Energieeffiziente Produkte

Energie sparen mit effizienten Antrieben Per Wikstroem, Jukka Tolvananen, Akseli Savolainen, Peter Barbosa

Von allen Ressourcen, die in der modernen Fertigung eingesetzt werden, ist Energie wohl die bedeutendste. Hinzu kommt, dass sie lange Zeit als selbstverständlich galt. Steigende Energiepreise und zunehmende Bedenken in Bezug auf Treibhausgasemissionen veranlassen immer mehr Anlagenbetreiber, ihre Energienutzung kritisch zu überdenken. In vielen Bereichen ist das Einsparungspotenzial nur gering, und Steigerungen der Energieeffizienz um einige Prozent gelten bereits als Durchbruch. Unter diesen Umständen erscheinen die Aussichten auf größere Energieeinsparungen eher trübe. Es gibt jedoch Technologien, mit denen erhebliche Einsparungen möglich sind. An erster Stelle steht ein Gerät, das auf den ersten Blick eher unscheinbar wirkt. Es macht weder viel Lärm, noch entwickelt es hohe Temperaturen oder führt komplexe Bewegungen aus. Vielmehr sitzt es unauffällig in einem Schaltschrank und wird bei der Beschreibung des Gesamtprozesses häufig nicht einmal erwähnt. Und dennoch ist es in der Lage, den Energieverbrauch um 42 % zu senken. Würde man es in allen geeigneten Anlagen der Welt einsetzen, entsprächen die daraus resultierenden Energieeinsparungen dem Stromverbrauch eines Landes wie Spanien. Die Rede ist von elektrischen Antrieben. Das Prinzip ist einfach: In der Vergangenheit wurden Pumpenmotoren normalerweise kontinuierlich mit voller Leistung betrieben, während die Förderleistung der Pumpe durch Ventile reguliert wurde. Ein Antrieb hingegen regelt die Durchflussmenge direkt über die elektrische Leistung, mit der der Motor versorgt wird, sodass auf Reibung basierende Regelglieder und damit verbundene Verluste wegfallen. Die folgenden Artikel geben einen Einblick in verschiedene Anwendungen und zeigen, was durch den Einsatz moderner Antriebstechnik erreicht werden kann.

Fehlende Systemstandards Das Fehlen von Systemstandards für Energieeffizienz kann dazu führen, dass 90 % der installierten Pumpen falsch dimensioniert sind – und somit unnötig Energie verbrauchen.

M

an könnte meinen, es gibt für alles Normen und Standards. Doch so einfach ist es leider nicht, und im Bereich der Energieeffizienz klaffen noch immer große Lücken. Beim Besuch einer Präsentation des ACEEE1) (American Council for an Energy-Efficient Economy) fiel den Autoren dieses Beitrags auf, dass trotz des Vorhandenseins von Standards für das Pumpendesign2) und für viele hydraulische Größen wie Förderhöhe3), ABB Technik 2/2007

Wirkungsgrad und NPSH4) die Suche nach Standards mit Richtlinien für das Systemdesign kaum zu einem Ergebnis führt. Um die Situation mit einer Analogie zu verdeutlichen: Einen 3-TonnenLkws zu kaufen, um damit zum Einkaufen zu fahren, ist nicht gerade energieeffizient – auch dann nicht, wenn dieser Lkw die höchste Effizienz in seiner Klasse besitzt. Grundlage der ACEEE-Präsentation ist eine Studie über die internen Verfahrensweisen eines führenden Chemieunternehmens und zweier großer

Engineeringfirmen, die von dem Unternehmen kürzlich für Projekte beauftragt wurden. Der Schwerpunkt der Studie bestand darin, festzustellen, ob die Größe der installierten Pumpen dem tatsächlichen Bedarf entsprach. Das Ergebnis zeigte, dass 90 % der Pumpen nicht korrekt dimensioniert waren – ein deutliches Zeichen für den Mangel an entsprechenden Standards oder Richtlinien. Wenn allein bei diesem Unternehmen 90 % der Pumpen nicht richtig ausgelegt sind, wie mag es dann in anderen Unternehmen auf der ganzen Welt aussehen?

Fußnoten 1)

ACEEE Summer Study on Energy Efficiency for Industry, 20. Juli 2005, von Robert Asdal (Hydraulic Institute), Vestal Tutterow (Alliance to Save Energy) und Aimee McKane (Lawrence Berkeley National Laboratory)

2) 3)

z. B. HI, API, ANSI, ISO Die Förderhöhe ist ein Maß für die mechanische Energie, die von einer Pumpe bezogen auf die Gewichtskraft des Fördermediums auf dieses übertragen wird. Numerisch entspricht dies der Höhe, auf die die Pumpe das Fördermedium anheben kann.

4)

NPSH: Net Positive Suction Head (Haltedruckhöhe)

73

Energie sparen mit effizienten Antrieben

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1 zeigt das Problem, dem Ingenieure bei der Systemauslegung gegenüberstehen. Bei der Projektierung eines Systems besteht eine gewisse Unsicherheit im Hinblick auf die Systemkenn-

Bei der Projektierung eines Systems muss ein gewisses Maß an Unsicherheit im Hinblick auf die Pumpenkennlinien berücksichtigt werden.

