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Die Effizienz im Fokus

Schlüsseltechnologie für niedrigere Betriebskosten
Die Effizienz im Fokus

Eine Schlüsselrolle beim Thema Energieeffizienz in der Prozessindustrie kommt der Antriebstechnik zu, gehen doch etwa zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs auf ihr Konto. Eingebettet in ein Gesamtkonzept des betrieblichen Energiemanagements lassen sich mit effizienter Antriebstechnik erhebliche Einsparpotenziale freisetzen. Produktentwicklungen wie durchgängige Reihen hocheffizienter Motoren – auch für den Ex-Bereich – und Leistungserweiterungen bei energiesparenden Frequenzumrichtern bringen weitere Einsparmöglichkeiten.

Der Autor: Stefan Rausch Technischer Redakteur, Siemens Large Drives

Erfolgreiches Energiemanagement steigert die Produktivität der in einer Anlage eingesetzten Energie im Rahmen eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses. Nach dem bei Siemens angewandten Konzept gliedert sich das Energiemanagement in drei grundlegende Phasen. In der Phase „Identifizieren“ erfasst, visualisiert und analysiert geeignete Hard- und Software die Energieflüsse in der Anlage. Damit werden diese transparent, ermöglichen eine energetisch optimale Gestaltung des Prozesses und decken Einsparpotenziale auf. In der zweiten Phase „Evaluieren“ berechnen leistungsstarke Softwaretools das exakte Einsparpotenzial und die Wirtschaftlichkeit möglicher Maßnahmen. Die dritte Phase ist die des „Realisierens“. Hier geht es um die Umsetzung konkreter Maßnahmen, die tatsächlich Energie einsparen.
Antriebstechnik als wichtigster Hebel
Bei Energiesparmaßnahmen ist die Antriebstechnik häufig der wichtigste Hebel, schon aufgrund ihrer beherrschenden Rolle beim industriellen Stromverbrauch. Dies gilt insbesondere auch für die Prozessindustrie mit ihren unzähligen Pumpen-, Lüfter-, Kompressoren-, Extruder-, Mischer-, Kneter- und Förderbandantrieben. Bereits der Blick auf die Betriebskosten des einzelnen Motors verdeutlicht die Bedeutung des Energieverbrauchs der Antriebstechnik: Etwa 95 % der Lebenszykluskosten eines Motors entfallen auf den Betrieb, wobei die Energiekosten in der Regel der weitaus größte Kostenfaktor sind. Die Grundlage für energieeffiziente Antriebssysteme ist dabei der Wirkungsgrad der Motoren selbst, besonders dann, wenn diese – wie bei vielen Prozessen üblich – eine hohe Betriebsstundenzahl aufweisen. Der Motorwirkungsgrad hat inzwischen auch Eingang in die Gesetzgebung gefunden. Vor dem Hintergrund des Klimaschutzes führen weltweit immer mehr Länder Mindestwirkungsgrade verpflichtend ein. Im Europäischen Wirtschaftsraum beispielsweise dürfen ab dem 16. Juni dieses Jahres nur noch Motoren der hohen Wirkungsgradklasse IE2 in Verkehr gebracht werden. Ein solcher IE2-Motor hat einen um bis zu sieben Prozent höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Motoren.
Hocheffiziente Ex-Motoren
Nicht nur bei den Standardmotoren liefert Siemens ein durchgängiges Spektrum an hocheffizienten Motoren über den gesamten Gültigkeitsbereich der Norm von 0,75 bis 375 kW, sondern auch bei den explosionsgeschützten Motoren, die laut Gesetz gar nicht unter diese Regelung fallen. Dennoch sind bei dem lückenlosen Portfolio von Siemens und der Tochterfirma Loher Motoren aller Zündschutzarten – Ex n, Ex e, Ex p und Ex d – für den kompletten Gültigkeitsbereich der Norm in IE2 erhältlich. Die hocheffizienten Ex-Motoren sind auch nach den gängigen internationalen Regelwerken zum Explosionsschutz zertifiziert, unter anderem auch nach dem neuen internationalen IECEx-Schema, das mittelfristig die weltweite Plattform für die gegenseitige Anerkennung und Übernahme von Prüfungen und Zertifizierungen für explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel werden soll. Das IECEx-Schema ist in Australien und Neuseeland bereits vorgeschrieben, viele wichtige Industrienationen – unter anderem fast ganz Europa, China, Russland sowie USA und Kanada – haben das entsprechende Zertifizierungsabkommen unterzeichnet.
Über die existierenden Reihen in IECEx oder anderweitig zertifizierten explosionsgeschützten Motoren hinaus können auf Anfrage auch anwenderspezifische Ex-Motoren in der noch höheren Effizienzklasse IE3 gefertigt werden. Eine durchgängige Reihe an explosionsgeschützten Motoren in IE3 ist derzeit in Entwicklung.
Weiter fortgeschritten ist die Entwicklung bei nicht explosionsgeschützten Standardmotoren, für die IE3 (Premium Efficiency) von 2015 bis 2017 schrittweise verpflichtend werden soll. Hier sind bereits entsprechende Reihen vorhanden. Ein Beispiel ist die robuste Graugussreihe 1LE1, die mit Ausprägungen in IE2, IE3 und Nema-Premium für Nordamerika den kompletten Weltmarkt an hocheffizienten Motoren abdeckt.
