Nur wer den gesamten Produktionsprozess analysiert, kann den Energieverbrauch nachhaltig senken

Nicht alle Maßnahmen führen zum Erfolg

Die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen zu erhöhen, spart dem Betreiber Kosten und entlastet die Umwelt. Bei solchen Projekten lauern aber einige Fallstricke, die eine Verbesserung der Energieeffizienz verhindern oder sogar das Gegenteil bewirken können. Der folgende Beitrag erläutert einige von ihnen näher.

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Frequenzumrichter sparen meist Energie – in jeder Leistungsklasse. Doch Vorsicht: Bei Motoren im Dauerbetrieb kann der Einsatz von Umrichtern kontraproduktiv sein. In diesem Fall kann beispielsweise ein Softstarter mit Bypass besser geeignet sein.

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Frequenzumrichter sparen meist Energie – in jeder Leistungsklasse. Doch Vorsicht: Bei Motoren im Dauerbetrieb kann der Einsatz von Umrichtern kontraproduktiv sein. In diesem Fall kann beispielsweise ein Softstarter mit Bypass besser geeignet sein.

Verlockend klingen die Versprechen in den Ohren der Anwender: Weniger Energieverbrauch durch hocheffiziente Maschinen und moderne Frequenzumrichter, am besten noch direkt mit der Möglichkeit der Energierückspeisung. Sofortige Einsparungen bei Um- oder Nachrüstung älterer Maschinen und damit mehr Wettbewerbsfähigkeit. Wenn dann auch noch in bestehenden Anlagen aufgrund von Verschleiß die Ausfallzeiten steigen, denken viele Unternehmen über entsprechende Projekte nach, die einerseits die gefährdeten Komponenten austauschen, gleichzeitig aber den Energieverbrauch senken. Denn Energie ist einer der Kosten treibenden Faktoren in der Industrie geworden, weil die Preise in den letzten Jahren stark und beständig angestiegen sind.

Die Lösungen für mehr Energieeffizienz in der Anlage sind sofort verfügbar, warum also warten? An dieser Stelle sollte der gesunde Menschenverstand warnen. Gleichgültig, welche Maßnahmen bei einer neuen Anlage oder einer Anlagenmodernisierung zum Einsatz kommen: Der Betreiber sollte vorher auf jeden Fall eine genaue Analyse seines Prozesses und seiner Anlage durchführen und die ins Auge gefassten Maßnahmen auf den ökonomischen und ökologischen Nutzen hin überprüfen. Sonst läuft er Gefahr, womöglich das Gegenteil von dem zu erreichen, was er eigentlich beabsichtigt, nämlich Energieverbrauch und Kosten zu senken. Ein wichtiger Faktor bei Projekten zu Energieeinsparung ist die elektrische Antriebstechnik Doch immer wieder führen im Vorfeld geplante Maßnahmen nicht zum erhofften Erfolg. Oder, noch schlimmer, sie führen an anderen Stellen zu gravierenden Nachteilen bis hin zu Fehlfunktionen in den Anlagen. Die Gründe dafür sind vielschichtig, liegen jedoch sehr häufig in einer unvollständigen oder gar fehlerhaften Analyse des Ist-Zustands. Darauf aufbauende Entscheidungen müssen dann zwangsläufig mit Fehlern behaftet sein. Ergänzend kann zu wenig Sorgfalt bei der Auswahl von Komponenten, seien es Motoren oder Frequenzumrichter, eine erfolgreiche Projektierung beeinträchtigen oder unmöglich machen.

Doch wo liegen nun mögliche Fehlerquellen? Im Folgenden kommen häufige Fehlerquellen zur Sprache, die erst bei genauerem Hinsehen mögliche Fehlinterpretationen offenbaren.

Wann ist die Drehzahlregelung eines Motors sinnvoll?