1

linien (bedingt durch die Auswirkungen von Reibung, Veränderungen des Rohrquerschnitts und der Anzahl von 90°-Biegungen im fertigen Rohrsystem). Diese Faktoren erhöhen das

Energiekosten machen den größten Teil der Gesamtbetriebskosten eines Pumpen- bzw. Gebläsemotors aus.

2

Instandhaltung 3%

Spezifizierter Betrieb Systemkennlinie Unsicherheit (+) Systemkennlinie Unsicherheit (-)

Investition 3%

160.0

Förderhöhe

140.0

Risiko, dass die endgültigen Betriebsbedingungen von den erwarteten abweichen. Es gibt drei grundlegende Methoden, um auf diese veränderten Betriebsbedingungen zu reagieren: Ist die veränderte Bedingung permanent, sollte die Pumpen- oder Gebläsegröße an die Last angepasst werden. Die Drehzahl der Pumpe oder des Gebläses kann verändert werden. Eine Drosseleinrichtung (z. B. Ventil, Klappe oder Leitschaufel) kann hinzugefügt werden, wobei aber wertvolle Energie verloren geht.

120.0

Die Energiekosten machen bei Weitem den größten Teil der Lebenszykluskosten eines Pumpen- oder Gebläsemotors aus 2 . Folglich liegt der beste Ansatzpunkt für eine Optimierung in der Senkung des Energiebedarfs.

100.0 80.0 60.0

Energie 94%

40.0 20.0 0.0 0

20

40

60

80

100

120

Durchsatz

T

rotz sorgfältiger Analyse und Planung arbeiten viele Systeme nicht optimal. Ein Grund dafür ist, dass viele von ihnen zu groß ausgelegt sind, was sich in überhöhten Betriebsund Investitionskosten niederschlägt. Dies soll im Folgenden am Beispiel eines in der Prozessindustrie eingesetzten Gebläses verdeutlicht werden. Es wird davon ausgegangen, dass zur Erfüllung der tatsächlichen Anforderungen der Anwendung (100 Einheiten Durchsatz) 4.000 Einheiten Druck erforderlich sind 3a .

Zur Bestimmung der erforderlichen Gebläseleistung schätzt der Ingenieur den Gesamtdruckabfall, den diese 110 Einheiten Durchsatz erzeugen werden 5c . Dieser Wert wird um eine Sicherheitsmarge von 10 % erhöht 5d , da es schwer vorhersehbar ist, ob die angenommene Anzahl rechtwinkliger Biegungen in der Rohrleitung eingehalten wird (möglicherweise muss das

Anwendung, für die ein Gebläsemotor gesucht wird: Der Druckabfall ist in blau und die Gebläsekennlinie in violett dargestellt.

3

74

In der Ausschreibung wird also ein Durchsatz von 110 Einheiten bei einem Druck von 5.500 Einheiten spezifiziert 6e . Sind die ursprünglichen Annahmen korrekt, ist das Gebläse dann stark überdimensioniert. Bei 100 Einheiten Durchsatz beträgt der erforderliche zusätzliche Druckabfall an der Klappe ca. 2.800 Einheiten

Der Gebläsespezifikation a werden 10 % Reservekapazität b hinzugerechnet.

4

12000

12000

10000

10000

8000

8000

6000 4000

6000 4000

2000

2000 a

0

Um im Hinblick auf den maximalen Durchsatz sicher zu gehen, wird dem

ausführende Unternehmen beim Einbau des Gebläses weitere Biegungen einbauen, um andere Geräte zu umgehen). Ebenso kann der Leitungsquerschnitt anders ausfallen, und da ein kleinerer Querschnitt einen höheren Druckabfall zur Folge hat, ist ein Spielraum von 10 % durchaus angemessen.

Druck

Im Folgenden soll anhand eines Beispiels gezeigt werden, wie es innerhalb des Designprozesses zu überdimensionieren Systemen kommt und wie mithilfe drehzahlgeregelter Antriebe Energie gespart werden kann.

Ingenieur ein Bedarf von 110 Einheiten für das Gebläse mitgeteilt 4b . Wie die Kurve für das angenommene System zeigt, wäre hierfür ein Gebläse mit einer höheren Leistung (gestrichelte gelbe Linie) erforderlich, das in der Lage ist, 110 Einheiten Durchsatz und 5.000 Einheiten Druck zu liefern.

Druck

Wie überdimensionierte Systeme entstehen

0 0

20

40

60

80

Durchsatz

100

120

140

0

20

40

60

80

a b 100 120

140

Durchsatz

ABB Technik 2/2007

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( 6f minus 6g ). Dies entspricht 70 % des angenommenen korrekten Gesamtdrucks. Abgesehen von kurzen Schüben werden allerdings nur selten 100 % des Auslegungsdurchsatzes benötigt. Geht man davon aus, dass die meiste Zeit über nur 80 % des Durchsatzes benötigt werden, müssen ca. 6.000 Druckeinheiten durch die Klap-

Der entsprechende Druckabfall wird ebenfalls um 10 % erhöht d .

5

pe gedrosselt werden ( 6h minus 6i ). Dies entspricht 150 % des korrekten Gesamtdrucks. Das hier beschriebene Szenario ist häufiger, als man dankt. Hinzu kommt, dass bei der Auswahl des Gebläses nur eine standardisierte Reihe von festen Größen zur Verfügung

Das schließlich installierte System ist stark überdimensioniert.

