ABB

technik Ein Solarwechselrichter für Wohnhäuser 13 Mehr Flexibilität für Pumpspeicherwerke 26 Nachhaltige Softwarearchitekturen 41 Künstliche Intelligenz zum Schutze der Umwelt 58

Im Blickpunkt: Technologie

3 | 11 Die technische Zeitschrift des ABB Konzerns

Das Bild auf der Titelseite dieser Ausgabe der ABB Technik zeigt den Blick in das Kohlelager eines sogenannten Clean-Coal-Kraftwerks. ABB liefert energie- und automatisierungstechnische Komponenten und Systeme, die zur Steigerung der Energieeffizienz und Produktivität solcher Anlagen beitragen. Auch die Energie- und Automatisierungstechnik der auf dieser Seite abgebildeten Flüssigerdgasanlage von Statoil auf der Insel Melkøya im Norden Norwegens stammt zu einem großen Teil von ABB.

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Inhalt

Effizienz Strom und Energie

Produktion und Fertigung

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Sparsame Fertigungsbetriebe Teil 1: Sparsamer Umgang mit Energie

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Fortschrittlicher Netzschutz Schutzsignal-Übertragungslösungen der nächsten Generation

41 51 58 64

Effizient und benutzerfreundlich Der neue ABB String-Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen

Energie auf Abruf Eine Pumpspeicherlösung zur Erfüllung von Energie- und Tarifanforderungen Intelligente Anwendung Einsatz intelligenter Technik zum Vorteil von Energieversorgern und Kunden

Solide Fundamente Intelligente Softwarearchitekturen bieten kurz-, mittel- und langfristige Wertschöpfung und Investitionssicherheit Intelligenter fördern Sicherer und rentabler Betrieb von entlegenen und „reifen“ Anlagen durch Integrated Operations Modellbasierte Emissionsüberwachung PEMS: Reduzierung der Umweltbelastung mithilfe von künstlicher Intelligenz Effiziente Versorgung aus der 4–20-mA-Schleife Das Low-Power-Design des ABB FieldKey Wireless-Adapters

Inhalt

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Editorial

Im Blickpunkt: Technologie

Claes Rytoft Chief Technology Officer ABB Ltd.

Liebe Leserin, lieber Leser, Das Portfolio von ABB ist breit gefächert und wächst stetig. Es umfasst nicht nur eine Vielzahl von Produktfamilien und Anwendungen von winzigen Schaltern bis hin zu umfangreichen Leit- und Elektrifizierungssystemen, sondern auch über die Hardware hinausgehende Engineering-, Diagnose-, Service- und Supportleistungen. Als Informationsmedium des Forschungs- und Entwicklungsbereichs von ABB berichtet die ABB Technik regelmäßig über Entwicklungen aus verschiedenen Bereichen des Unternehmens. Um die technologische Bandbreite dieser Entwicklungen zu unterstreichen, werfen wir in dieser Ausgabe einen Blick auf sehr unterschiedliche Anwendungen von ABB-Technologien. Die Photovoltaik hat sich in den letzten Jahren stark entwickelt. Staatliche Förderungen, ein stärkeres Umweltbewusstsein und sinkende Preise sorgen dafür, dass Solaranlagen auf Wohnhäusern an Attraktivität gewinnen. Einer der Hauptunterschiede solcher Anlagen gegenüber größeren kommerziellen PV-Anlagen ist neben ihrer geringeren Größe und Leistung die Tatsache, dass der durchschnittliche Nutzer kein Techniker oder Ingenieur ist. Folglich muss die Benutzerschnittstelle wesentlich intuitiver sein. Genau dies bietet der neue String-Wechselrichter von ABB. Vergangene Ausgaben der ABB Technik haben sich mit der Realisierung „intelligenterer Stromnetze“ angesichts der steigenden Anforderungen an das Übertragungs- und Verteilnetz befasst. Ein Schwerpunktthema in diesem Zusammenhang ist die Speicherung von Energie zur Bewältigung von Schwan­ kungen. Pumpspeicherwerke sind die einzigen Massen­speicher, die in nennenswerter Größe zur Verfügung stehen. Der Einsatz moderner Umrichter ermöglicht eine noch bessere Nutzung dieser Technik, wie wir am Beispiel eines Projekts in Avcˇ e (Slowenien) sehen. Ein weiterer Artikel befasst sich mit dem Einsatz intelligenter Netztechnologien auf Verteilnetz­ ebene. Im Stockholmer Stadtteil Royal Seaport kommen mehrere solcher Smart-Grid-Techno­

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logien zum Einsatz, und wir zeigen, welche Auswirkungen die Nutzung intelligenter Niederspannungstechnik dort hat. Von der Städteplanung gehen wir zur Softwarearchitektur und zeigen, welche Methoden und Werkzeuge ABB einsetzt, um ihre Software nachhaltig und wartungsfreundlich zu gestalten – ein Aspekt, der angesichts der immer umfangreicher und komplexer werdenden Funktionalität der Software in Produkten zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ebenfalls aus dem Bereich der Software stellen wir ein Überwachungssystem vor, das sich der künstlichen Intelligenz bedient, um Emissionen vorherzusagen und somit zur Reduzierung der Umweltbelastung beiträgt. Das System ist in einer der größten Prozessanlagen der Welt erfolgreich im Einsatz. In der industriellen Kommunikation geht der Trend in Richtung einer Vereinfachung und Reduzierung der Verdrahtungen. Mit unzähligen, in einer Prozessanlage verteilten Sensoren und Aktuatoren ist die Verdrahtung nicht nur eine Fehlerquelle, sondern auch ein bedeutender Kostenfaktor. Die drahtlose Kommunikation ist bereits wohletabliert, doch der neue ABB FieldKey-Adapter geht einen Schritt weiter und bietet WirlessHART-Konnektivität ohne eine separate Stromversorgung. Wir hoffen, diese Ausgabe der ABB Technik bietet Ihnen einen frischen und faszinierenden Einblick in die Welt der Technologie von ABB. Eine interessante Lektüre wünscht Ihnen

Claes Rytoft Chief Technology Officer ABB Ltd.

Editorial

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Sparsame Fertigungsbetriebe Teil 1: Sparsamer Umgang mit Energie Christopher Watts – Die Tatsache, dass für die Welt ein Zeitalter des Energie-

überflusses zu Ende geht und ein Zeitalter der Einschränkungen beginnt, stellt Politik, Wirtschaft und Gesellschaft vor eine Vielzahl von komplexen Herausforderungen. So gilt es unter anderem, den Konflikt zwischen einer Steigerung des Lebensstandards in den Entwicklungsländern durch zunehmende Industrialisierung einerseits und einer Reduzierung der weltweiten Auswirkungen der industriellen Fertigung auf die Umwelt andererseits zu lösen. Eine Möglichkeit, diese Herausforderung anzugehen, liegt in der Verbesserung der Energieeffizienz im Kern industrieller Produktionsprozesse.

I

m Januar/Februar 2011 befragte die Economist Intelligence Unit (EIU) 348 Führungskräfte vor allem aus Nordamerika, dem asiatisch-pazifischen Raum und Westeuropa zu geplanten Investitionen in die Energieeffizienz von Produktionsprozessen, zu den damit verbundenen Problemen und zu den Faktoren, die die industrielle Energieeffizienz in den kommenden Jahren beeinflussen werden. Dies ist der erste von drei Artikeln in der ABB Technik, die sich mit den Ergebnissen dieser Umfrage und einer Reihe von eingehenden Befragungen und Recherchen zur Energieeffizienz in der Industrie befassen. Darüber hinaus gründet die Studie auf einer umfassenden Analyse des weltweiten Energieverbrauchs in sieben energieintensiven Industriezweigen, die von Enerdata, einem Informations- und Beratungsunternehmen für Energie, durchgeführt wurde.

Mehr als zwei Drittel der Umfrageteilnehmer sind Führungskräfte auf Direktorenebene, die mit höchster Wahrscheinlichkeit Verantwortung für Strategie- und Geschäftsentwicklungen, Finanzen, die Gesamtgeschäfts­ führung sowie den Betrieb und die Produk­tion tragen. Rund 58 % stammen aus Unter­ nehmen mit einem weltweiten Jahresumsatz von mindestens 500 Mio. USD. Die Umfrage konzentrierte sich ausschließlich auf die Bereiche Fertigung und Energieversorgung, wobei die Fertigung den größten Anteil hatte.

Titelbild Die Entsalzungs- und Kläranlage in Palmachim (Israel). Der Entsalzungsprozess ist recht energie­ intensiv, und ABB hat energieeffiziente Antriebe für die Anlage geliefert. Der Beitrag von ABB zur Wasserversorgung wird in Heft 4/2011 der ABB Technik näher beleuchtet.

Sparsame Fertigungsbetriebe

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1 82 % der Führungskräfte in energieintensiven Branchen glauben, dass Energieeffizienz entscheidend für die Profitabilität ist. In dieser Anlage der Qassim Cement Company tragen elektrische Anlagen, Antriebe und Automatisierungstechnik von ABB zur Steigerung der Effizienz bei.

