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Energieverluste im Niederspannungsnetz reduzieren

Bis zu 80 % sind machbar
Energieverluste im Niederspannungsnetz reduzieren

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Die EU-Klimaziele 2030 sind eng verknüpft mit einer verbesserten Energieeffizienz. Knappe Ressourcen sollen so geschont und der CO2-Ausstoß vermindert werden. Viele Unternehmen haben bereits Energieeffizienzprojekte gestartet. Doch was, wenn low-hanging fruits wie der Umstieg auf LED oder Wärmerückgewinnung bereits geerntet wurden? Das zentral installierte EPplus-System und das ECV-Messverfahren können Energieverluste im Niederspannungsnetz reduzieren.

Nicht nur die Klimaziele sind ein Grund für die Chemieindustrie, ihre Prozesse und Verfahren energieeffizienter zu gestalten. Auch die seit Jahren steigenden Energiekosten in Deutschland üben Druck auf die Branche aus. Die im internationalen Vergleich deutlich höheren Strompreise in Deutschland bedeuten einen erheblichen Wettbewerbsnachteil für energieintensive Unternehmen. So beliefen sich in der chemischen Industrie bereits 2014 die Energiekosten im Verhältnis zum Gesamtwert der erzeugten Produkte auf rund 4 %. Die Unternehmen haben bereits reagiert und investieren zum Teil enorme Summen in Energieeffizienzprojekte und moderne Technologien wie Kraft-Wärme-Kopplung. Typische Maßnahmen sind

  • der Ersatz von Kohle- durch Gas- oder Dampfturbinenkraftwerke,
  • der Zukauf von Dampf,
  • die Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung sowie
  • der Austausch älterer Beleuchtungssysteme wie Quecksilberdampf-Hochdrucklampen oder Leuchtstofflampen durch moderne LED-Technik.

Die Amortisationszeiten für solche Investitionen ist jedoch in der Regel lang. Einen Quick Win, der noch als Geheimtipp gehandelt wird, gibt es jedoch: die Installation einer zentral installierten Energieeffizienzlösung, die den Stromverbrauch im gesamten Niederspannungsnetz (400 V) eines Unternehmens verringert. Das bedeutet: Stromspitzen werden reduziert und geglättet. Denn je geringer der Widerstand, desto effektiver die Energieübertragung im Netz.

First Mover bei der Implementierung solcher Lösungen waren in den letzten zehn Jahren besonders stromintensive Unternehmen. Die meisten jedoch zögerten damit, da lange Zeit der Nachweis fehlte, ob die damit verbundenen Einsparungen tatsächlich erzielt werden. Und wenn ja, in welcher Höhe. Livarsa aus Baden-Württemberg hat deshalb in den letzten Jahren an einer Lösung dieses Dilemmas gearbeitet und nun das erste verlässliche Messverfahren für den Nachweis von Energieeffizienz-Steigerungen im Niederspannungsnetz entwickelt. Das bestätigte nun auch eine Untersuchung des Verfahrens durch den Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Hochschule Offenburg.

So funktioniert die Messung

Das sogenannte ECV-Messverfahren (Energy Comparison Value) ermöglicht einen verlässlichen Nachweis der Einsparung in kWh. Das Verfahren erfasst die gesamte elektrische Energie des angeschlossenen Stromnetzes – vom Mittelspannungstransformator summiert über alle Verbraucher hinweg. Das Verfahren kann in jedem Unternehmen und in jeder Branche eingesetzt werden.

Gemessen wird die Einsparung durch den direkten Vergleich aufeinanderfolgender Messintervalle, die sich durch eine Aufzeichnungsdauer auszeichnen. Hierbei sind der Zeitraum und die Intervalldauer der Vergleichsmessungen der entscheidende Punkt, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Denn: Da ständig elektrische Verbraucher ein- und ausgeschaltet werden, schwankt der Energieverbrauch in einem Unternehmen stark. Hinzu kommen wechselnde Lasten sowie wochentag-, saisonal- oder jahreszeitbedingte Effekte – und beim Einsatz von PV- oder Windkraftanlagen sogar minütlich. Wegen der daraus resultierenden starken Schwankungen war bisher eine verlässliche Effizienzmessung in einem geschlossenen Niederspannungsnetz nicht möglich.

Prof. Dr.-Ing. Jörg Bausch von der Hochschule Offenburg bestätigt: „Bisherige Messverfahren zum Nachweis der Energieeffizienz einer Anlage konnten die Vielzahl der Schwankungen im Lastprofil meist nicht berücksichtigen. Diese können bei Langzeitmessungen, die das gesamte innerbetriebliche Stromnetz berücksichtigen, zu teilweise großen Abweichungen führen, die sich wiederum auf die Genauigkeit und damit auch auf die Aussagekraft der Einsparungswerte auswirken. Mit dem ECV-Messverfahren ist es möglich, auch kleine Einsparungen nachzuweisen und zuverlässig zu quantifizieren“.

Energie sparen am Einspeisepunkt

Bisher funktioniert das ECV-Messverfahren nur im Zusammenspiel mit der von Livarsa angebotenen zentralen Energiespar-Hardwarelösung EPplus. Dazu wurde ein spezielles Bypass-System integriert, das entsprechend der gewählten – möglichst geringen – Intervalldauer von nur wenigen Minuten, automatisch gesteuert wird. Das Prinzip: Die zentral installierte Energieeffizienz-Lösung wird für jeweils ein Messintervall zu- und anschließend wieder abgeschaltet. Auf diese Weise entstehen nach und nach zwei Messreihen, einmal mit und einmal ohne Zuschaltung der Energieeffizienz-Lösung. Die erzielte Energieeinsparung wird folglich über den Vergleich der Energiedichte aufeinanderfolgender Intervalle nachgewiesen.