6

10000

8000

8000

6000 4000

c

Druck

12000

10000

Druck

12000

d

6000 c

{

d

4000

2000

2000

0 0

20

40

60

80

a b 100 120

140

Sparsame Mittelspannungsantriebe Die jährliche Leistung von 144 mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken beträgt rund 227 TWh5). Dies entspricht dem gesamten Energieverbrauch Spaniens oder den weltweiten Energieeinsparungen, die mithilfe von Mittelspannungsantrieben erzielt werden können.

D

as Thema Energieeffizienz ist heutzutage in aller Munde. Dabei hat es lange gedauert, das heutige Bewusstsein zu wecken. Der Film Eine

Mittelspannungsantrieb ACS 6000 – solche Geräte können eine große Rolle bei der Erfüllung des Kyoto-Protokolls spielen.

ABB Technik 2/2007

{

0

20

40

60

f e g

Das für dieses Beispiel korrekte Gebläse sollte eine Leistung von 100 × 4.000 = 400.000 Einheiten haben. Der oben beschriebene Fall ergibt eine Anforderung von mindestens 605.000 Einheiten (150 % des Optimums). Wird dies mit Klappen reguliert, geht sehr viel Energie unnötig verloren. Der zusätzliche Verlust bei einem Durchsatz von 80 % beträgt 480.000 Einheiten Leistung (120 % der vollen Leistung eines richtig dimensionierten Gebläses). Wird ein solches Gebläse nicht über Klappen, sondern über die Drehzahl geregelt, kann ein Großteil dieser Energie eingespart werden.

i

0

Durchsatz

7

h

steht, wobei üblicherweise die nächstgrößere Variante gewählt wird.

80

a b 100 120

140

Durchsatz

unbequeme Wahrheit von Al Gore hat viele wachgerüttelt und das Akronym AIT (vom englischen Titel An Inconvenient Truth) etabliert. Einige von uns mussten möglicherweise ihren Skiurlaub wegen Schneemangel absagen – solche Vorfälle stärken wahrscheinlich ebenfalls das Bewusstsein für die globale Erwärmung. Die 15 Mitgliedstaaten der EU haben sich im Rahmen des Kyoto-Protokolls dazu verpflichtet, ihre Emissionen von 2008 bis 2012 um 8 % gegenüber den Werten von 1990 zu senken. Bis 2004 war lediglich eine Senkung von 0,9 %

Infobox 1

erreicht worden, und wenn die derzeitige Entwicklung anhält, wird die Senkung bis 2010 nur 0,6 % betragen. Solche Ergebnisse geben nur wenig Hoffnung auf Erfolg. Laut des World Energy Outlook 2006 wird der globale Primärenergieverbrauch zwischen 2004 und 2030 voraussichtlich um 53 % steigen. Dies entspricht einem jährlichen Durchschnitt von 1,6 %. Über 70 % dieses Anstiegs werden dabei voraussichtlich von den Entwicklungsländern verursacht. Wie können die gesteckten trotzdem Ziele erreicht werden?

Einsparungsmöglichkeiten durch den Einsatz von elektrischen Antrieben in ausgewählten Industrien

Unternehmen

Branche Anwendung

Installierte Bestätigte EinEinsparunLeistung [kW] sparungen [kWh] gen in %

Peña Colorada

Bergbau

1.250

2.423.750

35%

China Steel Taiwan Cruz Azul, Mexico Repsol YPF, Argentinien Daqing Plastic Factory, China

Metall

672

3.030.720

61%

1.470

5.309.640

54%

3.000

7.560.000

43%

1.300

2.600.000

31%

Zement Petrochemie Petrochemie

Gebläse in einer Palettierungsanlage Druckerhöhungspumpen Saugzuggebläse 1+2 für Drehofen Gebläse (Ersatz für Dampfturbine) Mischer

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Glücklicherweise gibt es Bereiche mit enormem Einsparungspotenzial. Einige erfolgreiche Beispiele aus der Industrie sind in der Infobox 1 aufgeführt. Im gewichteten Mittel ergibt sich daraus eine Senkung des Energieverbrauchs um 42 %. Ein Drittel bis drei Viertel aller Elektromotoren wird zum Antrieb von Pumpen, Gebläsen oder Infobox 2

Kompressoren eingesetzt. Da bei diesen Anwendungen ein optimaler Betrieb durch die Regelung der Drehzahl erreicht werden kann, eignen sie sich bestens für elektrische Antriebe. Allein im Bereich der Mittelspannungsmotoren (MS-Motoren) und -antriebe kann von einem ähnlichen Einsparungspotenzial ausgegangen werden wie in Infobox 2 .

Das globale Einsparungspotenzial von Mittelspannungsantrieben liegt bei 227 TWh im Jahr.

