ERGEBNISSE MONITORING- LEITFADEN ZUR UMSETZUNG VON ENERGIEEFFIZIENTEN MOTORSYSTEMEN Konstantin Kulterer, Österreichische Energieagentur 19. Nov. 2013 //Konstantin Kulterer
INHALT 01 TEIL 1: Ergebnisse Monitoring, Statistik 02 Teil 2: Leitfaden zur Umsetzung von Energieeffizienten Motorsystemen Motorpolitik auf Unternehmensebene Vor-, Nachteile von Hocheffizienzmotoren Korrekte Dimensionierung, Installation, Getriebe Analyse 2
ENERGIEEFFIZIENZ MONITORINGSTELLE Die Energieeffizienz-und Energiedienstleistungsrichtlinie schreibt für das Jahr 2016 einen jährlichen Energieeinsparrichtwert in Höhe von 9 % des durchschnittlichen Endenergiebedarfs der Jahre 2001 bis 2005 vor. Für Österreich bedeutet das einen Einsparrichtwert von 17,9 PJ im Jahr 2011 bzw. 80,4 PJ im Jahr 2016. Monitoringstelle: Stelle, die laut RL 2006/32/EG (ESD): Energieeinsparungen überprüft, die aufgrund von Energiedienstleistungen und anderen Energieeffizienzmaßnahmeneinschließlich bereits getroffener nationaler Energieeffizienzmaßnahmen erzielt wurden und die Ergebnisse in einem Bericht erfasst. 3
DATENBANK FÜR DAS MONITORING Zur Messung der Energieeinsparungen mittels Bottom-Up Methoden Auf Maßnahmen basiert Angebot an Benutzer Eingabe freiwillig Aufrufbar auf www.monitoringstelle.at Nutzer derzeit Bundesländer Bund Energieunternehmen (Elektrizität, Gas- und Wärmeversorgung, Mineralöl) 4
ERGEBNISSE - ZIELERREICHUNG Österreich erreicht das ESD Einsparziel Unter der Annahme der Fortführung der bisherigen Maßnahmen 5
ERGEBNISSE ALLE SEKTOREN Schwerpunkt liegt bei Gebäudemaßnahmen Gesamte Einsparungen: 67.607 TJ 6
ERGEBNISSE BETRIEBE Datengrundlagen v.a. UFI Bundesländerprogramme Gesamt: 2.220 TJ Energieunternehmen 7
ANTEIL E-MOTOREN AN ELEKTRISCHER NUTZENERGIE IM SEKTOR PRODUKTION Gesamt: 96.518 TJ [26.810 GWh] Elektrochemische Beleuchtung und Zwecke EDV 0% 7% Raumheizung und Klimaanlagen 5% Dampferzeugung 1% Industrieöfen 13% Standmotoren 75% Gesamt Standmotoren: 72.148 TJ [20.041 GWh] Quelle: Nutzenergieanalyse, Statistik Austria, 12.12.2012 8
AUFTEILUNG STROMVERBRAUCH NACH ENDVERBRAUCHS-ANWENDUNG Mechanische Bewegung (Förderbänder, usw.) 30% Ventilatoren 19% Pumpen 19% Kompressoren 32% Quelle: EuP Lot 30: Electric Motors and Drives, Task 2: Economic and Market Analysis, 3rd Draft, May 2013, Seite 6 9
ABSCHÄTZUNG JÄHRLICHES WIRTSCHAFTLICHES EINSPARPOTENZIAL Mechanische Bewegung (Förderbänder, usw.); 601 GWh Ventilatoren; 762 GWh Gesamt: 4.008 GWh Kompressoren; 1283 GWh Pumpen; 762 GWh Annahmen: Einsparpotenzial für Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren 20%, mechanische Förderung 10% Quellen: Nutzenergieanalyse 2012, Statistik Austria; EuP Lot 30: Electric Motors and Drives, Task 2: Economic and Market Analysis, 3rd Draft, May 2013, Seite 6; IEA Brunner, Waide, Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems 2011, S 15 10
PROJEKTINFORMATION Die Österreichische Energieagentur nimmt seit 2008 am Annex Electric Motorsystems des Implementing Agreement 4E (Efficient End-Use) Equipment teil. Die österreichische Beteiligung wird vom BMVIT im Rahmen der IEA Forschungskooperationen finanziert. Das Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend unterstützt die internationale Kooperation durch Begleichung von Annex-Beiträgen. Bisheriger Schwerpunkt der Arbeiten innerhalb des Annex waren: Motorpolitik Internationale Normung Testnormen Motor Systems Tool Energiemanagement Outreach (Motor Summits in Zürich, Newsletter) Ein Teil des Projektes innerhalb der Österreichischen Projektes: Erstellung eines Energieeffizienz-Leitfaden für Elektromotoren, in dem aktuelle Erkenntnisse aus Annex und Normen zusammengefasst dargestellt werden. 11
