Betriebsstunden, FU Output: Motorenverbrauch, Ersatzpotenzial, Payback Output: Drei Dringlichkeitsklassen
SOTEA Potenzial 28 Berechungen Effektiver Elektrizitätsverbrauch der Antriebe 9'975'300 [kwh/a] Anteil effektiver Elektrizitätsverbrauch der Antriebe 99,8 [%] Anteil zu erneuernde Motoren 89,0 [%] Anteil Motoren mit FU 60,0 [%] Verbesserter Elektrizitätsverbrauch der Antriebe 7'467'981 [kwh/a] Effizienzpotential (Energie) 2'507'320 [kwh/a] Effizienzpotential (in Franken) 225'659 [CHF/a] Effizienzpotential (in Prozent) 25,1 [%] Ersatzinvestition zur Realisierung des Effizienzpotentials 458'275 [CHF] Payback-Zeit zur Realisierung des Effizienzpotentials 2,0 [a] Topmotors SOTEA [kwh/a] 12'000'000 10'000'000 8'000'000 6'000'000 4'000'000 9'975'300 7'467'981 2'507'320 Effektiver Elektrizitätsverbrauch der Antriebe Verbesserter Elektrizitätsverbrauch der Antriebe Effizienzpotential (Energie) 2'000'000 0 Summen pro Jahr 0,177493766
22 Atlet-Deichselstapler PSD/ 125 THN 209 Atlet AB 2736 2007 2 35 Batterieladegerät nein 1 40 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig ILI: Prioritäten Intelligente Motorenliste (ILI) 29 Untersuchte Anlage: Hefe Schweiz AG BearbeiterIn: P. Fotsch, R. Keller Bearbeitungsdatum: 10.02.2009 Markers ein/aus Details ein/aus Beispielzeile ein/aus Basisinformationen Nr Anlagenbezeichnung Motorbezeichnung Hersteller 1 Eiswasserpumpe 1 K145 1 8 2 Rührwerk Eiswasser K145 1 8 Rührwerk 3 Heferahmlager K5 Rührwerk 4 F100 L4 Identnummer Baujahr Alter Betriebsstunden Anwendung* FU vorhanden* mech. Nennleistung Lastfaktor [a] [h/a] [kw] [%] Polzahl* Effizienzklasse* Ausgabeteil Dringlichkeitskategorien Maschinen fabrik Oerlikon 2126 1972 37 8030 Pumpe nein 0,9 40 6 keine Angabe unbedingt überprüfen Maschinen fabrik Oerlikon 2126 1972 37 8760 Rührwerk nein 0,9 40 6 keine Angabe unbedingt überprüfen Elektromot orenwerk Brienz 2030 1980 29 2059 Rührwerk nein 2,2 40 4 keine Angabe genauer überprüfen Ansäuerungsbottich 6DDS 1106 C1 2021 1993 16 555 Rührwerk nein 2,2 40 6 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 5 Heferahmpumpe SPA K1 1R 132 M4 KR HW VEM 2230 1999 10 1317 Pumpe nein 7,5 41 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 6 Heferahmpumpe SPA K1 1R 132 M4 KR HW VEM 2231 1999 10 1317 Pumpe nein 7,5 41 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig Heferahmpumpe 7 Allweiler FDR132M/4 Q Dietz 2223 1990 19 1251 Pumpe nein 7,5 41 4 keine Angabe genauer überprüfen Nachspeisepumpe Pendelanlage 8 Dampfzentrale MG 80B2-19FT100-D1 Grundfos 301 2000 9 4000 Pumpe nein 1,1 40 2 Eff1 genauer überprüfen 9 P1 (Pumpenhaus) MB 65-2 Sulzer 3008 1984 25 590 Pumpe nein 8,4 41 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 10 P2 (Pumpenhaus) HCP 5 13-5 Sulzer 3002 1949 60 741 Pumpe nein 11,1 42 2 keine Angabe genauer überprüfen 11 Notversorgungsp. BA 114/41-3 - stufig Sulzer 2913 1989 20 605 Pumpe nein 5,5 41 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 12 Ozonator BONa 1D RS1 80g/h ProMinent 2905 2000 9 1839 nein 6,22 41 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 13 P1 (Ozonstation) 2917 2003 6 884 Pumpe nein 5,5 41 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 14 P2 (Ozonstation) 2918 2003 6 958 Pumpe nein 5,5 41 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 15 P3 (Ozonstation) 2919 2008 1 8 Pumpe nein 3 40 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig W. Kuster 16 Kühlraum 3 SAMT 100 - G - 250 AG 2713/ 2715 2006 3 7015 Kompressor nein 6,3 41 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 17 Kühlraum 5 ZB 75 - KCE R G Copeland 2733 2005 4 3150 Kompressor nein 21,7 44 2 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 18 Elektrorolli Caterp. NPP 16 K Caterpillar 2726 2002 7 296 Batterieladegerät nein 0,85 40 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 19 Elektrorolli Stöcklin EDP 1300 mini Stöcklin 2729 2005 4 265 Batterieladegerät nein 1 40 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 20 Caterpiller EP 18 NT Caterpiller 2703 2008 1 201 Batterieladegerät nein 6,36 41 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig 21 Dixi DM190-16456 Sichelsch mid GmbH 2704 2007 2 173 Batterieladegerät nein 1 40 4 keine Angabe keine Vorkehrungen nötig
30 Motorenlager
Merkblätter 31 1 Vorgehensplan 2 Potenzialabschätzung 3 Grobanalyse 4 Ausschreibung 5 Investitionsplan 6 Präventiver Unterhalt 7 Lastgang Messung 8 Antriebe messen 9 Teillastfaktor 10 Motorpreise 11 FU-Preise 12 Payback 13 Wirkungsgrade 14 Typenschilder 15 Motorenhersteller
Kosten - Nutzen 32 18 SOTEA: 11 Industrien y = 3,1317x + 6,2299 R 2 = 0,4325 16 14 Einsparung Elektrizität (%) 12 10 8 6 4 2 Mittelwert 12.7% Einsparung 1.7 Jahre Pay Back 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Pay Back (Jahre) Quelle: EnAW Pilotstudien 2009
Erfahrung Pilot Studien 33 Es braucht mehr Zeit: Grob- und Feinanalyse bis Investitionsentscheid Engpass: Eigenleistung Industrie für Erhebung ILI Daten Messtechnische Überprüfung nötig vor Entscheid Einbezug Maschinenbauer, Servicefirmen, Motorenhersteller: Liefergrenze, Garantie
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Participants in 4E EMSA Electric Motor Systems Annex 36 Australia Austria Denmark Netherlands Switzerland UK South Africa Brazil Canada China P.R. France India Japan USA Sweden Korea S.
Vielen Dank 37 www.topmotors.ch www.motorsystems.org www.motorsummit.ch Conrad U. Brunner, S.A.F.E., Zürich cub@cub.ch