Installierte MS-Motoren (weltweite Schätzung auf Basis einer Lebensdauer von 20 Jahren) Motoren für quadratische Drehmomentlasten (mindestens) Installierte Leistung zum Antrieb quadratischer Drehmomentlasten (1.500 kW durchschnittliche Leistung pro MS-Motor) Weniger als 4 % der MS-Motoren verfügen über einen Frequenzumrichter. Somit bleiben mindestens Davon ausgehend, dass nur 30 % dieser Motoren über ein Energieeinsparungspotenzial in der o. g. Größenordnung verfügen . . . . . . verbrauchen diese 90.000 Motoren*) Ausgehend von einem Energieeinsparungspotenzial von 40 % (ähnlich den o. g. Angaben) . . . . . . kann der Anteil der EU-15 auf 20 % geschätzt werden *)

500.000 333.000 500.000.000

Stück Stück kW

300.000

Stück

90.000 569

Stück TWh

227 45

TWh TWh

Zufälligerweise liegt das Ziel der EU-15 für Antriebe genau bei 45 TWh pro Jahr. Dies entspricht der Leistung von fast 30 mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken5) bzw. dem gesamten Stromverbrauch Rumäniens im Jahr 2000. Die Zielsetzung gilt jedoch für Niederspannungs- und Mittelspannungssysteme zusammen, während in der aktuellen Berechnung lediglich Mittelspannungssysteme berücksichtigt sind! Die kumulierte Leistung aller installierten Niederspannungsmotoren beträgt fast das 10-fache der Leistung von Mittelspannungsmotoren. Dieser Beitrag kann also mit dem positiven Hinweis schließen, dass bei einem geschätzten Einsparungspotenzial von 45 TWh allein durch Mittelspannungsantriebe 7 durchaus Hoffnung für ein Erreichen der von der EU im Rahmen des Kyoto-Protokolls gesteckten Ziele besteht.

Fußnote

Voraussetzungen: 2/3 der Motoren arbeitet 7.500 h/J und 1/3 der Motoren arbeitet 1.850 h/J bei einer durchschnittlichen Last von 75 % der Nennleistung.

5)

Ausgehend von einer durchschnittlichen Jahresleistung pro Kraftwerk von 350 MW in 4.500 Stunden

Pumpen mit optimierter Drehzahl Eine von der technischen Universität Lappeenranta in Zusammenarbeit mit einer finnischen Papierfabrik durchgeführte Studie zeigt, dass eine Drosselregelung bis zu dreimal so viel Energie benötigt wie eine Lösung mit drehzahlgeregelten Antrieben und optimierter Pumpenregelung.

L

aut einer Studie der Lappeenranta University of Technology (LUT) in Finnland können mithilfe von drehzahlgeregelten Antrieben in parallelen Pumpeninstallationen Energieeinsparungen von bis zu 70 % erzielt werden. Das größte Potenzial besteht hierbei in Situationen mit großen Schwankungen im Durchfluss. Das Projekt, in dem diese bemerkenswerten Resultate ermittelt wurden, umfasste sowohl Computersimulati-

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onen als auch die praktische Anwendung im Labormaßstab. Das Ziel des am Institut für Energie und Umwelttechnik der LUT durchgeführten Projekts bestand darin, die Unterschiede im Energieverbrauch bei drei verschiedenen Methoden der Durchflussregelung in vier Anwendungen zu ermitteln. Die Simulationen wurden mit der Software Matlab V 6.1 und Simulink durchgeführt und die Ergebnisse durch Messungen verifiziert. Miteinander verglichen wurden die Methoden Drosselregelung, Standard-Pumpenregelung und eine optimierte Pumpenregelung. Infobox 3

Bei der Drosselregelung wird eine Pumpe gedrosselt, während die anderen werden per Ein-/Ausschalten geregelt werden. Bei der Standard-Pumpenregelung wird eine Pumpe über einen drehzahlgeregelten Antrieb (Variable Speed Drive, VSD) geregelt, während die anderen per Ein-/Ausschalten geregelt werden. Bei der optimierten Pumpenregelung hat jede Pumpe ihren eigenen VSD, und der erforderliche Durchsatz wird gleichmäßig auf alle Pumpen aufgeteilt. Dadurch laufen alle Pumpen mit derselben Drehzahl. Dieser Ansatz

Energieverbrauch in einer finnischen Papierfabrik beim Pumpen von chemisch aufbereitetem Wasser

Regelmethoden

Energieverbrauch (J/24 h) (%)

Durchsatz (m3)

Es (J/m3)

Drosselregelung

177.114

0.0

2.254

78,58

Standard-Pumpenregelung

102.786

-42

2.257

45,54

57.050

-68

2.256

25,29

Optimierte Pumpenregelung

ABB Technik 2/2007

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unterscheidet sich insofern von der Standardmethode, als die Pumpen auf optimierte Weise ein- und ausgeschaltet werden. Diese Technologie wurde von ABB zum Patent angemeldet. Beim ersten simulierten Beispiel handelte es sich um eine typische industrielle Pumpanwendung, in der sich die neue Regelungstechnologie einsetzen lässt: In einer finnischen Papierfabrik wird chemisch aufbereitetes

Abwassersystem auf Mallorca Auf der Baleareninsel musste ein überirdischer Abwasserspeicher und eine alte Pumpstation modernisiert werden. Außerdem galt es, Geruchsprobleme zu beseitigen. Die intelligente Pumpenregelung von ABB sorgt dabei für Energieeinsparungen von mindestens 20 %.

