Gesamtenergiebilanz im Antriebsstrang Die Applikation entscheidet Carsten Krieger Siemens AG
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Motivation Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten Wirkungsgradgesteigerte Motoren Variable Drehzahlen Feste Drehzahlen Applikationsbeispiel Wasserversorgung Energiemanagement Zusammenfassung und Ausblick
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Motivation
Energie Effizienz Klasse
A B C
D E F G H I
Energiekosten (Strom) für die Industrie
Ressourcenverknappung (z.B. Öl)
gesetzliche Vorgaben
Viele Gründe sprechen für Energieeffizienz Umweltschutz Seite 3
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CO2-Trading © Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector
Industrieller elektrischer Energieverbrauch
Elektrischer Energiebedarf Industrie
=
70% Elektromotoren Bedarf senken Æ Produktivität steigern Æ Herstellkosten senken Æ Wettbewerbsvorteile schaffen
+ 30% Rest (Beleuchtung, IT…)
In der Industrie entfallen ca. 70% des elektrischen Energiebedarfs auf elektromotorische Antriebe Seite 4
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Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten
Input 100 kW
ηA= 62%
ηB= 78%
ηC= 90%
ηD= 71%
ηE= 93%
ηF= 81%
Output 23,3 kW
Um den Gesamtwirkungsgrad nachhaltig zu steigern, ist eine Analyse des kompletten Prozesses notwendig. Einzelelementbetrachtungen sind tabu! Seite 5
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Gesamtenergiebilanz: Wirkungsgradketten Nebenprozess 1 Input 5 kW
Input 100 kW
ηGesamt=
ηA= 62%
Nebenprozess 2 Input 10 kW
ηB= 78%
ηC= 90% ηC= 93%
23,3 kW = (100 kW + 5 kW + 10 kW)
ηD= 71%
ηE= 93%
ηF= 81%
Output 23,3 kW 24,1 kW
24,1 kW
20,3% ηGesamt= (100 kW + 5 kW + 10 kW) = 21,0%
Nebenprozesse gehören zu einer Gesamtenergiebetrachtung Seite 6
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Antriebsstrang: Hauptantriebe Beispielhafte, typische Wirkungsgrade
Antriebsstrang Hauptantrieb Schutzgerät
Motorsteuergerät
Motor
Kegelradgetriebe Variante 1:
η > 99,5%
η > 99,5%
η = 75...97%
η = 94....96% Schneckengetriebe Variante 2:
η = 50....90%
Der Motor ist nur einer von vielen Hebeln im Antriebsstrang Seite 7
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Antriebsstrang: Hilfsantriebe
Antriebsstrang
Schaltschrankklimatisierung (Hilfsantrieb: Kompressor)
Kühlmittelkreislauf (Hilfsantrieb: Pumpe) Hauptantrieb
Schutzgerät
Motorsteuergerät
Motor
Kegelradgetriebe Variante 1:
Hilfsantriebe finden sich in den Nebenprozessen. Diese sind notwendig, um einen reibungslosen Ablauf der Applikation sicher zu stellen. Oftmals steckt genau hier ein großes Energiesparpotential. Seite 8
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Wirkungsgradgesteigerte Motoren Weltweit geltende Normen und gesetzliche Anforderungen – heute und in naher Zukunft
Gültigkeitsbereiche der neuen Wirkungsgradnormen IE2 und IE3 IE2 IE3 bzw. (NEMA Premium)
Seite 9
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Wirkungsgradgesteigerte Motoren 100% 90% 80% 70% 60% 50%
Anschaffungskosten Instandhaltungskosten Energiekosten
40% 30% 20% 10% 0%
1,1 kW Typische prozentuale Aufteilung von MotorLebenszykluskosten nach Bemessungsleistung
Motor & Betriebsbedingungen * 4000 h/a - 12 Jahre - IE3 - 1,1kW 4000 h/a - 12 Jahre - IE2 - 1,1kW 4000 h/a - 12 Jahre - IE1 - 1,1kW
Wirkungsgradklassifizierung von Asynchronmotoren nach IEC 60034-30:2008
Energiekosten 6280 Euro + 210 Euro + 760 Euro
Invest ca. +40 Euro ca. +20 Euro Basis
Amortisationszeit ca. 7 Monate ca. 5 Monate Basis
Empfehlung: Durchgängiger Einsatz von IE3-Motoren. Seite 10
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© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten. * Strompreisannahme: 10 Cent / kWh Industry Sector
Wirkungsgradgesteigerte Motoren Der Wirkungsgrad von Motoren wird im Nennbereich angegeben. Æ Dies entspricht dem Optimalbetrieb
Im Teillastbetrieb werden bei weiterem schlechtere Wirkungsgrade erreicht. Ein Grund hierfür ist z.B. Überdimensionierung
Überdimensioniert „Richtig“ dimensioniert
Motor-Wirkungsgrad bezogen auf Motorlast für einen Standard-IEC-Käfigläufermotor, dreiphasig, vierpolig, IE1,11 kW [Quelle: Studie „EuP Lot 11 Motors“; University of Coimbra]
Motoren müssen für Ihre Aufgabe richtig ausgelegt werden. Sicherheitsaufschläge in den Projektierungsstufen sollten so hoch wie nötig und so gering wie möglich gewählt werden. Seite 11
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Variable Drehzahlen
Durchflussregelungen im Vergleich
Hebevorgänge: Energierückspeisung
Wenn in Applikationen auf variable Lasten mit einer Drehzahlregelung reagiert werden kann, lässt sich mit variablen Drehzahlen deutlich Energie sparen. Optional empfiehlt sich der Einsatz einer Energierückspeisung. Seite 12
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Variable Drehzahlen Szenario 1: Eigenkonvektion > Wärmeentwicklung
Benötigt Benötigt 300W-1200W 300W-1200W !!