Ineffiziente Verfahrensweisen sind in der gesamten Industrie weit verbreitet, und das Einsparungspotenzial durch eine Verbesserung der Energieeffizienz ist groß.

Neben der Online-Umfrage führte die EIU 15 eingehende Gespräche mit Führungskräften, Entscheidungsträgern und anderen Experten für Energieeffizienz in der Industrie. Die hierbei gewonnenen Einblicke fließen ebenfalls in alle drei Artikel dieser Reihe ein. Die Industrie macht rund ein Drittel des weltweiten Energiebedarfs aus, wovon ca. 60 % auf Entwicklungsländer entfallen. Mit steigenden Produktionsmengen nimmt auch der Gesamtenergieverbrauch in der Industrie zu – ein Trend, der sich angesichts des steigenden Lebensstandards in den Entwick­lungsländern auch in den kommenden Jahrzehnten fortsetzen wird. Derweil gibt es in vielen Industrien in vielen Teilen der Welt noch viel Raum zur Verbesserung der Energieeffizienz. Vor diesem Hintergrund müssen sich Unternehmen auf eine Zukunft mit Beschränkungen einstellen. Dies gilt sowohl für die Verfügbarkeit von Energie als auch für den CO2-Ausstoß. Damit ist eine Verbesserung der Energieeffizienz nicht mehr optional, sondern eine klare Voraussetzung für langfristiges finanzielles Wachstum. Unternehmen, die sich nicht mit dem Thema Energieeffizienz auseinandersetzen, müssen lang­fristig mit finanziellen Einbußen rechnen.

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­irmen, die hingegen eine kontinuierliche F Verbesserung ihrer Energieeffizienz anstreben, werden aller Voraussicht nach gegenüber ihren Mitbewerbern im Vorteil sein. Insgesamt 88   % der Fertigungsunternehmen sind der Meinung, dass die Energieeffizienz in den nächsten zwei Jahrzehnten eine entscheidende Rolle für den Erfolg ihres Unternehmens spielen wird. Die Gründe ­ hierfür hängen besonders bei Unternehmen aus energieintensiven Fertigungsbranchen größtenteils mit der Kostenwettbewerbs­ fähigkeit zusammen. Wenn Unternehmen in Energieeffizienz investieren, geht es ihnen vor allem um einen finanziellen Nutzen. ­Ineffiziente Verfahrensweisen sind in der gesamten Industrie weit verbreitet, und das Einsparungspotenzial durch eine Verbesserung der Energieeffizienz ist groß. Auf die Frage nach der finanziellen und geschäft­ lichen Rechtfertigung von diesbezüglichen Investitionen gaben 59 % der Befragten den Energiepreis als einen der wichtigsten Faktoren an. „An unseren Standorten in Indien entfallen etwa 50 bis 55 % der Kosten für die Verarbeitung von Rohstoffen zu Fertigprodukten auf die Energie“, sagt Satish Agarwal, Chief of Corporate Manufacturing bei Apollo Tyres

2 Auffassung zur Notwendigkeit von Energieeffizienz in der Industrie (Umfrageergebnis aus 348 Antworten) Stimme voll zu

Stimme zum Teil zu

Stimme weder zu noch nicht zu

In den nächsten zwei Jahrzehnten wird die Energieeffizienz eine entscheidende Rolle für die Profitabilität von Fertigungsunternehmen spielen.

Stimme eher nicht zu

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Energieeffizienz ist bereits ein entscheidender Erfolgsfaktor für Fertigungsunternehmen.

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Stimme gar nicht zu

Weiß nicht

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Die Frage nach Investitionen in Energieeffizienz muss fallweise entschieden werden.

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Industrien brauchen klarere Maßstäbe dafür, was Energieeffizienz in ihrer Branche ausmacht.

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Der Steuerzahler sollte einen größeren Teil der Kosten zur Sicherstellung der Energieeffizienz von Unternehmen übernehmen.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Prozent (%)

im nordindischen Gurgaon. Dies ist einer der Gründe dafür, dass Apollo Tyres in den vergangenen drei Jahren ca. 12 Mio. USD in effizientere Anlagen investiert hat. Dazu gehört die Installation von Wärmetauschern für Dampferzeuger, Dampfentspannungssystemen zur Rückgewinnung und Nutzung von Prozesswärme und Isolierungen zur Senkung der Wärmeverluste. Diese Investitionen sind Teil einer laufenden Initiative, die bislang zu einer 40%igen Senkung der Ener­gieintensität des Unternehmens geführt hat. Vor dem Hintergrund eines zunehmenden Wettbewerbs, steigender Energiepreise und schärferer behördlicher Kontrollen ist Agarwal nicht der Einzige, der die zentrale Bedeutung der Energieeffizienz für die Industrie erkannt hat. Tatsächlich stimmen 72  % der Führungskräfte aus dem Fertigungssektor „voll“ oder „teilweise“ zu, dass Energieeffizienz schon heute ein entscheidender Erfolgsfaktor für Fertigungsunternehmen ist. Mit Blick auf die kommenden zwei Jahrzehnte gehen 88  % der Befragten davon aus, dass Energieeffizienz eine entscheidende Rolle für die Profitabilität von Fertigungsunternehmen spielen wird. Die Abweichungen in den Ergebnissen spiegeln die unterschiedlichen Hintergründe der befragten Unternehmen wider. So bestätigen 82  % der Führungskräfte aus Unter­ nehmen in besonders energieinten­ siven Fertigungsbereichen wie Eisen und Stahl, Chemie und Petrochemie, Zement, Zellstoff und Papier sowie Aluminium, dass die Energieeffizienz schon heute ein entscheidender Faktor für ihre Profitabilität

ist  ➔ 1 (gegenüber 67  % in weniger energieintensiven Branchen). Dieses offensichtlich stärkere Bewusstsein für die Rolle der ­Energieeffizienz ist möglicherweise auf bestimmte Eigenschaften energieintensiver Segmente wie hohe Energiekosten im Verhältnis zu den Gesamtkosten, hohe Energiepreisvolatilität und Preissteigerungen in jüngerer Vergangenheit sowie relativ schmale Gewinnmargen zurückzuführen  ➔ 2. Regional betrachtet sind Führungskräfte in Entwicklungsländern eher der Meinung, dass die Energieeffizienz einen entscheidenden Erfolgsfaktor für Fertigungsunternehmen darstellt (82  %) als in Industrieländern (67  %). „Wir glauben, dass einer der Gründe für das stärkere Bewusstsein für Energieeffizienz in Entwicklungsländern in der Knappheit der Energie liegt“, sagt Pradeep Monga, Director of Energy and Cli­ mate Change bei der Organisation der Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung (UNIDO). Tatsächlich scheinen die ­Ergebnisse der Umfrage eine höhere Einschätzung der Energieeffizienz in den Wirtschaften mit dem höchsten Energieverbrauch zu bestätigen  (➔ 3 und   ➔ 4).

daraus ergeben. Doug May, Vice President of Energy and Climate Change bei The Dow Chemical Company in den USA, beziffert die Kosteneinsparungen, die sein Unternehmen seit 1994 durch Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz erzielt hat, auf ca. 9,4 Mrd. USD. Laut Doug May ist „Energieeffizienz ein Geschenk, das immer weiter schenkt“. „Zusatznutzen“ einer Effizienz­ steigerung Kosteneinsparungen sind eine Sache. ­Neben deutlich sichtbaren Zahlen wie bei Dow bringt eine Steigerung der Energieeffi-

Die Industrie macht rund ein Drittel des weltweiten Energie­ bedarfs aus, wovon ca. 60 % auf Entwicklungsländer entfallen.

Warum ist eine Verbesserung der Energie­ effizienz so entscheidend für die langfristige Profitabilität? Zunächst einmal wegen der erheblichen Kosteneinsparungen, die sich

zienz noch weitere Vorteile mit sich, die sich langfristig auf den finanziellen Erfolg auswirken. So können Unternehmen, die für ihre Produktionsprozesse weniger Energie benötigen, auch höhere Energiepreise bewältigen, ohne Beeinträchtigungen hinnehmen zu müssen, was einen klaren Wettbewerbsvorteil darstellt. „[Die Steigerung der] Energieproduktivität ist einer der besten Risikomanagementmethoden, die Fertigungs­ unternehmen auf dem aktuellen Markt zur Verfügung stehen“, sagt Neal Elliott, Associate Director for Research beim American

Sparsame Fertigungsbetriebe

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Führende Unternehmen nehmen die Energieeffizienz ihrer Fertigungs­ abläufe genau unter die Lupe.