E

MAYA SA, das Wasserversorgungsund Abwasserentsorgungsunternehmen der spanischen Stadt Palma de Mallorca, hat vor Kurzem ein Projekt zur Modernisierung seiner Abwasserpumpstationen gestartet. Das Abwassersystem der mallorquinischen Hauptstadt mit 380.000 Einwohnern umfasst eine Reihe von Tanks, in denen das Abwasser in kurzer Zeit von einem Tank zum nächsten und 8

Kaum sichtbar und doch eine bedeutende Verbesserung des Komforts für Urlauber und Anwohner: der Speichertank für das Abwassersystem in Palma de Mallorca

Wasser mithilfe von Ahlstrom APP2265-Kreiselpumpen zu einer Entsalzungsanlage gepumpt. Die Grundlage für die Simulationen bildete eine Energieanalyse der Pumpanlage. In diesem Fall wurde die Bestimmung der Systemkennlinie durch fehlende Hintergrundinformationen erschwert. Die auf vereinfachten System- und Dauerkennlinien basierenden Simulationen zeigten, dass mit der Drosselrege-

lung erheblich mehr Energie benötigt wurde als mit den anderen Regelmethoden, wobei sich die optimierte Pumpenregelung als die weitaus energieeffizienteste Methode erwies. So beträgt der Unterschied zwischen der StandardPumpenregelung und der optimierten Pumpenregelung über 45 %. Der spezifische Energieverbrauch bei der Drosselregelung beläuft sich fast auf das Dreifache des Verbrauchs mit der optimierten Pumpenregelung Infobox 3 .

schließlich in ein Klärwerk geleitet wird. Bei der ersten zu modernisierenden Pumpstation war das Abwasser bislang in einem Turm gespeichert worden. Dieser wurde nun durch einen unterirdischen Speichertank mit 15.000 l Fassungsvermögen ersetzt, der sowohl für Touristen als auch für Anwohner kaum erkennbar ist 8 .

für Pumpsysteme entwickelte Funktionen. Die Pumpen-Prioritätsregelung sorgt zum Beispiel für einen langfristigen Ausgleich der Betriebszeit sämtlicher Pumpen. Dabei kommen alle vier Pumpen zum Einsatz (jeweils zwei zur Zeit), und die Instandhaltung kann so geplant werden, dass alle Pumpen gleichzeitig gewartet werden können.

In der Station wurden vier Tauchpumpen mit je 60 kW installiert. Jede Pumpe wird über einen Industrial Drive von ABB betrieben, der mit der Intelligent Pump Control (IPC) Software ausgestattet ist. „Die Pumpstation war alt, und es gab Geruchsprobleme. Einfach gesagt, die Umgebung musste aufgewertet werden“, sagt Lorenzo Mestre, Industrieingenieur bei EMAYA. Die vier Antriebe und Pumpen bieten ein neues Maß an Ausfallsicherheit. Selbst in Spitzenzeiten werden nur zwei Pumpen benötigt, um den Tank zu leeren, und bei geringem Bedarf reicht eine Pumpe aus. Falls nötig, können jederzeit zwei Pumpen zugeschaltet werden. Sollte also eine Pumpe ausfallen, kann eine andere sofort einspringen. Außerdem ist die Pumpstation mit einem Dieselgenerator ausgestattet, der auch bei einem Stromausfall die Energieversorgung sicherstellt.

Die Antiblockierfunktion ermöglicht ein Spülen der Pumpe zur vorbeugenden Instandhaltung. Wird die Funktion aktiviert, läuft die Pumpe mit hoher Drehzahl und wird dann für eine Reihe von benutzerdefinierten Reinigungszyklen angehalten oder in entgegengesetzter Richtung betrieben. Auf diese Weise werden Verstopfungen aufgrund von Ablagerungen verhindert und der Instandhaltungsaufwand für die Pumpe reduziert. Außerdem ermöglicht IPC eine genauere Überwachung der Motortemperatur, als dies mit Standardsystemen möglich ist, was zur Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beiträgt.

Energie sparen durch intelligente Pumpenregelung

Die IPC-Software ist in der Lage, die Energieeffizienz eines Pumpsystems erheblich zu steigern. Im Vergleich zu herkömmlichen Regelungsverfahren für Abwasserpumpen sind dabei ohne Weiteres Einsparungen von 20 % möglich. Dazu bietet IPC einige speziell ABB Technik 2/2007

Einfaches System

Das System besteht ausschließlich aus Antrieben und Pumpen von ABB und erfordert keine separate Steuereinheit, die mit mehr Verkabelungsaufwand und Komplexität verbunden wäre. Bei der Entwicklung einer benutzerfreundlichen Lösung für EMAYA arbeitete ABB mit dem Schaltschrankbauer Cobelsa SA zusammen. Cobelsa entwarf das Systemlayout, kümmerte sich um die Installation und bietet dem Kunden technische Unterstützung. ABB stand Cobelsa zusätzlich in der Implementierungsphase zur Seite.

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Energie sparen mit effizienten Antrieben

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Grüne Zukunft für UPM Shotton Dem Papierhersteller UPM ist es gelungen, die gesamte Produktion in seinem Werk in Shotton (UK) auf Altpapier umzustellen. Eine wichtige Rolle spielen dabei drehzahlgeregelte Antriebe von ABB.