MOTORPOLITIK AUF UNTERNEHMENSEBENE Die Motorpolitik gibt mittel- und langfristig den Rahmen für den effizienten Einsatz von Motorsystemen im Unternehmen vor. Das Ziel ist der Einsatz von Motorsystemen der höchsten Effizienz unter ökonomischen Bedingungen. Vermeidung des Einsatzes von Motoren geringerer Effizienz aus zeitlichen, Kosten- oder organisatorischen Gründen. Eine Motorpolitik definiert folgende Aspekte: Definition von Beschaffungskriterien Erstellung einer Motoreninventurliste Richtlinien zum Ersatz Vorgaben zur technischen Abnahme Abläufe zur Reparatur 12
BESCHAFFUNGSVORGABEN- LEBENSZYKLUSKOSTEN Lebenszykluskosten eines Elektromotors: IE3 Motor, 11 kw, 4.000 h, 15 Jahre (Almeida, A., Ferreira, F., Fong, J., Fonseca, P. (2008): EuP Lot 11: Motors, Final Report, University of Coimbra) 13
BESCHAFFUNGSVORGABEN- LEBENSZYKLUSKOSTEN Bestandteile der Lebenszykluskosten: Beschaffungspreis und Installationskosten (evt. Planungskosten, Kosten eines FU) Betriebskosten Überprüfung der tatsächlich erforderlichen Leistung, Überprüfung der maximal auftretenden Last bzw. des max. Drehmoments (die meisten Motoren sind stark überdimensioniert) Erstellung eines Lastprofils (erwartete Auslastung in Abhängigkeit der Produktion), Jahresbetriebsstunden Erhebung der Wirkungsgrade für die wichtigsten Auslastungszustände Errechnung der Stromkosten über Lebensdauer und Strompreis und entsprechender Abzinsung. Wartungskosten, Reparaturkosten, Kosten für Schmiermittel 14
BESCHAFFUNGSVORGABEN Wichtige Punkte: Energieeffizienz (siehe IEC 60034-30) Lebensdauer (je nach Leistungsgrößen Lebensdauer 0,75 bis1,1 kw 1,1 bis11 kw 11 bis110 kw 110 bis370 kw In Jahren 10 12 15 20 Durchschnittliche Lebensdauer eines AC-Motors in Abhängigkeit der Leistung (IEC, 2009, S 29) 15
BESCHAFFUNGSVORGABEN Vergleich der Lebenszykluskosten (wie oben beschrieben) Beschaffung eines IE3 Motors (IEC 60034-30) bzw. jenes Motors mit den geringsten Lebenszykluskosten und höchsten Wirkungsgraden in den vorgegeben Teillastbereichen Berücksichtigung moderner Regelsysteme bei variablen Lasten (unbedingt bei Pump- und Lüftungsanwendungen) Einsatz von hocheffizienten Antriebsarten (Direktantrieb, hocheffiziente Riemen), Vermeidung von Schneckenradantrieben Einfordern von Unterlagen auf Deutsch: Technische Beschreibung, usw. Korrekte Installation: Fluchtung, ausreichende Kabelquerschnitte usw. Qualitäts-, Preisaspekte 16
ENTWICKLUNG DES MOTORENBESTANDES Quelle: EuP Lot 30, Electric Motors and Drives, Task 2 Report, Seite 10, Draft Report May 2013 17
MOTORINVENTURLISTE-MOTORERSATZ Defekte Motoren werden vielfach repariert oder über den Lagerbestand ersetzt. Effizientere Motoren kommen daher nicht zum Einsatz. Für den raschen Austausch alter Motoren durch neue Hocheffizienz-Motoren sind folgende Schritte notwendig: Erarbeitung einer Motoren-Liste der eingesetzten Motoren (Schwerpunkt auf Motoren mit Laufzeiten über 8 Stunden am Tag) Inventur der Motoren auf Lager (Typenschilddaten, Anwendungsmöglichkeit) Erstellung einer einfachen Regel, ab wann Reparatur oder Ersatz sinnvoll ist, nach Leistungsklassen, Laufzeit, Stromkosten, Reparaturkosten Plan zum Ersatz der Motoren, je nach Alter, Wartungsaufwand, Leistung, Laufzeit (Reparatur, IE2, IE3 Motoren vom Lager oder zu bestellen): Von laufenden Motoren (bei schlechten Wirkungsgraden, hohem Energieverbrauch) Ersatz während Betriebsstillständen Bei Ausfall: Ersatz von Standard-Effizienz (evt. auch eff2!) Motoren durch IE3 Motoren 18