3 Schwellenländer unter dem Gesichtspunkt des Energiebedarfs In den vergangenen Jahrzehnten hat sich in den Industrieländern ein anhaltender struktureller Wandel von einer Fertigungs- zu einer Dienst­ leistungswirtschaft vollzogen. In den meisten Industrieländern ist der Dienstleistungssektor erheblich größer und wächst auch schneller als der Fertigungssektor. Da der Energiebedarf bezogen auf die Wirtschaftsleitung im Dienst­ leistungssektor deutlich geringer ist als im Fertigungssektor, nimmt die Energieintensität in den meisten entwickelten Volkswirtschaften ab. Heute dominieren die Entwicklungsländer den weltweiten industriellen Energieverbrauch. Dies hat mehrere Gründe: Erstens hat sich die

Wirtschaft in vielen Entwicklungsländern in den vergangenen Jahren von der Landwirtschaft zu einer Fertigungswirtschaft gewandelt. Zweitens ist durch die wirtschaftliche Entwicklung in diesen Ländern der Bedarf an Infrastruktur und Gebäuden gestiegen, was wiederum große Mengen an Zement, Stahl und anderen energie­intensiven Materialien erfordert. Drittens leben in diesen Ländern etwa 80 % der Weltbevölkerung. Diese Entwicklungen spiegeln sich in den Statistiken der Internationalen Energieagentur (IEA) zum Wirtschaftswachstum und zum industriellen Energiebedarf wider, die in der folgenden Tabelle und in ➔ 4 dargestellt sind.

BIP-Wachstum 1990-2008 (%) UK 54 USA 66 Indien 205 China 485

Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE). Auch Luis Farías, Vice President of Energy and Climate Change beim mexikanischen Zementhersteller CEMEX, ist dieser Meinung: „Bei der Zementherstellung ist Energie ein großer Kostenfaktor. Eine höhere Energieeffizienz bedeutet für uns eine bessere Vorhersehbarkeit unserer zukünf­ tigen Erträge und Kapitalflüsse.“ Darüber hinaus ist eine Steigerung der Energieeffizienz von industriellen Produktionsprozessen häufig noch mit weiteren Vorteilen verbunden. Dazu gehören kürzere Anla­genausfallzeiten und längere Wartungsintervalle, eine höhere Produktivität und Produktqualität, die Erfüllung von Gebäudeund Umweltnormen, eine Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Arbeitssicher­heit sowie Vorteile im Bereich Forschung und Innovation. Laut Elliott ist dieser „Zusatznutzen“ nicht zu unterschätzen: „In der Regel sind die nicht energiebezogenen Einsparungen drei- bis fünfmal so hoch wie die Energieeinsparungen an sich.“ Obwohl vielen Führungskräften in der Industrie die entscheidende Bedeutung von Energieeffizienz für eine langfristige Profitabilität durchaus bewusst ist, scheint eine relativ geringe Energieeffizienz bei den Produk­ tionsprozessen in großen Teilen der Industrie noch immer die Norm zu sein. In vielen Fällen ist dies auf einen ineffizienten Betrieb von Anlagen und Betriebsmitteln zurückzuführen. In der einfachsten Form sind dies z. B. Motoren, die kontinuierlich laufen, ganz gleich, ob sie genutzt werden oder nicht. In anderen Fällen sind ineffiziente Betriebs­

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Industrieller Energiebedarf 1990-2008 (%) -7 4 63 172

mittel verantwortlich. Terry McCallion, Director of Energy Efficiency and Climate Change bei der European Bank for Reconstruction and Development (EBRD) in London bringt dies auf den Nenner: „In einigen Bereichen der Industrie scheint es, als hätten Pumpen und Motoren nur zwei Betriebsarten: Ein und Aus.“ Experten schätzen, dass rund zwei Drittel des weltweit in der Industrie genutzten Stroms von Elektromotoren ­ ­verbraucht werden. Trotzdem lag die Marktdurchdringung von drehzahlgeregelten ­Mittelspannungsantrieben – mit denen die Energieeffizienz von Industriemotoren durch Regulierung ihrer Drehzahl um 40 bis 60  % gesteigert werden kann – laut Schätzun­ gen des Marktforschungsunternehmens Frost & Sullivan im Jahr 2009 in Europa bei lediglich 13 %. So ist es kaum verwunderlich, dass das Potenzial für Energieeinsparungen in der ­ ­Industrie so groß ist. Laut einer Analyse der UNIDO beträgt das Einsparungspotenzial bei den Produktionsprozessen in einigen ­Industriezweigen bis zu 50  % des derzeitigen Bedarfs  ➔ 5. Durch die Nutzung dieses Potenzials könnten schätzungsweise 230 bis 260 Mrd. USD pro Jahr eingespart werden. Laut der UNIDO entspräche dies einer ­Senkung der Gesamtproduktionskosten um etwa 3 bis 4 %. Das Streben nach Rendite Angesichts des großen Einsparungspotenzials bei den energiebezogenen Kosten überrascht es nicht, dass die meisten der befragten Führungskräfte jede Investition in eine Verbesserung der Energieeffizienz

4 In den Schwellenwirtschaften steigt der industrielle Energieverbrauch stärker als in den reifen Volkswirtschaften. 200

Energiebedarf in der Industrie 1990–2008 (prozentuale Veränderung)

180

China

160 140 120 100 80

40 20 0

USA UK

-20 0 100 200 300 400 500 600 BIP-Wachstum 1990-2008 (%) Datenquelle: Internationale Energieagentur (IEA)

zuallererst von einer messbaren finanziellen Rendite abhängig machen. Diese wird typischerweise anhand der Amortisationszeit (Investitionskosten geteilt durch jährliche Einsparungen) oder des sogenannten internen Zinsfußes gemessen. Im März 2011 gab der indische Zementhersteller UltraTech Wärmerückgewinnungssysteme im Wert von 90 Mio. USD in Auftrag. L. Rajasekar, Executive President des Unternehmens, erwartet eine vollständige Amortisation dieser Kosten nach etwa sechs bis acht Jahren. In vielen Fällen machen sich Investitionen in eine höhere Energieeffizienz jedoch schon nach sechs Monaten bezahlt.

In ihrem Arbeitspapier „Global Energy Efficiency Benchmarking – An Energy Policy Tool“ vom November 2010 schätzt die Organisation der Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung (UNIDO) das derzeitige Energieeinsparungspotenzial im Bereich der Fertigungsindustrie und der Erdölraffinerien auf 23 bis 26 % des gesamten weltweiten industriellen Energiebedarfs. Während das Energieeffizienzpotenzial in Industrieländern etwa 15 bis 20 % beträgt, liegt es in Entwicklungsländern mit 30 bis 35 % deutlich höher. Laut des Berichts könnten in den Industrieländern 65 Mrd. USD und mehr an Energiekosten eingespart werden. In den Entwicklungsländern sind es 165 Mrd. USD und mehr.

Indien

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5 Wo liegen die Einsparungspotenziale?

teil bei 67  % und in weniger energieinten­ siven Branchen bei 57 %  ➔ 6. Die Investitionen von Apollo Tyres sind ein gutes Beispiel. Ajay Mathur, Director General des staatlichen indischen Bureau of Energy Efficiency (BEE) meint dazu: „Für die Industrie in Indien sind die Einstandskosten für Energie sehr hoch. Und was Indien angeht, wird der Druck noch weiter zunehmen. In den Branchen, in denen Energie eine bedeutende Rolle spielt und einen großen Teil der Kosten ausmacht, wird Energiemana­ gement unglaublich wichtig für die Wett­ bewerbsfähigkeit.“ Preisvolatilität und langfristige Trends spielen bei den Investitionsüberlegungen von Unternehmen ebenso eine Rolle wie die aktu­ ellen Preise. „Die unmittelbaren Preisspitzen geben An­ lass zur Sorge“, sagt Steve Schultz, Global Manager of Corperate Energy bei dem US-amerikanischen Industrie- und Konsum­ güterhersteller 3M. „Doch die Tatsache, dass der Preistrend nach oben geht – und dies schon seit geraumer Zeit – hilft dabei, diesbezügliche Maßnahmen zu festigen.“

Absolut gesehen liegt das weltweit größte Einsparungspotenzial in energieintensiven Branchen wie der Metall-, Papier-, Zementund der chemischen Industrie. Prozentual gesehen bergen die weniger energieinten­ siven Branchen das größte Einsparungs­ potenzial. In einigen Bereichen, in denen vornehmlich kleine Anlagen mit alter Technik eingesetzt werden, beträgt das Einsparungspotenzial zwischen 40 und 50 %.