D

as Projekt „100 % Shotton“ umfasste den Bau einer neuen Recyclingfaseranlage und einer Schlammanlage sowie den Umbau zweier Papiermaschinen. Die Hauptaufgabe der ABB-Antriebe besteht darin, die Drehzahl der Pumpen in der Produktion an die Produktionsgeschwindigkeit anzupassen 9 . Außerdem werden sie an Dosierpumpen eingesetzt, um eine präzise Zufuhr von Chemikalien zum Zellstoff zu gewährleisten. Einige der Förderbänder werden ebenfalls über drehzahlgeregelte Antriebe von ABB angetrieben. Die Antriebe sind in der Lage, die Zufuhr zur Anlage so anzupassen, dass die richtigen Druck- und Temperaturbedingungen erhalten bleiben und ermöglichen so eine bessere Kontrolle des Prozesses. Außerdem erleichtern

Sparsame Düngerherstellung Durch die Modernisierung von fünf Prozessgebläsen konnte der jährliche Stromverbrauch in einer Düngemittelfabrik von Kemira GrowHow in Finnland um mehr als 4.000 MWh gesenkt werden. Im Rahmen des Projekts wurden die alten Motoren und das mechanische Regelungssystem gegen neue Motoren und Industrial Drives von ABB ausgetauscht, die sich allein durch die eingesparte Energie finanzieren.

M 78

sie die Regulierung der Produktionsrate und benötigen aufgrund einer geringeren Leistungsaufnahme weniger Energie. „Wir haben uns für drehzahlgeregelte Antriebe von ABB entschieden, weil ABB einen guten Namen in der Papierindustrie hat“, sagt Ray von der Fecht, Leiter für Automatisierung im Projekt „100 % Shotton“. „Außerdem kennen wir die Produkte und die Leute von ABB. Insgesamt bot uns ABB eine sehr gute Lösung zum besten Preis.“ Die Implementierungsphase verlieft so reibungslos, dass die Antriebe und das Automatisierungssystem nicht nur planmäßig, sondern auf die Minute genau in Betrieb genommen werden 9

In der Recyclingpapierfabrik von UPM in Shotton (UK) passen ABB-Antriebe die Pumpendrahzahl an die Produktion an und sparen somit Energie.

arbeitern an Produktionsstätten in ganz Europa gehört Kemira GrowHow Oy in Finnland zu den führenden Herstellern von Düngemitteln und Phosphaten für Tierfutter in Europa 10 .

10

konnten. „Es war wie das Einschalten eines Lichtschalters“, so von der Fecht. Eines der Hauptkriterien für UPM war die Wartungsfreundlichkeit der Antriebe. Bei einem Ausfall müssen sie sich schnell austauschen lassen und müssen leicht zu bewegen sein. Außerdem hielt man austauschbare Karten für vorteilhaft, um den Betrieb bei Bedarf durch einfaches Austauschen von kritischen Komponenten aufrecht halten zu können. Eine weitere Anforderung war eine kompakte Größe, um Platz zu sparen, die Effizienz zu erhöhen, Wärmeverluste zu reduzieren und die Kosten für die Kühlung zu senken. In all diesen Bereichen konnten die ABB-Antriebe punkten. Ein weiteres nützliches Merkmal ist ihre Fähigkeit zur Kommunikation über Profibus – den führenden Kommunikationsstandard in der Papierindustrie. Zudem sind die Antriebe mit netzseitigen Drosseln und Ausgangsfiltern ausgestattet, um die Übertragung von Oberschwingungen auf das Netz und die elektrische Beanspruchung der Motorwicklungen zu reduzieren. Das wichtigste Kriterium für UPM war jedoch eine hohe Zuverlässigkeit. „Wir haben gute Erfahrungen mit den ABBAntrieben gemacht. Sie sind sehr zuverlässig und erfüllen unsere Anforderungen“, so von der Fecht.

Das Werk von Kemira GrowHow in Uusikaupunki an der Südwestküste Finnlands verfügt über zwei Düngemittel-Produktionslinien und zwei Anlagen zur Herstellung von Salpeter-

Die Fabrik von Kamira GrowHow im finnischen Uusikaupunki zur Herstellung von Industriechemikalien und Düngemitteln. Durch ABB-Antriebstechnik konnten die Energiekosten der Anlage um 4.000 MWh im Jahr gesenkt werden.

it einem Nettoumsatz von 1,26 Milliarden EUR und 2.700 MitABB Technik 2/2007

Energie sparen mit effizienten Antrieben

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säure. 2005 startete Kemira GrowHow ein Projekt zur Modernisierung der Prozessgebläse in einer der Düngemittellinien. Nach einer umfassenden Energieanalyse der Anlage beauftragte Kemira GrowHow das Energiesparunternehmen Inesco Oy damit, das Energieeinsparungspotenzial der Düngemittelanlage mit besonderem Augenmerk auf die Luft- und Gasströme zu untersuchen. Präzise Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter

Wie viele andere Prozesse in der chemischen Industrie sind auch Produktionslinien für Düngemittel 11 mit zahlreichen Gebläsen ausgestattet, um Gase, Rauchgase und Luft zu transportieren. Inesco untersuchte neun Gebläse mit Leistungen von 132 bis 630 kW und wählte fünf davon für eine genauere Betrachtung aus. Diese fünf Gebläse wurden von Elektromotoren betrieben, die direkt mit dem Stromnetz verbundenen waren und mit voller Drehzahl liefen. Der Durchsatz wurde jeweils mechanisch mithilfe von Vorleitschaufeln reguliert. Einige der Schaufeln näherten sich bereits dem Ende ihrer Lebensdauer und hätten bald für mehrere Zehntausend Euro je Gebläse ausgetauscht werden müssen.