Szenario 2: Eigenkonvektion < Wärmeentwicklung Wärmeabtransport 300W
Wärmeentwicklung 250W
Wärmeentwicklung 700W
η Leistungselektronik = 90...98%
Schaltschrank 1 Eigenkonvektion max. 300W
η E .−m. > 99,5%
η Leistungselektronik = 90...98%
Klimaanlage
η Elektromechanik > 99,5%
Wärmeabtransport 400W
Wärmeabtransport 250W
Schaltschrank 2 Eigenkonvektion max. 300W
Falls in Wärme umgesetzte Verlustleistung über eine (zusätzliche) Klimatisierung abgeführt werden muss, erhöht sich der Energieverbrauch des Gesamtsystems erneut. Î Der Gesamtwirkungsgrad sinkt! Seite 13
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Feste Drehzahlen
Funktion Regeln: Im Betrieb Strom begrenzen
Variable Drehzahl
Steuern:
η Leistungselektronik = 90...98%
Sanftstarter
Im An- und Auslauf Strom begrenzen Stern-Dreieck-Starter Ein/Aus
Frequenzumrichter
Direktstarter
η Elektromechanik > 99,5%
Konstante Drehzahl Anschaffungskosten
Festdrehzahlantriebe werden energetisch am besten mit Schalt- und Schutzgeräten gestartet, welche sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad auszeichnen.
Seite 14
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Applikationsbeispiel Wasserversorgung
Kaskadenschaltung
Anforderungen: Hohe Zuverlässigkeit Schonender Betrieb (Vermeidung von Wasserschlag o.ä.)
Lösung:
Niedriger Energieverbrauch Regelbarer Durchfluss (ohne Drosseln)
Variante 1 Variante 2
Variante 1 (1x FU, 3x Sanftstarter) spart im Vergleich zur Variante 2 (4x FU): Anschaffungskosten Energiekosten CO2-Ausstoß
Die energetisch beste Lösung: Eine Kombination aus variabler und fester Drehzahl Seite 15
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Applikationsbeispiel Wasserversorgung
Beispiel: Kommunale Trinkwasserversorgung mittels Hochbehälter Tageskurve für Wasserbedarf Einschaltzeiten der Füllpumpe des Hochbehälters
Prädestiniert: Festdrehzahlantriebe bei Befüllvorgängen (z.B. Zweipunktregelungen) Seite 16
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Siemens Energiemanagement-Prozess
Energieflüsse identifizieren Verborgenes Energiesparpotenzial erkennen
Einsparpotenzial ermitteln Betrachtung der gesamten Lebenszykluskosten
Konkrete Maßnahmen zur Realisierung der Energiesparpotenziale
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Energiemanagement-Architektur
PC / Automation
Energiemanagementsystem
Messwerte
Einspeisung
3WL
Verteilung
3VL
3VL
3VL
3VL
3RW
3RW
3RW
3RW
3RK
3RK
3RK
3RK
3RB
3RB
3RB
3RB
3UF
3UF
3UF
3UF
Abzweig
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
Sanftstarter Seite 18
Motorstarter
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Elektr. ÜLR
SIMOCODE
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Strom Spannung cos phi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert
• • • • • •
Strom Spannung cos phi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert
• • • • • •
Strom Spannung cos phi Wirkleistung Scheinleistung Viertelstundenwert
Verfügbare Messwerte abhängig von Gerät
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Energiemanagement
Prinzip „Aktor = Sensor“ In Feldgeräte integrierte Messfunktionalität für Energiemanagementsysteme nutzen
Energiemanagement ist ein notwendiger, kontinuierlicher Prozess. Nur wer seine Energiebedarfe identifiziert und anschließend evaluiert, kann seine Einsparpotentiale realisieren. Seite 19
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Zusammenfassung und Ausblick
EE ist sowohl für die Industrie als auch für unseren Planeten „überlebenswichtig“ (Wettbewerbsfähigkeit, Umweltschonend) Das energetische optimale Antriebssystem ist abhängig von Applikation und Lastprofil Die Betrachtung von Einzelprodukten im Antriebsstrang führt nur bedingt zum Erfolg
Gesamtenergiebilanz-Betrachtung ist der Schlüssel zum Erfolg: Die Applikation entscheidet! Seite 20
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