Die Marktdurchdringung von dreh­zahlgeregelten Mittelspannungsantrieben lag im Jahr 2009 in Europa bei lediglich 13 %. Bei der Abwägung des finanziellen Nutzens von Investitionen in eine höhere Energieeffizienz kommen mehrere wichtige externe Faktoren ins Spiel. Einer davon ist der Energiepreis. Je höher der Anteil der Energie­ kosten an den Gesamtproduktionskosten, so die Schätzung von Experten, desto interessanter erscheinen Investitionen in die Energieeffizienz. Auf die Frage nach den wichtigsten Einflussfaktoren auf Entscheidungen über Investitionen in Energieeffizienz nennen 59 % der Befragten den Energiepreis. Bei den Fertigungsunternehmen in energieintensiven Branchen liegt dieser An-

Neben den Energiepreisen gehört für 27  % der befragten Führungskräfte auch die ­nationale Energiegesetzgebung zu den Einflussfaktoren für Investitionsentscheidungen. Einige dieser Vorschriften richten sich direkt oder indirekt an die Energienutzung in

Sparsame Fertigungsbetriebe

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6 Haupteinflussfaktoren für Investitionen in die Energieeffizienz in der Industrie in den nächsten drei Jahren (Umfrageergebnis mit 348 Teilnehmern, drei erlaubte Antworten pro Teilnehmer)

Kosten-Nutzen-Analyse jeder Investition einschließlich Break-Even-Analyse

59% 58%

Energiepreis Nationale Energiegesetzgebung und Vorschriften

27%

Der Wunsch zur Verbesserung des Images als umweltbewusstes Unternehmen

26% 21%

„Best Practice“ in meiner Branche Druck seitens der Kunden und/oder Aktionäre zur Kostenreduzierung

20%

Der Wunsch, die Innovation im Bereich der Fertigungsprozesse voranzutreiben

19%

Erwartung strengerer Vorschriften hinsichtlich der Energienutzung und/oder CO2-Emissionen

11% 11%

Lokale Energiegesetzgebung und Vorschriften Druck seitens nichtstaatlicher Organisationen und/oder Energieaktivisten Andere, bitte angeben

7% 2%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Prozent (%)

der Industrie. Ein weiterer Faktor, der derartige Entscheidungen beeinflusst, ist für 26 % der Befragten der Wunsch, das Image des Unternehmens zu verbessern. Dies scheint mit zunehmender Bedeutung von Nach­ haltigkeitsaspekten immer wichtiger zu ­werden. Viele dieser Faktoren variieren von Kontinent zu Kontinent, von Region zu Region und von Anlage zu Anlage. Dies erklärt, warum 76 % der Umfrageteilnehmer angaben, dass Investitionen in eine Verbesserung der ­ Energieeffizient fallweise beurteilt werden ­ müssen. Andreas Genz, Senior Vice Presi-

Ein weiterer Faktor, der derartige Entscheidungen beeinflusst, ist der Wunsch, das Image des Unternehmens zu verbessern. dent of Energy Services beim finnischen Zellstoff- und Papierhersteller Stora Enso, ist der gleichen Meinung: „Unsere Maschinen sehen alle gleich aus, aber sie sind maßgeschneidert. Daher sind auch maßgeschneiderte Lösungen zur Steigerung der Energieeffizienz erforderlich.“

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Angesichts der Tatsache, dass sich die Industrie auf eine Phase eingeschränkter ­ Verfügbarkeit von Energie einstellen muss, nehmen führende Unternehmen die Energieeffizienz ihrer Fertigungsabläufe genau unter die Lupe. Maßnahmen zur Messung, Verwaltung und kontinuierlichen Verbesserung der Energieeffizienz zahlen sich bereits kurzfristig aus. Längerfristig steigern sie die Wettbewerbsfähigkeit, fördern Innovationen und ebnen den Weg für die Erfüllung von Umweltschutz- und Nachhaltigkeitszielen. Mit anderen Worten, Investitionen in eine höhere industrielle Energieeffizienz sind nicht nur für die kurzfristige Profitabilität von entscheidender Bedeutung, sondern auch für den langfristigen finanziellen Erfolg. Trotz der Erfahrungen und Standpunkte der befragten Führungskräfte, Entscheidungsträger und anderen Experten sind suboptimale Verfahrensweisen noch immer weit verbreitet. Energieeffizienz spart Kosten und ver­bessert die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Angesichts schwankender, aber steigender globaler Energiepreise ist Effizienz besonders für Unternehmen in energieintensiven Branchen von entscheidender Bedeutung, in denen die Kostenschwankungen groß und die Gewinnmargen klein sind. Obwohl dies den Unternehmen bewusst ist, arbeiten viele von ihnen weiterhin mit ineffizienten Betriebsmitteln oder nutzen diese auf ineffiziente Weise. Ein wichtiger Grund für die Kluft zwischen dem Bewusstsein für den Nutzen einer höheren Effizienz und tatsächlichen ­Investitionen in eine Effizienzsteigerung sind unzureichende Informationen. Dazu gehören mangelnde Informationen über neueste

Technologien und alternative Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz, fehlende Maßstäbe für Effizienz und unzureichende Informationen über die Rentabilität bestimmter Projekte.

Dieser Artikel ist der erste von drei Artikeln zum Bericht „The frugal manufacturer: Using energy sparingly“, der von ABB in Auftrag gegeben und von der Economist Intelligence Unit recherchiert und verfasst wurde. Der ­ nächste Artikel dieser Reihe erscheint in einer kommenden Ausgabe der ABB Technik und beschäftigt sich genauer mit der Frage, warum das Engagement zur ­ ­Verbesserung der Effizienz in der Industrie noch immer relativ schwach ist. Die Economist Intelligence Unit trägt die alleinige Verantwortung für den Inhalt des Berichts. Die darin vermittelten Schlussfolgerungen und Meinungen spiegeln nicht notwendigerweise die Standpunkte des Auftraggebers wider. Weitere Informationen zum Thema Energieeffizienz für die Industrie, die Versorgungswirtschaft, Gebäude und den Transportsektor finden Sie unter www.abb.com/ energyefficiency. Die Economist Intelligence Unit dankt allen, die an der Umfrage teilgenommen haben, sowie den im Bericht ­zitierten Führungskräften.

Christopher Watts (Autor) Aviva Freudmann (Redaktion) The Economist Intelligence Unit Anfragen bitte an: Mark Curtis [email protected] ABB Corporate Communication Zürich, Schweiz

Effizient und benutzerfreundlich Der neue ABB String-Wechsel­ richter für Photo­ voltaik-Anlagen

Angesichts der drohenden globalen Erwärmung und steigender Öl- und Gaspreise scheint eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen zur Deckung des steigenden globalen Energiebedarfs unerlässlich. Seit jeher steht auf der Erde eine riesige Menge erneuerbarer Energie in Form von Sonneneinstrahlung zur Verfügung. Die einfachste Methode zur Nutzung dieser Energie sind Solarzellen. Diese erzeugen Gleichstrom (DC), der mithilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden muss. Die String-Wechselrichter von ABB sind speziell für Photovoltaik-Anlagen auf Wohnhäusern und kleinen bis mittelgroßen Gewerbegebäuden ausgelegt. Die neue Wechselrichterserie bietet nun integrierte Schutzfunktionen, mit denen auf teure und platzraubende externe Schutzeinrichtungen und größere Gehäuse verzichtet werden kann.

Effizient und benutzerfreundlich

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1 String-Wechselrichter PVS300 von ABB

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ank des technischen Fortschritts werden Photovoltaik-Anlagen immer effizienter und kostengünstiger. ABB spielt seit langem eine führende Rolle in der Wechselrichter- und Umrichtertechnik und nutzt dieses Wissen und ihre Erfahrung zur Bereitstellung innovativer und hochwertiger Lösungen für Photovoltaik-Anlagen. Die ABB-Produktpalette im Bereich der Solarwechselrichter reicht von kleinen einphasigen String-Wechselrichtern bis hin zu Zentralwechselrichtern für mehrere Hundert Kilowatt. Das neueste Produkt im Portfolio ist der PVS300  ➔ 1 mit einem Leistungsbereich von 3,3 bis 8 kW, der für Wohnhäuser ebenso wie für kleine bis mittelgroße Gewerbe- und Industrie­ gebäude geeignet ist. Dank seiner All-inone-Bauweise ist er zuverlässig, sicher und äußerst kostengünstig, was insbesondere bei An­lagen mit mehreren Wechselrichtern von Vorteil ist. Das Herzstück des String-Wechselrichters PVS300 bildet eine intuitive Bedieneinheit mit einem benutzerfreundlichen grafischen Display, das über drei Hauptanzeigen verfügt: Sonneneinstrahlung, Solarstromerzeugung und Hilfe/Einstellungsmenüs. Das Symbol für die Sonneneinstrahlung gibt die Menge der einfallenden Sonnenstrahlung an (zehn Strahlen bedeutet voller Sonnenschein, ein Strahl bedeutet Regen)  ➔ 2. Bei Nacht schaltet der Wech-

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selrichter in den Ruhemodus, in dem er weniger als 1 W benötigt. Die Anzeige zur Solarstromerzeugung liefert die notwendigen Informationen für alle, die mit Einspeisetarifen1 zu tun haben, wie sie in vielen Ländern für umweltfreundliche Stromerzeugung, z.  B. mit Solarenergie, gelten  ➔ 3. Der integrierte Datenlogger zeigt die genaue tägliche, wöchentliche, monatliche und jährliche Produktion an und speichert diese für bis zu 24 Jahre. Zusätzlich berechnet der Wechselrichter die erzielten CO2-Einsparungen. Für Kunden, die mehr als einen allgemeinen Überblick über die Solarstromerzeugung wünschen, stehen zusätzlich detaillierte technische Daten zur Verfügung. Über eine spezielle Hilfetaste und eine integrierte Bedienungsanleitung können Erläuterungen zu den verschiedenen Anzeigen und Einstellungsmöglichkeiten aufgerufen werden. Dabei werden bis zu 24 Sprachen unterstützt. Für die Inbetriebnahme sind lediglich vier einfache Schritte erforderlich, durch die der Benutzer beim ersten Start des Wechselrichters automatisch geführt wird. Dank einer einfachen Menüstruktur, die an Alltagsgeräte wie Mobiltelefone erinnert, können die Einstellungen problemlos verändert werden. Das Display kann vom Wechselrichter abgenommen ➔ 4 und 5 und getrennt an einer Wand montiert werden, um eine

Die ABB-Produktpalette an Solarwechselrichtern reicht von kleinen einphasigen StringWechselrichtern bis hin zu Zentralwechselrichtern für mehrere Hundert Kilowatt.