Eine Idee für mehr Energieeffizienz ist, alle Motoren in einer Anlage mit einer Drehzahlregelung auszustatten. Bei Motoren, die permanent unter Volllast laufen, also keine Drehzahlregelung erfordern, verschlechtert dies aber die Energiebilanz. Denn auch ein Frequenzumrichter benötigt Energie für seinen Betrieb und erzeugt geringe Wärmeverluste. Vorteilhafter ist dort beispielsweise ein Softstarter mit Bypass, der den Motor kontrolliert hochfährt und dann mittels Bypass direkt ans Netz anschaltet. So geht der Softstarter in den Stand-by-Betrieb und verbraucht kaum zusätzliche Energie.

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Michael Burghardt, Danfoss: »In den meisten Fällen ist der Einsatz von Bremswiderständen wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller als die Nutzung der im Bremsbetrieb erzeugten Energie.«

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Michael Burghardt, Danfoss: »In den meisten Fällen ist der Einsatz von Bremswiderständen wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller als die Nutzung der im Bremsbetrieb erzeugten Energie.«

Analysezeiträume an die Applikation anpassen

Um die richtigen Entscheidungen zu treffen, benötigt der Anwender Systeme, die die aktuelle Last für jeden Antrieb aufzeichnen und ein eindeutiges Lastprofil erstellen. Der richtige Analysezeitraum hängt dabei stark von der Anwendung ab. Bei Prozessen, die in einem bestimmten Rhythmus immer gleich ablaufen (sollen), kann der Anwender den Erfassungszeitraum auf wenige Zyklen beschränken. Bei situationsabhängigen Anwendungen wie etwa einer Gebäudeklimatisierung ist ein längerer Zeitrahmen notwendig, der auch Extremfälle erfasst. Sonst können die Daten verfälscht sein, was wiederum zur falschen Auslegung oder Auswahl der Komponenten und damit zu weniger Energieeffizienz führen kann.

Falsche Auslegung reduziert Einsparung

Eine optimale Auslegung erfolgt grundsätzlich von der Maschine zum Netz. Dazu braucht der Anwender umfangreiche Kenntnisse über Prozess und Anwendung. Nur so lässt sich eine Überdimensionierung aufgrund »ausreichender« Reserven vermeiden. Denn jede unnötige Überdimensionierung schlägt sich in den Wirtschaftlichkeitsberechnungen negativ nieder. Ein Grund liegt darin, dass Motoren ihr Wirkungsgradoptimum meist im Nennpunkt haben. Bei reduzierter Last sinkt der Wirkungsgrad ab, wobei die Absenkung von der Motorauslegung und der Motorleistung abhängt. Erreicht nun ein Motor in Nennpunkt der Anlage nur 77 Prozent Wirkungsgrad anstelle von 80 Prozent, bedeutet das über die Lebensdauer nicht unerhebliche Mehrkosten. In manchen Fällen kann allerdings eine Überdimensionierung sinnvoll sein und den Wirkungsgrad für bestimmte Arbeitspunkte verbessern.

Wirkungsgradoptimum bei Strömungsmaschinen

Bei Pumpen und Lüftern bestimmt der Betriebspunkt der Anlage die Effizienz. Besonders Strömungsmaschinen sollten im optimalen Betriebspunkt arbeiten, weil ihre Drehzahl in vielen Anwendungen kubisch mit der Leistungsaufnahme gekoppelt ist. Leider steht ihre Auslegung oft im krassen Gegensatz dazu, weil sie meist auf die Maximalanforderung des Systems ausgelegt sind und daher zu einem Großteil der Zeit im Teillastbereich laufen. Hersteller solcher Maschinen haben dies inzwischen erkannt und bringen Lösungen auf den Markt, deren Wirkungsgradoptimum bei 70 bis 80 Prozent der Maximalauslastung liegt. Dies sorgt dann für einen besonders energiesparenden Betrieb.

1. Teil: Nicht alle Maßnahmen führen zum Erfolg
2. Teil: Auswahl der richtigen Regelstrategie

Weiterführende Links:

• Das Profienergy-Profil ist leicht in Profinet-gestützte Maschinen und Anlagen zu implementieren: Energie-Management übers Ethernet
• Das in der Wirtschaft vorhandene Energiesparpotenzial ist immens: Mit bewährten Lösungen Milliarden Tonnen CO2-Ausstoß vermeiden