Energiesparen über eine zentrale Energieeffizienzlösung bedeutet – im Gegensatz zu herkömmlichen Energiesparmaßnahmen –, dass nicht einzelne Verbraucher betrachtet und optimiert werden. Stattdessen wird der sogenannte Einspeisepunkt bzw. die Niederspannungshauptverteilung (NSHV) als zentrale Schaltanlage fokussiert. Und damit der Punkt, an dem der gesamte Energieverbrauch eines Unternehmens in Kilowattstunden gemessen wird.

Wie kommt es zu Energieverlusten?

In jedem Gebäudenetz kommt es grundsätzlich immer zu elektrischen Verlusten. Wie groß diese real sind, ist abhängig von dem Aufbau der gesamten elektrischen Installation – vom Trafo, der Hauptverteilung, den Unterverteilungen und Knotenpunkten über die Kabelführung bis hin zu der Art und Dimensionierung der eingesetzten Verbraucher. All diese Parameter nehmen Einfluss auf die Qualität der Strom- und Netzspannungsversorgung. Mit einer zentralen Energieeffizienzlösung bzw. Mess-, Steuer- und Regelungseinheit (MSR) wie dem
EPplus-System wird eine Verbesserung der Netzqualität erreicht. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der elektrischen Energieverluste, die sich heute auch quantifizieren lässt. Die Energieverluste selbst bewegen sich in der Regel zwischen 3 und 8 % des elektrischen Energiebedarfs.

Durch eine zentrale Energieeffizienzlösung lassen sich diese Verluste jedoch auf ein Minimum beschränken. Dies geschieht durch intelligentes Zusammenwirken von integrierten Aktoren, Sensoren sowie Steuer- und Regelungskomponenten und unter Anwendung der physikalischen und elektrotechnischen Grundregel von Gustaf Robert Kirchhoff (Kirchhoffsche Regeln). Dazu wird die Energieeffizienzlösung zentral, nach dem Mittelspannungstransformatoren in Serie in das Niederspannungsnetz (400 V) eingebunden. Wird sie eingeschaltet, entsteht ein Rückkoppelungsstrom von rund
4 bis 9 % des gesamten Nennstroms, der über einen fluktuierenden neuen Sternpunkt zurück auf den Kontenpunkt (Stromnetzt) fließt. Der so erzielte Effekt entspricht dem eines Filters und verbessert über diesen Anteil des Rückkopplungsstrom den gesamten Wirkungsgrad des elektrischen Niederspannungsnetzes. Das Ergebnis: weniger Energieverluste und damit auch geringere Energiekosten.

Rechenexempel mit 3,2 GWh

Das Ergebnis: Bisherige vorhandene Energieverluste im Niederspannungsnetz können um 40 bis 80 % reduziert werden – und damit bis zu 6 % der gesamten benötigten elektrischen Energie. Dass sich das rechnet, belegt das folgende Beispiel einer Investitionsrechnung für ein Unternehmen mit einem Jahresstromverbrauch von 3,2 GWh (Tabelle). Die Förderung durch die Bafa (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) ist im Falle der Livarsa-Lösung aufgrund ihrer nachgewiesenen Wirksamkeit bereits gegeben.

Viele Chemieunternehmen haben jedoch einen weitaus höheren Strombedarf. Vor allem bei der Herstellung chemischer Grundstoffe wie beispielsweise Chlor. Hier machen die Stromkosten sogar gut 50 % der gesamten Herstellungskosten aus. So liegt der Jahresstromverbrauch eines Chlorproduzenten bei circa 650 GWh. Die Einsparung durch eine zentral installierte Energiesparanlage wäre hier weitaus höher: Sie läge im Millionenbereich.

Weitere Vorteile

Neben den messbaren Einsparungen bringt die Implementierung der Livarsa-Komponenten aber auch zusätzlichen technischen Nutzen wie beispielsweise:

  • Erhöhung der Stabilität des Stromnetzes und der Versorgungssicherheit durch die Reduzierung von Netzrückwirkungen
  • Erhöhung der Betriebssicherheit der angeschlossenen Geräte und Systeme durch die Verbesserung der THD-Werte (Oberwellen)
  • Erhöhung der Langlebigkeit der angeschlossenen Verbraucher und Technik
  • Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei Veränderungen durch Echtzeitüberblick über alle elektrischen Parameter aufgrund der dichten Abtastfrequenz
  • Identifizierung weiterer Einsparpotenziale, weil durch das Energiemonitoring Lastspitzen aufgedeckt werden

Fazit

Die Implementierung einer zentral installierten Energieeffizienzlösung mag eine kleine Stellschraube im Gesamtenergiekonzept eines Unternehmens sein – aber eine mit großer Wirkung. Vorausgesetzt, die Anlage hält, was sie verspricht. Nachweisbar ist dies bisher nur mit dem ECV-Messverfahren (Energy Comparison Value), das derzeit nur für die Livarsa-Hardware einsetzbar ist. Allerdings soll es im Rahmen einer Lizenzvergabe auch allen Hardware-Herstellern zugänglich gemacht werden – mittelfristig wird sogar die Zulassung als ISO-zertifiziertes Standardverfahren zur Energieeffizienzmessung angestrebt.

Livarsa GmbH, Zell am Harmersbach


Autor: Salvi Donato

Geschäftsführer,

Livarsa


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