Titelbild Der neue String-Wechselrichter von ABB für Photovoltaik-Anlagen auf Wohnhäusern oder kleinen bis mittelgroßen Gewerbegebäuden verfügt nun über integrierte Schutzfunktionen.

Fußnote 1 Einspeisetarife sind ein politisches Mittel, um die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zu fördern und das Erreichen der Netzparität zu beschleunigen. Einspeisetarife garantieren unabhängigen Stromerzeugern (Privatpersonen und Firmen) einen Mindesttarif für die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien in das öffentliche Netz.

2 Kinderleicht zu verstehen: die Anzeigen des PVS300

3 Für Kunden, die einen genaueren Überblick über ihre Solarstromerzeugung wünschen, sind detaillierte technische Informationen abrufbar.

3a Informationen zur Solarstromerzeugung

3b Erläuterung der verschiedenen Anzeigen

Überwachung des Wechselrichterbetriebs außerhalb des Installationsraums zu ermöglichen. Die Verbindung zum Wech­ selrichter kann dabei auch drahtlos her­ gestellt werden, wobei Sender und Empfänger bereits werkseitig paarweise zugeordnet sind, sodass dem Benutzer komplexe Einstellungen erspart bleiben, wie sie bei Drahtlosverbindungen sonst häufig erforderlich sind. Die Technologie und der Frequenzbereich ähneln denen von drahtlosen Wetterstationen, es sind aber größere Entfernungen möglich als mit Bluetooth, und der Energieverbrauch liegt deutlich unter dem von WiFi-Systemen.

Systeme durch Strangsicherungen im positiven und negativen Zweig der Strangverkabelung geschützt werden. Darüber hinaus sind Solaranlagen atmosphärischen Einwirkungen ausgesetzt und können durch blitzschlagbedingte Überspannungen beschädigt werden. Um dieses Risiko zu minimieren, müssen Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) für jede Polarität installiert werden. Die Impedanz dieser Geräte verändert sich je nach angelegter Spannung. Im Normalbetrieb ist sie

Integrierter Schutz Um Systemintegratoren und Installateure von Photovoltaik-Anlagen eine bestmögliche Unterstützung zu bieten, wurde neben der Ästhetik besonderer Wert auf das interne Design und Layout des StringWechselrichters gelegt. So kann durch den umfassenden integrierten Schutz auf die externen Komponenten, die bei den meisten herkömmlichen Photovoltaik-Anlagen erforderlich sind, verzichtet werden. Fehlerströme, die in einem ungeerdeten System bei zwei Erdungsfehlern oder einem zweiphasigen Kurzschluss auftreten, können zur Beschädigung der Module oder Überhitzung von Teilen der Anlage führen. Gegen diese – zugegebenermaßen relativ seltenen – Fehler müssen die

Die All-in-one-Bauweise des PVS300 sorgt besonders in Anlagen mit mehreren Wechselrichtern für ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Durch den umfassenden integrierten Schutz kann auf die externen Komponenten der meisten herkömmlichen Photovol­taikAnlagen verzichtet werden. z. B. extrem hoch und wird nur – im Falle einer Überspannung – durch Ableiten des entsprechenden Stroms zur Erde verringert. Doch leider funktionieren herkömm­

Effizient und benutzerfreundlich

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Die NPC-Topologie und ein von ABB zum Patent angemeldetes Modula­ tionsschema er­geben einen effizienten Wechselrichter mit minimalem Leckstrom und hoher maximaler Gleichspannung.

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4 Der String-Wechselrichter PVS300 kann privat und kommerziell genutzt werden.

5 Das Display des PVS300 kann zur Fernüberwachung abgenommen werden.

6 Integrierter DC-Schalter, Strangsicherungen und Überspannungsschutz

liche ÜSGs in Photovoltaik-Anlagen nicht ausreichend gut. Deshalb werden für PVAnlagen spezielle ÜSGs mit hoher DCNennspannung und geringer Kurzschlussstromfestigkeit benötigt. Diese Schutzgeräte werden typischerweise in einem separaten Anschlusskasten zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter platziert. Mit dem integrierten Schutz des ABB String-Wechselrichters PVS300 entfällt der Zeit- und Kostenaufwand, der für die Auswahl, den Entwurf und die Installation externer Schutzeinrichtungen und Gehäuse erforderlich ist  ➔ 6. Bei der Systemintegration und Installation ermöglicht eine

kompakte, integrierte Lösung eine effizientere Raumnutzung, was besonders bei Anlagen mit mehreren Wechselrichtern von Vorteil ist. Für den Endnutzer sorgt das integrierte Design des Wechselrichters für eine deut­liche Verkürzung der Fehlersuche und Reparaturdauer, falls einmal ein Problem auftritt. So überwacht ein integrierter Mikroprozessor die internen Schutzeinrichtungen (z. B. Sicherungen und Überspannungsschutzgeräte) und sendet bei einem Problem umgehend Fehlermeldungen bzw. entsprechende Informationen an das Display des Wechselrichters und optional auch per E-Mail über das Internet. Komponenten wie steckbare

7 String-Wechselrichter PVS300 mit Vollbrücken-NPC-Topologie (Neutral Point Clamped)

+

8 Photovoltaik-Anlage mit Streukapazität Filter

Netz PWMSteuereinheit

+

L1 PV C PVg

Überspannungsableiter-Patronen können einfach und sicher ausgetauscht werden. Und zu guter Letzt trägt der verringerte Materialbedarf erheblich zur Reduktion der CO2-Emissionen über den Lebens­ zyklus des Produkts hinweg bei. Leistungsfähigkeit von innen heraus Das Design der String-Wechselrichter von ABB basiert auf einer Vollbrücken-Topologie mit Abgriff am Neutralpunkt (NPC, Neutral Point Clamped)  ➔ 7 in Kombina­ tion mit einem von ABB zum Patent angemeldeten Modulationsschema. Das Ergebnis ist ein äußerst effizienter Wechselrichter mit minimalem Leckstrom und hoher maximaler Gleichspannung. Der Grund für die hohe Effizienz liegt in der Einfachheit. Dies wird deutlich, wenn man verschiedene Aspekte herkömmlicher Solarwechselrichter mit dem PVS300 vergleicht. So beinhaltet das traditionelle Design z. B. einen zusätzlichen Hochsetzsteller am Eingang bzw. einen Aufspanntransformator am Ausgang, wohingegen der String-Wechselrichter von ABB lediglich eine DC-AC-Stromrichterstufe besitzt. Durch den Wegfall zusätzlicher Stromrichterstufen wird nicht nur die Effizienz, sondern auch die Zuverlässigkeit des Systems erhöht. Die intelligente Standby-Logik und moderne Werkstoffe wie Kerne aus amorpher Legierung im LCL-Ausgangs­ filter tragen zusätzlich zur Effizienz bei. ➔ 8 zeigt eine typische ungeerdete Photovoltaik-Anlage. Solarmodule sind immer über eine parasitäre Kapazität (CPVg) mit der Erde verbunden. Wechselstromanteile in der Spannung UN erzeugen einen Strom durch diese Kapazität zur Erde. Enthält die Spannung über dem Kondensator über-

mäßig viele hochfrequente Anteile, kann dies zu ebensolchen hochfrequenten Erdströmen führen, die sowohl zu Problemen mit der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch zu einer allmählichen Degradation oder Beschädigung der Solarmodule führen können. Das zum Patent angemeldete Modulationsschema von ABB beseitigt die Hochfrequenzanteile aus der Spannung UN, die einige andere auf dem Markt erhältlich Wechselrichter sogar selbst hervorrufen. Die Gleichspannung der Solaranlage variiert je nach Systemkonfiguration, Temperatur und Sonneneinstrahlung. Aufgrund seines breiten DC-Eingangsbereichs ist der ABB String-Wechselrichter für eine Vielzahl von Reihen- und Parallelkonfigurationen sowie für verschiedene Arten von Solarmodulen geeignet. Seine hohe maximale Gleichspannung ermöglicht die Reihenschaltung einer größeren Zahl von Modulen, was wiederum zur Senkung der Kosten und Verluste bei der DC-Verkabelung beiträgt. Der String-Wechselrichter PVS300 wurde erstmals bei der Intersolar 2010 in München, der weltgrößten Messe für die Solarindustrie, vorgestellt. Bereits ein Jahr zuvor hatte ABB ihre Produktfamilie von Zentralwechselrichtern für PhotovoltaikKraftwerke erfolgreich eingeführt.