MOTORINVENTURLISTE-MOTORERSATZ Absprache mit dem Lieferanten über Lieferzeiten bzw. Lagerhaltung von hocheffizienten Motoren (IE3) je Leistungsklassen Für bestimmte kritische Motoren und gewisse Leistungsklassen (z.b. bis 30 kw) Lagerhaltung von hocheffizienten Motoren (falls Lager des Lieferanten diese nicht umfasst) Evt. Verkauf der weniger effizienten Motoren aus dem Lagerbestand 19
TECHNISCHE ABNAHME Wann? Technische Abnahme bei Neuinstallation, nach umfangreicher Reparatur oder Änderung wesentlicher technischer Parameter des Prozesses Was? Übereinstimmung des gelieferten Geräts mit den definierten Prozessparametern und den Herstellerangaben hinsichtlich mechanischer und elektrischer Aufstellung Korrekte Ausrichtung bzw. Fluchtung der Motoren mit den angetriebenen Komponenten Weitere Punkte: Passendes Fundament und Unterkonstruktion Motoren-Füße individuell unterlegt geeignete Umgebungstemperatur ausreichende Belüftung geeignete Erdung saubere elektrische Anschlüsse passende Riemenscheiben und ausreichende Spannung der Riemen 20
REPARATUR Das Neubewickeln eines Motors ist in der Industrie weit verbreitet. Billiger und rascher als neuer Motor? Abhängig von: Ursache des Ausfalls, Alter und Wirkungsgrad des ausgefallenen Motors, jährliche Betriebszeiten des Motors, Qualität der Reparatur und damit Wirkungsgrad nach der Reparatur. Der Wirkungsgrad des bestehenden Motors kann aber (auch aufgrund des Alters) bereits relativ niedrig sein. Schlechtes Neubewickeln des Motors kann diesen Wirkungsgrad um 0,5 % (manchmal um 4%) weiter reduzieren. Mehrkosten eines neuen Motors gegenüber einer Reparatur können sich rasch rechnen. In manchen Ländern (Australien, USA) existieren Standards oder Codes of Practice for Rewinders Fehlerreporting des ausgefallenen Motors einfordern 21
VERGLEICH MOTOREN- U. REPARATURPREIS Vergleich Motor- und Reparaturpreis, Quelle: EuP Lot 30, Electric Motors and Drives, Task 2 Report, Seite 19, Draft Report May 2013 22
VOR-, NACHTEILE HOCHEFFIZIENTER AC-MOTOREN Einsatzgebiet bei hoher Anzahl von Betriebsstunden in einem Lastbereich von über ¾ der Last. Aufgrund besseren Temperaturmanagements im Motor halten die Motoren kurzfristig Überlastungen besser aus (bessere Anpassung an Anwendungsfall möglich) Geringere Temperaturentwicklung und leisere Belüftung Beim Einsatz von hocheffizienten Elektromotoren sind zu beachten: Geringerer Schlupf und damit eine höhere Drehzahl: dies führt bei Anwendungen mit quadratischem Verlauf des Drehmoments (Pumpen, Ventilatoren) zu einem höheren Förderstrom und daher zu einer höheren Leistungsaufnahme; Hocheffiziente Motoren verringern die Verluste durch besser leitendes Rotormaterial (z.b. Kupfer anstatt Aluminium). Aufgrund der höheren Trägheit (Masse) vergrößern sich die Anlaufzeit und der Leistungsbedarf beim Wegdrehen. Damit verbunden sind auch eine Reduktion der maximal möglichen Starts pro Stunde und eine höhere Anforderung an Bremsen. 23
KORREKTE DIMENSIONIERUNG Unter 40-50% der vollen Leistung arbeitet ein Elektromotor nicht mehr unter optimalen Bedingungen und der Wirkungsgrad fällt dann rasch ab. Eine Überdimensionierung eines Motors führt zu: Erhöhung der Kapitalkosten aufgrund des größeren Motors Verminderung des operativen Wirkungsgrades Erhöhung der Drehzahl, falls keine Regelung vorhanden ist. Dies führt zu einer maßgeblichen Änderung in der Last und des Jahresenergieverbrauchs. Beispielsweise führt ein schmaler Anstieg der Drehzahl (z.b. von 1440 U/min auf 1460 U/min (+1,4%) bei einem Ventilator oder einer Pumpe zu einem 4% Anstiegs des Leistungsbedarfs und des Energieverbrauchs. Der Leistungsfaktor sinkt mit abnehmender Auslastung. 24