150.000 EUR bzw. einer Senkung der CO2-Emissionen um 2.800 t.

auch in anderen Bereichen einsetzen können.“

Ein weiterer Nutzen des Projekts liegt im verbesserten Leistungsfaktor6) der Antriebe. Dies hat auch das Überhitzungsproblem in einem der Transformatoren zur Versorgung der Gebläsemotoren gelöst.

Effizientes ESCO-Modell

Realistische Prognosen

Das Modernisierungsprojekt wurde während eines geplanten Anlagenstillstands durchgeführt, sodass die Produktion nur minimal gestört wurde. Außerdem musste das Fabrikpersonal kaum eingebunden werden. Jari Lintula betont die echten Einsparungen, die erzielt wurden: „Die neuen Motoren und Antriebe haben Tausende von Betriebsstunden hinter sich, d. h. wir wissen, wie gut sie arbeiten. Die Prognosen bezüglich unserer Energieeinsparungen waren sehr realistisch. Tatsächlich waren wir erstaunt über die Genauigkeit der Berechnungen. Offensichtlich lässt sich das Energieeinsparungspotenzial von Antrieben in dieser Art von Gebläseanwendungen mit sehr hoher Zuverlässigkeit vorhersagen. Und die Einsparungen sind echt – nicht nur Behauptungen von Anbietern, die ihre Geräte verkaufen wollen.“

Angesichts dieser beträchtlichen InLintula bestätigt die problemlose Vervestition und aufgrund der Ergebnisse wendung von AC Drives innerhalb der von Inesco durchgeführten Voreines chemischen Herstellungsprostudie entschied sich Kemira GrowHow, zesses aus regelungstechnischer Sicht die mechanische Regelung der fünf und unterstreicht zusätzlich die BeGebläse durch Frequenzumrichter deutung der Energieeffizienz: „Wir (sog. AC Drives) und neue Motoren suchen aktiv nach neuen Möglichzu ersetzen. ABB wurde mit der Liefekeiten, um Energie zu sparen, und ich rung der neuen Motoren und bin mir sicher, dass wir AC Drives Frequenzumrichter beauftragt, die die Motordrehzahl an die 11 Düngemittel-Produktionsprozess (Quelle: Kemira GrowHow) tatsächlichen Strömungsanforderungen anpassen sollen. SÄUREN

Erhebliche Energieeinsparungen

„Seit der Installation der neuen Motoren und Antriebe von ABB sparen wir über 4.000 MWh an Strom im Jahr“, sagt Jari Lintula, Leiter für Automatisierung in der Fabrik. Gemessen an den örtlichen Strompreisen für die Industrie entspricht dies einer jährlichen Einsparung von ABB Technik 2/2007

Von den verschiedenen Möglichkeiten zur Durchführung des Modernisierungsprojekts entschied sich Kemira GrowHow für die Zusammenarbeit mit einer ESCO (Energy Service Company) und wählte Inesco als ESCO-Partner. ESCO-Unternehmen entwickeln, installieren und finanzieren Projekte mit dem Ziel, die Energieeffizienz in den Anlagen ihrer Kunden zu steigern und die Instandhaltungskosten zu senken. Inesco gilt als Vorreiter in diesem Bereich in Finnland und hat bereits mehrere erfolgreiche ESCO-Projekte in verschiedenen Branchen einschließlich der energieintensiven Zellstoffund Papierindustrie, Metallindustrie und chemischen Industrie durchgeführt. Der Hauptvorteil des ESCO-Ansatzes lag für Kemira GrowHow in der Möglichkeit, den größten Teil des Engineerings, der Beschaffung und der damit verbundenen Routinearbeiten auszulagern. Ein weiterer Bestandteil der ESCO-Vereinbarung ist, dass sich das Modernisierungsprojekt allein durch die erzielten Energieeinsparungen finanziert. Kemira GrowHow zahlt über die dreijährige Vertragslaufzeit eine Servicegebühr in Höhe von 80 % der erzielten Kosteneinsparungen. Am Ende der Laufzeit gehen die Ausrüstung und alle Einsparungen vollständig in den Besitz von Kemira GrowHow über.

SALZ

AMMONIAK

RECYCLING

Weitere Informationen über Kemira GrowHow finden Sie unter

REAKTOR

GRANULATION

www.kemira-growhow.com. Informationen über Inesco finden

ERWÄRMUNG

Sie unter www.inesco.fi.

SIEBUNG

Fußnote

BESCHICHTUNG

6)

KÜHLUNG LAGERUNG

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung. Ein höherer Leistungsfaktor bedeutet geringere Verluste.

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Energie sparen mit effizienten Antrieben

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Universität spart Millionen durch Kesselnachrüstung Im Rahmen eines Projekts zur Emissionsbegrenzung gelang es der University of Texts, den Stromverbrauch um 746.000 kWh und den Brennstoffverbrauch um mehrere Hundert Gigajoule im Jahr zu senken – und das bei einer Amortisationszeit von unter einem Jahr.