+ + U DC Wechsel- U AB richter + UN -

L2

+ EMIFilter

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-

Die hohe maximale Gleichspannung ermöglicht die Reihenschaltung einer größeren Zahl von Modulen, was die Verluste und Kosten bei der DC-Verkabelung reduziert.

Jukka Nurmi ABB Solar Inverters Helsinki, Finnland [email protected]

Effizient und benutzerfreundlich

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ABB technik 3|11

Fortschrittlicher Netzschutz Schutzsignal-Übertragungslösungen der nächsten Generation

Romeo Comino, Michael Strittmatter –

Die Übertragung von Schutzsignalen spielt eine entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit moderner elektrischer Netze. Angesichts der zunehmenden Nutzung nichtdeterministischer Ethernet/ IP-Technik in Weitbereichs-Kommuni­ kationsnetzen sind viele Energieversorgungsunternehmen (EVUs) rund um die Welt besorgt, dass die Schutzsignalübertragung, die eine schnelle und selektive Isolierung von Fehlern im Stromnetz sicherstellt, dadurch beeinträchtigt werden könnte. Dank ihrer umfangreichen Erfahrung auf dem Gebiet der Schutzsignalübertragung und EVU-Kommunikation ist es ABB gelungen, neue Schnittstellen für ihre Teleprotection-Plattform NSD570 zu entwickeln, die erstmalig einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von Schutz­ signal-Übertragungseinrichtungen über Ethernet/IP-WAN-Netzwerke gewährleisten.

Titelbild Viele EVUs sind besorgt, dass die Schutzsignalübertragung in Unterstationen durch die nichtdeterministische Ethernet-Kommunikation beeinträchtigt werden könnte.

S

törungen und Fehler in elektrischen Netzen können zu schweren Spannungszusammenbrüchen und Blackouts führen, von denen ganze Regionen und Länder betroffen sein können. Aufgrund der starken Abhängigkeit der modernen Gesellschaft von elektrischer Energie sind solche Ausfälle nicht akzeptabel – weder im Hinblick auf die Auswirkungen auf das öffentliche Leben noch im Hinblick auf die wirtschaftlichen Folgen. Daher gilt es, solche gravierenden Störungen mit allen Mitteln zu verhindern. Ein Schlüsselelement zur Isolierung und schnellen Klärung von Fehlern ist eine geeignete Schutzpraxis.

Eine typische Schutzsystemarchitektur für eine Hochspannungs-Übertragungsleitung umfasst drei Hauptkomponenten: Schutzrelais, Schutzsignal-Übertragungseinrichtungen (Teleprotection-Ausrüstung) und ein Telekommunikationssystem  ➔ 1. Die Tele-

Schutzsysteme müssen bestimmte Vorgaben hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit, Reak­ tionsfähigkeit, Selektivität und Zuverlässigkeit erfüllen.

Schutzsysteme müssen bestimmte Vor­ gaben hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit, Reaktionsfähigkeit, Selektivität und Zuverlässigkeit erfüllen, um eine erfolgreiche Fehlerklärung zu gewährleisten. Schutzkonzepte, insbesondere für Hochspannungs-Übertragungsleitungen, erfüllen selten alle diese Anforderungen ohne die Hilfe der Telekommunikation.

protection-Ausrüstung fungiert als physi­ kalische Schnittstelle zwischen der Telekommunikations-Infrastruktur und den Schutzrelais und ist somit entscheidend für die Übertragung der von den Schutzrelais generierten Signale („Befehle“) und dafür, dass deren Anforderungen hinsichtlich der Reaktionszeit und Selektivität im Fehlerfall erfüllt werden. Leistungskriterien: Sicherheit, Verlässlichkeit und Übertragungszeit Da jedes Telekommunikationssystem Störungen und Beeinträchtigungen verschiedener Art (z. B. Jitter oder Bitfehler in digitalen Netzwerken oder Koronarauschen

Fortschrittlicher Netzschutz

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Störungen im Telekommunikationskanal dürfen weder zur Simulation eines Befehls auf der Empfängerseite führen, wenn kein entsprechendes Signal gesendet wurde (Sicherheit), noch eine übermäßige Verzögerung oder gar Unterdrückung eines tatsächlich übermittelten Befehls bewirken (Verlässlichkeit). 1 Typische Schutzsystemarchitektur Unterstation A

Schutzeinrichtung/ -funktion

Unterstation B

Hochspannungsleitung

Schutzsignalübertragungseinrichtung/-funktion

Telekommunikationssystem

Schutzsignalübertragungseinrichtung/-funktion

Schutzeinrichtung/ -funktion

Schutzsignal-Übertragungssystem

und Dämpfungsschwankungen in einem TFH-Kanal) ausgesetzt ist, wird das Leistungsvermögen der Teleprotection-Ausrüstung unter diesen Störungsbedingungen durch die Aspekte Sicherheit, Verlässlichkeit und Übertragungszeit bestimmt.

Daher müssen alle Schutzsignal-Übertragungseinrichtungen den entsprechenden Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit, Verlässlichkeit und Übertragungszeit genügen, wie sie in der IEC 60834-1 [1] definiert sind.

Ein wichtiges Kriterium ist die verfügbare Bandbreite bei analogen Verbindungen bzw. die Datenübertragungsrate bei digitalen oder Ethernet-Kanälen. Je höher die Bandbreite bzw. die Datenrate, desto geringer die Übertragungszeit, die normalerweise mit der Teleprotection-Ausrüstung erreicht werden kann.

Sicherheit, Verlässlichkeit, Übertragungszeit und Bandbreite (bzw. Datenrate) stehen in Wechselbeziehung zueinander. So ist eine hohe Sicherheit und Verlässlichkeit nicht mit einer kurzen Übertragungszeit und schmaler Bandbreite (bzw. niedrigen Datenrate) vereinbar. Folglich muss der Schwerpunkt entweder auf die Verlässlich-

Für das Schutzsystem ist es von größter Bedeutung, dass Störungen im Telekommunikationskanal weder zur Simulation eines Befehls auf der Empfängerseite führen, wenn kein entsprechendes Signal gesendet wurde (Sicherheit), noch eine übermäßige Verzögerung oder gar Unterdrückung eines tatsächlich übermittelten Befehls bewirken (Verlässlichkeit).

keit oder die Sicherheit oder auf die Übertragungszeit gelegt werden, je nachdem welches Schutzkonzept (direkte Auslösung, Selektivschutz mit Freigabe, Selektivschutz mit Sperrung) verwendet wird.

Die nächste Generation des ABB Fernauslösegeräts NSD570 unterstützt EthernetKonnektivität durch eine 10/100-Mbps-Schnittstelle.

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ABB technik 3|11

2 NSD570 Ethernet WAN-Schnittstelle Typ G3LE

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Verfügbarkeit des Kommunikationskanals selbst, damit die erforderlichen Funktionen zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines bestimmten Intervalls ausgeführt werden können [2]. Die Verfügbarkeit eines für die Schutzsignalübertragung genutzten Telekommunikationssystems sollte bei mindestens 99,99 % liegen. Um dies zu erreichen, ist fundiertes Wissen über die verwendete Telekommunikationstechnik ebenso unerlässlich wie ein geeignetes Netzwerkdesign, die Implementierung von Mechanismen zur Selbstheilung bzw. Wiederherstellung und geeignete Backup-Methoden.

Schutzsignalübertragung über verschiedene Telekommunikations­ medien und -kanäle Zur Schutzsignalübertragung können verschiedene Arten von Übertragungsmedien eingesetzt werden. Da üblicherweise Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen genutzt werden, sind folgende Medien heute vorherrschend: – TFH-Verbindungen (TrägerfrequenzÜbertragung über Hochspannungs­ leitungen) – Lichtwellenleiter-Verbindungen – Kupferkabel/Hilfskabel – Mikrowellen-Funkverbindungen

Neben der Verfügbarkeit des Kommunika­ tionskanals spielt auch die elektromagne­ tische Verträglichkeit (EMV) des Teleprotection-Systems und seine Immunität gegen schnelle transiente elektrische Störgrößen und andere externe Störungen eine entscheidende Rolle. Das gesamte Design des Teleprotection-Systems und der entsprechenden Hardware muss so ausgelegt sein, dass es in der Lage ist, genau dann Störungen standzuhalten, wenn es im Stromnetz zu einem Fehler kommt, d. h. wenn seine Fähigkeit zur zuverlässigen Übertragung von Befehlen am meisten benötigt wird.