Bis zu 70 % Sparpotenzial
Gerade die Prozessindustrie, deren vorherrschende Antriebsapplikationen das Fördern von Gasen und Flüssigkeiten mit Pumpen, Lüftern und Kompressoren sind, birgt noch ein weiteres, entscheidendes Einsparpotenzial: Den drehzahlvariablen Betrieb solcher Strömungsmaschinen, bei denen die Leistungsaufnahme proportional zur dritten Potenz der Drehzahl wächst. Wird eine solche Strömungsmaschine mit einem Motor fester Drehzahl betrieben und die Fördermenge mechanisch geregelt, sind die Teillastverluste enorm. Der Motor läuft immer auf vollen Touren, obwohl bei Fördermengen unterhalb des Maximums oft nur ein Bruchteil der Leistung benötigt werden würde, eben weil die Leistungsaufnahme proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ist. Frequenzumrichter hingegen passen die Drehzahl und damit die Energieaufnahme stets genau den aktuellen betrieblichen Erfordernissen an. In anderen Worten: Der Motor nimmt nur die Leistung auf, die gerade notwendig ist.
In vielen Applikationen wird die maximale Fördermenge nur selten benötigt. Je nach individuellem Förderprofil kann darum bei Pumpen und Kompressoren die Ersparnis durch drehzahlvariablen Betrieb bis zu 70 % betragen.
Solche Werte werden natürlich nur dann erreicht, wenn die Fördermenge prozessbedingt variiert. Für Antriebsaufgaben, bei denen die Fördermenge immer konstant ist, kann trotzdem Energie gespart werden. Sanftstarter, beispielsweise der Sirius-Familie, vermeiden Stromspitzen und reduzieren gegenüber einer direkten Netzanschaltung die Spitzenbelastung beim Anfahren um bis zu 60 %.
Frequenzumrichter als Lösung
Bei Applikationen mit häufigem Teillastbetrieb ist aber auf jeden Fall ein Frequenzumrichter die Lösung für maximale Energieeffizienz. Die durchgängige Antriebsfamilie Sinamics deckt alle Antriebsaufgaben in der Prozessindustrie ab, von der kleinen Dosierpumpe bis zum zentralen Kompressor einer Gasverflüssigungsanlage, von 0,12 kW bis 120 MW. Um die Einsparpotenziale durch den drehzahlvariablen Betrieb voll ausschöpfen zu können, wurde jetzt das Leistungsspektrum von speziell auf Anwendungen wie Pumpen, Lüfter und Kompressoren zugeschnittenen Frequenzumrichtern erweitert. So reicht das Leistungsspektrum des Umrichters G120P jetzt bis 90 kW und das Schrankgerät Sinamics G150 ist nun für Leistungen bis 2700 kW verfügbar. Bei dem von Loher speziell für die Chemie und Petrochemie entwickelten Dynavert T reicht das Spektrum jetzt bis 6600 kW. Auch chemiespezifische Features wie Namur-Klemmleisten und -Funktionen sowie die sichere elektrische Trennung nach PELV sind in diesem erweiterten Leistungsbereich verfügbar. Über spezielle Treiberbausteine und Faceplates sind die Geräte voll in übergeordnete Prozessleitsysteme wie Simatic PCS7 eingebunden.
Zusammenspiel bringt Ersparnis
Grundsätzlich sind die Antriebssysteme für die Prozessindustrie voll in die übergeordnete Automatisierungslandschaft eingebunden. Die Kommunikation – auch der Energiedaten – erfolgt dabei über die passenden Schnittstellen und Bussysteme, wie z. B. Profibus, in der Prozessindustrie immer mehr auch Profinet. In einer solchen anlagenweiten Lösung spielt die Antriebstechnik perfekt zusammen mit allen anderen für das Energiemanagement entscheidenden Produkten und Systemen. Hierzu gehören unter anderem Multifunktionsgeräte wie Sentron Pac zum Erfassen der Energiewerte, Software wie b-data und Simatic Powerrate für PCS7, Sirius-Schalt- und Schutzgeräte für intelligentes Lastmanagement und die standardisierte Datenschnittstelle zum gezielten Abschalten der im Prozess gerade nicht benötigten Verbraucher. Im Antriebssystem sind Motor, Frequenzumrichter und die mechanischen Schnittstellen wie Getriebe oder Kupplungen optimal aufeinander abgestimmt, was wiederum die Systemwirkungsgrade weiter erhöht. Erst ein solch umfassend und durchgängig abgestimmtes Zusammenspiel aller Systeme und Komponenten einer Anlage ermöglicht es, das nach dem Stand der Technik mögliche Optimum aus Energie- und Kosteneffizienz auszunutzen. Eine solche integrierte Lösung mit allen hierfür benötigten Komponenten und Systemen aus einer Hand wirkt nicht nur kurzfristig, sondern steigert die Produktivität der eingesetzten Energie kontinuierlich über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage.
Halle 9, Stand A72
Online-Info: www.cav.de/0311425
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