INSTALLATION UND ENERGIEEFFIZIENZ Die Drehachsen müssen unter Betriebsbedingungen fluchten. Mangelnde Fluchtung führt zu Schäden an der Welle und Lager und zu erhöhten Wicklungstemperaturen. Ursachen für Fehlausrichtung: Während Betrieb: Angetriebene Maschine vergrößert sich aufgrund der thermischen Belastung stärker als der Motor Fehlerhafte Installation (Kontrolle nach Schweißarbeiten oder nach Installation der Pumpe - nach Anschluss des Flansches an das Rohrnetz). Änderungen der angetriebenen Maschine, z.b. aufgrund einer kavitierenden Pumpe oder aufgrund korrodierender Ventilatorblätter. 25
INSTALLATION UND ENERGIEEFFIZIENZ Zusammenhang Stromverbrauchsanstieg in Prozent mit dem Versatz in mm (Quelle: www.pruftechnik.com) 26
GETRIEBE Für die Anpassung an geringere Drehzahlen sind Getriebe erforderlich. Die Verluste betragen zwischen 0% bis 45%. Wirkungsgrad Max. Untersetzung Quellen: ZVEI Energiesparen mit elektrischen Antrieben, Frankfurt am Main (2006), Radgen, P. Oberschmidt, J., Cory, W.T. (2008): EuP Lot 11: Fans for ventilation in non residential buildings. Final report, Fraunhofer ISI) Direktantrieb 100% 1 Flachriemen 96-98% 5 Zahnriemen 96-98% 8 Kette 96-98% 6 Stirnrad 95-98% 7 Kegelrad 95-98% 5 Keilriemen 90-95% (unter 1 kw 75%) 8-10 Schnecke 50-96% 50 27
ANALYSE-GROBANALYSE, BASISSYSTEMBESCHREIBUNG 1. Schritt: Erhebung Typenschilddaten, Laufzeitabschätzung Arbeitszeit, Arbeitsplätze Energieverbrauch Motorenliste Zu erhebende Daten Anzahl Schichten Gesamtverbrauch: Jahr und Monat Tagesgang: Werktag und Feiertag Alter des Motors (Typenschild) Nennleistung (Typenschild) Anwendung: Pumpe, Ventilator, Kompressor, Förderanlage etc. Betriebsstunden pro Jahr (Schätzung) Mittlere Auslastung (Schätzung) Regelung Getriebeart Wartungsintervalle (Getriebe, Motor) Quellen: topmotors.ch, das Europäische Motor Challenge Programm, Modul Antriebe, Brüssel 2003 28
GROBANALYSE-AUDITFRAGEN Laufen Motoren zu Zeiten, in denen Prozesse oder die Anlagen, die sie antreiben nicht in Betrieb sind? Sind besonders alte Motoren im Einsatz? Sind Standard Keilriemen installiert? Sind Motoren im Einsatz, die zur Gänze im Teillastbereich angetrieben werden? Sind im Betrieb Motoren im Einsatz, deren Lastverlauf stark schwankt? 29
FEINANALYSE Feinanalyse Spannung, Strom, Leistung, Cosinus.phi, Drehzahl Geräusch, Vibration Wärmestrahlung Verunreinigungen, Ölstand 30
WEITERE PUNKTE IM LEITFADEN Einsatzgebiete von Permanentmagnetmotoren, Switched Reluctance Motoren Regelung von Motoren Vorteile und zu beachtende Punkte beim Einsatz von Frequenzumrichter Wartungsempfehlungen für E-Motorensysteme 31
WEITERE INFORMATIONEN Aktueller Motorleitfaden unter: http://www.energyagency.at/projekte-forschung/industriegewerbe/detail/artikel/internationale-zusammenarbeit-gegenenergiefresser.html Publikationen aus dem Annex Electric Motor Systems: http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea/results.html/id5402 www.motorsystems.ch Auditleitfäden zu Motorsystemen: www.eebetriebe.klimaaktiv.at http://www.klimaaktiv.at/energiesparen/betriebe_prozesse/technologieschwerpunkte/druckluft.html http://www.klimaaktiv.at/energiesparen/betriebe_prozesse/technologieschwerpunkte/pumpen.html http://www.klimaaktiv.at/energiesparen/betriebe_prozesse/technologieschwerpunkte/ventilatoren.html http://www.klimaaktiv.at/energiesparen/betriebe_prozesse/technologieschwerpunkte/kaeltesysteme.html Informationen zu Getrieben, u.a. auf: http://www.topmotors.ch/veranstaltungen/ 32
KONTAKT Mag. DI Konstantin Kulterer konstantin.kulterer@energyagency.at AUSTRIAN ENERGY AGENCY Mariahilfer Straße 136 1150 Vienna Austria office@energyagency.at www.energyagency.at 33