Die physikalische Schnittstelle zwischen der Teleprotection-Ausrüstung und dem Kommunikations-Endgerät ist entweder als analoger Schaltkreis mit Sprachfrequenzbandbreite oder als digitaler/optischer Schaltkreis mit einer bestimmten Datenrate (z. B. 64 kbps) ausgeführt  ➔ 3.

TeleprotectionSysteme benötigen normalerweise Telekommunika­ tionskanäle mit einer determinis­ tischen Signalübertragungsverzögerung und einer konstanten Bandbreite.

Die nächste Generation des ABB Fernauslösegeräts NSD570 bietet eine komplette Reihe von Schnittstellen für die oben genannten Telekommunikationssysteme und unterstützt Ethernet-Konnektivität durch eine 10/100-Mbps-Schnittstelle, die später genauer beschrieben wird.

Fortschrittlicher Netzschutz

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3 Verfügbare Übertragungsmedien und Kommunikationskanäle mit dem NSD570

TFH

dig

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l

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g

-

-

Kupferleitungen

-

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Et

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IP-basiertes Netzwerk

ABB hat eine Reihe von neuen Schnittstellen für die NSD570-Plattform entwickelt, die die Übertragung von Schutzsignalen und das Fern­ management über Ethernet/IP-Netzwerke ermöglichen.

rn

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NSD570

Station A

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Lichtwellenleiter

MUX alo

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Lichtwellenleiter

NSD570

g

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Station C

MUX Funkverbindung

g alo l an igita h d tisc op

-

Et

Station B

dig

MUX

Schutzbefehle

TFH

an

MUX

Stromleitung

4 Die Herausforderung: Schutzsignalübertragung über Ethernet/IP-Netzwerke

Schutzbefehle

Ethernet/ IP-Netzwerk

NSD570 Station E

NSD570

Beeinträchtigung der Schutzsignalübertragung durch Ethernet/IP-basierte Netzwerke? Teleprotection-Systeme sind auf Telekommunikationskanäle angewiesen, die über eine deterministische Signalübertragungsverzögerung und eine konstante Bandbreite bzw. Bitrate ohne jegliche Schwankung in der Verzögerung verfügen. Statische Multiplexing-Verfahren wie PDH (plesiochrone digitale Hierarchie)1 und SDH (synchrone digitale Hierarche) erfüllen diese Anforderung und werden seit Jahrzehnten von EVUs in deren Weitbereichs-Kommunikationsnetzen eingesetzt. Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Übertragungstechnik auf der Basis von statistischen Multiplexing-Verfahren mit BoD- (Bandwidth on Demand) oder „BestEffort“-Methoden sind EVUs rund um die Welt besorgt, dass die strengen Leistungsanforderungen von Teleprotection-Systemen durch die Nutzung dieser neuen Kommunikationstechniken beeinträchtigt werden könnten. Dies ist eine typische Situation, in der EVUs sich auf die Telekommunikationsdienste von Drittanbietern verlassen, bei denen die Kommunikations­ kanäle nicht unter der vollständigen Kontrolle der EVUs stehen. Werden Ethernet/IP-basierte Netzwerke für die Schutzsignalübertragung verwendet, ist eine Lösung erforderlich, die die Überwachung der Verfügbarkeit und Qualität des Kommunikationskanals des WAN (Wide-Area Network) und die Alarmierung

Fußnote 1 Ein PDH-Netzwerk ist ein Netzwerk, in dem verschiedene Datenströme nahezu, aber noch nicht perfekt synchronisiert sind.

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Station D

NSD570

der Schutzausrüstung ermöglicht, wenn die zuverlässige Übertragung von Befehlen nicht gewährleistet werden kann  ➔ 4. Innovative Lösungen für die Schutzsignal­übertragung der nächsten Generation Als führender Anbieter von TeleprotectionLösungen hat ABB eine Reihe von neuen Schnittstellen für die NSD570-Plattform entwickelt, die die Übertragung von Schutzsignalen und das Fernmanagement über Ethernet/IP-Netzwerke ermöglichen  ➔ 2. Diese innovativen Lösungen umfassen zwei Module: – NSD570 Ethernet WAN-Schnittstelle Typ G3LE – NSD570 Management LAN-Schnittstelle Typ G3LM NSD570 Ethernet WAN-Schnittstelle Typ G3LE – Neue Leitungsschnittstelle zur Übertragung von bis zu acht gleichzeitigen/ unabhängigen Befehlen über Ethernet/ IP-Netzwerke  ➔ 3. – Kanalüberwachungs- und Alarmierungsfunktionen ähnlich den vorhandenen NSD570-Leitungsschnittstellen (Kanalqualität und -verfügbarkeit, End-to-EndVerzögerung, Endgeräte-Adressierung). NSD570 Management LAN-Schnitt­ stelle Typ G3LM – Nachfolger der vorhandenen Managementschnittstelle für den Fernzugriff mit zusätzlichen Merkmalen wie Unter­ stützung von SNMP (Simple Network Management Protocol) und VLAN (Virtual Local Area Network), verbes­ serte Cybersicherheitsmaßnahmen wie Authentifizierung und Logging. – Zur Fernüberwachung/-verwaltung der Teleprotection-Geräte in einem Rack

5 Sicherer Fernzugriff auf das NSD570

RS-485-Stationsbus

6 Das neue G3LE/G3LM-Plug-in-Modul für die NSD570-Plattform von ABB Unterstation

Unterstation

Arbeitsplatz

Ein NSD570 mit LANSchnittstelle

Ethernet Stations-LAN

Gateway

Unternehmens-Intranet oder globales Internet

Laptop

sowie weiterer über den RS-485-Installationsbus zugänglicher Geräte. Letzteres ermöglicht die Verbindung mehrerer Racks  ➔ 5. Beide Module verfügen über einen elektrischen Anschluss (10/100 Mbps) und einen optischen Anschluss (100 Mbps) mit austauschbaren SFP-Transceivern (Small Form-factor Pluggable) zur Anbindung an das Ethernet/IP-Netzwerk  ➔ 6. G3LE: verlässliche Schutzsignalübertragung über Ethernet/IP-Netzwerke Anstatt einfach den bestehenden synchronen 64-kbps-Kanal des digitalen NSD570Systems in Ethernet-Pakete umzuwandeln, wurde ein Protokoll entwickelt, um die Anforderungen hinsichtlich der Latenz und der Bandbreite zu reduzieren. Neben den eigentlichen Schutzbefehlen beinhalten die Nutzdaten eines solchen Pakets mehrere Datenfelder, die die Messung verschiedener Leistungsindikatoren einschließlich der Übertragungszeit und der Paketverlustrate ermöglichen. Die gesamten Nutzdaten sind durch einen (zum Patent angemeldeten) Authentifizierungsalgorithmus geschützt, der verschiedene Aspekte der Cybersicherheit abdeckt. Kontinuierliche Überwachung der Kanalqualität und -verfügbarkeit Ein paketvermitteltes Netzwerk ist anfällig für verschiedene Faktoren, die die Übertragungszeit negativ beeinflussen können. Das NSD570 Ethernet-Modul überwacht kontinuierlich die Verfügbarkeit und Qualität des Kanals mithilfe von „Wächterpaketen“, die in benutzerkonfigurierbaren Intervallen

gesendet werden. Übersteigt die gemessene Übertragungszeit oder Paketverlustrate die benutzerkonfigurierbaren Grenzwerte, oder geht ein Kanal vollständig verloren, werden entsprechende Alarme generiert. Sicherung einer verlässlichen Befehlsübertragung Sobald ein Befehl vom Schutzrelais empfangen wird, beginnt die NSD570 Ethernet WAN-Schnittstelle damit, in kurzen Intervallen mehrere „Auslösepakete“ zu senden. Dadurch wird auch unter schlechten Kanalbedingungen (d. h. einem hohen Paketverlust) ein schneller Empfang der Pakete beim entfernten NSD570 sichergestellt. Nach dieser anfänglichen Sequenz sendet das NSD570 Ethernet-Modul weiter­ hin Auslösepakete, aber mit der niedri­ geren, für Wächterpakete vorgesehenen Rate. Wird der Befehl vom Schutzrelais aufgehoben, werden fortan Wächterpakete gesendet.