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er Campus der University of Texas in Austin (UTA) ist das Aushängeschild der Universität. Er beherbergt 50.000 Studenten und erstreckt sich nahe der Innenstadt über eine Fläche von 170 ha. Die Beheizung und Energieversorgung der Universität erfolgt über die Kessel und Gasturbinen des Hal C. Weaver Kraftwerks, das rund 200 Gebäude auf dem Campus mit Strom, Dampf, Druckluft, gekühltem und demineralisiertem Wasser versorgt.

len, gelang es der UTA, sich zusätzlich jährliche Energieeinsparungen in Höhe von 500.000 USD sichern. Erreicht wurde dies durch die Nachrüstung eines 68 t schweren Kessels mit dem Compu-NOxTM-System. Dieses innovative System senkt den Ausstoß von Stickoxiden (sog. NOx), einer Gruppe von Gasen, die sauren Regen und andere Umweltprobleme verursachen können. Vor der Modernisierung lag der NOx-Ausstoß von Kessel 3 allein bei 137 t im Jahr. Durch die Nachrüstung konnte dieser Ausstoß auf 19 t pro Jahr gesenkt werden. Compu-NOx ist ein hochmodernes, patentiertes Verbrennungsregelungssystem, das von Benz Air Engineering in Las Vegas, Nevada, entwickelt wurde. „Zu Beginn der Nachrüstung war unser Ziel die Senkung der NOx-Emissionen. Doch durch die effizientere Verbrennung produzieren wir jetzt mehr Energie mit weniger Gas. Dadurch konnten wir unsere Reservekessel auf Standby schalten, was uns jedes Jahr Tausende von Dollar einspart“, sagt Juan M. Ontiveros, Direktor für den Bereich Utility and Energy Management an der UTA.

das absolut lineare Verhältnis von Gebläsedrehzahl und Luftstrom als Grundlage für die Verbrennungsregelung“, erklärt Benz. Die ABB-Frequenzumrichter ermöglichen eine äußerst präzise Regelung des Luftstroms, was den Unterschied im Hinblick auf den Bennstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß ausmacht. So konnten die NOx-Emissionen von Kessel 3 ohne Installation neuer Brenner von 175 ppm auf unter 25 ppm gesenkt werden. Durch den Einsatz der ABB ACS800 Frequenzumrichter wird die UTA voraussichtlich 746.000 kWh an Elektrizität und 338.000 GJ an Brennstoff im Jahr einsparen. Die Amortisationszeit der Investitionen beträgt weniger als 12 Monate, wobei die Rauchgasrückführung und die frequenzumrichterbasierte Gebläseregelung noch viele weitere Jahre für Einsparungen sorgen werden.

Per Wikstroem ABB Schweiz AG Turgi, Schweiz [email protected]

Einsparungen durch Kesselnachrüstung

Im Bestreben, die staatlichen Anforderungen zur Luftreinhaltung zu erfül-

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Frequenzumrichter ermöglichen eine präzise Luftstromregelung. Dies wiederum erlaubt eine optimale Verbrennungsregelung im Unterwindsystem des Kessels.

„Anfängliche Prognosen sahen für die erste Kesselnachrüstung eine Einsparung von 500.000 USD im Jahr vor, doch aufgrund der kontinuierlich steigenden Brennstoffpreise kann die UTA nun zusätzliche Einsparungen in Höhe von 1 Million USD allein durch die Nachrüstung von Kessel 3 erwarten“, sagt Robert Benz, Präsident der Benz Air Engineering Company.

Jukka Tolvananen Akseli Savolainen ABB Oy, Drives Helsinki, Finnland [email protected] [email protected] Peter Barbosa ABB Corporate Research Baden-Dättwil, Schweiz

Regelung des Verbrennungsluftstroms durch Antriebstechnik

Um eine präzise Zumessung des Luftstroms zu erreichen, erfolgt die Regelung der Gebläse mit der CompuNOx-Plattform von Benz Air über Frequenzumrichter 12 anstelle von Klappen. „Das Compu-NOx-System nutzt

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Danksagung Die ABB Technik bedankt sich für die Beiträge folgender weiterer Autoren: Steve Ruddel, ABB UK (Grüne Zukunft für UPM Shotton) und Ken J. Graber, ABB USA (Universität spart Millionen durch Kesselnachrüstung).

Infobox Antriebstechnik von ABB ABB ist der weltweit größte Hersteller von elektrischen Antrieben. In enger Zusammenarbeit mit ihren Channel Partnern bietet ABB eine umfassende Palette an energieeffizienten elektrischen Antrieben und Antriebssystemen für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen. Das Portfolio umfasst drehzahlgeregelte Drehstrom- und Gleichstromantriebe von 180 W bis 100 MW sowie anwendungsspezifische Antriebslösungen für die verschiedensten Kundenanforderungen. Das Produktangebot wird durch umfassende Serviceleistungen ergänzt, die ABB-Kunden eine größtmögliche Investitionsrendite sichern. Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz erhalten Sie unter [email protected] (Niederspannungsantriebe) oder [email protected] (Mittelspannungsantriebe).

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ABB Technik 2/2007