Ethernet-Modul unterstützt Ethernet/IPPrioritätseinstellungen mit den folgenden Parametern: ToS – setzen des „Type-ofService“-Felds in der IP-Schicht 3 und VLAN-Tagging – ID und Priorisierung des Ethernet-Frames in Schicht 2. Nachweisliche Leistungsfähigkeit unter schwierigen Netzwerkbedingungen Die Worst-Case-Anforderung an die Sicherheit von übertragenen Auslösebefehlen in digitalen Kommunikationssystemen (Puc – die Wahrscheinlichkeit, dass ein Befehl fälschlicherweise empfangen wird) ist gemäß IEC 60834-1 Puc  Uo) wird das Verhalten der Schaltung nur von den unteren Transistoren und Widerständen bestimmt. Die oberen Transistoren sind in Sperrrichtung vorgespannt und somit nicht leitend. Die unteren Transistoren sind so in Durchlassrichtung vorgespannt, dass sie sich im Verstärkungsbereich befinden und gesättigt sind. Der von den drei Transistoren verursachte Gesamtspannungsabfall ist somit bei jeder Temperatur sehr gering. Da die Transistoren gesättigt sind, ist der erforderliche Basisstrom viel höher als beim nor­ malen Verstärkungsbereich. Dies bedeutet, dass ein nicht zu vernachlässigender Teil des Emitterstroms in die Basis des Transistors fließt. Im Sperrbetrieb (Uo > Ui und Uo > 0,6 V) sind die oberen Transistoren in Durchlassrichtung vorgespannt und somit leitend. Ihre Aufgabe ist es, dafür zu sorgen, dass die untere Transistorgruppe durch Vor-

Die Elektronik ­wurde mithilfe ­e ines iterativen ­A nsatzes konzipiert, um eine optimale Verteilung der verfügbaren Leistung zu gewährleisten.

Effiziente Versorgung aus der 4–20-mA-Schleife

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7 Leckagemessungen für sechs 470-μF-Kondensatoren (Daten zur Verfügung gestellt von Kemet) Temperaturabhängigkeit des Leckstroms von sechs 470 μF/ 10 V Kondensatoren bei 10 V und 3,6 V Betriebsspannung 50

30

8 Die neuartige, von ABB vorgeschlagene Rückstrom-Sperre

20 14,5 10

5,1

10 V Betriebsspannung, 300 s Messdauer

Den Ingenieuren und Forschern von ABB ist es gelungen, den WirelessHART-Adapter mit dem geringsten Spannungsabfall auf dem Markt zu entwickeln.

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I1

U1

I0

U0

3,6 V Betriebsspannung, 300 s Messdauer

spannung in Sperrrichtung nicht leitend wird. Dies ist notwendig, weil Bipolartransistoren relativ symmetrisch sind. Zwar können Kollektor und Emitter umgekehrt werden, und der Transistor würde noch als solcher funktionieren, allerdings mit schlechteren Eigenschaften. Dies bedeutet, dass eine Schutzschaltung, die nur aus den unteren Transistoren besteht, den Strom nicht vollständig sperren würde. Bei Ui = 1,5 V und Ii = 4 mA beträgt der Spannungsverlust im Durchlassbetrieb bei – 40 °C für drei in Reihe geschaltete Schottky-Dioden mit einem Wirkungsgrad von 48 % etwa 0,78 V. Bei der vorgeschlagenen Transistorlösung liegt der Spannungsverlust im Durchlassbetrieb unter den gleichen Bedingungen bei etwa 193 mV. Der Stromverlust beträgt etwa 69 μA bei einem Wirkungsgrad von 85  %. Eine detailliertere Erörterung und Analyse der transistorbasierten Sperre ist in [6] nachzulesen. Die elektronische Schaltung wurde mithilfe eines iterativen Ansatzes konzipiert, um eine optimale Verteilung der verfügbaren Leistung entsprechend den verschiedenen Betriebs­ arten (Stand-by, Demodulation, Modula­tion) und der Gerätestruktur (analog, digital) zu gewährleisten. Mithilfe der in diesem Artikel beschriebenen Verfahren ist den I­ngenieuren und Forschern von ABB gelungen, den WirelessHART-Adapter mit dem geringsten Spannungsabfall auf dem Markt zu entwickeln. Weitere Informationen unter www.abb.de/feldbus

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Spannungsverlust

2,1

0,7 60°C_DLC_3,6V_300s

25°C_DLC_3,6V_300s

85°C_DLC_10V_300s

60°C_DLC_10V_300s

40°C_DLC_10V_300s

25°C_DLC_10V_300s

0

0,3

40°C_DLC_3,6V_300s

5,4

2,7

85°C_DLC_3,6V_300s

DC-Leckstrom (μA)

44,6 40

Yannick Maret ABB Corporate Research Baden-Dättwil, Schweiz [email protected] Stefan U. Svensson ABB Corporate Research Ludvika, Schweden [email protected]

Tilo Merlin ABB Measurement Products Deutschland [email protected]

Literaturhinweise [1] FSK Physical Layer Specification. HART Communication Foundation. August 1999 [2] Johnston, G.: „Erschließung unzugänglicher Informationen: Der WirelessHART™ UpgradeAdapter von ABB“. ABB Technik 4/2009: 27–32 [3] IEC 60079-11 „Explosionsfähige Atmosphären – Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“. IEC 2006–2007 [4] Zednicek, T. et al. (2009): „Tire pressure monitoring system life time improvement by low leakage tantalum and NbO“. AVX Corporation [5] Gaunt, D. (November 1988): „Intrinsic safety-simplicity itself“. International conference on Electrical Safety in Hazardous Areas: 103–105 [6] Maret, Y., Schrag, D., Bloch, R. (2011): „On increasing the power available to an intrinsically safe wireless HART FieldKey“. IEEE International Symposium on Industrial Electronics

Editorial Board Claes Rytoft Chief Technology Officer Group R&D and Technology Clarissa Haller Head of Corporate Communications Ron Popper Head of Corporate Responsibility Eero Jaaskela Head of Group Account Management Andreas Moglestue Chief Editor, ABB Review [email protected] Herausgeber

Die ABB Technik wird herausgegeben von ABB Group R&D and Technology. ABB Technology Ltd. ABB Review Affolternstrasse 44 CH-8050 Zürich Schweiz Die ABB Technik erscheint viermal pro Jahr in Englisch, Französisch, Deutsch, Spanisch, Chinesisch und Russisch. Die ABB Technik wird kostenlos an Personen abgegeben, die an der Technologie und den Zielsetzungen von ABB interessiert sind. Wenn Sie an e ­ inem kostenlosen Abonnement interessiert sind, wenden Sie sich bitte an die nächste ABB-Vertretung, oder bestellen Sie die Zeitschrift online unter www.abb.com/abbreview. Der auszugsweise Nachdruck von Beiträgen ist bei vollständiger Quellenangabe gestattet. Ungekürzte Nachdrucke erfordern die schriftliche Zustimmung des Herausgebers. Herausgeber und Copyright © 2011 ABB Technology Ltd. Zürich, Schweiz Satz und Druck Vorarlberger Verlagsanstalt GmbH AT-6850 Dornbirn, Österreich Layout DAVILLA AG Zürich, Schweiz

Übersetzung Thore Speck, Dipl.-Technikübersetzer (FH) D-24941 Flensburg, Deutschland Haftungsausschluss Die in dieser Publikation enthaltenen Informationen geben die Sicht der Autoren wieder und dienen ausschließlich zu Informa­tionszwecken. Die wiedergegebenen Informationen können nicht Grundlage für eine praktische Nutzung derselben sein, da in j­edem Fall eine professionelle Beratung zu empfehlen ist. Wir weisen darauf hin, dass eine technische oder professionelle Beratung vorliegend nicht beabsichtigt ist. Die Unternehmen der ABB-Gruppe übernehmen weder ausdrücklich noch stillschweigend ­eine Haftung oder Garantie für die Inhalte oder die Richtigkeit der in dieser Publikation enthaltenen Informationen.

Vorschau 4|11

Wasser Wasser ist ein wichtiges Element des Lebens. Doch der Zugang dazu ist nicht gleichmäßig verteilt. Tatsächlich hat ein Sechstel der Menschheit keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser, und verschmutztes Wasser ist nach wie vor eine der Hauptursachen für Krankheiten. Doch nicht nur in den Entwicklungsländern ist die Trinkwasserversorgung ein Thema. Viele Städte in den Industrieländern haben eine Versorgungsinfrastruktur, die schon älter ist und modernisiert werden muss, um den steigenden Bedarf zu decken, Leckageverluste zu reduzieren und modernen Energie- und Umweltanforderungen gerecht zu werden. Die Ausgabe 4/2011 der ABB Technik befasst sich vornehmlich mit dem Thema Wasser und dem Beitrag von ABB auf diesem Gebiet. Unter dem Gesichtspunkt der Produktivität geht es unter anderem um Messtechnik, Antriebslösungen und Pumpanwendungen sowie um die übergeordneten Netzmanagement- und Leitsysteme. Außerdem befassen wir uns mit Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz in der Wasserversorgung und werfen einen Blick auf Entsalzungsanlagen als unkonventionelle Trinkwasserquelle. Diese und andere Themen lesen Sie in der Ausgabe 4/2011 der ABB Technik.

ISSN: 1013-3119 www.abb.com/abbreview

Vorschau

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Die Energie-Effizienz um 25 % erhöhen? Mit einer Komplettlösung für Energie- und Automationstechnik von ABB konnte das grösste Aluminiumwerk in Europa die Energieeffizienz um 25 % erhöhen und gleichzeitig die Produktivität steigern. Unsere Forscher und Entwickler arbeiten ständig daran, die Leistung von Unternehmen zu verbessern, Energie einzusparen – und die Umweltbelastung zu verringern. www.abb.com/betterworld

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